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第4章物料分离机械与设备 1 2 压榨机械与设备过滤设备离心设备膜技术设备 3 4 1压榨机械与设备 压榨简介间歇式压榨机手动式压榨机液压压榨设备气囊式压榨机连续式压榨机螺旋压榨机带式压榨机 4 压榨的目是为了将固液相混合物分离 固液混合物流动性好 易于泵送的可采用过滤分离 不易用泵输送的应采用压榨分离 在过滤操作中 当滤饼中液体需去除得更彻底些时 就需用到压榨操作 在某些生产过程中 压榨效果与干燥相似 由于机械脱水法通常较热处理法更经济 因此压榨作业一直被广泛应用着 一 压榨简介 1 压榨操作的特点 压榨是通过机械压缩力将液相从液固两相混合物中分离出来的一种单元操作 在压榨过程中液相流出而固相截留在压榨面之间 与过滤不同的是 压榨的压力是由于压榨面的移动而不是由于物料泵送到一个固定的空间而施加的 2 压缩 过滤和干燥 5 3 压榨过程的工序 压榨过程主要包括加料 压榨 卸渣等工序 有时 由于进料状态要求或为了提高压榨效率 需对物料进行必要的预处理 如破碎 热烫 打浆等 4 压缩在食品工业中的典型应用 在食品工业上 压榨主要用于从可可豆 椰子 花生 棕榈仁 大豆 菜子等种子或果仁中榨取油脂 以及从甘蔗中榨取糖汁 压榨的另一个重要用途就是用来榨取如苹果和柑橘之类的果汁 6 压榨设备按操作方式有间歇式和连续式两类 间歇式压榨机 其加料 卸料等均是间歇进行的 具有结构简单 安装费用低 操作压力易控制 能满足压榨过程中压力由小到大逐渐增加的工艺要求等优点 适用于小规模生产或传统产品的生产过程 间歇式压榨机主要为液压压榨机 型式有箱式 板式 缸式 筐式和笼式等 连续式压榨机主要型式 螺旋式 辊式和带式 连续压榨机可适用于不同生产规模的需要 5 压榨设备类型 7 二 间歇式压榨机 手动式压榨机液压压榨设备气囊式压榨机 间歇式压榨机有多种形式 大体上可以根据施压的方式分为机械螺杆型 液压型和气压型三类 8 一 手动式压榨机 图4 1手动式压榨机示意图 如图4 1所示操作 先用布袋将要压榨的物料包裹起来 放在压榨板和机座之间 扳动手柄经螺杆使压榨板下降而对物料施加很高的压力 1 20kN 将物中所含汁液压榨出来 流入下部汁液收集盘中 榨渣留在布袋中 应注意压力必须缓缓地增加 以免布袋破裂造成榨汁混浊 待泄压且压榨板复位后 将压榨渣由机座取下卸料 9 二 液压压榨机 箱式压榨机板式压榨机筐式压榨机卧篮式压榨机 1 箱式压榨机 待榨物料用滤布袋包装后放进一组钢箱中 这些钢箱置于压榨机的固定端板和活动端板之间 每个压榨箱均设有排液栅板 面上铺有多孔滤垫 滤布袋就放在这些滤垫上 在液压作用下 叠置在钢箱中的滤布袋作为一个整体受到挤压 10 2 板式压榨机 典型板式压榨机如图4 2所示 它由四根直立钢柱做成坚固的压榨支架 上有顶板下有底板 中间夹有10 16块压榨板 距离75 25mm 当液压活塞加压向上移动时压榨板间的物料受到压缩 压榨初期的压力较低 通常仅约几个兆帕 当被榨取物料的体积逐渐缩小时 压力增加很快 可达到初期压力的5 10倍 压榨后的残渣形成了组织紧密而又坚实的榨饼 图4 2板式压榨机示意图 11 3 筐式压榨机 待榨物料置于由梯形截面的木条 钢条或多孔钢板围成的圆筒内 加压时液体流出筒壁 沿筒壁外侧流向压榨机底座的集液槽 由于筐式压榨机不用滤布 因此最适于非油料的压榨 