第四章-分离机

二 物系的分离方法1 均相物系先造成一个两相物系 再根据物系中不同组分间某种物性差异 使其中某组分或某些组分从一相转移而达到分离的目的 A 扩散式分离方法 蒸发 蒸馏等 挥发度或汽化点的差异 结晶 凝固点的差异 吸收 萃取 沥取等 溶解度的差异 沉淀 化学反应生成沉淀物的选择性 等电位聚焦 等电位pH的差异 气体扩散 热扩散 渗析 超滤等 扩散速率差异 2 非均相物系连续相与分散相具有不同的物理性质 可用机械方法分离 B 机械分离方法 过滤 压榨 截留性或流动性差异 沉降 密度或粒度差异 磁分离 磁性差 静电除尘 静电聚结 电特性差异 超声波分离 波的反映特性 3 固 液分离的目的 回收固体 如淀粉脱水 回收液体 如牛奶净化 回收固体和液体 如砂糖分离 第二节过滤机一 过滤分离的原理利用混合物内相的截留性差异差异进行分离的一种操作 即利用一种能将悬浮液中的固体微粒截留 而液体能自由通过的多孔介质 在一定的压力差推动下 使固 液二相分离 过滤操作示意图 2 过滤阻力过滤介质阻力和滤饼阻力3 过滤动力重力 离心力和表面压力 硅藻土过滤机 4 过滤操作的过程 过滤先恒速过滤 再恒压过滤 过滤进行 固体被截留 滤饼形成并增厚 过滤阻力 过滤速度 停止过滤 进入下一工序 洗涤用清水或其它液体洗涤滤饼毛细孔中的滤液 以获得纯净的固粒产品或尽量多的滤液 干燥用压缩空气排挤或真空抽吸 将滤饼毛细孔中存留的洗涤液排走 得到含湿量较高的滤饼 卸料将滤饼从过滤介质上卸下 并将过滤介质洗净 板框压滤机简图 二 板框压滤机间歇式过滤机 利用滤板来支承过滤介质 滤浆在加压下强制进入滤板之间的空间内 并形成滤板 1 结构由多块滤板和滤框交替排列而成 板和框都用支耳架在一对横梁上 用压紧装置压紧或拉开 滤板和滤框数目由过滤生产能力和悬浮液的情况而定 一般有10 60个 滤框滤框两侧覆以滤布 空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间 框角开有供料液流通的小孔 过滤板支承滤布并提供滤液流出的通道 洗涤板支承滤布并提供洗涤水流入的通道和滤液流出的出口 滤板与滤框示意图 2 工作过程过滤时 料液进入滤框空间 固粒被截留 形成滤饼 滤液穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板 沿滤板沟槽向下流动 由滤板下方通孔排出 明流式和暗流式 洗涤时 关闭洗涤板的滤液出口 洗涤水进入洗涤板空间 穿过滤布流向滤饼 再次穿过滤布流向过滤板 并从过滤板上的滤液出口流出 板与框安装顺序 过滤板 滤框 洗涤板 滤框 过滤板 过滤操作 洗涤操作 3 板框压滤机的强度计算常用工作压力为0 3 1MPa 为了防止在压滤过程中 滤液从板框压紧面泄露 需用一定的压紧力压紧板框 压紧力计算压紧力的大小取决于过滤压强 板框尺寸和板框的接触面积 F1 p A式中 F1 滤板面上的压紧力 N p 过滤压强 Pa A 每块板所承受的悬浮液压力的面积 m2 密封接触面上的密封压力为 F2 py Ay式中 F2 密封接触面上的压紧力 N py 保证密封所需的压强 Pa Ay 板框之间的周边接触面积 m2 可见 密封装置的压紧力 F F1 F2 滤板压强计算滤板两侧的沟槽部分承受着过滤压力 过滤开始 滤板首先受到入口侧的压力 滤板两侧的压力有压力差 且多数滤板处于单侧受压状态 因而滤板必须具有一定的厚度以保证足够的机械强度 设滤板两侧的过滤压强为p1和p2 则滤板所受的弯曲载荷为 p p1 p2 滤框载荷 三 滤叶型压滤机由一组并联滤叶装在密闭耐压机壳内组成 悬浮液在加压下送进机壳内 滤渣截留在滤叶表面上 滤液透过滤叶 后经管道排出 垂直槽垂直滤叶型叶滤机 垂直槽水平滤叶型叶滤机 2 水平滤叶型压滤机滤叶水平放置在耐压的过滤槽内 过滤面是滤叶的上表面 水平槽水平滤叶型压滤机 水平槽水平滤叶型压滤机在水平耐压槽里安装一系列的长方形盘状水平滤叶 滤槽一端可以打开 