1、第八章第八章过滤、离心与膜分离设备过滤、离心与膜分离设备 8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化8.3 8.3 过滤设备过滤设备8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 8.1 8.1 概述概述8.1.1 8.1.1 分离过程的分类分离过程的分类 生物工业中，最后一个环节是把目的产物从培养液或反应液中分离出来。分离的方法常用的有机械分离和传质分离两大类。机械分离过程的分离对象是由两相以上组分组成的混合物，其目的只是简单地将各项加以分离。例如过滤、沉降、离心分离等。传质分离过程用于各种均相混合物的分离，其特点是有质量传递现象发生
2、。按所依据的物理化学原理不同，工业上常用的传质分离过程又分两大类：即平衡分离过程和速率分离过程。8.1 8.1 概述概述8.1.2 8.1.2 过滤过滤 、离心与膜分离及性能比较、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。8.1 8.1 概述概述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
3、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。过滤、离心与膜分离是生物工业中常用的分离方法，其分离原理、性能特征比较见表8-1：8.1 8.1 概述概述表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分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返回 8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 8.2.1 8.2.1 发酵液的预处理发酵液的预处理 发酵液预处理的方法很多，针对
4、不同的对象，如悬浮液中的液相、固相、或者悬浮液本身来进行，现分述如下：1调整液体的粘度（液相预处理）固体颗粒的沉降速度、滤液的过滤速率均与液体的粘度成反比。因此，降低液体的粘度，有利于固液的分离。实际生产中降低液体粘度的方法有以下两种。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化（1）提高液体的温度。液体的粘度随温度升高而降低，例如水的温度从20升到50时，粘度下降50%。这种方法简单易行，但应注意的是，温度升到一定程度后，其对粘度的影响就越来越小。（2）用低粘度液体稀释。这种方法由于低粘度的稀释剂价格高需回收、增加处理量等不足而在实际中应用较少。只在必要如石油脱腊时才采用。8.2 8.2 过
5、滤速度的强化过滤速度的强化 2凝聚和絮聚（固相的预处理）固相预处理是一个固体颗粒增大的过程，通过增大固相颗粒的沉降速度或滤饼层的渗透性，从而提高沉降速度和过滤速度，得到好的分离效果。(1)凝聚 凝聚是将一种无机电解质（凝聚剂）加入到悬浮液中，通过电荷中和降低固相离子表面电荷以及由此产生的颗粒间的相互排斥力，使得固相颗粒有可能在范德华力的作用下相互靠近并产生碰撞而黏附成粗大的粒子。常用的凝聚剂有：硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁等。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化（2）絮聚 絮聚是将一种高分子电解质（絮聚剂）加入到悬浮液中，借高分子电解质的长链作用，与离子产生静电作用，
6、捕获粒子，中和电荷，粘结颗粒，以及在固相粒子间搭桥，使颗粒不断凝结为较大的絮块。絮聚剂具有长链线状结构，是一种水溶性聚合物，相对分子质量可高达数万至一千万以上，在长链节上含有许多活性功能团。它们通过静电引力、分子间力或氢键作用，强烈地吸附在胶粒的表面，一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同颗粒的表面上，形成架桥连接，生成粗大的絮团。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 常用的絮聚剂主要是聚丙稀酰胺及其衍生物，分子量为（0.520）10，其按电性分为中性絮聚剂（非离子型）、阴离子型絮聚剂和阳离子型絮聚剂三种。阳离子型絮聚剂的分子量（510）一般比非离子型和阴离子型的低，但价格较贵，常用
7、的有聚胺、丙稀酰胺共聚物等。影响凝聚和絮聚的因素主要有絮凝剂的用量（最佳用量是絮凝剂全部被吸附在固相粒子表面上，且絮块的沉降速度最大），PH值和离子强度，絮凝剂分子量的大小和分布，絮凝剂在悬浮液中均布程度以及悬浮液的温度等。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 3.固相增浓 对于细粒级固相悬浮液，低浓度料浆所形成的滤饼通常比高浓度料浆所形成的滤饼过滤阻力大，因此，提高固相浓度可改善过滤性能，提高单位面积的滤液通过量。提高悬浮液固相浓度的方法有两种：一是在不影响产品质量的前提下添加助滤剂，如硅藻土、膨胀珍珠盐粉、纤维素或碳粉等，使固相浓度增加；二是用沉降装置，如重力沉降槽、旋流器等进行预
