课件：第六章食品分离机械与设备分析.ppt

第六章 食品分离机械与设备,郭红英 湖南农业大学食品科技学院,概述,（一）食品加工中典型的两大类混合物,均相物系(homogeneous system): 均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。,非均相物系(non-homogeneous system): 非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。,概述,分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。,连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。,非均相物系由分散相和连续相组成,要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。,非均相物系的分离原理：,非均相物系分离的理论基础：,根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离,由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。,通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。,非均相物系的分离方法：,均相物系的分离：,第一节 过滤机械,过滤操作的基本概念,过滤介质: 过滤采用的多孔物质； 滤浆: 所处理的悬浮液； 滤液: 通过多孔通道的液体； 滤饼或滤渣: 被截留的固体物质。,以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的单元操作。,1 过滤(filtration),滤浆(slurry)： 原悬浮液。,滤饼(filter cake)： 截留的固体物质。,过滤介质(filtering medium)： 多孔物质。,滤液(filterate)： 通过多孔通道的液体。,滤饼过滤过程：,刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊。 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦截，滤液澄清。 所以，在滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身，而非过滤介质。,2 过滤方式 过滤的操作基本方式有两种：滤饼过滤和深层过滤。 2.1 滤饼过滤(cake filtration)：饼层过滤,注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够发生。,饼层过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。,特点：颗粒(粒子)沉积于介质内部。,过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小而少。,过滤介质：堆积较厚的粒状床层。,过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上。,应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量少的场合，如水处理和酒的过滤。,2.2 深层过滤(deep bed filtration)：深床过滤,3 板框压滤设备,3.1 结构,由端板、滤板、滤框、滤布、支承横梁、螺旋压紧装置组成。许多交替排列的滤板和滤框构成主要工作部件，板和框架都被支承在一对横梁上。,利用滤板作为支承过滤介质，滤浆在加压下强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼。,板框压滤机简图 1-固定端板 2-滤布 3-板框支座 4-可动端板 5-支承横梁 过滤板 滤框 洗涤板,3 板框压滤设备,3 板框压滤设备,滤框与滤板用过滤布隔开且交替排列，板和框的角端开有小 孔，构成滤浆和洗涤水流通的孔道。 空框与滤布围成容纳滤浆及滤饼的空间 滤板的作用是支撑滤布并提供滤液流出的通道（凸凹纹路）,盲板,滤板,洗涤板 非洗涤板,3 板框压滤设备,3.2 工作原理,滤浆由滤框上方通孔进入滤框空间，固粒被滤布截留，在框内形成 滤饼，滤液则穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板，然后沿滤板的沟槽向下 流动，由滤板下方的通孔排出。