1、第七章第七章 过滤、离心分离设备过滤、离心分离设备计计 划划授课时间授课时间2 2学时学时单元目标与要求单元目标与要求 掌握过滤的基本理论各几种形式的过滤设备的结构原理及操作掌握过滤的基本理论各几种形式的过滤设备的结构原理及操作方法方法授课内容授课内容 过滤速度的强化，过滤设备，离心分离设备，膜分离设备。过滤速度的强化，过滤设备，离心分离设备，膜分离设备。重点和难点重点和难点 过滤速度的强化方法，板框过滤机、碟片式离心过滤机过滤速度的强化方法，板框过滤机、碟片式离心过滤机的特点、的特点、原理、结构与计算。原理、结构与计算。一、几个基本概念一、几个基本概念过滤介质：一种能让液体通过，将固体粒子过
2、滤介质：一种能让液体通过，将固体粒子截留的介质。截留的介质。滤渣：滤浆中的固体粒子滤渣：滤浆中的固体粒子滤饼：被截留在过滤介质上的滤渣滤饼：被截留在过滤介质上的滤渣滤液：滤过的液体滤液：滤过的液体恒压过滤：将过滤操作的推动力维持在某恒压过滤：将过滤操作的推动力维持在某一不变的压力下进行。一不变的压力下进行。恒速过滤：操作中以恒定的流量向过滤机恒速过滤：操作中以恒定的流量向过滤机供料以维持过滤速率不变。供料以维持过滤速率不变。二、生物物料过滤特点二、生物物料过滤特点饼有高度可压缩性，过滤困难饼有高度可压缩性，过滤困难 胶体粒子能吸水，形成不流动的液体胶体粒子能吸水，形成不流动的液体层，过滤阻力增
3、大。层，过滤阻力增大。三、过滤介质三、过滤介质（一）过滤介质的特性（一）过滤介质的特性 1、过滤介质所能截留的固体粒子的大小过滤介质所能截留的固体粒子的大小 纤维纤维 10um 硅藻土硅藻土 1um 超滤膜超滤膜 0.5um 2、过滤介质的渗透性过滤介质的渗透性 渗透性越大，阻力越小渗透性越大，阻力越小 3、其他其他 耐酸碱性、耐热性耐酸碱性、耐热性(二二 )天然纤维滤布和合成纤维滤布天然纤维滤布和合成纤维滤布 棉花纤维或合成纤维织成的滤布是工业上应用棉花纤维或合成纤维织成的滤布是工业上应用最广的过滤介质。最广的过滤介质。影响因素：纤维特性，耐热性，耐磨性，耐酸性影响因素：纤维特性，耐热性，耐
4、磨性，耐酸性等等。等等。(三三)松散粉粒过滤介质松散粉粒过滤介质构成沙滤床的硅藻土构成沙滤床的硅藻土用法：用法：1.1.作为深层过滤介质过滤悬浮液。作为深层过滤介质过滤悬浮液。2.2.在挠性或刚性支持性介质表面上欲先形成硅藻土在挠性或刚性支持性介质表面上欲先形成硅藻土薄层，以保护支持性介质的毛细孔在过滤时不被薄层，以保护支持性介质的毛细孔在过滤时不被微小的颗粒所堵塞。微小的颗粒所堵塞。3.3.使形成的滤饼具有多孔隙，并降低滤饼的可使形成的滤饼具有多孔隙，并降低滤饼的可 压缩压缩性，提高过滤速度和延长过滤操作的周期。性，提高过滤速度和延长过滤操作的周期。四、过滤速率的强化四、过滤速率的强化 过滤
5、速率过滤速率 u u粘度粘度,r r0 0 滤饼比阻力滤饼比阻力,l 滤饼层厚滤饼层厚度度,R滤布阻力滤布阻力 0()dVPFdl R 滤饼比阻力的异常性与过滤速度的强化滤饼比阻力的异常性与过滤速度的强化1 1降低滤饼比阻力降低滤饼比阻力A毛细孔弯曲因子毛细孔弯曲因子,n单位面滤饼层上毛细孔数单位面滤饼层上毛细孔数,d毛细孔直径毛细孔直径增大毛细孔直径增大毛细孔直径d，滤饼阻力，滤饼阻力r r0 0 下降下降。采用方法采用方法：添加电解质、絮凝剂、凝固剂：添加电解质、絮凝剂、凝固剂：d增大增大 加助滤剂：小粒子附于其上成大粒子，加助滤剂：小粒子附于其上成大粒子，d增大增大 加热：胶体粒子变性凝