8、增浓。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 4.加入反应剂 加入反应剂和某些可溶性盐类与悬浮液反应生成不溶性沉淀，如CaSO4、AIPO4等。生成的沉淀能防止菌丝体黏结，使菌丝具有块状结构，同时沉淀还可作为助滤剂，使悬浮液凝固，从而改变过滤性能。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高310倍。如发酵液中含有不溶性多糖物质，最好用酶将它转化为单糖，以便提高过滤速度。例如，万古霉素用淀粉作培养基，发酵液过滤前加入0.025%的淀粉酶，搅拌30分钟后，再加入2.5%硅藻土助滤剂，可使过滤速度提高5倍。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 8.2.2 8.2.2 过滤介质选择过滤介
9、质选择1.工业中常用过滤介质的种类（1）滤布滤布的织法有三种：平纹、斜纹以及锻纹织法。平织可得到最为紧密的滤布构造，因而孔隙最小，锻纹织滤布的孔隙最大，斜纹织法的孔隙大小居中。正因为平纹布的孔隙最小，所以它的颗粒截留性最好，而且价格便宜，但易发生堵塞；斜纹织法的截留能力和发生堵塞的程度都居中，抗摩擦能力很强，过滤速度也大；锻纹滤布的孔隙最大。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 滤布的材料构成可以是棉、毛、丝、麻等天然纤维和各种化学合成纤维。普通棉纤维具有较好的强度，价格低廉，但只能在不超过100条件下使用，当温度较高时迅速丧失其强度，且不耐腐蚀；毛织滤布的截留能力稍逊于棉织滤布，在弹
10、性方面要优于棉织滤布，但价格稍贵；丝的耐酸稳定性大致相当于毛，耐碱稳定性则介于棉、毛之间。丝织滤布对悬浮液中的固相颗粒有令人满意的截留性，同时对液相有足够的渗透性。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化（2）滤网 一般滤网的材质是不锈钢和黄铜，也采用莫涅耳镍铜合金、青铜、镍，甚至碳素钢。由于采用了金属材质，滤网具有耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性等特点，此外，它们在工作中不会出现收缩和延伸现象，使用寿命长。滤网可以用不同粗度的线材，采用平纹织法和斜纹织法制造出各种各样的滤网。滤网常常用在叶滤机和转鼓过滤机上，除了能给助滤剂层提供良好的表面以进行助滤剂过滤外，还可以在无助滤剂的情况下使用。8.2
11、 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化（3）刚性多孔介质 刚性多孔介质是将陶瓷、塑料、金属等粉末烧结而成的。烧结时可加入粘结剂，也可不加，并通过控制原料粉末细度、温度、压力及烧结时间，可以得到孔隙均匀、渗透性各异的刚性多孔介质。刚性多孔介质的形状，可以是筒状、盘状和板状。其中，圆筒状元件适于加压过滤，而板状适于重力过滤和真空过滤。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化（4）松散固体介质 松散固体介质有硅藻土、珍珠盐粉、细纱、活性碳、白土等。填充于过滤器内，用于澄清过滤，最常用的是硅藻土。它性质优良：一般不与酸碱反应，化学性质稳定，不会改变液体组成；形状不规则，孔隙大且多孔，具有很大的吸附
12、表面；无毒且不可压缩，形成的过滤层不会因操作压力变化而阻力变化，因此，也是一种良好的助滤剂。硅藻土过滤介质通常有三种用法：作为深层过滤介质、作为预涂层、作为助滤剂。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 2.过滤介质的选择（1）良好的过滤介质应满足的要求：过滤阻力小，滤饼容易剥离，不易发生堵塞。耐高温、耐腐蚀、强度高、容易加工，易于再生，廉价易得。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 选择过滤介质，首先要了解过滤目的，其次需要掌握如下一些数据和资料：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
13、选择合适过滤介质的依据。如表8-2所示。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 表8-2 各类介质能截留的最小颗粒(单位m)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5 2 10多孔塑料薄膜0.005刚性多孔介质陶瓷金属陶瓷1 3松散固体介质硅藻土 膨胀珍珠岩11 8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 液体的性质 包括液体的酸碱性、温度、粘度和相对密度等。滤浆的性质 包括固-液比、颗粒的聚集作用、粘度等。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。生产率 了解生产率有助于
