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新型麦汁压滤机的研究 摘要 随着啤酒企业生产规模的不断扩大、原料辅料的多样化以及特色啤酒( 如小 麦啤酒等) 日益受到重视，新型全自动麦汁压滤机得到越来越多的应用，它具有 生产效率高、滤得麦汁质量好、适应不同辅料、全自动操作、节能环保等优点， 具有1 泛的推广应用价值。 我国的新型麦汁压滤机还停留在对引进设备的模仿上，为在引进技术的基础 上消化吸收再创新，开发具有自主知识产权的麦汁压滤机，本文做了咀下基础研 究工作： 由经典r u t h 过滤方程，推导了麦汁压滤机得以应用的理论基础薄层过 滤的训算式，认为若忽略过滤介质阻力，过滤时间与滤饼厚度的平方成正比，可 以通过减小滤饼厚度来提高过滤速度。 通过固体颗粒粒度分析研究了麦糟滤饼的特性，给出了适合于麦汁压滤机的 麦芽精细粉碎的颗粒直径范围；研究了麦汁的流变特性，认为麦汁为非牛顿型流 体。 采j _ j 小型压滤机对不同厂家的糖化醪液在不同的压力下做了多组压滤实验， 选定了适当的滤布：提出直接对数据按照r u t h 方程进行二次方程回归的新方法， 计算了麦糟滤饼平均比阻、可压缩性指数以及过滤介质阻力的范闱；经啤酒厂检 测，压滤实验滤得的麦汁完全符合质量要求。 提出过滤性能系数的概念，并据其给出根据小型压滤机实验放大计算实际生 产中过滤面积、估算过滤时间的简化方法。 本文针对麦汁过滤所做的理论分析、物料性质研究和实验工作，具有开创性， 其结论对新型麦汁压滤机的设计霹t l j t ：发，具有重要的参考价值。 关键词：啤酒；麦汁；压滤机 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee n l a r g e m e n to fb e e ri n d u s t r i a ls c a l e ，d i v e r s i f i c a t i o no f s u p p l e m e n t a r ym a t e r i a l s ，a n dt h ed a i l yi n c r e a s i n ga t t r a c t i o no ns p e c i a lb e e r s u c ha sb e e rm a d eo fw h e a t , m o d e r na u t o m a t i cm a s hf i l t e rh a sb e e n c o n s i d e r e dm o r ea n dm o r ei na p p l i c a t i o n t h i sn e wk i n do fm a c h i n eh a s p l e n t y o fm e r i t ss u c ha sh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , h i g h q u a l i t yw o r t , a d a p t i n gw e l lt ov a r i o u ss u p p l e m e n t a r ym a t e r i a l sp r o p o r t i o n ，f u l l ya u t o m a t i c o p e r a t i n g ，e c o n o m i z i n go ne n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h e r e f o r e ， t h em o d e r nm a s hf i l t e ri sw o r t hp o p u l a r i z a 廿o n h o w e v e r , t h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n tl e v e lo ft h em o d e mm a s hf i l t e ri n c h i n ar e m a i n so nt h es t e po fi m i t a t i n gi m p o r t e de q u i p m e n t s t h u si no r d e rt o d i g e s tt h ei m