但榨出液常混杂一些固体碎片 12 食品工业中 这类压榨机常用在果汁 菜汁的生产 用于葡萄汁压榨时 最终的压榨压力一般为0 3 0 4MPa 最高时可达1 2 1 6MPa 筐式压榨机也用于鲸脂 鱼脂以及其它不需高压的油脂压榨 13 4 卧篮式压榨机 卧篮式压榨机也称布赫 Bucher 榨汁机 最初是瑞士布赫公司用来生产苹果汁的专用设备 最大加工能力8 10t h苹果原料 出汁率82 84 设备功率24 7kW 活塞行程1480mm 布赫榨汁机的结构布赫榨汁机压榨过程的工作状态布赫榨汁机的主要工序应用 14 1 布赫榨汁机的结构 如图4 4所示 关键部件是可获得低混浊天然纯果汁的尼龙滤绳组合体 滤绳由强度很高且柔性很强的多股尼龙线复捻而成 沿其长度方向有许多贯通的沟槽 其表面缠有滤网 一台榨汁机滤绳多达220根 15 图4 4布赫榨汁机结构图 16 2 压榨过程中滤绳的工作状态 挤压时汁液经滤绳过滤后进入绳体沟槽 沿绳索流至贮汁槽 然后挤压面复位 绳索重新逐渐伸直 由于绳索的运动使浆渣松动 破碎 然后再次挤压 如此周期动作 直到按预定程序结束榨汁过程 榨汁结束后 压榨室外筒与挤压面同时移动 使浆渣松动并将其排出 1 装料 2 压挤 3 复位松渣 4 排渣 图4 5滤绳在压榨过程中的工作状态 17 3 布赫榨汁机的主要工序 装料 通过一次性或多次性装料可以优化装料过程 压榨 可根据原料情况调整压榨的各种参数 二次压榨 在压榨后的果渣中加水 进行浸提后再次压榨 用以提高出汁率 排渣 通过选择一次性或多次性排渣程序可以提高整体榨汁能力 清洗 在经过多次榨汁循环后可采用就地清洗 CIP 方式对榨汁机清洗 以保持系统卫生 避免微生物的污染 18 目前 布赫榨汁机已发展成为可适合多品种果蔬榨汁的通用型筐式榨汁机 可用于仁果类 苹果 梨 核果类 樱桃 桃杏李 浆果类 葡萄 草莓 某些热带水果 菠萝 芒果 和蔬菜类 胡萝卜 芹菜 白菜 的榨汁 4 布赫榨汁机应用 19 三 气囊压榨机 又称为维尔密斯 Willmes 压榨机 1 基本结构 卧式圆筒筛 内侧有一个过滤用的滤布圆筒筛 滤布圆筒筛内装有一个能充压缩空气的橡胶气囊 图4 5气囊压榨机截面 压缩空气将橡胶气囊充胀起来 给夹在橡胶气囊与圆筒筛之间的物料由里向外施加压力 同时 整个装置旋转起来 使空气压力均匀分布在物料上 分多次增压将果汁榨出 2 原理 3 应用常用于葡萄酒厂及果汁饮料厂的生产 它可以压榨任何果汁甚至黏性的果渣 20 二 连续式压榨机 连续式压榨机的进料 压榨 卸渣等工序都是连续进行的 食品工业中 最有代表性的这类压榨设备是螺旋压榨机 其它还有带式压榨机和辊式压榨机等 辊式压榨机主要在榨糖操作中应用 这里不作介绍 以下介绍螺旋压榨机和带式压榨机 螺旋压榨机带式压榨机 21 螺旋压榨机是使用比较广泛的一种连续式压榨机 很早就用来榨油 水果榨汁及鱼肉磨碎物的压榨脱水上 近年来随着压榨理论研究的进展 以及设备本身的革新 使得该设备的应用更加广泛 图3 7复试对辊式磨粉机 一 螺旋压榨机 螺旋压榨机的结构螺旋压榨机的操作特点 22 1 螺旋压榨机的结构 如图4 6所示 主要由压榨螺杆 圆筒筛 离合器 压力调整机构 传动装置 汁液收集斗和机架组成 图4 6螺旋压榨机 23 1 压榨螺杆 由两端的轴承8支承在机架上 传动系统使螺杆9在圆筒筛6内作旋转运动 如图4 6所示 压缩比 为了使物料进入榨汁机后尽快受到压榨 螺杆的结构在长度方向 