排出口处装有旋塞，可观察流出料液的澄清情况。,3 板框压滤设备,明流式 暗流式,3 板框压滤设备,结构简单，价格低廉，占地面积小， 过滤面积大。 可根据需要增减滤板的数量，调节过滤能力。 对物料的适应能力较强，由于操作压力较高（最大可达1MPa以上，一般在0.30.5 MPa），对颗粒细小而液体粘度较大的滤浆，也能适用。 间歇操作，生产能力低，卸渣清洗和组装阶段需用人力操作，劳动强度大，所以它只适用于小规模生产。 近年出现了各种自动操作的板框压滤机，使劳动强度得到减轻。,3.3 板框压滤机的特点：,3 板框压滤设备,低浓度悬浮液、胶体悬浮液、黏度大或接近饱和状态的悬浮液,4.1 结构,4 加压叶滤机,滤叶是两面紧覆着细金属丝网的滤框。它由里层的支撑网、边框和覆在外层的细金属丝网或编织滤布组成。,4 加压叶滤机,4.2 工作原理,在密闭的耐压机壳内，装有一组并联滤叶。悬浮液在压力作用下送入机壳内，滤渣截留在滤叶表面，滤液透过滤叶后经管道排出。,过滤前，先循环过滤预涂，使滤叶表面形成一层预涂层，待滤液清亮后，即可进行正常过滤。,先将2.53.0kg的助滤剂活性炭粉末或硅藻土加入150200kg澄清良好的液体中，通过流体泵输入过滤机中，随着过滤的进行，助滤剂活性炭粉末或硅藻土将在滤叶上涂布形成滤饼层，至预涂液达到澄清要求后，结束预涂，泵入添加助滤剂的待滤液，进行正常的过滤操作。,应用,4 加压叶滤机,密封加压、多滤叶、微孔精密过滤体的过滤，过滤效率高，可获得很高的滤速和理想的澄清度，甚至很混浊的液体也能过滤，设备简单，且在操作良好的情况下，还具有除菌的效果。,4.3 特点,4 加压叶滤机,5.1 结构,转筒，扇形格(18格)； 滤室； 分配头； 动盘(18个孔，分别与扇形格的18个通道相连)； 定盘(三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的18个孔道分成三个通道)； 金属网； 滤布； 滤浆槽。,转筒真空过滤机结构示意图,5 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）,转筒及分配头的结构,18格分成6个工作区 1区(17格)：过滤区； 2区(810格)：滤液吸干区； 3区(1213格)：洗涤区； 4区(14格)：洗后吸干区； 5区(16格)：吹松卸渣区； 6区(17格)：滤布再生区。,过滤区(12区)，f 槽; 洗涤区(34区)，g槽 ; 干燥卸渣区(56区)，h 槽;,f 槽,h 槽,g 槽,它有一水平转鼓，鼓壁开孔，鼓面上铺以支承板和滤布，构成过滤面。过滤面下的空间分成若干隔开的扇形滤室。各滤室有导管与分配阀相通。转鼓每旋转一周，各滤室通过分配阀接通真空系统和压缩空气系统，顺序完成过滤、洗渣、吸干、卸渣和过滤介质（滤布）再生等操作。在转鼓的整个过滤面上，过滤区约占圆周的1/3,洗渣和吸干区占1/2,卸渣区占1/6,各区之间有过渡段。过滤时转鼓下部沉浸在悬浮液中缓慢旋转。沉没在悬浮液内的滤室与真空系统连通，滤液被吸出过滤机，固体颗粒则被吸附在过滤面上形成滤渣。滤室随转鼓旋转离开悬浮液后，继续吸去滤渣中饱含的液体。当需要除去滤渣中残留的滤液时，可在滤室旋转到转鼓上部时喷洒洗涤水。这时滤室与另一真空系统接通，洗涤水透过滤渣层置换颗粒之间残存的滤液。滤液被吸入滤室，并单独排出，然后卸除已经吸干的滤渣。这时滤室与压缩空气系统连通，反吹滤布松动滤渣，再由刮刀刮下滤渣。压缩空气（或蒸汽）继续反吹滤布，可疏通孔隙，使之再生。,5.2 工作过程,5 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）,采用绕带转鼓真空过滤机可使滤布得到充分洗涤。如果悬浮液中的颗粒较重，沉降速度很快，则宜采用悬浮液在转鼓上方加料的结构或内滤面转鼓真空过滤机。如果悬浮液中的固体颗粒很细或形成可压缩性滤渣，则应在转鼓过滤面上预先吸附一层固体助滤剂，或在悬浮液中混入一定量的固体助滤剂，使滤渣较为疏松，可提高过滤速度。 转鼓真空过滤机的过滤面积最大达200米2转鼓转速的快慢可调节滤渣的厚度。转鼓转速多数为每转 0.1至10分钟。操作真空的绝对压力为(0.250.8)105帕。过滤的悬浮液温度应低于滤液在操作真空度下的汽化温度。这种过滤机处理能力大操作方便滤渣可以洗涤通常用以过滤固体颗粒浓度较高的悬浮液。