每个滤叶下面都有一个单独的排液通道 可不卸滤饼间隙操作 操作期长短由滤板存纳滤饼的能力确定 水平槽垂直滤叶型压滤机 叶滤机的操作和洗涤 过滤时 将滤叶置于密闭槽中 滤浆处于滤叶外围 借滤叶外部的加压或内部的真空进行过滤 滤液在滤叶内汇集后排出 固体粒子则积于滤布上成为滤饼 厚度通常为5 35mm 滤饼可利用振动 转动以及喷射压力水清除 也可打开罐体 抽出滤叶组件 进行人工清除 洗涤时 以洗液代替滤浆 洗液的路径与滤液相同 经过的面积也相等 如果洗液黏度与滤液黏度大致相等 压差也不变 则洗涤速率与过滤终了速率相等 此为叶滤机的特点之一 特点与应用 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 四 真空过滤机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 典型应用 葡萄糖浆脱色过滤 酶制剂过滤 果汁过滤 抗生素发酵液过滤 普遍应用 食品 医药 有机化学 废水处理 油脂等工业部门 转筒式真空过滤机 结构转鼓分配头工作原理特点优点缺点 G5 1 77 XA过滤机主要用于纯碱生产过程中的重碱与母液的分离 适宜于流动性好 滤饼较为致密及不太稀薄的悬浮液的固液分离 结构 如下图所示 图4 37转筒真空过滤机 转鼓 转鼓是这种过滤机的主体 它是可转动的水平圆筒 其截面如右图所示 直径0 3 4 5m 长3 6m 圆筒外表面由多孔板或特殊的排水构件组成 上面覆滤布 圆筒内部被分隔成若干个扇形格室每个格室有吸管与空心轴内的孔道相通 而空心轴内的孔道则沿轴向通往位于轴端并随轴旋转的转动盘上 分配头 转动盘与固定盘紧密配合 构成一个特殊的旋转阀 称为分配头 如下图所示 固定盘分成若干个弧形空隙 分别与减压管 洗液贮槽及压缩空气管路相通 1 转动盘 2 固定盘 图4 39转筒真空过滤机的分配头 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 转鼓表面分6个区 如右图 各区真空状态与操作 转筒式真空过滤机的优点 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 转筒式真空过滤机的缺点 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 目前国内生产的最大过滤面积约为50m2 一般为5 40m2 第三节压榨机 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 第三节压榨机利用压力把固体物料中包含的液体压榨出来的固液分离机械 1 压榨过程加料 压榨 加压 保压和卸压 卸渣 有时需要预处理 2 出汁率榨出的汁液量比被压榨物料的总量 即 R W W0 100 式中 R 出汁率 W 榨出的汁液量 W0 被压榨的物料量 3 分类 笼式压榨机 一 间歇式压榨机1 手动压榨机布袋包裹物料 旋转螺杆施压 缓慢加压 以免布袋破裂 汁液流到收集盘 2 笼式压榨机原料装在金属圆筒内 活塞上升 压榨物料 手动压榨机 3 爪杯式压榨机柑橘进入榨汁机 落入下杯 上杯下压 柑橘底部和顶部被切割器切出小洞 增大压力 柑橘果肉从底部小洞被挤入下部预过滤管 果皮从上杯与切割器间排出 预过滤管壁开许多小孔 供榨汁流通 而籽粒 橘络及残渣等自通孔管口排出 果皮油 指形条 倾斜板 机外 开始榨汁 可抽出 上下指形条啮合 二 连续式压榨机指压榨过程的进料 压榨 卸渣等工序都是连续进行的 1 螺旋压榨机压榨螺杆 采用不锈钢制成 外径尺寸不变 内径沿残渣出口方向逐渐增大 终端做成锥形 与调压头的内锥面对应 输送段与螺旋挤压段转速相同 转向相反 第一段预挤压 第二段翻转物料 挤压力增大 提高出汁率 圆筛筒 0 8mm厚的不锈钢制成 0 3 0 8mm的筛孔按孔间距1 5mm的正三角形排列 制成上下两半 便于清洗 螺旋压榨机 调压装置 转动手柄控制环形残渣出口的间隙 以改变出渣口阻力来调节挤压过程中的压力 