第四章固液分離設(shè)備

第一節(jié)過(guò)濾設(shè)備概述?

生物工業(yè)中，一般都需要從發(fā)酵液中除去菌體以得到產(chǎn)品，或從培養(yǎng)基中除去未溶解的殘余固體顆粒以便后續(xù)加工，如啤酒生產(chǎn)中麥汁的過(guò)濾，啤酒酵母的過(guò)濾分離。另外，在提取過(guò)程中，也經(jīng)常遇到晶體與母液的分離問(wèn)題。它們都屬于化工單元操作中的液一固分離過(guò)程。?

微生物發(fā)酵的懸浮液中，固體粒子的性質(zhì)差異很大，且具有一定的可壓縮性，使得分離較一般化工產(chǎn)品的分離更加困難。通常分離前先對(duì)懸浮液進(jìn)行預(yù)處理，改變液體的物理性質(zhì)，再選擇適宜的分離手段和操作條件，達(dá)到分離的目的。?

液一固分離過(guò)程常采用沉降和過(guò)濾兩種操作來(lái)完成。沉降有重力沉降和離心沉降之分，過(guò)濾則有常壓、加壓、真空及離心過(guò)濾不同形式。一、過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)介1.過(guò)濾：用過(guò)濾介質(zhì)講液固混合物分離的過(guò)程。2.過(guò)濾介質(zhì)：包括濾布、濾網(wǎng)（不銹鋼和黃銅）、剛性多孔介質(zhì)（燒結(jié)陶瓷、塑料、金屬）、松散固體介質(zhì)（硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)紗、活性炭、白土等）3.分類：表層過(guò)濾按分離機(jī)制深層過(guò)濾

二、真空過(guò)濾設(shè)備1.原理：利用真空在過(guò)濾介質(zhì)兩面產(chǎn)生壓力差，使液體透過(guò)，固體截留。1.1真空抽濾機(jī)a.結(jié)構(gòu)圖4-2b.優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)，制造易，成本低。c.缺點(diǎn)：生產(chǎn)能力小，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)環(huán)境造成污染，間歇生產(chǎn)。1.2真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾器a.原理圖4-3圖4-4三個(gè)階段：過(guò)濾、洗滌和抽干、卸料b.結(jié)構(gòu)圖4-5圖4-6c.優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)d.缺點(diǎn)：過(guò)濾、洗滌、抽干、卸料的時(shí)間無(wú)法分別調(diào)節(jié)。1.3真空帶式過(guò)濾器1.3.1托盤帶式過(guò)濾器1.3.1.1往復(fù)托盤帶式過(guò)濾器原理：圖4-91.3.1.2固定托盤帶式過(guò)濾器a.特點(diǎn)：托盤固定不動(dòng)b.濾布運(yùn)動(dòng)：圖4-10加料階段注意：僅上半圈濾布運(yùn)動(dòng)，下半圈不動(dòng)（棘齒輪鎖緊），沒(méi)真空，不過(guò)濾，但洗滌一直開(kāi)啟。過(guò)濾和卸料階段

兩個(gè)階段1.3.1.3水平帶式過(guò)濾器a.解決過(guò)濾帶和真空連接的方式：圖4-11b.摩擦條的作用：①密封縫隙（真空箱和濾布拖帶之間）②隔離、防磨損見(jiàn)圖4-12c.工作原理：圖4-131.3.1.4帶式過(guò)濾器的操作方式并流洗滌圖4-13逆流洗滌圖4-141.3.1.5優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合a.優(yōu)點(diǎn)：①連續(xù)操作，洗滌可逆、可并。②操作彈性大。b.缺點(diǎn)：控制復(fù)雜，制造難度大，貴重，材質(zhì)要求高（濾布和濾布托帶）c.適用范圍：①固體沉淀較快的濾液