有预敷助滤层的转鼓真空过滤机也能对稀薄悬浮液进行澄清过滤。,转筒旋转时，藉分配头的作用，能使转筒旋转一周的过程中，每个小过滤室可依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松卸渣等项操作。,整个转筒圆周在任何瞬间都划分为:,5.2 工作过程简化理解,过滤区; 洗涤区; 干燥卸渣区。,5 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）,转鼓真空过滤机,分配阀的动盘固定在转鼓轴颈上，与转鼓同步旋转。动盘端面有一圈孔。每个孔与转鼓上对应的一个滤室相连。阀座不转动，其内侧端面上开有几条弧形槽，分别与外侧的接管连通。阀座与动盘贴合，各弧形槽与动盘上的孔相通，旋转的滤室即可与固定的真空或压缩空气系统联接，使过滤操作循环进行。,自动连续操作； 适用于处理量大，固体颗粒含量较多的滤浆； 真空下操作，其过滤推动力较低(最高只有1atm)，对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,5.3 特点,5 转筒真空过滤机（rotary-drum vacuum filter）,6 水平带式真空过滤机,由橡胶排水带、滤布带和吸气盒等组成。排水带由主动辊带动，同时带动了由它支承着的滤布一起移动，排水带下方与一组吸气盒相接，分别导出滤液和洗涤液。滤浆加到滤布带上，依次进行过滤、洗涤和脱水，最后由刮刀卸下滤饼。 缺点：排水带的磨损较严重 。,6 水平带式真空过滤机,6 水平带式真空过滤机,6 水平带式真空过滤机,第二节 离心机械,离心分离设备是利用转鼓的高速旋转，使物料中具有不同比重的分散介质、分散相或其它杂质在离心力场中获得不同的离心力，达到分离的目的。,1 离心分离的原理与分类,1.1 离心分离的原理,以离心沉降的情况来说，因为有重力的数百倍到数万倍的离心力的作用，其分离速度远比重力沉降大，分离的效果也高得多。,分离因数是用来表示离心机分离性能的主要指标，其定义是物料所受的离心力与重力之比值，也等于离心加速度与重力加速度之比值：,离心机转速很高，分离因数可高达50000以上，对于在重力场中极为稳定的悬浮液和乳浊液的分离尤其适用，分离因数的选取取决于被分离的物料性质和要求。 对悬浮液、乳浊液（及气溶胶）分离操作的目的如下： （1）产品的生产 从淀粉乳浆中制取淀粉；制取奶油和脱脂奶；将晶体与母液分离，制取纯净晶体食品等； （2）提高制品纯度 如牛奶净化除去微粒固体等； （3）回收有价值的物质 如从含微粒固体的气溶胶中分离出奶粉； （4）安全生产 分离生产中产生的酸雾、烟等有害物质，保证人身和设备的安全； （5）分离浓缩 如反渗透法利用于牛乳、乳浆、饮料、咖啡、啤酒、蛋白质等的浓缩。,1.2 离心分离的应用,离心过滤：开孔的转鼓，内壁面覆有滤布；转速10001500rpm， Kc小；易过滤的晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离及 物料脱水。 离心沉降：无孔的转鼓，分离对象是不易过滤的悬浮液。 离心分离：无孔的转鼓；转速极大，4000rpm以上；多用于乳浊液 的分离和悬浮液的增浓或澄清。,1.3 分类按操作原理分,第二节 离心机械,1.3 分类按Kc大小分,（1）常速离心机 Kc 50 000，主要用于分离相不易分离的超微细粒的悬浮系 统和高分子的胶体悬浮液。,结构：,2.1 悬筐式离心机(suspended-basket centrifuge),转鼓,滤饼,滤布,滤网,离心过滤机工作原理图,转鼓(上有小孔，亦称悬框)； 滤网 滤布 机架,原理：,由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。,2 离心过滤机（centrifugal filter）,离心力自动卸料离心机，又称为锥篮离心机,结构：如图,工作过程：,料浆进入锥形滤筐底部，靠离心力甩向滤筐； 液相通过滤布，固相被截留。 滤渣克服摩擦阻力，沿滤筐向上移动，经过洗涤段和干燥段。最后从顶端排出。,2.2 离心力自动卸渣离心机（conical basket centrifuge）,2019/8/23,44,可编辑,特点：,结构简单，造价低廉，功率消耗小。 对悬浮液的浓度和固体颗粒大小的波动敏感。 生产能力较大，分离因数约为2000，可分离固体颗粒浓度较浓、粒度为0.041mm的悬浮液。 在各种结晶产品的分离中广泛应用。