6、固，加热：胶体粒子变性凝固，d增大增大 调调PHPH：蛋白质等电点，溶解度变小或凝固，：蛋白质等电点，溶解度变小或凝固，d增增大大41280and 2 2降低滤液粘度降低滤液粘度 升温升温 使粘度使粘度下降下降 加酶加酶 热敏性物料用加酶法热敏性物料用加酶法3 3降低悬浮液中悬浮固体的浓度降低悬浮液中悬浮固体的浓度x x0 0 工艺方面工艺方面 主要从培养基方面考虑主要从培养基方面考虑 设备方面设备方面 用连续能除渣的设备用连续能除渣的设备4 4热处理热处理 热处理能使蛋白质等胶体粒子变性凝固，热处理能使蛋白质等胶体粒子变性凝固，d增大增大,使过滤速度大为提高。使过滤速度大为提高。5.5.提高
7、过滤压力差提高过滤压力差PP P增加，增加，增大增大n允许压差操作允许压差操作0.3Mpa0.3Mpan开始压力小，逐步提高压力开始压力小，逐步提高压力。问题问题 n关于提高过滤压力差关于提高过滤压力差PP是否是强化过滤是否是强化过滤的好途径的好途径?dVd第二节第二节 过滤设备过滤设备 设备分类：设备分类：常压、加压、真空等常压、加压、真空等过滤设备过滤设备1、麦汁平底筛过滤槽、麦汁平底筛过滤槽 结构结构上上半部与糊化锅相似，半部与糊化锅相似，平底。平底。滤液排出管滤液排出管过滤筛板过滤筛板耕槽机耕槽机喷淋水装置喷淋水装置n主要部件主要部件n过滤筛板过滤筛板：由若干块排列组成离底由若干块排列
8、组成离底8-8-12cm12cm，水平，开长条形孔，开孔率，水平，开长条形孔，开孔率6%6%。n耕槽机耕槽机：装于中央垂直转轴上，有耕装于中央垂直转轴上，有耕刀刀。n耕槽机作用：耕槽机作用：n进料时搅拌进料时搅拌n后期疏松麦糟层后期疏松麦糟层n排糟排糟n要求：要求：麦槽层厚度为麦槽层厚度为0.3-0.4m0.3-0.4mn过滤面积过滤面积：100kg100kg干麦芽需过滤面积干麦芽需过滤面积0.5m0.5m2 2左左右。右。n特点：特点：不用加过滤介质，运转费用低，滤不用加过滤介质，运转费用低，滤液澄清度好，但生产效率低液澄清度好，但生产效率低n操作过程：操作过程：2、快速过滤槽快速过滤槽结构
9、结构 圆柱形或长方形圆柱形或长方形锥底结构锥底结构,槽身下槽身下部装有部装有5-75-7层过滤管。层过滤管。特点特点 过滤面积和压差过滤面积和压差增大了增大了,过滤速度过滤速度快。快。3、板框式压滤、板框式压滤结构结构n滤框：正方形滤框：正方形n滤板：支撑滤布滤板：支撑滤布并提供滤液并提供滤液流出流出的通道的通道n通常使用压力：通常使用压力：3-53-5*10105 5PaPa。3、板框式压滤机工作原理、板框式压滤机工作原理n设备动画设备动画3分离过滤分离过滤3-4板框过滤板框过滤机机.swfn设备动画设备动画3分离过滤分离过滤板框压滤板框压滤机机.swf4 4、垂直式叶片硅藻土过滤机、垂直式
10、叶片硅藻土过滤机n结构结构n不锈钢圆柱体外壳，顶部不锈钢圆柱体外壳，顶部为快开式顶盖，底部有一为快开式顶盖，底部有一根水平滤液总管根水平滤液总管n滤叶：滤叶：骨架为方形框，框骨架为方形框，框中间平面上夹中间平面上夹持持一层粗的一层粗的大孔格金属丝网，两侧有大孔格金属丝网，两侧有细密的金属丝网（细密的金属丝网（400-400-500500目）或滤布，每只滤目）或滤布，每只滤叶下有接管接于滤液总管叶下有接管接于滤液总管上。上。n设备动画设备动画33分离过滤分离过滤3-103-10加压叶滤机加压叶滤机.swf.swf流动方向4321图8-4 垂直式硅藻土过滤机滤饼滤液滤浆H图8-5 水平叶式硅藻土过
11、滤机 操作过程操作过程 过滤时器盖紧闭，从混合槽中将啤酒过滤时器盖紧闭，从混合槽中将啤酒与硅藻土混合液泵入过滤器，以制备硅藻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，而啤酒进入在滤叶表面的细金属丝网上，而啤酒进入滤框内腔进而从水平滤液总管流出。浊液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，至此预涂层返流，直至流出澄清的啤酒，至此预涂层完成。然后将待过滤啤酒过滤。完成。然后将待过滤啤酒过滤。5 5、真空过滤机、真空过滤机设备主体设备主体特点：特点：将过滤、洗饼、吹干、卸饼分别在转将过滤
