第三章 过滤与沉降

非均相混合物包含两个部分： （1）分散相（分散物质）——非均相物 系中处于分散状态的物质，如混悬液中的固 体颗粒、乳浊液中的微滴、泡沫液中的气泡、 含尘气体中的粉粒等；
（2）连续相（分散介质）——包围着分 散物质而处于连续状态的流体，如混悬液中 的液体、含尘气体中的气体。
二、非均相混合物的分离目的
第二节 离心沉降
离心沉降是依靠惯性离心力的作用而实现 的沉降过程。离心沉降比重力沉降的速度快、 分离效果好，尤其当粒子较小或两相密度差 较小时可采用离心沉降。
一、离心沉降速度
在惯性离心力场中，颗粒受到惯性离心力、 向心力和阻力的作用，当三力达到平衡时， 可求出离心沉降速度ur为：
ur
4d (s )guT2 3 R
（8）
将（8）式与（1）式比较可以看出，颗粒
的离心沉降速度与重力沉降速度具有相似的
关系式，只是将重力加速度g换成了离心加
速度
uT2 R
(uT表示离心机转鼓的切向速度)，但
两者有着本质区别：
重力沉降速度ut为恒定值，而离心沉降速 度ur随颗粒在离心力场中距轴心的距离R而变 化。
在离心沉降速度所对应Ret位于层流区 （10-4＜Ret＜1）时，阻力因素ζ仍然符合斯
2、沉降槽 沉降槽是利用重力沉降使混悬液中固相与液 相分离，得到澄清液与稠厚沉渣的设备，又叫 澄清器或者增浓器。 间歇式沉降槽在中药前处理水提醇沉工艺中 较常用，是底部稍呈锥形并有出渣口的大直径 贮液罐。药液装入罐内静置足够时间后，用泵 或虹吸管将上部清液抽出，由底口放出沉渣。 重力沉降速度的强化：增大沉降槽的横截面 积，以保证液体颗粒有足够时间沉降；在不影 响产品质量的前提下，可加入适宜的絮凝剂促 使细微粒子絮凝，以提高沉降速度。
2、非球形颗粒的自由沉降速度
相同密度的颗粒，球形或近球形颗粒的沉 降速度大于同体积非球形颗粒的沉降速度。 颗粒的球形度Ф：
Ф=SP/S
式中Ф——颗粒的球形度，或称形状因素， 量纲一，Ф≤1；
S——任意几何形状颗粒的表面积，m2； SP——与该颗粒体积相等的球体的表面积， m2。 由上式可知，Фs值越小，颗粒形状与球形 的差异越大。
气体通过降尘室的时间为：
t1=L/ug 颗粒完全沉降所需要的最长时间为：
t2=H/ut
式中 H——降尘室高度，m； L——降尘室长度，m； ug——气流在降尘室内的流速，m/s。
若要求降尘室出口气流中无尘粒，必须 有t1≥t2,即有
L/ug≥H/ut 或H≤L· ut/ug
对于一定粒径和密度的悬浮微粒，重力沉 降速度ut一定，若要提高降尘室的除尘效率， 应尽量降低尘粒的沉降距离H，因此一般降尘 室内均匀设置多层水平隔板，以提高除尘效 率。
3、环境保护和安全生产
捕集生产废气中的粉尘以达到排放标准； 去除容易构成危险隐患的漂浮粉尘保证安全 生产。
对于液态均相物系，也可以利用物系中各 物质分子粒径的不同，可以使用超滤技术使 其得到提纯或分离等。
第一节 重力沉降
在某种力场中由于非均相物系中分散相和 连续相之间存在密度差异，在力的作用下使 之发生相对运动而实现分离的操作过程。视 作用力的不同分为重力沉降和离心沉降两种 方式。
利用其分散相和连续相的密度、粒径等物 理性质的差异，可采用机械方法将它们分离。 其分离的目的有：
1、回收有用物质
收集粉碎机、干燥器、蒸发设备等设备出 口气流中的药粉或药液雾滴。
2、去除杂质和静化空气
除去药液中无用的混悬颗粒以便得到澄清 的药液；将结晶产品与母液分开；除去空气 中的尘粒以便得到洁净空气。
随之增大，直到速度增加到一定值ut后，重 力、浮力、阻力三者达到平衡，颗粒以ut作 匀速沉降运动。
对于微小颗粒，沉降的加速阶段时间很短， 可以忽略不计，因此整个沉降过程可视为恒 速过程。沉降速度ut为：
ut
4dg(s ) 3
（1）
式中ut——沉降速度，m/s； ζ——沉降阻力因素，量纲一；
d为球形颗粒的直径，ρs和ρ分别为颗粒密 度和流体密度。
计算雷诺数查取ζ值时，雷诺数Ret中直径
d应以非球形颗粒的体积当量直径de来代替， 即
de
3
6VP
式中VP为任意形状的沉降颗粒的体积；de为 体积当量直径。
二、重力沉降设备
1、降尘室
利用重力沉降作用从含尘气体中分离悬浮 尘粒的设备。
含尘气体以一定流速进入降尘室后，因流 道截面积扩大而速度减慢，气流中的悬浮尘 粒因自身重力而产生垂直向下的分速度，只 要颗粒能够在气体通过降尘室的时间内降至 室底，便可实现分离。
第四章 过滤与沉降
一、混合物的分类
1、均相混合物（均相物系）
在物系内部各处物料性质均匀一致而不存 在相界面，均相物系பைடு நூலகம்各物质以分子或离子 状态分散，如溶液及混合气。
2、非均相混合物（非均相物系）
在物系内部有隔开两相的界面存在，且相 界面两侧物料是截然不同的，分为气态非均 相混合物和液态非均相混合物，前者如含尘 气体，后者如悬浮液、乳浊液。
一、重力沉降速度
依靠重力作用而发生的沉降过程。如中药 浸提液的静置澄清工艺。
1、球形颗粒的自由沉降 颗粒在静止流体中沉降时，不受其他颗粒 的干扰和器壁的影响，称为自由沉降。沉降 过程中受到三个力的作用：重力Fg，方向垂 直向下；浮力Fb，方向向上；阻力Fd，方向 向上。
颗粒开始沉降后，随着速度的增加，阻力
托克斯定律，将ζ=24/Ret代入（8）式有：
层流区 10-4＜Ret＜2，
ut
d2(s )g 18
过渡区 2＜Ret＜103，
（5）
ut d 3
4g2(s )2 225
（6）
湍流区 103＜Ret＜2×105，
ut 1.74
d(s )g
（7）
（5）、（6）、(7)式分别称为斯托克斯公 式、艾仑公式及牛顿公式。
由以上三个公式可以看出，ut与d、(ρs-ρ) 呈正相关。
ζ与Ret（颗粒与流体相对运动时的雷诺准 数）的关系：
层流区（斯托克斯定律区）10-4＜Ret＜2，
ζ=24/Ret
（2）
过渡区（艾仑定律区） 2＜Ret＜103，
ζ=10/Ret0.5
（3）
湍流区（牛顿定律区）103＜Ret＜2×105，
ζ=0.44
（4）
将（2）、（3）、（4）分别代入（1）式， 可得各区域的沉降速度公式：