p o r t e dt e c h n o l o g y a n dd of u r t h e ri n n o v a t i o nt od e v e l o po u r m a s hf i l t e r so fi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a la s s e t , f u n d a m e n t a lr e s e a r c h e sw e r e c a r r i e do u ta sf o l l o w s ： b a s e do nc l a s s i c a lr u t hf i l t r a t i o ne q u a t i o n , t h et h e s i sd e d u c e dt h e t h e o r e f i c a lf o u n d a t i o no ft h i nb e df i l t r a t i o nw h i c ht h em o d e mm a s hf i l t e ri s b a s e do ni ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ef i l t r a t i o nt i m eh a v ed i r e c tr a t i ot ot h es q u a r e o ft h et h i c k n e s so ft h ef i l t e rc a k ei ft h er e s i s t a n c eo ff i l t e rm e d i u mw a si g n o r e d t h e r e f o r e i tw a sf e a s i b l et oi n c r e a s et h ef i l t r a t i o nv e l o c i t yb yd e c r e a s i n gt h e t h i c k n e s so ft h ec a k e t h et h e s i ss t u d i e dt h ep r o p e r t yo fs p e n tg r a i n sc a k et h r o u g ht h ep a r t i c l e s i z e a n a l y s i s ，a n ds h o w e dt h ep r o p e rr a n g eo fp a r t i c l ed i a m e t e ra v a i l a b l e w h e nu s i n gm a s hf i l t e r t h er h e o l o g yp r o p e r t yo ft h ew o r tw a sa l s os t u d i e dt o d r a wt h ec o n c i u s i o nt h a tt h ew o r ti sn o n n e w t o n i m lf l u i d s m o r e o v e r , u s i n ga m i n ih ，d ep r e s s u r ef i l t e r , s e v e r a lf i l t r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tw i t h 出f f e r e n tk i n d so fm a s hu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r et oc h o o s et h er i g h tf i l t e rc l o t h ； a c c o r d i n gt ot h er u t he q u a t i o n , t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw a sf i tb ya n e w m e t h o do fs t r a i g h t l yq u a d r a t i cf i tt oc a l c u l a t et h er e s i s t a n c eo ft h