第四章固液分离设备

第一节过滤设备概述•

生物工业中，一般都需要从发酵液中除去菌体以得到产品，或从培养基中除去未溶解的残余固体颗粒以便后续加工，如啤酒生产中麦汁的过滤，啤酒酵母的过滤分离。另外，在提取过程中，也经常遇到晶体与母液的分离问题。它们都属于化工单元操作中的液一固分离过程。•

微生物发酵的悬浮液中，固体粒子的性质差异很大，且具有一定的可压缩性，使得分离较一般化工产品的分离更加困难。通常分离前先对悬浮液进行预处理，改变液体的物理性质，再选择适宜的分离手段和操作条件，达到分离的目的。•

液一固分离过程常采用沉降和过滤两种操作来完成。沉降有重力沉降和离心沉降之分，过滤则有常压、加压、真空及离心过滤不同形式。一、过滤过程简介1.过滤：用过滤介质讲液固混合物分离的过程。2.过滤介质：包括滤布、滤网（不锈钢和黄铜）、刚性多孔介质（烧结陶瓷、塑料、金属）、松散固体介质（硅藻土、珍珠岩粉、细纱、活性炭、白土等）3.分类：表层过滤按分离机制深层过滤

二、真空过滤设备1.原理：利用真空在过滤介质两面产生压力差，使液体透过，固体截留。1.1真空抽滤机a.结构图4-2b.优点：结构简，制造易，成本低。c.缺点：生产能力小，劳动强度大，对环境造成污染，间歇生产。1.2真空转鼓过滤器a.原理图4-3图4-4三个阶段：过滤、洗涤和抽干、卸料b.结构图4-5图4-6c.优点：连续自动化生产d.缺点：过滤、洗涤、抽干、卸料的时间无法分别调节。1.3真空带式过滤器1.3.1托盘带式过滤器1.3.1.1往复托盘带式过滤器原理：图4-91.3.1.2固定托盘带式过滤器a.特点：托盘固定不动b.滤布运动：图4-10加料阶段注意：仅上半圈滤布运动，下半圈不动（棘齿轮锁紧），没真空，不过滤，但洗涤一直开启。过滤和卸料阶段

两个阶段1.3.1.3水平带式过滤器a.解决过滤带和真空连接的方式：图4-11b.摩擦条的作用：①密封缝隙（真空箱和滤布拖带之间）②隔离、防磨损见图4-12c.工作原理：图4-131.3.1.4带式过滤器的操作方式并流洗涤图4-13逆流洗涤图4-141.3.1.5优缺点和适用场合a.优点：①连续操作，洗涤可逆、可并。②操作弹性大。b.缺点：控制复杂，制造难度大，贵重，材质要求高（滤布和滤布托带）c.适用范围：①固体沉淀较快的滤液

②滤饼易产生裂缝的滤液三、加压过滤设备1.原理：在过滤介质滤液一侧施加压力，使液体通过，固体截留在介质表面实现固液分离。2.过滤设备2.1板框压滤机a.结构：“板”和“框”交替叠加，见图4-15、4-16、4-17、4-18b.优点：①体积小，过滤面积大且可调，生产能力大。②结构紧，制造易，价格低。c.缺点：间歇生产，劳动强度大。d.适用范围：适用范围大（过滤面积大、流量大）,在制药、化工、食品等行业有广泛用途,特别适用于中成药料液的过滤,效果甚佳。

e.操作过程：①清洗板框并盖滤布。②安装入框架内并压紧。

③过滤。④停止过滤（滤液进口压力表迅速上升）⑤拆卸、清洗滤布板框2.2板式压力机a.结构：只有“板”而无“框”且“板”结构特别，见图4-19、4-20b.工作原理：图4-21b.优点：结构更紧凑，操作相对更容易一些。c.缺点：同板框压滤机。d.适用范围：同板框压滤机。2.3水平板式压滤机a.结构：中空上部过滤和中空轴连接，见图4-22b.卸料方式：①中间出料②边沿出料图4-23b.优点：过滤面积大，自动卸料，劳动强度低。c.缺点：滤饼易脱落，转轴和罐顶或底处密封复杂。d.适用范围：①过滤过程密封，适合易挥发、易燃、有毒液体过滤或滤饼化学性质不稳定需要氮气保护的情况。②适用于需加热的过滤（外可安装夹套换热）e.操作过程：①预涂过滤。②过滤。③残液吹扫。（后常需洗涤）④干燥。⑤卸料。

