离心分离的原理与离心机的选择.doc

离心分离的原理与离心机的选择 离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械。离心机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开。离心机广泛应用于生命科学、石油化工、食品、制药等领域。一、离心力场的基本特性 分离因数（Fr）和沉降速度（g）是离心力场的基本特性。离心机在运行过程中产生的离心加速度和重力加速度的比值，称为该离心机的分离因数。 式中：r离心机转鼓半径，cm；转鼓的角速度，1/s；n转鼓的转速，rmin。 分离因数是离心机分离能力的主要指标，分离因数Fr愈大，物料所受的离心力亦大，分离效果就好。对于小颗粒，液相粘度大的难分离悬浮液，需采用分离因数大的离心机加以分离。目前，工业用离心机的分离因数Fr值由数百到数十万。 分离因数Fr与离心机的转鼓半径成正比，与转鼓转速n的平方成正比，因此，提高转鼓转速比增大转鼓半径对分离因数Fr的影响要大得多。分离因数Fr的极限值取决于转鼓材料的机械强度，一般超高速离心机的结构特点是小直径，高转速。 根据斯托克斯定律，颗粒在溶液中的沉降速度Vg与下列因素有关： 式中：Vg颗粒在液相中的沉降速度，ms-1；d颗粒直径，m；颗粒密度，kgm3；液体密度，kgm-3； 液体粘度，Pas；g重力加速度，ms-2。 从上式可以看出，颗粒的沉降速度Vg与颗粒的直径平方成正比，与颗粒和液体的密度差成正比，与液体粘度成反比。 如果在离心力场中则颗粒的沉降速度为： 在分离过程中，颗粒的沉降速度Vg越大，分离效果就越显著，斯托克斯定律表明了分离效果与物性参数的基本关系。二、离心机的选择 悬浮液是指液体和悬浮于其中的固体颗粒所组成的系统。根据固体颗粒的大小与浓度可分为：粗颗粒悬浮液、细颗粒悬浮液、高浓度悬浮液和低浓度悬浮液。固体颗粒的粒度，悬浮液的浓度及滤渣或沉渣的厚度增长率与离心机的处理能力有密切的关系，在设备选型中占有重要的地位。 固体颗粒特性一般指颗粒群中颗粒的主要物理性质，包括颗粒的大小、粒度分布、形状、密度、表面性质等。它们与分离有着密切的关系。 常速离心机：最大转速在8000rmin以内，相对离心力(RCF)在1104g以下。主要用于细胞、细胞碎片和培养基残渣等固形物的分离，也用于酶的结晶等较大颗粒的分离。 高速离心机：最大转速为(12.5)104rmin，相对离心力达到(104105)g，主要用于各种沉淀物、细胞碎片和细胞器等的分离。 超速离心机:最大转速达(2512)104 rmin，相对离心力可以高达106g。超速离心主要用于DNA、RNA、蛋白质等生物大分子以及细胞器、病毒等的分离纯化，样品纯度的检测，沉降系数和相对分子质量的测定等。 工业离心机的选择：固体颗粒的大小与离心机的选择如下图所示。 乳浊液是由液体和悬浮于其中的一种或数种其他液体所组成的多相系统，其中至少有一种液体以液珠的形式均匀地分散于一个和它不互溶的液体之中，以液珠形式存在的液体称为分散相（内相或非连续相）；另一相称为连续相（外相或非分散相）。乳浊液的液珠直径一般大于0.1m。乳浊液的稳定性低，当悬浮液珠达一定大小时，组成它的两相会较快地分层。悬浮液珠的“临界”大小约等于0.40.5m，当悬浮液珠小于此值时，乳浊液显得稳定，组成它的两相不会分层。此种体系皆有一个最低稳定度，当有表面活性剂或固体粉末存在时，稳定度可明显增加。 1、脱水 脱水过程是使悬浮液中的固相从液相中分离出来，且要求含的液相越少越好，一般有三种情况： 固相浓度较高，固相颗粒是刚体或晶体，且粒径较大，则可选用离心过滤机；如果颗粒允许被破碎，则可选用刮刀离心机；若颗粒不允许被破碎，则可选用活塞推料或卸料离心机。 固相浓度较低，颗粒粒径很细，或是无定型的菌丝体，如果选用离心过滤机，由于粒径太细，滤网跑料严重。若滤网太细，则脱水性能下降，无定型的菌丝体和含油的固体颗粒会把滤网堵死。在此情况下，建议采用没有滤网的三足式沉降离心机或卧式螺旋沉降离心机，并根据固相粒径大小、液固密度差，选择合适的分离因数、长径比（L/D）、流量、转差和溢流半径。如果颗粒大小很不均匀，则可先用筛分把粗颗粒除去，然后再用离心机进一步脱水。 悬浮液中固-液二相的密度差接近，颗粒粒径在0.05mm以上的，则可选用过滤离心机。 2、澄清 澄清是指大量的液相中含有少量的固相，希望把少量的固相从液相中除去，使液相得到澄清。大量液相、少量固相且固相粒径很小（10m以下）或是无定型的菌丝体，可选用卧螺、碟式或臂式离心机。如果固相含量1，粒径5m，则可选用管式或碟式人工排渣分离机。如果固相含量3，粒径5m，则可选用碟式活塞排渣分离机。其中，管式分离机的分离因数较高（Fr10000），可分离粒径在0.5m左右较细小的颗粒，所得的澄清液澄清度较高，但单机处理量小，分离后固体干渣紧贴在转鼓内壁上，清渣时需拆开机器，不能连续生产。为方便清渣，有在转筒内壁衬有薄薄的塑料纸筒，出渣时把纸筒抽出即可。碟式人工排渣分离机分离因数也较高（Fr 10000），由于碟式组合，沉降面积大，沉降距离小，所得的澄清液的澄清度较高，且处理量较管式离心机大，但分离出的固相也沉积在转鼓内壁上，需定期拆机清渣，不能连续生产。 3、浓缩 浓缩过程是使悬浮液中的少量固相得到富集，如原来悬浮液中的固相含量为0.5，通过浓缩使其增加到68，这个过程就是浓缩过程。常用的分离设备有碟式外喷嘴排渣分离机、卧式螺旋卸料离心机和旋液分离器等。固液密度差大的物料，可用旋液分离器，一般采用多级串并联流程，如淀粉生产中的浓缩，有色金属矿的浮选浓缩等。固液密度差较小的物料可用碟式外喷嘴排渣分离机或卧式螺旋卸料沉降离心机，碟式外喷嘴排渣分离机用于固相浓缩较为普遍，浓缩率的大小与悬浮液本身的浓度、固液相密度差、固相颗粒粒径及分布以及喷嘴的孔径和分离机的转速等有关，喷嘴孔