14、确定合适的过滤推动力。（3）过滤介质选择的方法 过滤介质种类繁多，过滤机型式多种多样，滤浆的性质及分离条件、目的各不相同，使得过滤介质的选择并非轻而易举。正确选择过滤介质，一是靠经验，二是靠实验。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 8.2.3 8.2.3 过滤操作条件的优化过滤操作条件的优化从化工原理的学习知道，过滤方程为：式中t 过滤时间，sV滤液体积，mp过滤压力差，Pa滤液粘度，Pasr0滤饼的质量比阻，1/m滤饼层的厚度，mR滤布阻力，1/mF过滤面积，m01 (8-1)d Vp Fd trlR 8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 1改善悬浮液的物理性质 主要是降低
15、滤液粘度，减少滤饼的体积比阻力及滤饼层厚度。加热是降低滤液粘度最有效可行的方法。在过滤操作中，如果操作条件允许，尽可能采用加热过滤。另外，有些悬浮液还可以用其它方法降低粘度。如在啤酒糖化中加入适量的-葡萄糖苷酶，由于-葡萄糖苷酶的降解作用可降低麦汁的粘度。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 滤饼的体积比阻力与滤饼毛细孔直径、毛细孔弯曲因子有关。增大滤饼毛细孔直径，减少毛细孔弯曲因子，有利于降低滤饼的体积比阻力，工业生产中常用的方法是在悬浮液中加入絮凝剂，使细小的胶体粒子“架桥”长大，从而形成大孔径的滤饼层。加入固体助滤剂可降低滤饼层的可压缩性，使毛细孔弯曲因子变小。对于固体含量较大的
16、悬浮液，过滤前可采用重力沉降和离心沉降的方法分离出大部分粒子，再进行过滤操作，这样可使滤饼层厚度减小，提高过滤速率，延长过滤周期。8.2 8.2 过滤速度的强化过滤速度的强化 2优化操作条件 优化操作条件的目的主要是提高过滤速率，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。此种情况下，在过滤介质、过滤设备允许的机械强度范围内，尽可能采用加压过滤。然而，发酵液过滤所形成的滤饼通常是高度可压缩的，在一定的压力差范围内，提高压力差有利于加大过滤速度，但当压力差超过某一值后，继续增加压力差反而会降低过滤速度，其原因较复杂，这里不作研究。返回 8.3 8.3 过滤设备过
17、滤设备 过滤设备按操作方式可分为间歇式过滤机和连续式过滤机；按照采用的推动力可分为重力过滤机、加压过滤机、真空过滤机和离心过滤机。目前，工业上应用最广泛的板框式过滤机和叶滤机均为加压过滤机、回转式过滤机则为真空过滤机。分别介绍如下。8.3.1 8.3.1 加压过滤设备加压过滤设备1板框式过滤机 板框式过滤机有间歇式和自动式两种操作方式。间歇式过滤机是一种传统的过滤设备，在发酵工业中广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。以下介绍间歇式板框式过滤机的结构和原理。8.3 8.3 过滤设备过滤设备（1）板框式过滤机的操作和结构 板框式过滤机是由许多块滤板和滤框交
18、替排列而成。一端固定另一端可以让板框移动。板和框之间隔有滤布，用压紧装置自活动端方向压紧或拉开。图8-1表示板框式过滤机的装置情况。滤板和滤框多做成正方形，数目从10-60不等，每机的滤板和滤框数目，由生产能力和悬浮液的情况而定。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 图8-1 板框式过滤机 1过滤板；2滤框；3洗涤板 8.3 8.3 过滤设备过滤设备 在滤板的外缘有一个钮的称为过滤板，三个钮的称为洗涤板，在滤框的外缘铸有两个钮。从图8-2可以看出，1是过滤板，2是滤框，3是洗涤板。板和框是按照钮的记号1-2-3-2-1的顺序排列的。滤板和滤框的构造如图8-2所示。滤板表面上有棱状沟槽，其边缘略微突
19、起。在板、框和滤布的两个角都有小孔，它们组合并压紧后即构成了供滤液和洗涤水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框和滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。滤板的作用有二：一是支撑滤布；二是滤液流出的通道。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 图8-2 板框式过滤机的滤板和滤框构造 8.3 8.3 过滤设备过滤设备 操作前，应将板、框和滤布按前述顺序排列，并转动机头，将板、框和滤布压紧。操作时，悬浮液在压力下经悬浮液通道和滤框的暗孔进入框内。滤液分别穿过两侧滤布，沿板上沟槽流下，汇集于下端，经滤液出口阀流出。然后将滤框和滤布洗净，重新装合，准备下一次过滤操作。但是，多数情况滤饼装满后还需洗涤，有时还需压缩空气吹