从进料口向出料口方向 随着螺杆内径增大而螺距减小 螺杆的这种结构特点 使得螺旋槽容积逐渐缩小 其缩小程度用压缩比来表示 压缩比是指进料端第一个螺旋槽的容积与最后一个螺旋槽容积之比 如国产GT6GS螺旋连续榨汁机的压缩比为1 20 24 螺距 改变螺杆的螺距大小对一定直径的螺旋来说就是改变螺旋升角大小 螺距小则物料受到的轴向分力增加 径向分力减小 有利于物料的推进 2 圆筒筛 一般由不锈钢板钻孔后卷成 为了便于清洗及维修 通常做成上 下两半 用螺钉连接安装在机壳上 圆筛孔径一般为0 3 0 8mm 开孔率既要考虑榨汁的要求 又要考虑筛体强度 螺杆挤压产生的压力可达1 2MPa以上 筛筒的强度应能承受这个压力 25 3 压力调整机构 具有一定压缩比的螺旋压榨机 虽对物料能产生一定的挤压力 但往往达不到压榨要求 通常采用调压装置来调整榨汁压力 一般通过调整出渣口环形间隙大小来控制最终压榨力和出汁率 间隙大 出渣阻力小 压力减小 反之 压力增大 扳动压力调整手柄3使压榨螺杆9沿轴向左右移动 环形间隙即可改变 26 2 螺旋压榨机的操作 操作时 先将出渣口环形间隙调至最大 以减小负荷 启动正常后加料 物料就在螺旋推力作用下沿轴向向出渣口移动 由于螺距渐小 螺旋内径渐大 对物料产生预压力 然后逐渐调整出渣口环形间隙 以达到榨汁工艺要求的压力 27 二 带式压榨机 1 福乐伟带式压榨机结构 如图4 7所示 主要由料槽1 压榨网带5 10 一组压辊3 4 高压冲洗喷嘴9 导向辊11 汁液收集槽8 机架和传动部分以及控制部分等组成 所有压辊均安装在机架上 一系列压辊驱动网带运行的同时 从径向给网带施加压力 使夹在两网带之间的待榨物料受压而将汁液榨出 28 29 2 工作原理 带式榨汁机有很多型式 但其工作原理基本相同 主要工作部件是两条同向 同速回转运动的环状压榨带及驱动辊 张紧辊 压榨辊 压榨带通常用聚酯纤维制成 本身就是过滤介质 借助压榨辊的压力挤出位于两条压榨带之间的物料中的汁液 带式压榨机一般可分为三个工作区 重力渗滤或粗滤区 用于渗滤自由水分 低压榨区 在此区域压榨力逐渐提高 用于压榨固体颗粒表面和颗粒之间孔隙水分 高压榨区 除了保持低压榨区的作用外 还进一步使多孔体内部水或结合水分离 30 经破碎待压榨的固液混合物从料槽1中连续均匀地送入下网带10和上网带5之间 被两网带夹着向前移动 在下弯的楔形区域 大量汁液被缓缓压出 形成可压榨的滤饼 当进入压榨区后 由于网带的张力和带L形压条的压辊3的作用将汁液进一步压出 汇集于汁液收集槽8中 以后由于10个压辊4的直径递减 使两网带间的滤饼所受的表面压力与剪力递增 保证了最佳的榨汁效果 为了进一步提高榨汁率 该设备在末端设置了两个增压辊7 以增加线性压力与周边压力 榨汁后的滤饼由耐磨塑料刮板刮下从右端出渣口排出 为保证榨出汁液能顺利排出 该机专门设置了清洗系统 若滤带孔隙被堵塞 可启动清洗系统 利用高压喷嘴9洗掉黏在带上的糖和果胶凝结物 工作结束后 也是由该系统喷射化学清洗剂和清水清洗滤带和机体 3 福乐伟带式压榨机工作过程 31 4 特点 优点 逐渐升高的表面压力可使汁液连续榨出 出汁率高 果渣含汁率低 清洗方便 缺点 压榨过程中汁液全部与大气接触 所以 对车间环境卫生要求较严 32 过滤过程及设备类型加压式过滤机真空过滤机 过滤是利用多孔介质将悬浮液中的固体微粒截留而使液体自由通过 以使固液分离的操作 食品工业在生产饮料 果汁 