ef i l t e rc a k e ， f i l t e rm e d i u ma n dt h ec o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t s t e s t e db yt h eb r e w h o u s e ，t h e w o r t f r o mt h ef i l t e rw a se l i g i b l e t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s m a t e r i a lp r o p e r t y a n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho nm a s hf i l t r a t i o n , a n dt h ec o n c l u s i o nd r e wf r o mt h e t h e s e sh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u eo nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f m o d e r nm a s hf i l t e r k e yw o r d s ：b e e r ；w o r t ；f i l t e r i i 新型麦汁压滤机的研究 引言 我国啤酒产业快速发展，啤酒产量年增长幅度达1 0 左右川，自2 0 0 2 年以 来，已经连续3 年居于世界首位。2 0 0 5 年我国啤酒生产和销售形势继续保持了 稳定增长，全年啤酒产量首次突破3 0 0 0 万吨，人均消费量达到2 3 l ，与世界人 均啤酒消费水平越来越近【2 】。目前，我国啤酒年出口货值约7 6 0 0 万美元，啤酒 行业已成为我国的重要支柱产业之一。中国啤酒行业经历着快速发展，正越来越 成熟，同时也正面临着激烈的竞争，在经过一个短期的调整后，其持续发展依然 拥有广阔的空闻【i j 。 啤酒工业技术要达到一个新的高度，要求啤酒装备与啤酒酿造工艺并重，协 调发展。近年来，国内的啤酒设备生产有了很大的发展，已经能自主研发、制造 一些大型啤酒设备，特别是发酵系统等。但是，目前我国产量在2 0 万吨以e 的 啤酒生产企业中，啤酒生产的关键设备有四分之一是依赖进口，排行榜前列的知 名企业设备配置相当精良，但关键设备大部分为进口，个别企业整厂设备进口1 3 o 因此，必须提高自主创新能力，大力推进啤酒装备国产化进程，消化吸收国外装 备的先进经验，提高国产装备的整体水平。 剥于麦汁制备系统尤其是过滤和煮沸设备，国内啤酒设备厂家还停留在对国 外设备的模仿上，缺乏理论支持和实验分析，缺少自己的品牌和知识产权。这当 中，开发大型全自动的麦汁压滤机，已经被列为我国啤酒酿造设备发展重点【4 j 。 本文在这方面做了一定的工作，深入多家啤酒生产企业调研了麦汁过滤设备 及糖化车间的现状，分析了麦汁过滤所依靠的理论基础，研究了糖化醪液、麦汁、 麦糟的性质，针对糖化醪液这种特殊的物料进行了一系列压滤实验，得出了适用 于麦汁压滤机的精细粉碎麦糟滤饼的特性，为麦汁压滤机进步的设计计算和麦 汁过滤工艺设计提供依据。 浙江大学硕士学位论文 1 1 麦汁过滤 1 1 1 麦汁制备简介 1 综述 啤酒的原材料经过麦芽制造、麦汁制各、啤酒发酵等主要工艺过程，其中的 各种物质发生了极为错综复杂的化学、生化变化，成为啤酒中的各种成分，再经 过啤酒包装，最终成为进入消费者手中的成品啤酒”j 。 麦汁制备俗称糖化，是将麦芽、非发芽谷物和酒花加水，在酶的作用下经一 定的工艺调制加工成澄清透明的麦芽汁。制成的麦汁经添加酵母发酵，加工成啤 酒。麦汁制备直接影响到啤酒厂的生产能力和啤酒的质量，是啤酒生产的关键。 麦汁制各包括粉碎麦芽和谷物、糖化制成麦芽汁、过滤分离麦糟和麦芽汁、麦汁 添加涌花煮沸、麦汁冷却等工序。传统的麦汁制备涉及到的设备主要有：糖化锅、 糊化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅、回旋沉淀槽( 俗称“j 锅两槽”) ”j 。 图1 1 麦汁制备设备流程 1 麦芽暂立仓2 粉碎机3 糖化锅4 糊化锅 5 ，过滤槽6 。