12、、洗饼、吹干、卸饼分别在转鼓的一周转动中完成。连续且滤饼阻力小。为鼓的一周转动中完成。连续且滤饼阻力小。为恒压恒速过滤过程。恒压恒速过滤过程。操作过程操作过程设备改进设备改进 设备动画设备动画33分离过滤分离过滤3-113-11转筒真空过滤机转筒真空过滤机.swf.swf改进后的改进后的RCPRCP设备操作过程设备操作过程 在过滤区形成的滤饼，依次经过吸在过滤区形成的滤饼，依次经过吸脱、洗饼、脱水、空气反吹剥离后行进的脱、洗饼、脱水、空气反吹剥离后行进的滤布载着滤饼在通过滤饼脱离滚筒时，因滤布载着滤饼在通过滤饼脱离滚筒时，因方向转折，滤饼被剥离。除去滤饼后再从方向转折，滤饼被剥离。除去滤饼后再
13、从正反两面用刷子及高压喷嘴洗涤再生，重正反两面用刷子及高压喷嘴洗涤再生，重新进入过滤区，新进入过滤区，特点：特点：比比GPGP机速度高机速度高50-100%50-100%第三节、离心分离设备第三节、离心分离设备n离心离心分离是在液相非均匀体系中，利用离心力分离是在液相非均匀体系中，利用离心力来达到液液分离，液固分离的方法，通称为离来达到液液分离，液固分离的方法，通称为离心分离。分为离心沉降和离心过滤。心分离。分为离心沉降和离心过滤。n离心机是在高速旋转的转鼓中，藉惯性离心力离心机是在高速旋转的转鼓中，藉惯性离心力的作用，过滤、澄清悬浮液，或将两种轻重不的作用，过滤、澄清悬浮液，或将两种轻重不同
14、、互不溶解的液体分离的设备。同、互不溶解的液体分离的设备。一一.分类分类n按作用原理分类按作用原理分类 过滤式过滤式:（分离机）：转鼓壁上有孔并装滤布（三足式）（分离机）：转鼓壁上有孔并装滤布（三足式）沉降式沉降式:（澄清机）：转鼓壁上无孔无滤布，碟片式、管澄清机）：转鼓壁上无孔无滤布，碟片式、管式式 n按离心分离因素分类按离心分离因素分类 常速离心机，分离因素常速离心机，分离因素f小于小于3000 中速离心机，分离因素中速离心机，分离因素f 3000-50000 高速离心机，分离因素高速离心机，分离因素f大于大于50000 超高速离心机，分离因素超高速离心机，分离因素f大于大于20万万；二二
15、.离心力与转鼓直径和转速的关系离心力与转鼓直径和转速的关系n重量为重量为M（kg）的物体旋转时，当其圆周速度为）的物体旋转时，当其圆周速度为（m/s），旋转半径为），旋转半径为R（m），则产生的离心力为），则产生的离心力为n n式中式中 g 重力加速度，重力加速度，m/s；n转数，转数，r/min；D旋转直径，旋转直径，m。如果以旋转角速度如果以旋转角速度（弧度（弧度/秒）表示，并取旋转加速度秒）表示，并取旋转加速度 与重力加速与重力加速度之比称为度之比称为“离心分离因数离心分离因数”，以，以 表示。则表示。则 222900RuRnfggR2222()6090R nMM uM R nFgRgR
16、2RfM增加，增加，F增加；增加；R增加，增加，F增加；增加；n增加，增加，F增加显著增加显著 三三.离心澄清机和离心分离机离心澄清机和离心分离机1.1.定义定义n离心澄清机定义：离心澄清机定义：藉离心沉降速度的不藉离心沉降速度的不同将悬浮液中的液、固相分开的离心机同将悬浮液中的液、固相分开的离心机称作离心澄清机。称作离心澄清机。n离心分离机定义：离心分离机定义：藉离心沉降速度的不藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开的离心机称作离心分离机。开的离心机称作离心分离机。三足式离心澄清机离心澄清机n设备动画3分离过滤三足式离心机.swf碟片式离心机