可提高出汁率 2 轧辊压榨机顶辊 两端的轴承上装弹簧或液压缸 以产生一定的压榨力 托板 在进料滚和排料辊之间 过渡物料输送作用 压辊 表面刻有各种形状的齿纹 以提高压榨出汁率 有些压辊做成空心的 表面开设小孔 并覆以滤布 滚内抽成真空 汁液透过滤布进入滚内 由导管引出机器 压榨 过滤 滚轮式压榨机示意 第四节离心分离机利用惯性离心力进行固 液 液 液或液 液 固相离心分离的机械 一 概述 2 分离因数指物料所受的离心力与重力之比值 也等于离心加速度与重力加速度之比 即 KC R 2 g R n2 900式中 KC 分离因数 R 转鼓半径 转鼓回转角速度 n 转鼓回转速度 g 重力加速度 衡量离心机分离性能的主要指标 KC可以从几百到几万 即离心力为重力的几百到几万倍 3 离心操作原理的分类 离心过滤转鼓开孔 内壁覆以滤布 旋转时悬浮液被离心力抛向转鼓周壁 固体颗粒被滤布截留在鼓内 形成滤饼 而液体经滤饼和滤布后由转鼓开孔甩离转鼓 实现固 液分离 适于固相含量多 颗粒较大的悬浮液 离心沉降转鼓周壁无孔 旋转时 悬浮液在离心力作用下 相对密度较大的固体颗粒先向鼓壁沉降形成沉渣 澄清液由转鼓顶端溢出 甩离转鼓 实现悬浮液澄清 适于固相含量较少 颗粒较细的悬浮液 离心分离转鼓周壁无孔 乳浊液在离心力作用下 分为两层 相对密度大的液体沉降紧贴于转鼓外壁 相对密度较小的液体位于里层 在不同部位分别将其引出转鼓 实现液 液分离 4 离心机的分类 按离心分离因素大小常速离心机 KC 3000 分离颗粒较大的悬浮液或物料的脱水高速离心机 3000 KC 5000 分离乳状或细粒悬浮液超高速离心机 KC 5000 分离超微细或高分子胶体悬浮液 按操作原理过滤式 转速在1000 1500r min 适于颗粒较大的悬浮液或物料脱水沉降式 回收动植物蛋白 分离可可 咖啡等的滤浆分离式 转速在4000r min以上 用于乳浊液和悬浮液的增浓或澄清 按操作方式间歇式离心机连续式离心机 按转鼓主轴的安放形式卧式离心机立式离心机 卧式螺旋离心机工作原理图 二 螺旋离心机1 卧式螺旋离心机是一种螺旋卸料沉降离心机 主要由高转速的转鼓 与转鼓转向相同且转速比转鼓略低的带空心转轴的螺旋输送器和差速器等部件组成 当要分离的悬浮液由空心转轴送入转筒后 在高速旋转产生的离心力作用下 立即被甩入转鼓腔内 高速旋转的转鼓产生强大的离心力把比液相密度大的固相颗粒甩贴在转鼓内壁上 形成固体层 因为环状 称为固环层 水分由于密度较小 离心力小 因此只能在固环层内侧形成液体层 称为液环层 由于螺旋和转鼓的转速不同 二者存在有相对运动 即转速差 利用螺旋和转鼓的相对运动把固环层的污泥缓慢地推动到转鼓的锥端 并经过干燥区后 由转鼓圆周分布的出口连续排出 液环层的液体则靠重力由堰口连续 溢流 排至转鼓外 形成分离液 二 螺旋离心机优点 分离因数较高 当量过滤面积及过滤强度较大 具有体积小 生产能力大 脱水效率高及运行费用低 能耗小等 缺点 结构复杂 物料破碎率较高 洗涤不充分 滤网制造要求较高 适用于食品工业中颗粒粒度大于75 m的悬浮液物料的固液分离 如食盐 玉米淀粉 酒精糟液等 lw型卧式螺旋卸料沉降离心机 三 碟片式离心分离机转鼓直径350 550mm 转速常为4000 8000r min 碟片厚度0 3 0 4mm 碟片间距通常为0 8 1 5mm 最小可到0 3mm 最大可达10mm 由碟片上的筋条厚度确定 碟片倒锥顶角为60 100 碟片上开孔 孔分布在两个不同半径的同心圆上 固液或液液固分离的碟片离心机 乳浊液的重液体积大于轻液时 用靠近进料管的小半径内圆通道 乳浊液的重液体积小于轻液时 用远离进料管的大半径外圆通道 四 三足离心机转鼓又称滤筐 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 三足式沉降离心机 操作时 通过设离心机的上进料管 将待分离的浆料注入转动着的 事先覆以滤布的 转鼓内 液体受离心力作用后穿过滤布及壁上的小孔甩出 