20、干。所以，板框式过滤机的一个工作周期包括装合，过滤，洗涤（吹干），去饼，洗净等过程。过滤和洗涤过程的情况见图8-3。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 图8-3 板框式过滤机操作简图 8.3 8.3 过滤设备过滤设备（2）板框式过滤机的特点和适用范围 板框式过滤机的优点：单位过滤面积占地少；对物料的适应性强；过滤面积的选择范围宽；过滤压力高，滤饼的含水率低；结构简单，操作容易，故障少，保养方便，机器寿命长；因为是滤饼过滤，所以可得到澄清的滤液，固相回收率高；过滤操作稳定。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（35）105Pa。发
21、酵液过滤时，处理量为1525L/（m2h）。8.3 8.3 过滤设备过滤设备（3）板框式过滤机的型号 国产板框式过滤机有BAS、BMS、BMY三种型号。B表示板框式过滤机，A表示暗流式，M表示明流式，S表示手动压紧，Y表示液压压紧。型号后面的数字表示过滤面积（m）-滤框尺寸（mm）/滤框厚度（mm）如：BAY40-635/25表示暗流式油压压紧板框式过滤机，过滤面积为40 m，框内尺寸为635mm635mm，滤框厚度为25mm；滤框块数=40/（0.6350.6352）=50块；滤板为49块；板内总体积=0.6350.6350.02550=0.5m。此过滤机的操作压力为7.8105Pa；油压缸
22、的工作压力为2.9105Pa。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 8.3.2 8.3.2 真空过滤设备真空过滤设备 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 转鼓式真空过滤机是连续操作过滤机中应用最广泛的一种。转筒每转一周就完成一个包括过滤、洗涤、吸干、卸渣和清洗滤布等几个阶段的操作。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 如图8-4是转鼓式真空过滤机的操作简图。过滤机的主要部分是一水平放置的回转圆筒（转鼓）。筒的表面有孔眼，并包有金
23、属网和滤布。它在装有悬浮液的槽内作低速回转（通常转速为12r/min），转筒的下半部浸在悬浮液内。转筒内部用隔板分成互不相通的扇形格，这些扇形格经过空心主轴的通道和分配头的固定盘上的小室相通。分配头的作用是使转筒内各个扇形格同真空管路或压缩空气管路顺次接通。于是在转筒的回转过程中，借分配头的作用，每个过滤室相继与分配头的几个室相接通，使过滤面形成以下几个工作区。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 图8-4 真空转鼓式过滤机的结构和工作示意图 8.3 8.3 过滤设备过滤设备（1）过滤区 当浸在悬浮液内的各扇形格同真空管路接通时，格内为真空。在转筒外压力差的作用下，滤液透过滤布，被压入扇形格内，经
24、分配头被吸出。而固体颗粒在滤布上则形成一层逐渐增厚的滤渣。（2）洗涤吸干区域 当扇形格离开悬浮液进入此区时，格内仍与真空管路相通。滤饼在此格内将被洗涤并吸干，以进一步降低滤饼中溶质的含量。有些特殊设计的转鼓过滤机上还设有绳索（或布）压紧滤饼或用滚筒压紧装置，用以压榨滤饼、降低液体含量并使滤饼厚薄均匀防止龟裂。8.3 8.3 过滤设备过滤设备（3）卸渣区 这个区与分配头的室相接通，在室通入压缩空气，压缩空气促使滤饼与滤布分离，然后将滤饼清除。（4）滤布复原区 滤渣被刮落后，为了除去堵塞在滤布孔隙中的细微颗粒，压缩空气通过分配头的室进入复原区的滤室，吹落这些颗粒使滤布复原，重新开始下一循环的操作。
25、因为转鼓不断旋转，每个滤室相继通过各区即构成了连续操作的工作循环。而且在各操作区域之间，都有不大的休止区域。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 2转鼓式真空过滤机的特点和应用范围 转鼓式真空过滤机结构简单，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。转鼓式真空过滤机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33kPa86kPa。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 3转鼓式