,为什么会自动卸料？,几种过滤设备的比较,利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进行分级。,第三节 旋液分离器(hydraulic cyclone),旋液分离器,旋液分离器是利用离心力进行湿法分级的设备，用途很广，例如脱泥、除砂、回收溶剂、浓缩等。食品工业多用于淀粉加工中分离胚芽、纤维及蛋白质，也可用于洗涤淀粉和除砂等。其分级作业的分级粒度为0.0030.25，浓缩或澄清的分级粒度小于15。 旋液分离器由进料管1 、溢流管2 、圆管3 和锥管4 等部分组成。,旋液分离器,旋液分离器由聚氨酯、人造橡胶、硬镍铸铁、合金钢、玻璃纤维以及配有橡胶、聚氨酯、陶瓷、辉绿岩等衬里的钢制或铝制筒体等材料制成。 和其他分离机相比，旋液分离器有很多优点：结构简单紧凑、无传动部分、占地面积小。,使用维护方便；物料在机器内停留时间短、生产率高；能在密闭的条件下加工，产品质量高。环境卫生和劳动条件较好；便于连续作业和生产过程的自动控制。其缺点是管子内壁易磨损。,悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。,工作过程：,液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。,澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。,液体的粘度约为气体的50倍，液体的(p-)比气体的小，悬浮液的进口速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒， 沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。 要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。,特点,旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm。 悬浮液进口速度一般为515m/s。 压力损失约为50200kPa。 分离的颗粒直径约为1040m。,主要技术参数,旋风分离器是利用离心力作用净制气体的设备。,其结构简单，制造方便； 分离效率高； 可用于高温含尘气体的分离；,特点：,结构：,外圆筒； 内圆筒； 锥形筒。,旋风分离器(cyclone separator),含尘气体从圆筒上部长方形切线进口进入。入口气速约为1520m/s。 含尘气体沿圆筒内壁作旋转流动。颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离。 在圆锥部分，旋转半径缩小而切向速度增大，气流与颗粒作下螺旋运动。 在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出； 固相沿内壁落入灰斗。,工作过程,旋液分离器和旋风分离器的比较 相同点： 原理相同，都采用离心分离的方法除去内部杂质。 结构相同，就单个分离器而言，其结构大致相同。 不同点： 用途不同，旋液分离器用于从液体中分离固体杂质，旋风分离器用于从气体中分离固体杂质。 设备体积不同，旋液分离器由于用于液体分离，其密度较大，固单个分离器的体积较小；而旋风分离器由于用于气体分离，其密度较小，固分离器的体积较大。 设备组装方式不同。为了提高生产率，旋液分离器一般多个分离器并联使用，而旋风分离器一般单个分离器即可使用。,第四节 膜分离设备,借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。,第五节 膜分离设备,1748年Abble Nelkt发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。,一、膜分离,3、种类与应用 膜浓缩主要采用反渗透与超滤两种 反渗透主要用于分离水与低分子量溶液，这些溶液具有高渗透压。 超滤用于从高分子量物料（如蛋白质、多糖）中分离低分子量物料。,2、“膜”的定义： 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体分隔开来成为两部分，则这一薄层物质就是膜。这里所谓的凝聚相物质可以是固态的，也可以是液态或气态的。膜本身可以是均匀的一相，也可以是由两相以上的凝聚态物质所构成的复合体。