17、碟片式离心机1.1.结构结构 n转鼓：悬在转鼓转鼓：悬在转鼓轴的顶端。轴的顶端。n转鼓芯：在转鼓转鼓芯：在转鼓内部，由内部，由50-8050-80只形状与尺寸相只形状与尺寸相同的碟片按一定同的碟片按一定间距叠装而成。间距叠装而成。离心澄清机的结构离心澄清机的结构 2.原理原理n离心分离机机的转鼓内有数十只离心分离机机的转鼓内有数十只(50-80)(50-80)形状和尺寸相同的碟片形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距碟片按一定间距(0.5-1.2mm)(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离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开轴
18、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，两种不外运动，轻液的离心沉降速度小，则向轴线流动。
19、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。同重度液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。2 2、工作原理：、工作原理：当悬浮液在动压头的当悬浮液在动压头的作用下，经中心管流入高速旋转的碟作用下，经中心管流入高速旋转的碟片之间的间隙时，便产生了惯性离心片之间的间隙时，便产生了惯性离心力，其中密度较大的固体颗粒在离心力，其中密度较大的固体颗粒在离心力的作用下向上层碟片的下表面运动，力的作用下向上层碟片的下表面运动，而后沿碟片下表面向转子周围下滑，而后沿碟片下表面向转子周围下滑，液体则沿转子中心上升，从套管中排液体则沿转子中心上升，从套管中排出，达到分离的目的。同样对于乳浊出，达到分
20、离的目的。同样对于乳浊液的分离，轻液沿中心向上流动，重液的分离，轻液沿中心向上流动，重液沿周围向下流动而得到分离。液沿周围向下流动而得到分离。l 机型机型n 基本型基本型：人工排渣人工排渣n 自动间歇排渣型自动间歇排渣型：定期排渣：定期排渣n 连续排渣型连续排渣型：连续排渣：连续排渣自动排出沉渣的离心澄清机自动排出沉渣的离心澄清机分批自动排出沉渣的离心澄清机分批自动排出沉渣的离心澄清机举例举例 谷氨酸发酵液菌体分离谷氨酸发酵液菌体分离 发酵液发酵液分离菌体分离菌体等电点提取谷氨酸等电点提取谷氨酸NaNa2 2COCO3 3中和中和谷氨酸钠味精液谷氨酸钠味精液进料进料:发酵液含菌发酵液含菌5%,
21、含酸含酸a发 酵 液酸a15000L/h 5500L/h 20500L/h 1500L/h 酸82%a菌25%17500L/h，去提取1500L/h 酸35%a菌50%1500L/h 酸6%a菌50%洗涤水4000L/h4000L/h，酸6%7000L/h 操作过程操作过程发酵液经过滤器发酵液经过滤器过滤后，进入一过滤后，进入一级离心机分离出级离心机分离出清液送去提取谷清液送去提取谷氨酸，重液从下氨酸，重液从下面排出经泵抽出面排出经泵抽出送二级离心机；送二级离心机；在二级离心机再在二级离心机再次离心，清液送次离心，清液送至过滤前的工序至过滤前的工序再处理，重液出再处理，重液出来后泵至三级离来后