2.4垂直加压叶滤机a.结构和原理：图4-24、4-25b.形式：①垂直加压叶滤机②卧式垂直加压叶滤机图4-26c.优点：卸料检修清理易，密封简（无转动）。c.缺点：滤饼易脱落，垂直加压叶滤机上部需预留较大空间。d.适用范围：同水平板式压滤机e.操作过程：同水平板式压滤机（卸料略微不同）2.5纳式过滤器a.结构：图4-29、4-30b.特点：搅拌和刮刀可升降。c.操作过程：图4-32c.优点：综合了上述设备优点d.缺点：间歇操作，滤饼较粘时出料困难e.适用范围：广且可进行化学反应。见P46四、离心过滤设备1.原理：利用离心力迫使液体通过过滤介质，使固液分开。2.过滤设备2.1三足离心机a.外形及结构：见图4-34、4-35b.优点：①能力强，滤饼干。②结构简，制造易，价格低。c.缺点：间歇生产，劳动强度大，能耗高。d.适用范围：常规使用，滤液易燃、有毒、有腐蚀时慎用。

e.操作过程：①开机。②加料过滤。

③甩干。④洗涤。⑤甩干⑥停机，挖出滤饼。2.2自动下出料离心机a.结构：多一刮刀和固体出料口，见图4-36b.优点：①能力强，滤饼干。②自动连续生产，劳动强度低。c.缺点及适用范围：价格贵，不适合滤饼太粘的料液。d.操作过程：图4-372.3自动卸料卧式离心机a.结构：见图4-38，4-39b.优点：①占地面积小，可自动连续生产。②滤饼厚度均匀（不受重力影响）。c.缺点及适用范围：结构复杂，对转轴要求高；进料要均匀。d.适用场合及操作过程：和立式相同。见图4-40第二节离心沉降设备离心沉降：利用离心力使不同密度的液固或液液混合物分离的方法。离心沉降设备：实现离心沉降的设备。常用在普通过滤难以达到目的的固液分离或溶液澄清。一、管式离心机

1.原理及结构：图4-40图10-232.优点：结构简、转速高（分离因数高达15000-65000）、沉降效果最好。3.缺点：固体沉淀需手工移出，泡沫含量高的悬浮液分离效果差。4.适用范围：固含量低于1%，颗粒度0.01~100微米，黏度大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小乳浊液或悬浮液的分离，如油水、蛋白质、青霉素、香精油等。5.种类：GQ型（分离悬浮液）及GF型（分离乳浊液）6.型号：类型代号+转股直径如GF105中105指转股直径105mm二、套管式离心机

1.原理及结构：图4-412.优点：结构紧凑、固体颗粒能分级沉淀。3.缺点：固体沉淀清除难。4.适用范围：固体含量较少的悬浮液澄清三、无孔筐式离心机

1.原理及结构：图4-422.卸料方式：人工及半自动卸料两方式。3.优点：可不停机卸料且能处理固体含量高的悬液。4.缺点：固体残渣含湿量相对较高。5.适用范围：固体含量稍高的悬浮液澄清转鼓内装有一叠锥形碟片，用离心沉降法分离乳浊液和低浓度悬浮液组分的。碟式分离机可在密闭、高温、低温、加压和真空等条件下操作，用于从牛奶中提取奶油和果汁、啤酒、动植物油、变压器油等的净化，以及酵母浓缩和从动物血浆中提取血清等。

四、碟片式离心机1.原理图11.1液-固分离：分离悬浮液时，悬浮液由中心进料管进入转鼓，从碟片束外缘经碟片间隙向碟片内缘流动。因受离心力作用，固体颗粒在随液体流动的同时沉降到各碟片的内表面，再向碟片外缘滑动，最后沉积到鼓壁上。已澄清的液体向转鼓中心方向聚集,经溢流口或向心泵排出。1.2液-液分离：分离乳浊液时,乳浊液经碟片束上的进料孔进入各碟片间隙，按密度不同分为重液和轻液，重液沿碟片内表面向转鼓壁流动，轻液向中心流动，经溢流口和向心泵分别排出。进料孔位置应在重液层与轻液层的交处。此处称为中性层,其半径式中k为重液与轻液的密度比，R1和R2分别为重液和轻液的排出口半径。进料孔与中性层不重合时，排出的重液或轻液就不纯净，此时可改变重液或轻液排出口半径来调整中性层位置。由于转鼓内的液体被碟片束分为许多薄层，分离在薄层内进行，离心沉降的距离很短，显著提高了分离速度。碟式分离机的分离因数较高,达4000～10000，并因转鼓内的碟片数量多，显著扩大了沉降面积，分离效率较高。1.3向心泵:具有固定在机壳上静止不动的叶轮，叶轮外缘浸没在与转鼓同步旋转的分离液层内，分离液由叶轮外缘进入弧形流道，流至叶轮中心排液管排出。叶轮将旋转液体的动能转变为静压，将转鼓中排出的分离液直接输送至10～20米的高度。

2.种类及应用特点（1）人工排渣碟式分离机系间歇操作。它由机座、传动装置、转鼓和机壳等组成。整机为立式，转鼓为下支撑式。靠近转鼓的主轴承外有6个辐射状布置的弹簧(或橡胶垫)组成的减震装置。转鼓的传动装置通常采取螺旋齿轮增速传动，有的采取皮带传动。转鼓盖与转鼓体由螺纹锁紧圈固紧，并有密封圈防漏。碟片为圆锥形，其半锥角大于固体颗粒与碟片表面的摩擦角,一般为30°～45°,碟片数为50～180；碟片间隙为0.5～2毫米。分离机工作一段时间后，转鼓内壁上沉渣增多，分离液澄清度下降，当分离液澄清度不合要求时，停机拆开转鼓，人工清除转鼓内沉渣。这种分离机的处理量可达45米3／小时，适于处理颗粒直径为0.001～0.1毫米、固相浓度小于1％的悬浮液和乳浊液。