,一、膜分离,3、膜的分类： 膜的种类繁多，大致可以按以下几方面对膜进行分类： 、根据膜的材质，从相态上可分为固体膜和液体膜； 、从材料来源上，可分为天然膜和合成膜，合成膜又分为无机材料膜和有机高分子膜； 、根据膜的结构，可分为多孔膜和致密膜； 、按膜断面的物理形态，固体膜又可分为对称膜、不对称膜和复合膜。对称膜又称均质膜。不对称膜具有极薄的表面活性层(或致密层)和其下部的多孔支撑层。复合膜通常是用两种不同的膜材料分别制成表面活性层和多孔支撑层。 、根据膜的功能，可分为离子交换膜、渗析膜、微孔过滤膜、超过滤膜、反渗透膜、渗透汽化膜和气体渗透膜等。 、根据固体膜的形状，可分为平板膜、管式膜、中空纤维膜以及具有垂直于膜表面的圆柱形孔的核径蚀刻膜，简称核孔膜等。,2. 反渗透的原理,1)、反渗透 反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂(通常是水)的性质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。反渗透可用于从水溶液中将水分离出来，海水和苦咸水的淡化是其最主要的应用，但目前也在向其它应用领域扩展。,2. 反渗透的原理,3. 超滤的原理,差别是超滤不能截留低分子量物料，但反渗透可以。,应用孔径为10到200的超过滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜。 超滤膜一般由高分子材料和无机材料制备，膜的结构均为非对称的。超滤用于从水溶液中分离高分子化合物和微细粒子，采用具有适当孔径的超滤膜，可以用超滤进行不同分子量和形状的大分子物质的分离。,微滤 微滤与超滤的基本原理相同，它是利用孔径大于0.02m直到l0m的多孔膜来过滤含有微粒或菌体的溶液，将其从溶液中除去，微滤应用领域极其广阔，目前的销售额在各类膜中占据首位。 4) 渗析 渗析是最早发现、研究和应用的一种膜分离过程，它是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。目前主要用于制作人工肾，以除去血液中蛋白代谢产物、尿素和其它有毒物质。 5) 电渗析 电渗析也是较早研究和应用的一种膜分离技术，它是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，目前主要用于水溶液中除去电解质(如盐水的淡化等)、电解质与非电解质的分离和膜电解等。,气体膜分离 气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，目前高分子气体分离膜已用于氢的分离，空气中氧与氮的分离等，具有很大的发展前景。无机膜也已用于超纯氢制备等领域，并有可能在高温气体分离领域获得广泛的应用。 渗透汽化 渗透汽化也称渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能的不同来实现其分离的新型膜分离过程，近二十年来对渗透汽化过程进行了比较广泛的研究，用渗透汽化法分离工业酒精制取无水酒精已经实现工业化，并在其它共沸体系的分离中也展示了良好的发展前景。预计渗透汽化与气体膜分离可能成为二十一世纪化工分离过程中的重要技术。 其它膜分离过程 其它膜分离过程尚有：膜蒸馏、膜萃取、膜分相、支撑液膜、生物膜分离等，均是新近发展起来的新过程，少量已在工业上应用，但大都处于研究开发阶段,4. 膜,反渗透膜 通常采用醋酸纤维、聚丙烯晴、聚酰胺、聚亚酰胺等具有高度稳定性和高强度并具有要求通透性的材料 超滤膜 通常采用聚砜、聚酰胺、聚氧乙烯、聚碳酸酯、聚酯、刚性醋酸酯等材料 结构通常有两种一种为微孔膜主要用于卷式、板式和管式膜；另一种为中空纤维膜，用于中空纤维系膜系统。,5. 设备,6.膜浓缩的应用,在处理稀溶液时反渗透可能是最经济的浓缩方式。在食品工业中最大的商业化应用是乳清浓缩，其他还包括 蒸发前果汁的浓缩 柠檬酸、咖啡、淀粉糖浆、天然提取物 乳清脱盐（但保留糖） 纯化水,超滤的最大应用也是乳制品行业，如预浓缩，选择性脱乳糖或脱盐，分离功能性成分。其它应用包括： 酶、其它蛋白质或多糖的分离、浓缩 除菌 酿造工业 果汁澄清 反渗透之前的预处理,高效分离技术,分子蒸馏技术,膜分离技术,超临界流体萃取技术,工业色谱技术,高效分离技术的研究和利用主要有两个目的，一是从物料中提取用一般技术难以得到的生物活性物质，而且工艺条件温和使生物活性物质不被破坏；二是节省能源，减少排放物，有利于生态环境。,2. 分子蒸馏技术,分子蒸馏（Mol