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第八章过滤、离心与膜分离设备第一节概述一、分离过程的分类过滤、沉降、离心分离蒸馏、精馏、萃取结晶、浸取、吸附、离子交换等。膜分离、场分离。分离的方法机械分离平衡分离过程：传质分离速率分离过程二、过滤、离心与膜分离及性能比较1．过滤过滤是传统的化工单元操作，其原理是使物料通过固态过滤介质时，固态悬浮物与溶液分离。如液相中谷氨酸钠、柠檬酸晶体的分离。2．离心分离离心分离是基于分离体系中固液和液液两相密度存在差异，在离心场中使不同密度的两相相分离的过程。静置混合液时，密度较大的固体颗粒或重液在重力的作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。3．膜分离技术膜分离是利用膜的选择性，以膜的两侧存在一定的能量差为推动力。膜分离常用的膜有微滤膜、超滤膜、电渗析膜和反渗透膜等。表8-1生物工业中常用的分离方法性能比较分离方法原料相态操作原理性能特点实例过滤分离固液悬浮液依靠过滤介质分离流体通过多孔介质的流动柠檬酸发酵液离心分离固液悬浮液依靠离心力分离得到含湿量的固相和高纯度的液相从发酵液中离大肠杆菌膜分离溶液依靠能量差分离设备简单、无相变、节能乳品和果汁的浓缩第二节过滤速率的强化一、发酵液的预处理目的：增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体黏度，实现有效分离。方法：1.加热2.凝聚和絮凝3.加入盐类4.调节pH5.加入助滤剂二、过滤介质选择1、常用过滤介质①织物介质(滤布)：由棉、毛、麻等织成的天然纤维滤布和合成纤维滤布；②多孔固体介质：多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等。③粒状介质：硅藻土、珍珠岩石、细砂、活性碳、白土；2.过滤介质的选择（1）良好的过滤介质应满足的要求：①过滤阻力小，滤饼容易剥离，不易发生堵塞。②耐高温、耐腐蚀、强度高、容易加工，易于再生，廉价易得。③过滤速度稳定，符合过滤机理，适应过滤机的型式和操作条件。（2）选择时应考虑的因素①固体颗粒的性质，包括颗粒的尺寸、形状以及相对密度的大小。颗粒尺寸是我们根据介质能截留的最小颗粒来选择合适过滤介质的依据。表8-2各类介质能截留的最小颗粒(单位μm)介质的类型举例截留的最小颗粒滤布天然及人造纤维编织滤布10滤网金属丝编织滤网＞5非织造纤维介质纤维为材料的纸玻璃纤维为材料的纸毛毡5210多孔塑料薄膜0.005刚性多孔介质陶瓷金属陶瓷13松散固体介质硅藻土膨胀珍珠岩＜1＜1②液体的性质包括液体的酸碱性、温度、粘度和相对密度等。③滤浆的性质包括固-液比、颗粒的聚集作用、粘度等。④滤饼的性质包括滤饼的比阻力、可压缩性、洁净性、松散性、可塑性等。⑤生产率了解生产率有助于确定合适的过滤推动力。三、过滤操作条件的优化•过滤方程：式中t——过滤时间，sV——滤液体积，m³△p——过滤压力差，Paμ——滤液粘度，Pa·sr0——滤饼的质量比阻，1/m²ɭ——滤饼层的厚度，mR——滤布阻力，1/mF——过滤面积，m²01(8-1)dVpFdtrlR1．改善悬浮液的物理性质主要是降低滤液粘度，减少滤饼的体积比阻力及滤饼层厚度。2．优化操作条件对于不可压缩滤饼，滤饼的体积比阻力为一常量，过滤压差大，推动力大，过滤速度快。加压过滤。第三节过滤设备一、板框式压滤机1、板框式压滤机的结构和操作板框压滤机结构图板框压滤机是间歇式过滤机中应用最广泛的一种。它利用滤板来支撑过滤介质，滤浆因受压而强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼。•滤板和滤框多为正方形。•滤板作用是支撑滤布并提供滤液流出的通道。•板面制成各种凸凹纹路。•板、柜的角部开设的小孔构成供滤浆或洗水流通的孔道。滤板有洗涤板、非洗涤板和盲板三种结构：洗涤板设有洗水进口；非洗涤板无洗水进口；盲板则不开设任何液流。•过滤机组装时，按滤板－滤框－洗涤板－滤框－滤板…交替排列，用过滤布隔开，且板和框均通过支耳架在一对横梁上，利用压紧装置压紧或拉开。