②濾餅易產(chǎn)生裂縫的濾液三、加壓過(guò)濾設(shè)備1.原理：在過(guò)濾介質(zhì)濾液一側(cè)施加壓力，使液體通過(guò)，固體截留在介質(zhì)表面實(shí)現(xiàn)固液分離。2.過(guò)濾設(shè)備2.1板框壓濾機(jī)a.結(jié)構(gòu)：“板”和“框”交替疊加，見(jiàn)圖4-15、4-16、4-17、4-18b.優(yōu)點(diǎn)：①體積小，過(guò)濾面積大且可調(diào)，生產(chǎn)能力大。②結(jié)構(gòu)緊，制造易，價(jià)格低。c.缺點(diǎn)：間歇生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。d.適用范圍：適用范圍大（過(guò)濾面積大、流量大）,在制藥、化工、食品等行業(yè)有廣泛用途,特別適用于中成藥料液的過(guò)濾,效果甚佳。

e.操作過(guò)程：①清洗板框并蓋濾布。②安裝入框架內(nèi)并壓緊。

③過(guò)濾。④停止過(guò)濾（濾液進(jìn)口壓力表迅速上升）⑤拆卸、清洗濾布板框2.2板式壓力機(jī)a.結(jié)構(gòu)：只有“板”而無(wú)“框”且“板”結(jié)構(gòu)特別，見(jiàn)圖4-19、4-20b.工作原理：圖4-21b.優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)更緊湊，操作相對(duì)更容易一些。c.缺點(diǎn)：同板框壓濾機(jī)。d.適用范圍：同板框壓濾機(jī)。2.3水平板式壓濾機(jī)a.結(jié)構(gòu)：中空上部過(guò)濾和中空軸連接，見(jiàn)圖4-22b.卸料方式：①中間出料②邊沿出料圖4-23b.優(yōu)點(diǎn)：過(guò)濾面積大，自動(dòng)卸料，勞動(dòng)強(qiáng)度低。c.缺點(diǎn)：濾餅易脫落，轉(zhuǎn)軸和罐頂或底處密封復(fù)雜。d.適用范圍：①過(guò)濾過(guò)程密封，適合易揮發(fā)、易燃、有毒液體過(guò)濾或?yàn)V餅化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定需要氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況。②適用于需加熱的過(guò)濾（外可安裝夾套換熱）e.操作過(guò)程：①預(yù)涂過(guò)濾。②過(guò)濾。③殘液吹掃。（后常需洗滌）④干燥。⑤卸料。

2.4垂直加壓葉濾機(jī)a.結(jié)構(gòu)和原理：圖4-24、4-25b.形式：①垂直加壓葉濾機(jī)②臥式垂直加壓葉濾機(jī)圖4-26c.優(yōu)點(diǎn)：卸料檢修清理易，密封簡(jiǎn)（無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)）。c.缺點(diǎn)：濾餅易脫落，垂直加壓葉濾機(jī)上部需預(yù)留較大空間。d.適用范圍：同水平板式壓濾機(jī)e.操作過(guò)程：同水平板式壓濾機(jī)（卸料略微不同）2.5納式過(guò)濾器a.結(jié)構(gòu)：圖4-29、4-30b.特點(diǎn)：攪拌和刮刀可升降。c.操作過(guò)程：圖4-32c.優(yōu)點(diǎn)：綜合了上述設(shè)備優(yōu)點(diǎn)d.缺點(diǎn)：間歇操作，濾餅較粘時(shí)出料困難e.適用范圍：廣且可進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。見(jiàn)P46四、離心過(guò)濾設(shè)備1.原理：利用離心力迫使液體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，使固液分開(kāi)。2.過(guò)濾設(shè)備2.1三足離心機(jī)a.外形及結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖4-34、4-35b.優(yōu)點(diǎn)：①能力強(qiáng)，濾餅干。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)，制造易，價(jià)格低。c.缺點(diǎn)：間歇生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，能耗高。d.適用范圍：常規(guī)使用，濾液易燃、有毒、有腐蝕時(shí)慎用。