在机壳内汇集后从下部的出液口流出 不能通过的固形物料则被截留在滤布上形成滤饼层 当滤饼层达到一定厚度时 要停机除渣 采用人工方式 连同滤布袋一起将固体滤层从离心机中取出 优点 对物料的适应性强 能按需要随时调整过滤 洗涤的操作条件 可进行充分的洗涤并得到较干的滤渣 固体颗粒几乎不受损坏 且运转平稳 结构简单造价低廉 缺点 间歇操作 辅助作业时间较长 生产能力低 劳动强度大 五 上悬式过滤离心机结构 上悬式过滤离心机每个工作循环包括加料 分离 洗涤 脱水 卸料 滤网清洗等工序 根据操作要求 加料及卸料一般在低转速下进行 因此 离心机运行时转鼓回转速度连续作周期性变化 即低速加料 全速分离 洗涤 脱水 低速下卸料 如此作周期循环工作 上悬式过滤离心机特点 优点 稳定并允许转鼓有一定的自由振动 卸除滤渣较快 较易 支承和传动装置不与液体接触而不受腐蚀 处理结晶物料时 采用重力卸料则晶形保持完整无破损 结构简单 操作与维修方便 缺点 主轴较长且易磨损 运转时振动较大 卸料时要先提起锥罩后才能将滤渣刮下 劳动强度较大 七 旋液分离器 又称水力旋风分离器和水力旋流器 旋流分离器的一种 用以分离以液体为主的悬浮液或乳浊液的设备 工作原理与旋风分离器大致相同 料液由圆筒部分以切线方向进入 作旋转运动而产生离心力 下行至圆锥部分更加剧烈 料液中的固体粒子或密度较大的液体受离心力的作用被抛向器壁 并沿器壁按螺旋线下流至出口 底流 澄清的液体或液体中携带的较细粒子则上升 由中心的出口溢流而出 优点是 1 构造简单 无活动部分 2 体积小 占地面积也小 3 生产能力大 4 分离的颗粒范围较广 但分离效率较低 常采用几级串联的方式或与其他分离设备配合应用 以提高其分离效率 用于制碱和淀粉等工业 第五节萃取机械一 萃取原理根据不同物质在同一溶剂中溶解度的差异 使混合物中各组分得到部分或全部的分离 溶质 在混合物中被萃取的物质 萃余物 在混合物中除溶质以外的物质 溶剂 在混合物中加入的第三组分 也称萃取剂 二 液 液萃取设备液 液萃取 混合物为液体的萃取 要求所用的溶剂与被处理的溶液必须不相溶或很少互溶 而对处理液中的溶质具有选择性的溶解能力 混合设备 要求溶剂和料液充分混合 在短时间内接近萃取平衡 分离设备 将萃取后的两相进行分离 三 固 液萃取设备混合物料为固体和液体的萃取 通常先将固体粉碎以增加接触面积 也称为浸出或浸提 1 固体的浸出过程 溶剂浸润进入固体内 溶质溶解 溶解的溶质从固体内部扩散到固体表面 溶质继续从固体表面通过液膜扩散而到达外部溶剂的主体中 2 影响浸出速度的因素 可浸出物质的含量 原料的形状和大小 温度 溶剂的性质 3 单级浸提罐开口容器 下部安装假底以支承固体物料 溶剂从上面通过喷淋头均匀喷淋于物料上 通过床层渗透而下 穿过假底从下部排出 浸提液由泵排出 5 连续移动床浸提器物料置于连续移动床上 随其运动 溶剂逆向流动 浸泡式连续移动床浸提器物料完全浸泡于溶剂之中进行连续浸提 溶剂入口位置要高于浸提液的出口位置 以保证固体残渣有一段沥出溶剂的距离 浸泡式连续移动床浸提器 渗滤式连续浸提器溶剂喷淋于物料层之上 在通过物料层向下流动的过程中进行浸提 物料不浸泡于溶剂中 篮斗内盛装萃取物料 篮斗底部为栅格 浸提液可通过 渗滤式连续浸提器示意 第六节膜技术设备一 膜分离的基本概念利用膜的选择性 以膜两侧存在一定量的能力差 压力差或电位差 作为推动力 由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现的分离 分级 提纯和富集的方法 1 膜分离技术的特点 风味和香味成分不易散失 有益于保持食品的某些功效 不存在相变过程 节约能量 工艺适应性强 容易操作和维修 2 膜分离技术的分类渗透 反渗透 RO 电渗析微滤 MF 超滤 UF 纳滤 NF 二 膜组件1 平板式膜组件由多块平板膜组成 单位体积的膜面积大 故原液的流通面积大 不易堵塞 对原液预处理要求低 压力损失小 流速快 平板式膜组件