爰汁煮沸锅7 回旋沉淀槽8 薄板冷却器 i 1 2 麦汁过滤 糖化工序结束，麦芽汁已经形成，应在最短时间内将糖化醪液中的麦汁与不 溶性的麦糟分离，通过过滤获得清亮的麦汁，进入下面的煮沸、发酵等工序。可 以说直到过滤出麦芽汁，才有了成品啤酒的雏形。麦汁过滤的好坏，剥啤酒的产 量和质量有重要的影响。 麦汁过滤的主要要求是：获得较高的浸出物收得率；实现较快的过滤速度和 较短的过滤周期；有较高的麦汁质量，通常指较低的浊度和极少的氧气吸收1 6 j 。 麦汁过滤分为过滤和洗糟两个过程：过滤是麦汁通过麦糟层和过滤介质( 筛 新型麦汁压滤机的研究 板或滤布) 组成的过滤层，得到澄清液体，这一阶段的麦汁称为头道麦汁或过滤 麦汁。洗糟是用热水( 即洗糟水) 洗出头道麦汁过滤后残留于麦糟中的浸出物， 得到的麦汁称为第二麦汁或洗涤麦汁。这两个过程为机械物理过程【7 】o 1 1 3 传统麦汁过滤方法 麦汁过滤的方法大致可分为三种：过滤槽法、快速渗出槽法和压滤机法，其 中，压滤机法又有传统压滤机、袋式压滤机、新型厢式( 可带压榨隔膜) 压滤机 之分。 快速渗出槽法由于过滤的麦汁浊度难以控制，现在已经很少采用。 袋式压滤机由于结构较为复杂，在国内也很少采用。 传统压滤机法由于滤得麦汁浑浊、洗糟水不均匀、滤布难以清洗、维修费用 高、操作繁琐、劳动强度大而遭淘汰。i s j 过滤槽法是当今世界上较为普遍采用的一种麦汁过滤方法，我国目前大多数 啤酒企业【乜都在使用过滤槽过滤麦汁。 过滤槽的结构如图1 2 ，包括过滤槽体、糖化醪液输送系统、过滤筛板、耕 糟装置、洗糟水喷洒装置、麦汁收集系统和排糟装置等。 用过滤槽过滤麦汁按以下步骤进行1 6 j ： ( 1 ) 热水压入：保证筛板干净，没有脏物和气泡，同时预热筛板。 ( 2 ) 醪液泵入：醪液尽可能快速地泵入过滤槽中并且分布均匀。 f 3 ) 静嚣：醪液泵入后，麦糟沉降形成麦糟层作为麦汁过滤的天然过滤介 质，头道麦汁在糟层以上。 ( 4 ) 麦汁回流：筛板和槽底之间聚集着一些穿过筛板的颗粒，这些颗粒和 刚开始过滤出的麦汁一 起构成浑浊麦汁，必须回 流，商至滤出麦汁清亮。 ( 5 ) 头道麦汁过 滤：头道麦汁穿过麦糟层 得以过滤，从各麦汁收集 管流出。头道麦汁应尽可 能迅速过滤，以避免刁；必 要的时间损失。过滤中 糟层被不断压紧，阻力增 加，流出的麦汁也越来越 少，因此用耕糟装置保持 图1 2 过滤槽( h u p p n ，a n n ) 麦糟层疏松。 ：羹蓑娄蓁妻蓄置：雾冀菩置萎雾震篓差釜滤筛板 新型壹汁压滤机自研究 板或滤布) 组成的过滤层，得到澄清液体，这阶段的麦汁称为头道麦汁或过滤 麦汁。洗糟是用热水( 即洗糟水) 洗出头道麦汁过滤后残留于麦糟中的浸山物， 得到的麦汁称为第二麦汁或洗涤麦汁。这两个过程为机械物理过程 7 】。 113 传统麦汁过滤方法 麦汁过滤的方法大致可分为三种：过滤槽法、快速渗出槽法和压滤机法，其 中，压滤机法又有传统压滤机、袋式压滤机、新型厢式( 可带压榨隔膜) 压滤机 之分。 快速渗出槽法由于过滤的麦汁浊度难以控制，现在已经很少采用。 袋式压滤机由于结构较为复杂，在国内也很少采用。 传统压滤机法由于滤得麦利浑浊、洗糟水不均匀、滤布难以清洗、维修费用 高、操作繁琐、劳动强度大而遭淘汰。嘲 过滤槽法是当今世界上较为普遍采用的一种麦汁过滤方法，我国目前火多数 啤酒企业也都在使用过滤槽过滤麦汁。 过滤槽1 j 勺结构如图12 ，包括过滤槽体、糖化醪液输送系统、过滤筛板、耕 糟装置、洗糟水喷洒装置、麦汁收集系统和排糟装置等。 用过滤槽过滤麦汁按以下步骤进行 ( 1 ： ( 1 ) 热水雎八：保证解板干净，没有脏物和气泡，同时预热筛板。 f 2 ) 醪液泵入：醪液尽可能快速地泵入过滤槽中并且分布均匀。 f3 ) 静置：醪液泵入后，麦糟沉降形成麦糟层作为麦引过滤的天然j 二滤介 质，头道麦= 汁在糟层以上。 ( 4 ) 麦汁回流：筛板和槽底之间聚集着些穿过筛板的颗粒，这些颗粒和 刚开始过滤出的麦汁一 起构成浑浊麦汁，必须回 沉，鱼全滤出麦汁清亮。 ( 5 ) 头道麦汁过 滤：头道麦汁穿过麦糟层 得以过滤，从各麦汁收集 管流出。头道麦汁应尽可 能迅速过滤，以避免a ；必 要的时间损失。过滤中 稽层被小断压紧，阻力增 加，流出的麦汁也越来越 少，因此用耕糟装置保持 图1 2 过滤槽( h u l o p m a n n ) 1 - 洗糟水喷淋装置2 耕糟装置3 一过滤槽体4 过滤筛板 少，因此用耕糟装置保持 5 ，糖化醪液进口 6 排糟口 7 麦汁收集装置 麦糟层疏松。 