26、真空过滤机的型号及形式（1）型号 国产转鼓式真空过滤机的的型号有GP和GP-X型，GP 型为外滤面刮刀卸料多室转鼓式真空过滤机，GP-X型为外滤面绳索卸料多室转鼓式真空过滤机。例如：代号GP2-1型过滤机，其中2表示过滤面积为2m，1表示转鼓直径为1m。（2）转鼓式真空过滤机的形式 转鼓式真空过滤机除了常用的多室式外滤面过滤机外，还有多种型式，下面简单介绍单室式和内部给液式两种。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 单室式转鼓真空过滤机是将空心轴内部分隔成对应于各工作区的几个室，空心轴外部用隔板焊成与转鼓内壁接触的两个部分：一部分通真空，另一部分通压缩空气，空心轴固定不转动，当转鼓旋转时与空心轴各
27、室相连通，形成不同的工作区。内部给液式转鼓真空过滤机的过滤面在转鼓的内侧，因而加料、洗涤、卸渣等均在转鼓内进行。这种设备结构紧凑，外部简洁，不需另设料液槽，可减轻设备自重，没有料液搅拌器，只需一套传动装置，对于易沉淀的悬浮液非常适用。缺点是工作情况不易观察，检修不便。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 8.3.3 8.3.3 离心过滤设备离心过滤设备 实现离心过滤操作过程的设备称为过滤离心机。结构如图8-5所示。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
28、质表面，形成滤渣层；与次同时，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。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 图8-5 离心过滤示意图 8.3 8.3 过滤设备过滤设备 悬浮液在离心力场中所受离心力为重力的千百倍，这就强化了过滤过程，加快了过滤速度，滤渣中液体含量也较低。过滤离心机一般用于固体颗粒尺寸大于10m悬浮液的过滤。过滤离心机根据支撑方式、卸料方式和操作方式的不同分为多种形式，主要有以下几种：三足式、上悬式、刮刀卸料式、活塞卸料式、离心力卸料式和螺旋卸料式等。我国现有过滤离心机的种类及其运转方式、滤饼形式、卸料方式等见表8-3。8.3 8.3
29、过滤设备过滤设备 表8-3 各种过滤离心机分类 离心机种类型号运转方式滤饼型式卸出周期滤饼卸出方式滤网型式三足式SS、SX、SXG间歇固定型间歇人工、自动各种滤网SSZ、SXZ刮刀上悬式XZ、XJ间歇固定型间歇人工、自动各种滤网刮刀刮刀卸料式WG连续固定型间歇刮刀各种滤网活塞卸料式WH连续移动型脉动推料盘条网、板网离心卸料式LI连续移动型连续物料离心力板网振动式连续移动型连续物料惯性力板网螺旋卸料式连续移动型连续螺旋板网 8.3 8.3 过滤设备过滤设备 1三足式过滤离心机 三足式过滤离心机是最早出现的一种过滤式离心机，直到目前仍广泛应用于生物工业，现介绍如下：（1）结构和工作原理 最简单的三
30、足式过滤离心机，仅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。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 随后，由于各种新技术的相继应用，三足式过滤离心机得到了迅速发展，出现了许多新型的自动操作的三足式过滤离心机，整个操作在完全自动的周期性循环过程下进行。其结构特征如国产SXY-1000型三足式液压自动离心机。它主要由机体、油马达、主轴、转鼓、刮刀装置、液压及自控系统组成，见图8-6所示。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 图8-6 SXY-
31、1000型三足式过滤离心机1-油马达；2-主轴；3-转鼓底；4-刮刀装置；5-旋转油缸；6-拦液板；7-升降油缸；8-转鼓壁；9-壳体；10-弹性悬挂支撑装置；11-底盘 8.3 8.3 过滤设备过滤设备（2）特点与应用 与其他型式的过滤式离心机相比，三足式过滤离心机广泛应用于轻工、制药和生物化工等工业部门，用作分离悬浮液和成品件、纤维料的甩干等，并具有以下优点：对物料的适应性强。选用恰当的过滤介质，可以分离粒径仅为微米级的细微颗粒，也能用来使成件产品脱液。通过调节分离操作时间，可适用于各种难分离的悬浮液。对滤饼洗涤有不同要求时也容易适应。8.3 8.3 过滤设备过滤设备 结构简单，制造安装、
32、维修方便，成本低，操作容易掌握。停机或低速下卸料，易于保持产品的径粒形状。弹性悬挂支撑结构能够减少由于不均匀负载所引起的振动，机器运转平稳。整个高速回转机构集中在一个可以封闭的壳体中，易于实现密封防爆。这种离心机的主要缺点是：间歇式分离，周期循环操作；进料阶段需启动、增速，卸料则在减速或停机时进行；生产能力低；人工上部卸料的机型劳动强度大，操作条件差。返回 8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 实现离心分离操作的机械称为离心机或离心分离设备。它是通过高速回转部件产生的离心力实现悬浮液、乳浊液的分离和固相浓缩、液相澄清的分离机械。其重要的技术性能指标是分离因数。也就是粒子在离心力场中所受到的