糖浆 酒类等类产品时 常用过滤方式除去其中的固形物微粒 以提高产品的澄清度 防止制品日后随保存时间延长发生沉淀 4 2过滤设备 33 如图4 8所示 过滤操作过程中 被过滤处理的悬浮液称为滤浆 滤浆中被截留下来的固体微粒称为滤渣 而积聚在过滤介质上的滤渣层则被称为滤饼 透过滤饼和过滤介质的液体称为滤液 一 过滤过程及设备类型 工业上常用的过滤介质有三类 粒状介质 如细砂 石砾 炭等 织物介质 如金属或非金属丝编织的网 布或无纺织类的纤维纸 多孔性固体介质 如多孔陶 多孔塑料等 图4 8过滤操作示意图 一 过滤过程 34 按过滤推动力可分为 重力过滤机 加压过滤机和真空过滤机 按过滤介质的性质可分为 粒状介质过滤机 滤布介质过滤机 多孔陶瓷介质过滤机和半透膜介质过滤机等 按操作方法可分为 间歇式和连续式过滤机等 二 过滤机类型 35 一 加压式过滤机 加压过滤机是在过滤介质或滤饼的一侧施加高于大气压的压力 在另一侧则是常压或略高于常压 由两侧压力差作为过滤推动力而进行过滤的装置 柱塞泵 隔膜泵 螺杆泵 离心泵 压缩气体以及来自压力反应器的物料本身都可提供加压的压力 加压过滤机的操作压力一般不低于0 3MPa 常用的为0 3 0 5MPa 最高的可达3 5MPa 常用加压过滤机多为间歇操作 包括 板框式压滤机 箱式压滤机和叶滤机等 连续操作的加压过滤机由于带压卸料困难而限制了它的使用 加压过滤机的发展方向是自动化 大型化 二 过滤设备 36 优点由于较高的过滤压力 过滤速率较大 结构紧凑 造价较低 操作性能可靠 适用范围广 缺点主要是间歇操作方式 有些型式加压过滤机的劳动强度较大 特点 37 1 板框式压滤机 过滤面积大 结构简单 价格低 动力消耗少 对不同过滤特性的发酵液适应性强 不能连续操作 设备笨重 劳动强度大 卫生条件差 非过滤的辅助时间较长 适合于固体含量1 10 的悬浮液的分离 a 优点 b 缺点 2 特点 1 应用 a 滤板和滤框间隔排列 框两侧覆以滤布 形成空腔供滤板支撑 压紧 b 滤板的作用 支撑滤布 提供滤液流出的通道 正方形 角端开有小孔 两面制成沟槽 与滤出口和洗水孔道连通 c 滤框的作用 提供滤浆进入的空间 容纳滤饼 总框数由其生产能力和悬浮液固体浓度确定 滤液引出方式 明流和暗流 3 结构组成 38 39 4 操作 过滤洗涤卸渣清洗滤布过滤 40 2 叶滤机 叶滤机也是一种间歇加压过滤设备 主要由耐压的密闭圆筒形罐体及安装在罐体内的多片滤叶组成 包括垂直式叶滤机和水平式叶滤机 1 叶滤机结构 图4 11垂直式叶滤机结构示意图 41 滤叶 骨架为方形框 框中间平面上夹持一层粗的大孔格金属丝网 两侧有细密的金属丝网 400 500目 每只滤叶下有接管接于滤液总管上 滤浆 滤液 滤饼 粗金属丝网 滤布 细金属丝网 拔出装置 图4 12滤叶剖面图 42 2 操作过程过滤时器盖紧闭 从混合槽中将滤浆与硅藻土混合液泵入过滤器 以制备硅藻土预涂层 混合液中的硅藻土粒子被截留在滤叶表面的细金属丝网上 而滤液进入滤框内腔进而从水平滤液总管流出 浊液返流 直至流出澄清的啤酒 至此预涂层完成 然后将待过滤滤浆过滤 43 优点 灵活性大 人力使用经济 单位体积生产能力较大 而且单位体积具有很大的过滤面积 另外洗涤速率较一般压滤机快 而且洗涤效果较好 缺点 构造复杂 成本高 滤饼不如压滤机干燥 可能造成滤饼不均匀的现象 使用的压差通常不超过400kPa 叶滤机利于取得滤液 