e.操作過(guò)程：①開(kāi)機(jī)。②加料過(guò)濾。

③甩干。④洗滌。⑤甩干⑥停機(jī)，挖出濾餅。2.2自動(dòng)下出料離心機(jī)a.結(jié)構(gòu)：多一刮刀和固體出料口，見(jiàn)圖4-36b.優(yōu)點(diǎn)：①能力強(qiáng)，濾餅干。②自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度低。c.缺點(diǎn)及適用范圍：價(jià)格貴，不適合濾餅太粘的料液。d.操作過(guò)程：圖4-372.3自動(dòng)卸料臥式離心機(jī)a.結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖4-38，4-39b.優(yōu)點(diǎn)：①占地面積小，可自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)。②濾餅厚度均勻（不受重力影響）。c.缺點(diǎn)及適用范圍：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)轉(zhuǎn)軸要求高；進(jìn)料要均勻。d.適用場(chǎng)合及操作過(guò)程：和立式相同。見(jiàn)圖4-40第二節(jié)離心沉降設(shè)備離心沉降：利用離心力使不同密度的液固或液液混合物分離的方法。離心沉降設(shè)備：實(shí)現(xiàn)離心沉降的設(shè)備。常用在普通過(guò)濾難以達(dá)到目的的固液分離或溶液澄清。一、管式離心機(jī)

1.原理及結(jié)構(gòu)：圖4-40圖10-232.優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、轉(zhuǎn)速高（分離因數(shù)高達(dá)15000-65000）、沉降效果最好。3.缺點(diǎn)：固體沉淀需手工移出，泡沫含量高的懸浮液分離效果差。4.適用范圍：固含量低于1%，顆粒度0.01~100微米，黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小乳濁液或懸浮液的分離，如油水、蛋白質(zhì)、青霉素、香精油等。5.種類：GQ型（分離懸浮液）及GF型（分離乳濁液）6.型號(hào)：類型代號(hào)+轉(zhuǎn)股直徑如GF105中105指轉(zhuǎn)股直徑105mm二、套管式離心機(jī)

1.原理及結(jié)構(gòu)：圖4-412.優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、固體顆粒能分級(jí)沉淀。3.缺點(diǎn)：固體沉淀清除難。4.適用范圍：固體含量較少的懸浮液澄清三、無(wú)孔筐式離心機(jī)

1.原理及結(jié)構(gòu)：圖4-422.卸料方式：人工及半自動(dòng)卸料兩方式。3.優(yōu)點(diǎn)：可不停機(jī)卸料且能處理固體含量高的懸液。4.缺點(diǎn)：固體殘?jiān)瑵窳肯鄬?duì)較高。5.適用范圍：固體含量稍高的懸浮液澄清轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有一疊錐形碟片，用離心沉降法分離乳濁液和低濃度懸浮液組分的。碟式分離機(jī)可在密閉、高溫、低溫、加壓和真空等條件下操作，用于從牛奶中提取奶油和果汁、啤酒、動(dòng)植物油、變壓器油等的凈化，以及酵母濃縮和從動(dòng)物血漿中提取血清等。

四、碟片式離心機(jī)1.原理圖11.1液-固分離：分離懸浮液時(shí)，懸浮液由中心進(jìn)料管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，從碟片束外緣經(jīng)碟片間隙向碟片內(nèi)緣流動(dòng)。因受離心力作用，固體顆粒在隨液體流動(dòng)的同時(shí)沉降到各碟片的內(nèi)表面，再向碟片外緣滑動(dòng)，最后沉積到鼓壁上。已澄清的液體向轉(zhuǎn)鼓中心方向聚集,經(jīng)溢流口或向心泵排出。1.2液-液分離：分離乳濁液時(shí),乳濁液經(jīng)碟片束上的進(jìn)料孔進(jìn)入各碟片間隙，按密度不同分為重液和輕液，重液沿碟片內(nèi)表面向轉(zhuǎn)鼓壁流動(dòng)，輕液向中心流動(dòng)，經(jīng)溢流口和向心泵分別排出。進(jìn)料孔位置應(yīng)在重液層與輕液層的交處。此處稱為中性層,其半徑式中k為重液與輕液的密度比，R1和R2分別為重液和輕液的排出口半徑。進(jìn)料孔與中性層不重合時(shí)，排出的重液或輕液就不純凈，此時(shí)可改變重液或輕液排出口半徑來(lái)調(diào)整中性層位置。由于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的液體被碟片束分為許多薄層，分離在薄層內(nèi)進(jìn)行，離心沉降的距離很短，顯著提高了分離速度。碟式分離機(jī)的分離因數(shù)較高,達(dá)4000～10000，并因轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的碟片數(shù)量多，顯著擴(kuò)大了沉降面積，分離效率較高。1.3向心泵:具有固定在機(jī)殼上靜止不動(dòng)的葉輪，葉輪外緣浸沒(méi)在與轉(zhuǎn)鼓同步旋轉(zhuǎn)的分離液層內(nèi)，分離液由葉輪外緣進(jìn)入弧形流道，流至葉輪中心排液管排出。葉輪將旋轉(zhuǎn)液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，將轉(zhuǎn)鼓中排出的分離液直接輸送至10～20米的高度。