浙江大学硕士学位论文 ( 6 ) 洗糟：当槽中的麦糟刚露出时，停止头道麦汁过滤，开始洗糟。洗糟 水由喷头喷洒，淹没麦糟并把麦汁从上向下缓慢压，洗出麦糟中的浸出物。洗糟 前或洗糟时，需要耕糟。 ( 7 ) 排糟：洗糟残水流完后，将耕刀横向调节进行排糟。在新式过滤槽中， 向下打开排糟板，麦糟从排糟口落下。 近十几年来，尽管过滤槽的结构和工作方式不断地得到改进【9 ”】，但它存在 的以下不足很难从根本上解决： ( 1 ) 以麦汁自身重力为推动力，过滤速度缓慢，日处理一般不超过8 批。 ( 2 ) 对大米粉、小麦粉、玉米淀粉等细粉辅料的比例有比较严格的限制。 ( 3 ) 糖化醪液、洗糟水和空气大面积接触，吸氧较多，影响啤酒口味。 ( 4 ) 耕糟运动线速度沿直径方向呈内小外大的线性分布，导致耕刀耙松麦 糟的效果不均匀。 ( 5 ) 随着过滤槽直径的增大，其耕刀臂、主轴直径、扭矩、负荷、减速器、 电动机都相应增大，制造难度加大，造价提高，而且安装时保证筛板水平度的难 度增大。 我国的啤酒产业正处于快速上升的发展期，产业内部的竞争十分激烈，啤酒 生产企业纷纷采取各种措施，以获取更大的利益：基于市场容量继续增加的判断， 很多啤酒生产企业进行扩建改建，以提高产量；我国小麦、大米、玉米等啤酒酿 造辅助用料产量高，价格低，很多啤酒生产企业提高辅料的比例，以降低成本； 人们剥啤酒的口味要求越来越高，特色啤酒( 如小麦啤酒) 的需求也越来越大。 这些变化给麦汁过滤工艺和设备提出了更高的要求，而对应于这些要求的，恰恰 是过滤槽的劣势所在，人们纷纷把目光重新投向麦汁压滤机。 1 2 新型全自动麦汁压滤机 随着新型塑料剌料的不断发展，国际上兴起采用聚丙烯原料生产滤板和滤 布。聚丙烯材料保温性能好，重量轻，能够达到食品安全生产要求。这给麦汁压 滤机新的发展打下了基础。进入上个世纪9 0 年代，部分欧洲国家率先投入可观 的技术力量对麦汁压滤技术进行了再研究，结合最新研究成果和现代化的控制手 段对传统压滤机作了根本性的改造，其成果就是研制成功了采用聚丙烯滤板、薄 层低压过滤的新型麦汁压滤机。这种麦汁压滤机克服了传统板框式压滤机的诸多 弊端，解决了前述过滤槽所面临的困难，能够满足当今啤酒生产在麦汁收得率、 生产效率、自动化程度以及生产成本等方面的要求，正逐步被越来越多的啤酒生 产企业所接受，展现出美好的发展前景，许多现代化的大型啤酒集团，如荷兰的 h e i n e k e n 、巴西的b r a h m a 、德国的k r o n e n b u r g f l l l ，我国的重庆啤酒、珠江啤酒、 新型麦汁压滤机的研究 温州金狮、哈啤长春银瀑等等，都选择了采用麦汁压滤机进行麦汁过滤。 1 - 2 1 新型全自动麦汁压滤机的优势 归纳起来，新型全自动麦汁压滤机具有以下几个方面的优势1 2 】： ( 1 ) 提高生产效率 采用薄层过滤，过滤速度快，生产周期小于1 2 0 r a i n ，满足每天糖化1 2 批次 以上，最高可达】4 1 6 批次。 洗糟水用量小，适合生产高浓度麦汁，通过高浓度稀释 8 l 来增加产量，头道 麦汁浓度可达2 6 。p ，定型麦汁浓度可达1 5 0 p 以上。 尤其适合对原有的糖化车间扩建，采用麦汁压滤机时，只需将原有的过滤槽 改成糖化锅，有些厂家可能还需增加一台麦汁暂存槽，即可将糖化产量提高1 倍， 比直接投资一套糖化系统节约资金5 0 以上。 表1 1 过滤槽与新型麦汁压滤机的操作i j - j n ( r a i n ) 【” 操作步骤过滤槽麦汁压滤机 典型操作周期 l8 0 1 2 0 灌入热水 6 泵入糖化醪液 1 0 5 回流循环1 0 头道麦汁收集6 0 3 0 洗糟6 5 6 5 排稽 2 0 l5 筛板清洗5 总用时1 7 51 1 5 ( 2 ) 降低生产成本 较高的收得率。采用麦汁压滤机，需将麦芽精细粉碎，而颗粒精细的粒度增 大了糖化反应的比表面积，从而提高糖化收得率。实际上，浸出物收得率达到或 高于实验室的收得率。 适应不同的辅料。采用麦汁压滤机，大米、小麦、玉米淀粉等辅料甚至糖浆 的增加对过滤的速度和时间均没有明显的影响，甚至可以不用大麦芽而仅用小麦 芽和辅料生产啤酒。 1 4 ，5 】 投料量较灵活。不带隔膜的厢式麦汁压滤机可设置活动过滤盲板，适应不同 的投料量。