适用于过滤周期长 滤浆特性恒定的过滤操作 在食品工业中 加压叶滤机大多作为硅藻土预涂层过滤机使用 3 特点与应用 44 真空过滤机是过滤介质的上游为常压 下游为真空 由上下游两侧的压力差形成过滤推动力而进行固 液分离的设备 常用真空度为0 05 0 08MPa 但也有超过0 09MPa的 有间歇式和连续式两种型式 各有特点 但是连续式真空过滤机的应用更广泛 连续式真空过滤机有转鼓式和转盘式等 二 真空过滤机 45 1 真空转鼓过滤机 图4 13RCF真空转鼓过滤机工作原理 1 结构组成a 一个由筛板组成能转动的水平圆筒 b 表面有一层金属丝网 c 网上覆盖滤布 d 筋板分隔成若干个空间e 分配头内沿径向隔离成3个室 2 工作原理 当转鼓旋转时 借分配头的作用 扇形格内分别获得真空和加压 如此便可控制过滤 洗涤等操作循序进行 46 可连续生产 机械化程度较高 可以根据料液性质 工艺要求 采用不同材料制造成各种类型 以满足不同的过滤要求 通常 对于悬浮液中颗粒粒度中等 黏度不太大的物料 转筒真空过滤机均适用 可通过调节转鼓转速来控制滤饼厚度和洗涤效果 滤布损耗要比其它类型过滤机为小 3 特点 优点 缺点 过滤推动力小 它仅是利用真空作为推动力 由于管路阻力损失 最大不超过80kPa 一般为267 667kPa 因此 不易抽干 滤饼的终湿度一般在20 以上 设备加工制造复杂 主设备及辅助真空设备投资昂贵 消耗于抽真空的电能高 同时过滤面积愈大制造愈加困难 47 由一组安装在水平转轴上并随轴旋转的滤盘 或转盘 所构成 结构和操作原理与转筒真空过滤机相类似 2 转盘真空过滤机 1 结构 盘的每个扇形格各有其出口管道通向中心轴 而当若干个盘联结在一起时 一个转盘的扇形格的出口与其它同相位角转盘相应的出口就形成连续通道 与转筒真空过滤机相似 这些连续通道也与轴端旋转阀 分配头 相连 图4 14转盘真空过滤机 48 与转筒真空过滤机甚为相似 每一转盘即相当于一个转鼓 操作循环也受旋转阀的控制 每一转盘各有其滤饼卸料装置 但卸料较为困难 2 操作 3 特点 优点 转盘真空过滤机具有非常大的过滤面积 可以大到85m2 其单位过滤面积占地少 滤布更换方便 消耗少 能耗也较低 缺点 滤饼的洗涤不良 洗涤水与悬浮液易在滤槽中相混 49 离心机类型过滤式离心机分离式离心分离机 4 3离心设备 离心分离机械可用于不同状态分散体系分离 在食品工业中有着广泛的应用 例如 原料乳净化 奶油分离 淀粉脱水 食用油净化 豆制品浆渣分离 葡萄糖脱水等操作 都由离心分离机械完成 离心分离机械种类较多 分别适用不同物料体系和满足不同分离需要 50 一 离心机类型 离心分离机可有不同的分类方式 常见的分类因素有 分离因数 分离原理 操作方式 卸料方式和轴向等 表4 1按分离因素范围数划分的离心机类型 1 按离心分离因数 51 过滤式 是鼓壁上有孔 借离心力实现过滤分离的离心机 这类离心机分离因数不大 转速一般在1000 1500r min 沉降式 转鼓壁不开孔 借离心力实现沉降分离的离心机 分离式 鼓壁亦无开孔 但其转速很大 一般在4000r min以上 分离因数在3000以上 2 按分离原理分类 表4 2过滤式 沉降式和分离式离心机的常见类型及其特性 52 间歇式 转鼓对所承载的被分离而截留的物料有一定质量限度的离心机 在卸料时 必须停车或减速 然后采用人工或机械方法卸出物料 如三足式 上悬式离心机 