33、离心力和重力之比，即：式中 Fr 离心分离因数；回转件角速度，/min；R 转鼓直径，m；g 重力加速度，m/s；n 转鼓转速，r/min。22/(8-2)9 0 0R nF rRg 8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 离心机的种类很多，也有许多分类方式。按分离因数分为：普通分离机，分离因数Fr3500；高速分离机，分离因数 3500 Fr50000；超高速分离机，分离因数Fr50000。按离心分离过程的进行方式分为：间歇式和连续式。按操作性质分为：过滤式和沉降式离心机。按结构分为上悬式、三足式、碟片式和管式离心机。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 8.4.1 8.4.1 碟片式
34、离心机碟片式离心机1结构和工作原理 碟片式离心机的结构特点是转鼓内装有一叠锥形碟片，碟片数一般为50180片，视机型而定。碟片的锥顶角一般为60100度，碟片与碟片间距离靠附于碟片背面、具有一定厚度的狭条调节和控制，一般为0.51.5mm,由于数量众多的碟片以及很小的碟片间距，增大了沉淀面积，缩短了沉降距离，因而碟片式离心机具有较高的分离效率。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 2种类和应用特点 碟片式离心机按排渣方式的不同，可分为人工排渣、喷嘴排渣和自动排渣三种形式。这种分类能更好地反映出各种碟片式离心机的结构特征。下面介绍各种形式碟片式离心机的结构和性能特点。（1）人工排渣碟片式离心
35、机 结构如图8-7所示。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。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 图8-7 人工排渣碟片式离心机 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 8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 人工排渣碟片式离心机结构简单，价格便宜，可得到密实的沉渣，故广泛用于乳浊液及含少量固体（1%5%）的悬浮液的分离。缺点是转鼓与碟片之间留有较大的沉渣容积，这部分
36、空间不能充分发挥碟片式离心机高效率分离的特点。（2）喷嘴排渣碟片式离心机 这种类型的分离机的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。喷嘴排渣碟片式离心机具有结构简单，生产连续，产量大等特点。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0.5 m，进料液中的固体含量为6%25%。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备（3）自动排渣碟片式离心机 这种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
37、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55007500，能分离的最小颗粒为0.5 m，料液中固体含量为1%10%，大型离心机的生产能力可达60m/h。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 8.4.2 8.4.2 管式离心机管式离心机1结构与工作原理 管式离心机的结构如图8-8所示。它由挠性主轴、管状转鼓、上下轴承室、机座外壳及制动装置等主要部件组成。转鼓正常运转后，被分离物料自进料管进入转鼓下部，在强大离心力的作用下将两种液体分离。重相液经分离头孔道喷出，进入重相液收集器，从排液管排出；轻相液经分离头中心
38、部位轻相液口喷出，进入轻相液收集器从排出管排出。轻、重液相在转鼓内的分界面位置，可通过改变孔径大小进行调整。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 图8-8管式高速离心机 1.进料管；2.下轴承装置；3.转鼓；4.机壳；重相液出口；6.轻相液出口；7.转鼓轴颈；8.上轴承装置；9.上轴承装置；10.电机；11.分离头 8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 2特点与适用 管式离心机的转鼓直径最小，用增大转鼓长度增大容积，以提高生产能力。因此，分离因数可达1500065000，是所有沉降离心机中分离因数最高的，分离效果最好。适用于固体颗粒直径0.01100m，固相浓度在1%以下，固液相密度差