带隔膜的厢式麦汁压滤机投料量可在通常投料量的8 0 1 1 0 范围内 浮动，也可设置活动盲板。这对于淡旺季分明地区的啤酒企业尤其适用。 ( 3 ) 提高产品质量 进料、过滤、洗糟过程中，糖化醪液与麦汁均处于密闭环境，降低了麦汁过 浙江大学硕士学位论文 滤过程中的氧化作用。 麦汁含脂肪酸少，浊度低。 表1 2 过滤槽与压滤机滤得的麦汁质量比较【1 3 质量指标 过滤槽 麦汁压滤机 沉淀物( m h o f f , m l l ) 1 0 o 2 浊度( e b c ) 1 0 0 实际 9 9 31 0 24 4 浊度( e b c )目标 4 0 1 0 实际 531 4 5 麦糟含湿率( ，w w )目标 8 0 7 5 实际 8 0 7 1 5 1 2 2 我国啤酒生产企业使用的新型全自动麦汁压滤机 围外的大型全自动麦汁压滤机主要有比利时m e u r a 公司的m e u r a 2 0 0 1 麦汁 新型麦汁压滤机的研究 压滤机、法国n o r d o n 公司的n o r t e k 6 6 麦汁压滤机、德国z i e m a n n 公司的m k l 5 2 0 麦汁压滤机等。 m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机为带压榨隔 膜的厢式压滤机( 图1 3 ) ，温州金狮啤 酒集团、原北京双合盛五星啤酒有限公 司等引进了该压滤机。 n o r t e k 6 6 麦汁压滤机为无隔膜厢式 压滤机( 图1 4 ) ，重庆啤酒集团、哈尔 滨啤酒( 长春银瀑) 有限公司、牡丹江 镜泊啤酒有限公司等引进了该压滤机。 这些引进的新型全自动麦汁压滤机 图1 3m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机 均运行良好，啤酒生产企业取得了很好 ( 温州金狮啤酒有限公司) 的经济效益的同时，我国麦汁过滤设备 的装备水平也得到很大提高。 尽管优势明显，进口麦汁压滤机的 价格昂贵，很多啤酒生产企业难以承受。 哈尔滨汉德轻工医药装备有限责任公司 引进法国n o r d o n 公司的技术，研制开发 了我国的新型麦汁压滤机h d g l 一1 8 0 0 ( 图1 5 ) 。该机与n o r t e k 6 6 压滤机类似， 图l4 n 。r t e k 6 6 麦汁压滤机 已在大连大雪啤酒有限公司、河南维雪 ( 哈尔滨啤酒( 长春银瀑) 有限公司) 啤酒有限公司、河南天冠酒业南阳有限 公司、河南月山啤酒有限公司、山西月 山啤酒有限公司、甘肃农垦啤酒有限公 刮、内蒙葛金川保健啤酒有限公司等1 0 多家啤酒企业应用【】i i 。 我国目前在役的新型麦汁压滤机大 体上有m e u r a 2 0 0 1 和n o r t e k 6 6 两种类 型，下面分别作介绍。 1 2 21m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机 图1 5h d g l - 1 8 0 0 麦汁压滤机 ( 河南遂平月山啤酒有限公司) 1 结构 m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机由机架系统、滤板膜板系统、压缩空气输入部分、管 路系统、液压压紧系统、自动控制系统组成( 如图1 6 l 机架部分包括止推板、压紧板、油缸座、主梁、拉板机构及附件。机架部分 是机器的基础，用以支撑过滤系统，过滤时保证滤板之间的密封，除糟时通过拉 渐江大学硕士学位论文 板机构达到自动排糟的目的。 过滤系统由一定数量内嵌滤布的 滤板和内嵌弹性隔膜的膜板交替排列 组成。相邻两块板的滤布和隔膜之间形 成过滤单元滤室。滤板由聚丙烯材 料制成( 如图17 ) ，具有重量轻、高温 不变形、不易损坏、不腐蚀的特点，其 良好的绝热性能保证了在过滤过程中 的工艺温度要求，改善了车间的工作环 境。滤布用聚丙烯人造纤维布织成，机 械、化学性能良好，据资料显示，其压 滤工作温度可达9 3 ，正常工作下平 均使用寿命达2 0 0 0 3 5 0 0 批次，并可 作c i p 清洗。滤布用0 型圈压入滤板 中，固定f 框室滤板的内部。滤板一卜设 训有支撑点和光滑的表面，使麦汁能够 自由顺畅地流动。滤板一侧的上下口为 醪液进口，另一侧的上下口为麦汁出 口。 各块膜板上有压缩空气口，用以在 隔膜和膜板之间的气囊内通入和释放 一定压力的空气，挤压湿麦糟，提高收 得率和降低麦糟含水量。 