其特点是可根据需要延长或缩短过滤时间 满足物料终湿度的要求 主要用于固 液悬浮混合液的分离 连续式 操作在连续化状态下进行的离心机 其物料的输入和不同相物质的分离与输出均为连续完成 典型的连续式离心机有螺旋卸料沉降式离心机 活塞推料离心机和奶油分离机等 可用于固 液悬浮液和液 液乳浊液的分离 3 按操作方式分类 53 二 过滤式离心机 1 三足离心机 1 三足离心机结构 人工卸料三足离心机结构如图4 15所示 主要由转鼓 机壳 支柱 制动器 电动机等组成 转鼓又称滤筐 由不锈钢制成 鼓壁开有滤孔 转鼓由电机通过传动装置 最后通过装在其轴下端的V型皮带轮驱动 结构特点 外壳 转鼓和传动装置都通过减震弹簧组件悬在三个支柱上 故称作三足式离心机 以减弱离心机转鼓运转时产生的振动 54 图4 15三足离心机结构 55 2 离心过滤原理 离心过滤是将料液送入有孔的转鼓并利用离心力场进行过滤的过程 以离心力为推动力完成过滤作业 兼有离心和过滤的双重作用 其工作原理见图4 16所示 图4 16离心过滤分离工作原理 56 2 离心操作过程 料液首先进入装有过滤介质的装鼓中 然后被加速到转鼓旋转速度 形成附着在转鼓壁上的液环 粒子受到离心力而沉降 过滤介质阻碍粒子通过 形成滤饼 悬浮液的固体颗粒截留而沉积下来 滤饼表面生成了澄清液 该滤液透过滤饼层和过滤介质向外排出 57 滤饼形成悬浮液进入离心机 在离心机的作用下液体通过过滤面排出 滤渣形成滤饼 滤饼压缩滤饼中的固体物质逐渐排列紧密 空隙减小 空隙间的液体逐渐排出 滤饼体积减小 这时过滤推动力为滤饼对液体的压力和液体所受到的离心力 滤饼压干此时滤饼层的结构已经排列地非常紧密 其毛细组织中的液体被进一步排出 液体受到离心力和固体颗粒的压力 由于越靠近转鼓壁出处的压力越大 所以越靠近转鼓壁的滤饼越干 3 离心过滤一般分成三个阶段 58 4 应用 三足式离心机广泛应用于食品工业中如味精 柠檬酸及其它有机酸生产中的结晶与母液的分离 59 三 分离式离心分离机 一 离心沉降分离原理 离心沉降的基础是固体的沉降 当固体粒子在无限连续流体中沉降时 受到两种力的作用 一种是连续流体对它的浮力 另一种是流体对运动粒子的粘滞力 当这两种力达到平衡时 固体粒子将保持匀速运动 60 最终沉降速率与粒子直径的平方成正比 与粒子和流体的密度差成正比 而与流体黏度成反比 就是说 粒子的沉降速度仅仅是液体性质及粒子本身特性的函数 如果粒子在离心力场中沉降 则重力加速度g应换成 2r 从式中可以看出 沉降速度与 的二次方成正比 因此只要根据要求改变或提高 使粒子快速旋转 就可获得比重力沉降或过滤时高得多的分离效果 61 怎样来判断这种效果呢 可用离心分离因数f来定量评价 离心分离因数 什么是f 怎样计算f 重量为M kg 的物体旋转时 当其圆周速度为u m s 旋转半径为R m 则产生的离心力为 式中g 重力加速度 m s n 转数 r min D 旋转直径 m M增加 F增加 R增加 F增加 n增加 F增加显著 62 如果以旋转角速度 rad s 表示 并取旋转加速度 2R与重力加速度之比称为 离心分离因数 以f表示 则 f是反映离心机分离能力的重要指标 它表示在离心力场中 微粒可以获得比在重力场中大f倍的作用力 由f可将离心机分为三类 普通离心机f50000 63 二 常用离心机结构及选型 1 转鼓的三部分组成 顶盖 带空心轴的底盖和管状转筒 1 管式离心机的结构及操作 64