•框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成容纳滤浆及滤饼的空间。过滤：滤浆由滤浆通路经滤框上方进入滤框空间，固粒被滤布截留，在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板，再经滤板的沟槽流至下方通孔排出。（此时洗涤板起过滤板作用）洗涤：洗涤板下端出口关闭，洗涤液穿过滤布和滤框的全部向过滤板流动，从过滤板下部排出。结束后除去滤饼，进行清理，重新组装。工作原理板框式压滤机操作过程过滤阶段洗涤阶段2、板框式过滤机的特点和适用范围板框式过滤机的优点：①单位过滤面积占地少；②对物料的适应性强；③过滤面积的选择范围宽；④过滤压力高，滤饼的含水率低；⑤结构简单，操作容易，故障少，保养方便，机器寿命长；⑥因为是滤饼过滤，所以可得到澄清的滤液，固相回收率高；⑦过滤操作稳定。缺点：装卸板框劳动强度大；滤布磨损严重。板框式过滤机比较适合于固体含量在1%～10%的悬浮液的分离。最大的操作压力可达1.5Mpa,通常使用压力为（3～5）×105Pa。发酵液过滤时，处理量为15～25L/（m2•h）。3、常用板框式过滤机的型号通常有BMS、BAS、BMY、BAY类型。BMS40/635-25板框压滤机明流手动压紧过滤面积滤框规格框厚度自动板框压滤机采用在边耳上开孔的板框，滤布上无孔，是首尾封闭的长条滤布。当拉开板框时，牵引整条滤布循环行进，同时卸除滤饼、洗涤滤布、重新夹紧，可以快速完成（10min）IFP自动板框压滤机工作原理图降框、卸饼及洗刷滤布二、真空过滤设备真空过滤设备一般以真空度作为过滤推动力。常用的设备有：转鼓真空过滤机、水平回转圆盘真空过滤机、垂直回转圆盘真空过滤机和水平带式真空过滤机等。生物工业中用的最多的是转鼓式真空过滤机。1．转鼓式真空过滤机的结构与操作一种连续式真空过滤设备；过滤、一次脱水、洗涤、卸料、滤布再生等操作工序同时在转鼓的不同部位进行。转鼓每转一周，完成一个操作循环。鼓外表面为多孔筛板，转鼓外覆盖滤布；圆筒内部被分隔成若干个扇形小室，小室内有单独孔道与空心轴内的孔道相通；空心轴内的孔道则沿轴向通往转鼓轴颈端面的转动盘（随轴旋转）上。固定盘与转动盘端面紧密配合成一多位旋转阀，称为分配头。分配头的固定盘被径向隔板分成若干个弧形空隙，分别与真空管、滤液管、洗液贮槽及压缩空气管路相通。当转鼓旋转时，借分配头的作用，扇型小室内部获得真空和加压，可控制过滤、洗涤等。区域I为过滤区。扇形格浸于滤浆中，格室内为真空状态。滤液经过滤布进入格室内，然后经分配头的固定盘弧形槽4排向滤液槽;区域II为滤液吸干区。扇形格刚离开液面，格室内仍为真空，使滤饼中残留的滤液被吸尽，与过滤区滤液一并排向滤液槽。区域III为洗涤区。洗涤水由喷水管洒于滤饼上，扇形格内为低真空状态，将洗出液吸人，经过固定盘的槽5通向洗液槽。•区域IV为洗后吸干区。洗涤后的滤饼在此区域内借扇形格室内的减压进行残留洗液的吸干，并与洗涤区的洗出液一并排人洗液槽。•区域V为吹松卸料区。此区域内格室与压缩空气相通，将被吸干后的滤饼吹松，同时被伸向过滤表面的刮刀所剥落。•区域VI为滤布再生区，在此区域内用压缩空气吹走残留的滤饼。2．转鼓式真空过滤机的特点和应用范围特点：结构简单，运转和维护保养容易，成本低，可连续操作。压缩空气反吹不仅有利于卸除滤饼，也可以防止滤布堵塞。但由于空气反吹管与滤液管为同一根管，所以反吹时会将滞留在管中的残液回吹到滤饼上，因而增加了滤饼的含湿率。营业范围：适用于过滤各种物料，也适用于温度较高的悬浮液，但温度不能过高，以免滤液的蒸汽压过大而使真空失效。通常真空管路的真空度约为33kPa～86kPa。第四节离心分离设备离心分离：利用离心力来达到悬浮液及乳浊液中固－液、液－液分离的方法通称离心分离。实现离心分离操作的机械称为离心机。技术性能指标：分离因数，也就是粒子在离心力场中所受到的离心力和重力之比，即：22/(8-2)900RnFrRg离心机分类(1)按分离因数的大小可分为常速离心机、高速离心机及超高速离心机。•常速离心机：Fr＜3000，主要用于分离颗粒不大的悬浮液和物料的脱水。