22、泵至三级离心机；心机；从三级离心机出从三级离心机出来的是浓的液体，来的是浓的液体，清液送二级过滤清液送二级过滤机处理。机处理。过滤器一级一级三级二级三级三级流程进料流程进料:发酵液含菌发酵液含菌5%,含酸含酸a一级离心一级离心:含菌含菌25%,含酸含酸82%a 二级离心二级离心:含菌含菌50%,含酸含酸35.3%a 三级离心三级离心:含菌含菌50%,含酸含酸6.7%a 第四节第四节 膜分离膜分离 一.定义定义 对溶液中粒径很小的粒子进行过滤分离的操作对溶液中粒径很小的粒子进行过滤分离的操作n浓差极化现象浓差极化现象n当待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜面的液当待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜面的
23、液体处于层流状态，水及小分子溶质透过膜，大体处于层流状态，水及小分子溶质透过膜，大分子溶质则被膜阻留。被阻留分子从膜面返回分子溶质则被膜阻留。被阻留分子从膜面返回液体主流的速度，受分子通过层流区的扩散速液体主流的速度，受分子通过层流区的扩散速度所控制，当这一速度低于被阻留分子在膜面度所控制，当这一速度低于被阻留分子在膜面聚集的速度，就逐渐在膜面上，行成一高浓度聚集的速度，就逐渐在膜面上，行成一高浓度的被阻留的溶质分子层。随着浓差极化愈来愈的被阻留的溶质分子层。随着浓差极化愈来愈严重，膜的滤出速度也愈来愈低严重，膜的滤出速度也愈来愈低 膜分离的特点膜分离的特点膜分离过程不发生相变化，能耗低。膜分
24、离过程不发生相变化，能耗低。膜分离过程在常温下进行。膜分离过程在常温下进行。不仅适用于有机物，无机物和病毒、细菌不仅适用于有机物，无机物和病毒、细菌分离，还适用于一些共沸物或近沸物的分分离，还适用于一些共沸物或近沸物的分离。离。二二.膜分离过程的类型膜分离过程的类型 按膜内平均孔径、推动力和传递机制进行分类按膜内平均孔径、推动力和传递机制进行分类n过程过程 孔径孔径 推动力推动力 机制机制n微滤微滤 0.02-10um 压力差压力差 筛分筛分n超滤超滤 0.001-0.02 um 压力差压力差 筛分筛分n反渗透反渗透 无孔无孔 压力差压力差 溶液溶液-扩散扩散n气体透过气体透过 无孔无孔 压力
25、差压力差 溶液溶液-扩散扩散n透析透析 1-3nm 浓度差浓度差 筛分筛分+扩散扩散n电渗析电渗析 相对分子质量相对分子质量 电位差电位差 离子迁移离子迁移 小于小于200 n渗透蒸发渗透蒸发 无孔无孔 分压差分压差 溶液溶液-扩散扩散 按膜分离推动力的不同分类按膜分离推动力的不同分类n以静压力差为推动力的过程；以静压力差为推动力的过程；n以蒸气分压差为推动力的过程；以蒸气分压差为推动力的过程；n以浓度差为推动力的过程；以浓度差为推动力的过程；n以电位差为推动力的过程以电位差为推动力的过程.n设备动画3分离过滤膜分离过程示意图.swf三三.膜分离过程膜分离过程 离。离。四四.膜分离设备膜分离设
26、备板式膜过滤器板式膜过滤器管式膜过滤器管式膜过滤器中空纤维式膜分离器中空纤维式膜分离器螺旋卷式膜分离器螺旋卷式膜分离器思考题思考题1 1、如何强化过滤速度如何强化过滤速度?提高过滤压力差提高过滤压力差PP是否是强化是否是强化过滤的好途径过滤的好途径?2 2、叙述叙述麦汁过滤槽、板框压滤机的结构和过滤原理麦汁过滤槽、板框压滤机的结构和过滤原理3 3、在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用什么离心、在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用什么离心机机?叙述该机分离酵母的原理叙述该机分离酵母的原理4、在工厂中要将奶油、在工厂中要将奶油(酯酯)从新鲜牛奶中分离出来应该从新鲜牛奶中分离出来应该选用什么离心机选用什么离心机?叙述该机分离奶油的原理。叙述该机分离奶油的原理。5 5、用膜分离、用膜分离(超滤和反渗透超滤和反渗透)技术分离生化产品有什么技术分离生化产品有什么特点特点?