连续操作。整体结构与人工排渣碟式分离机相似,但转鼓内腔呈双锥形，可对沉渣起压缩作用，提高沉渣浓度。转鼓内直径最大900毫米。转鼓周缘有喷出浆状沉渣的喷嘴2～24个,喷嘴孔径为0.5～3.2毫米。喷嘴的数目和孔径根据悬浮液性质、浓缩程度和处理量确定。通过喷嘴的沉渣流速很大，喷嘴用耐磨材料如、和碳化硼（2）喷嘴排渣碟式分离机等制成。为提高排渣浓度，这种分离机还有将排出的沉渣部分送回转鼓内再循环的结构。沉渣的固相浓度可比进料的固相浓度提高5～20倍。这种分离机的处理量最大达300米3／小时,适于处理固相颗粒直径为0.1～100微米、固相浓度通常小于10％（最大可至25％）的悬浮液。

利用环状活门启、闭排渣口进行间歇排渣，又称自动排渣碟式分离机。整体结构与人工排渣碟式分离机相似,特点是转鼓内有活门排渣装置，可不停机卸除转鼓内的沉渣。操作时，由转鼓中心加料管加入悬浮液进行分离，活门下面的密封水总压力大于悬浮液作用在活门上面的总压力，活门位置在上，关闭排渣口。排渣时，停止加料并由转鼓底部加入操作水，开启转鼓周边的密封水泄压阀,排出密封水,活门受转鼓内悬浮液压力的作用迅速下降,开启排渣口。排尽转鼓内的沉渣和液体后，停止供给操作水，泄压阀闭合,密封水压升高,活门上升关闭排渣口，完成一次工作循环。自动控制活门排渣的方法有：①用时间继电器按预定操作周期控制排渣;②用光电管监控分离液澄清度控制排渣;③根据转鼓内沉渣聚积程度，由压力信号或渣面信号控制排渣。排渣时间一般为1～2秒。部分排渣的转鼓可控制更短的排渣时间，仅排出转鼓内沉渣的一部分，不排出液体，排渣时可不停止进料,连续分离,提高了处理能力。这种分离机最大处理量可达60米3／小时,适用于处理固体颗粒直径为0.001～0.5毫米,固液相密度差大于0.01千克/分米3，固相浓度小于10％的悬浮液和乳浊液。（3）活门排渣碟式分离机3.应用范围广泛应用于从发酵液中回收菌体、抗生素及疫苗

<一>原理1.离心沉降速度颗粒在离心场中受到离心力、向心力、阻力，重力可忽略不计。其切向速度ut，离心沉降速度计算式可推导为：在层流区符合斯托克斯定律，即：R——颗粒的旋转半径,单位是m。2.离心分离因数离心加速度与重力加速度之比称为离心分离因数，用Kc表示。五、倾析器

1.原理及结构：图4-43转股+内螺旋推进器+差速控制器2.优点：即可分离又可萃取；连续自动；可分离高固体含量悬浮液；处理量大；分离固体较干；适应性强。3.缺点：结构复杂、价格高、固体含量少且细的悬浮液难分离。第四节干燥设备一真空干燥设备将物料置于真空下进行加热除湿，特别适合热敏物料。1真空干燥箱1.1结构及原理图4-45图4-461.2优点：简单直观、操作方便、密封性好。1.3缺点：能耗高、干燥时间长（物料无法翻动）。1.4适用范围：小批量贵重物料的干燥。1.5操作顺序：①装料，关箱门、放气阀，开真空阀、真空泵。②真空时，开加热、设温度，恒温即开始干燥。③干燥结束，先停加热，再开放气阀，然后再关真空泵。④常压时，开启箱门，取出物料。2双锥真空干燥箱2.1外观及结构原理图4-47图4-48

伞形封头图4-492.2优点：①物料不断翻滚、干燥效率高。②密封、物料不易污染。③适合热敏物料2.3缺点：①间歇操作、劳动强度大。②干燥时间长、生产能力小。2.4适用范围：化工、制药、食品等行业的粉状，粒状及纤维状物料的浓缩、混合、干燥及需低湿干燥的物料（如生化制品等），更适用于易氧化、易挥发、热敏性强烈刺激、有毒性物料和不允许破坏结晶体的物料的干燥。2.5操作过程：①装料，关严箱门。②开真空阀抽真空。③最大真空时开启旋转开关时双锥旋转。④旋转稳定时，夹套中通水或汽加热，稳定后即开始干燥。⑤干燥结束后，依次停旋转、关真空、开放气阀，压力稳定后卸料。二气流干燥器使用热空气或惰性气提吹动湿物料，达到干燥目的。1长管式气流干燥器1.1结构及原理图4.501.2优点：①传热传质表面大、效率高、时间短。②结构简单，容易制造。③占地面积小、生产能力大。1.3缺点：①干燥管过长、安装检修不便。②动力消耗大。③颗粒损耗大。1.4适用范围：粉状、