39、大于10kg/m的乳浊液和悬浮液的分离，每小时的处理能力为0.14m。多用于油料、油漆、制药、化工等工业生产中，如油水、蛋白质、青霉素、香精油的分离等。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 3种类和型号 管式离心机有两种，一种是GQ型，用于分离各种难分离的悬浮液。特别适合于浓度小、粘度大、固相颗粒细、固液密度差较小的固液分离。例如，各种药液、葡萄糖洗必泰、苹果酸、各种口服液、北斗根的澄清；各种蛋白、藻带、果胶的提取；血液分离、疫苗菌丝、各种葡萄糖的沉降油、染料、各种树脂、橡胶溶液的提纯。另一种是GF型用于分离各种乳浊液，特别适合于二相相对密度差甚微的液-液分离以及含有少量杂质的液-液-固分
40、离。例如，血浆、生物药品的分离及从动物血中提取血浆等。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 4技术参数（见表8-4）表8-4 管式离心机技术参数型 号GF105型GQ150型转 鼓直径/mm105142有效高度/mm730700沉渣容积/L5.510转速/（r/min）1600014000最大分离因素1502515570进料口喷嘴直径/mm4、6、8、108、10、12物料进口压力/MPa0.050.05生产能力/（L/h）12003000操作体积/L6.311 8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 8.4.3 8.4.3 离心操作注意事项离心操作注意事项 离心机的型式不同，操作方法也
41、不完全相同。下面简单介绍离心机一般的安全操作与维护。1启动前的准备（1）清除离心机周围的障碍物。（2）检查转鼓有无不平衡迹象。所有离心机转子（包括转鼓、轴等）均由制造厂作过平衡试验，但在上次停车前没有洗净残留在转鼓内的沉淀物，将会出现不平衡现象，从而导致起动时幅度较大，不安全。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备（3）启动润滑油泵，检查各注油点，确认已注油。（4）将卸料机构调节至规定位置。（5）检查刹车手柄的位置是否正确。（6）液压系统先进行单独试车。（7）“假”启动。短暂接触电源开关并立即停车，检查转鼓的旋转方向是否正确，确认无异常现象。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 2启动程
42、序及要点（1）启动油泵电机。开车必须先启动油泵电机，然后将两端主轴承油压调节到规定的压力值。（2）启动离心机主电动机。主电动机必须一次启动，不许点动。如一次启动未成功，必须待液力联轴器冷却后才能再启动。主电机每小时内不得多于两次启动。（3）调节离心机转速，使其达到正常的操作转速。（4）打开进料阀，开始进料。待机组达到额定转速510min后方可投料。进料阀应逐渐开启，同时注意操作电流是否稳定在规定之内。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 3运行过程检查及注意事项（1）在离心机运行中，应经常检查各转动部位的轴承温度、各连接螺栓有无松动现象以及有无异声和强烈振动等。（2）离心机在正常运行工况下
43、，噪声的声级不得超过85Db。（3）对于成品使用的离心机，在没有进行仔细的计算和校核以前，不得随意改变其转速，更不允许在高速回转的转子上进行补焊、拆除或添加零件和重物。（4）离心机的盖子在未盖好以前，禁止启动。禁止以任何物体、任何形式强行使离心机停止转动。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备（5）禁止在离心机运转时用手或其它工具伸入转鼓内接取物料。（6）进入离心机内进行人工卸料、清理或检修时，必须切断电源，取下保险，挂上警告牌，同时还应将转鼓与机体卡死。（7）严格执行操作规程，不允许超负荷运行，以免发生事故。（8）下料要均匀，避免发生偏心运转而导致转鼓与机壳摩檫产生火花。（9）为安全操作，
44、离心机的开关、按钮应在方便操作的地方；外露的旋转部件必须设有安全保护罩等。（10）电动机与电控箱接地必须安全可靠；制动装置与主电动机应联锁装置，且准确可靠。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备 4停车操作程序及要点（1）正常停车 当分离操作过程完成后，按下述顺序操作，停止装置运转。关闭进料阀 一般采取逐步关闭方式，逐渐减少进料，直到完全停止进料为止。清洗离心机 通常用水（或母液）来进行，冲洗时间约510min，至操作电流降至正常的空载电流为止。关闭进水阀（或母液阀），停止冲洗离心机。在此之前不得关停主电机。停主电机 待进料、冲洗完全停止以后，关闭主电机。离心机转动惯性较大，一般不要强行制动
45、停转。离心机停止运转后，停止润滑油泵和水泵的运行。8.4 8.4 离心分离设备离心分离设备（2）紧急停车 凡遇以下情况之一，应迅速关闭进料阀，紧急停机：液力联轴器喷油。出现异常声响和振动。齿轮箱周围空气温度过高。操作电流突然升高。其它异常现象。返回 8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 8.5.1 8.5.1 膜分离方法及膜膜分离方法及膜 膜分离是借助一种特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。膜分离过程一般不发生相变，特别适用于热敏性介质的分离。此外，操作方便，设备结构简单、维护费用低，因而是现代分离技术中一种效