•高速离心机：3000＜Fr＜50000，主要用于分离乳浊液和细粒悬浮液。•超高速离心机：Fr＞50000，主要用于分离极不易分离的超微细粒悬浮液和高分子胶体悬浮液。（２）按操作原理的不同可分为过滤离心机、沉降离心机及分离离心机。过滤离心机：转鼓壁上有孔，鼓内壁附以滤布。借离心力实现过滤分离，分离因数不大，适用于易过滤的晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水。沉降离心机：鼓壁上无孔，借离心力实现沉降分离。分离离心机：鼓壁上无孔，分离因数在3000以上，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或澄清。（３）按操作方式的不同可分为间歇式离心机和连续式离心机。一、过滤离心机•实现离心过滤操作过程的设备称为过滤离心机。结构如图。•离心机转鼓壁上有许多孔，供排出滤液用，转鼓内壁上铺有过滤介质，过滤介质为金属丝底网和滤布组成。•加入转鼓的悬浮液随转鼓一同旋转，悬浮液中的固体颗粒在离心力的作用下，沿径向移动被截留在过滤介质表面，形成滤渣层；与此同时，液体在离心力作用下透过滤渣、过滤介质和转鼓壁上的孔被甩出，从而实现固体颗粒与液体的分离。•过滤离心机一般用于固体颗粒尺寸大于10µm悬浮液的过滤。过滤离心机——三足式离心机•由一个底部封闭的圆筒形转鼓、垂直的主轴及驱动装置等组成。操作时，料液从机器顶部加入，经布料器在转鼓内均匀分布，滤液受离心力作用穿过过滤介质，从鼓壁外收集，而固体颗粒则截留在过滤介质上，逐渐形成一定厚度的滤饼层。特点优点：结构简单；占地小；操作平稳缺点：排渣需要繁重的体力劳动。机械卸料的三足式离心机二、碟片式离心机1.结构转鼓：悬在转鼓轴的顶端。转鼓芯：在转鼓内部，由50-80只形状与尺寸相同的碟片按一定间距叠装而成。原理离心分离机机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔，许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。两种不同重度液体的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于两种不同重度液体的离心沉降速度的不同，重液的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，两种不同重度液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。2．种类和应用特点（1）人工排渣碟片式离心机转鼓由圆柱形筒体、锥形顶盖及锁紧环组成。转鼓中间有底部为喇叭口的中心管料液分配器，中心管及喇叭口常有纵向筋条，使液体与转鼓有相同的角速度。中心管料液分配器圆柱部分套有锥形碟片，在碟片束上有分隔碟片，其颈部有向心泵。1－转鼓底；2－锁紧环；3－转鼓盖；4－向心泵；5－分隔碟片；6－碟片；7－中心管及喇叭口；8－筋条（2）喷嘴排渣碟片式离心机转鼓由圆筒形改为双锥形，既有大的沉渣储存容积，也使被喷射的沉渣有好的流动轮廓。特点：结构简单，生产连续，产量大等。喷嘴易磨损，需要经常更换，喷嘴易堵塞。能适应的最小颗粒约为0.5μm，进料液中的固体含量为6%～25%。（3）自动排渣碟片式离心机离心机的转鼓由上下两部分组成，上转鼓不作上下运动，下转鼓通过液压的作用能上下运动。操作时，转鼓内液体的压力进入上部水室，通过活塞和密封环使下转鼓向上顶紧。卸渣时，从外部注入高压液体至下水室，将阀门打开，将上部水室中的液体排出；下转鼓向下移动，被打开一定缝隙而卸渣。卸渣完毕后，又恢复到原来的工作状态。•这种离心机的分离因数为5500～7500，能分离的最小颗粒为0.5μm，料液中固体含量为1%～10%，大型离心机的生产能力可达60m/h。三、管式高速离心机管式高速离心机具有很高的分离因数（1.5万～6万），转鼓的转速可达8000～5万ｒ／ｍｉｎ。为尽量减小转鼓所受的应力，采用较小的鼓径，因而在一定的进料量下，悬浮液沿转鼓轴向运动的速度较大。为此，应增大转鼓的长度，以保证物料在鼓内有足够的沉降时间，于是导致转鼓成为直