2.種類及應(yīng)用特點(diǎn)（1）人工排渣碟式分離機(jī)系間歇操作。它由機(jī)座、傳動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)鼓和機(jī)殼等組成。整機(jī)為立式，轉(zhuǎn)鼓為下支撐式?？拷D(zhuǎn)鼓的主軸承外有6個(gè)輻射狀布置的彈簧(或橡膠墊)組成的減震裝置。轉(zhuǎn)鼓的傳動(dòng)裝置通常采取螺旋齒輪增速傳動(dòng)，有的采取皮帶傳動(dòng)。轉(zhuǎn)鼓蓋與轉(zhuǎn)鼓體由螺紋鎖緊圈固緊，并有密封圈防漏。碟片為圓錐形，其半錐角大于固體顆粒與碟片表面的摩擦角,一般為30°～45°,碟片數(shù)為50～180；碟片間隙為0.5～2毫米。分離機(jī)工作一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上沉渣增多，分離液澄清度下降，當(dāng)分離液澄清度不合要求時(shí)，停機(jī)拆開(kāi)轉(zhuǎn)鼓，人工清除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣。這種分離機(jī)的處理量可達(dá)45米3／小時(shí)，適于處理顆粒直徑為0.001～0.1毫米、固相濃度小于1％的懸浮液和乳濁液。

連續(xù)操作。整體結(jié)構(gòu)與人工排渣碟式分離機(jī)相似,但轉(zhuǎn)鼓內(nèi)腔呈雙錐形，可對(duì)沉渣起壓縮作用，提高沉渣濃度。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑最大900毫米。轉(zhuǎn)鼓周緣有噴出漿狀沉渣的噴嘴2～24個(gè),噴嘴孔徑為0.5～3.2毫米。噴嘴的數(shù)目和孔徑根據(jù)懸浮液性質(zhì)、濃縮程度和處理量確定。通過(guò)噴嘴的沉渣流速很大，噴嘴用耐磨材料如、和碳化硼（2）噴嘴排渣碟式分離機(jī)等制成。為提高排渣濃度，這種分離機(jī)還有將排出的沉渣部分送回轉(zhuǎn)鼓內(nèi)再循環(huán)的結(jié)構(gòu)。沉渣的固相濃度可比進(jìn)料的固相濃度提高5～20倍。這種分離機(jī)的處理量最大達(dá)300米3／小時(shí),適于處理固相顆粒直徑為0.1～100微米、固相濃度通常小于10％（最大可至25％）的懸浮液。

利用環(huán)狀活門啟、閉排渣口進(jìn)行間歇排渣，又稱自動(dòng)排渣碟式分離機(jī)。整體結(jié)構(gòu)與人工排渣碟式分離機(jī)相似,特點(diǎn)是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有活門排渣裝置，可不停機(jī)卸除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉渣。操作時(shí)，由轉(zhuǎn)鼓中心加料管加入懸浮液進(jìn)行分離，活門下面的密封水總壓力大于懸浮液作用在活門上面的總壓力，活門位置在上，關(guān)閉排渣口。排渣時(shí)，停止加料并由轉(zhuǎn)鼓底部加入操作水，開(kāi)啟轉(zhuǎn)鼓周邊的密封水泄壓閥,排出密封水,活門受轉(zhuǎn)鼓內(nèi)懸浮液壓力的作用迅速下降,開(kāi)啟排渣口。排盡轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉渣和液體后，停止供給操作水，泄壓閥閉合,密封水壓升高,活門上升關(guān)閉排渣口，完成一次工作循環(huán)。自動(dòng)控制活門排渣的方法有：①用時(shí)間繼電器按預(yù)定操作周期控制排渣;②用光電管監(jiān)控分離液澄清度控制排渣;③根據(jù)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣聚積程度，由壓力信號(hào)或渣面信號(hào)控制排渣。排渣時(shí)間一般為1～2秒。部分排渣的轉(zhuǎn)鼓可控制更短的排渣時(shí)間，僅排出轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣的一部分，不排出液體，排渣時(shí)可不停止進(jìn)料,連續(xù)分離,提高了處理能力。這種分離機(jī)最大處理量可達(dá)60米3／小時(shí),適用于處理固體顆粒直徑為0.001～0.5毫米,固液相密度差大于0.01千克/分米3，固相濃度小于10％的懸浮液和乳濁液。（3）活門排渣碟式分離機(jī)3.應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于從發(fā)酵液中回收菌體、抗生素及疫苗