46、率较高的分离手段。膜分离技术的核心是分离膜。按分离膜的材质不同可将其分为聚合物膜和无机膜两大类。8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 1对称膜 膜两侧截面的结构及形态相同，且孔径与孔径分布也基本一致。对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜，膜的厚度大致在10200m范围内，如图8-9（a）所示。2非对称性膜 非对称性膜由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成，如图8-9（b）所示。膜上下两侧截面的结构及形态不同，致密层厚度约为0.10.5m，支撑层厚度约为50150m。3复合膜 复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称性膜，如图8-9（c），但表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称性膜的材料不同。8.
47、5 8.5 膜分离设备膜分离设备 图8-9 对称膜、非对称性膜和复合膜断面结构示意图 8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 8.5.2 8.5.2 膜分离过程膜分离过程 膜分离过程一般根据膜分离的推动力和传递机理进行分类。如表8-5。下面简单介绍几种常见的膜分离过程的基本原理、流程及在工业生产中的典型应用。8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 表8-5 工业生产中常用的膜分离过程 名称推动力传递机理膜类型应用超滤压力差按径粒选择分离溶液所含的微粒和大分子非对称性膜溶液过滤和澄清，以及大分子溶质的澄清反渗透压力差对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂就会逆着自然渗透的方向作反向渗透
48、非对称性膜或复合膜海水和苦咸水的淡化、废水处理、乳品和果汁的浓缩以及生化和生物制剂的分离和浓缩等渗析浓度差利用膜对溶质的选择透过性，实现不同性质溶质的分离非对称性膜 离子交换膜人工肾、废酸回收、溶液脱酸和碱液精制等方面电渗析电位差利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除电解质离子交换膜海水经过电渗析，得到的淡化液是脱盐水，浓缩液是卤水气体分离压力差利用各组分渗透速率的差别，分离气体混合物均匀膜、复合膜、非对称性膜合成氨放气或从其他气体中回收氨液膜分离化学反应以液膜为分离介质分离两个液相液膜烃类分离、废水处理、金属离子的提取和回收 8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 8.5.3 8.5.3 膜
49、分离设备膜分离设备 将膜以某种形式组装在一个基本单元内，这种器件称为膜分离器，又被称为膜组件。膜材料种类很多，但膜分离设备仅有几种。膜分离设备根据膜组件的形式不同可分为：板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式。下面分别简要介绍。1板框式膜分离器 这种膜分离器的结构类似板框式过滤机，它由导流板、膜和支撑板交替重叠组成，如图8-10所示。所用的膜为平板式，厚度为50500m，将其固定在支撑材料上，支持物呈多孔结构，对流体阻力很小，对欲分离的混合物呈惰性，支持物还具有一定的柔软性和刚性。8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 图8-10 板框式膜分离器 8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 操作时料液从
50、下部进入，由导流板导流流过膜面，透过液透过膜，经支撑板面上的多流孔流入支撑板的内腔，再从支撑板外侧的出口流出；料液沿导流板上的流道与孔道一层一层往上流，从膜过滤器上部的出口流出，即得浓缩液。板框式膜分离器的优点是组装方便，膜的清洗更换比较容易；料液流通截面较大，不易堵塞；同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。缺点是需密封的边界线长；为保证膜两侧的密封，对板框及其起密封作用的部件加工精度要求高；每块板上料液的流程短，通过板面一次的透过液相对量少。8.5 8.5 膜分离设备膜分离设备 2螺旋卷式膜分离器 螺旋卷式膜分离器也是用平板膜制成，其结构与螺旋板式换热器类似如图8-11所示。支撑材料插入三边