<一>原理1.離心沉降速度顆粒在離心場(chǎng)中受到離心力、向心力、阻力，重力可忽略不計(jì)。其切向速度ut，離心沉降速度計(jì)算式可推導(dǎo)為：在層流區(qū)符合斯托克斯定律，即：R——顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑,單位是m。2.離心分離因數(shù)離心加速度與重力加速度之比稱為離心分離因數(shù)，用Kc表示。五、傾析器

1.原理及結(jié)構(gòu)：圖4-43轉(zhuǎn)股+內(nèi)螺旋推進(jìn)器+差速控制器2.優(yōu)點(diǎn)：即可分離又可萃取；連續(xù)自動(dòng)；可分離高固體含量懸浮液；處理量大；分離固體較干；適應(yīng)性強(qiáng)。3.缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、固體含量少且細(xì)的懸浮液難分離。第四節(jié)干燥設(shè)備一真空干燥設(shè)備將物料置于真空下進(jìn)行加熱除濕，特別適合熱敏物料。1真空干燥箱1.1結(jié)構(gòu)及原理圖4-45圖4-461.2優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀、操作方便、密封性好。1.3缺點(diǎn)：能耗高、干燥時(shí)間長(zhǎng)（物料無(wú)法翻動(dòng)）。1.4適用范圍：小批量貴重物料的干燥。1.5操作順序：①裝料，關(guān)箱門、放氣閥，開(kāi)真空閥、真空泵。②真空時(shí)，開(kāi)加熱、設(shè)溫度，恒溫即開(kāi)始干燥。③干燥結(jié)束，先停加熱，再開(kāi)放氣閥，然后再關(guān)真空泵。④常壓時(shí)，開(kāi)啟箱門，取出物料。2雙錐真空干燥箱2.1外觀及結(jié)構(gòu)原理圖4-47圖4-48

傘形封頭圖4-492.2優(yōu)點(diǎn)：①物料不斷翻滾、干燥效率高。②密封、物料不易污染。③適合熱敏物料2.3缺點(diǎn)：①間歇操作、勞動(dòng)強(qiáng)度大。②干燥時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)能力小。2.4適用范圍：化工、制藥、食品等行業(yè)的粉狀，粒狀及纖維狀物料的濃縮、混合、干燥及需低濕干燥的物料（如生化制品等），更適用于易氧化、易揮發(fā)、熱敏性強(qiáng)烈刺激、有毒性物料和不允許破壞結(jié)晶體的物料的干燥。2.5操作過(guò)程：①裝料，關(guān)嚴(yán)箱門。②開(kāi)真空閥抽真空。③最大真空時(shí)開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)雙錐旋轉(zhuǎn)。④旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定時(shí)，夾套中通水或汽加熱，穩(wěn)定后即開(kāi)始干燥。⑤干燥結(jié)束后，依次停旋轉(zhuǎn)、關(guān)真空、開(kāi)放氣閥，壓力穩(wěn)定后卸料。二氣流干燥器使用熱空氣或惰性氣提吹動(dòng)濕物料，達(dá)到干燥目的。1長(zhǎng)管式氣流干燥器1.1結(jié)構(gòu)及原理圖4.501.2優(yōu)點(diǎn)：①傳熱傳質(zhì)表面大、效率高、時(shí)間短。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造。③占地面積小、生產(chǎn)能力大。1.3缺點(diǎn)：①干燥管過(guò)長(zhǎng)、安裝檢修不便。②動(dòng)力消耗大。③顆粒損耗大。1.4適用范圍：粉狀、