管路系统包括辅助管路、各种阀 门、流量计、变频调速泵、缓冲罐等。 液压压紧系统是驱动压紧滤板和 松开滤板的动力装置。可通过计算机自 动控制或手控箱手动控制操作。 图1 6m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机结构 1 一主梁及拉板系统2 止推板 3 - 压缩空气进口4 一糖化醪液进口 5 - 麦汁出口6 缓冲罐 7 空气排出口8 滤板、膜板 9 压紧板 1o - 油翻。座及液压系统 图1 7m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机滤板 自动控制系统测量并控制过滤过程中的各项参数。 2 操作流程 整个过滤操作分“个步骤进行( 如图1 8 ) 。 ( 1 ) 充料。醪液从压滤机的下部由变频泵低压泵入，保持稳定流量，以避 免沉降现象，保证醪液分配均匀，彻底排出空气，压滤机充满时，打开上部的进 料阀，上下进料口同时进料。麦汁穿过滤布，从麦汁出口流出。 ( 2 ) 头道麦汁过滤。以恒定压力进行麦汁过滤，缓冲罐的液位保持略高于 压滤机( 以下至第5 步都必须保持同样的缓冲罐液位范围) 。滤得的麦汁经缓冲 新型麦汁压滤机的研究 罐进入煮沸锅。 ( 3 ) 冲洗管道。用洗糟水冲干净进料管道的物料。 ( 4 ) 预加压。弹性膜框充压缩空气，弹性隔膜鼓起，轻压滤饼，使滤饼变 薄曰颗粒分布更加均匀，同时，浓麦汁在彳i 用洗槽水的情况下被压出回收。几分 钟后，隔膜放气收缩，在滤饼与隔膜间留下一个供洗糟水顺畅通过的空间。 ( 5 ) 洗糟。洗糟水从醪液的入口进入，在洗糟压力不超过控制范围时，以 恒定流量进行洗槽。 ( 6 ) 加压。仍保持缓冲罐的液位，弹性隔膜以大于洗糟的压力挤出麦糟中 残余洗涤麦汁，得到较干的麦糟，利于卸糟。 ( 7 ) 冲洗干净压滤机的管道和缓冲罐。保持弹性膜框充气，用洗糟水冲洗 干净压滤机的进料上下管及缓冲罐。 ( 8 ) 排空。保持空气弹性膜充气，彻底排干净压滤机的洗糟水。 ( 9 ) 弹性膜气囊卸压。 ( 1 0 ) 打开压滤机卸糟。压紧板打开，拉板机构逐块拉动滤板，麦糟自动 跌落全接收斗。 ( 1 1 ) 关闭压滤机，准备下一次过滤。液压系统自动将滤板压紧并保持压 力，自动保护功能使其不受停电、急停的影响而造成泄漏。 压滤机的定期清洗。整个压滤机运行一。星期后，管路与滤布要进行c i p 清洗。 图18m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机流程示意图 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 2 n o r t e k 6 6 麦汁压滤机 1 结构 该压滤机由机架系统、滤板过滤系统、管路系统、液压压紧系统、自动控制 系统钥成。 n o r t e k 6 6 与m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机结构上最大的不同，是滤板不带弹性隔 膜，不对滤饼进行压榨，相邻两块滤板的滤布之间形成滤室。滤板同样由聚丙烯 材料制成，内嵌聚丙烯纤维滤布。 醪液进k 7 位于滤板上下中部，以利于分布均匀。滤板的四个角都设计有麦汁 出口，供过滤麦汁流出，洗糟水也由这四个口流入、流出。 2 操作流程 ( 1 ) 充半斗。 ( 2 ) 压滤循环。醪液以较低的流速经压滤后再流回糖化锅，以形成良好的 滤饼层，旦滤层形成，便可过滤出清亮的麦州。 ( 3 ) 头道麦汁过滤。 ( 4 ) 糖化锅和管路冲洗。 ( 5 ) 洗糟。采用三段式洗糟工艺，根据洗糟的不同阶段采用三种不同的流 量，实现洗糟的高效率，提高收得率。 另外，采用变化的“板至板”洗糟工艺。洗糟水从奇数号板穿过滤布进入糟 层，麦汁穿过滤布进入未进洗糟水的偶数号板，称为“板至板”交替式洗糟，同 时，每次洗糟流向均与上次相反，形成刺滤布的“自清洗”。 ( 6 ) 自流排空。缓冲罐、压滤机中的麦汁自流入煮沸锅中。 ( 7 ) 压缩空气吹扫。1 分钟的吹扫可使麦糟含水量降低到7 3 左右，而低 于7 8 的麦糟即已没有明显的滴水现象了。 ( 8 ) 排放残液。 r 9 ) 打开压滤机卸糟。 ( 1 0 ) 关闭压滤机，准备下次过滤。 同样须考虑c i p 清洗。 1 2 23 两种麦汁压滤机的比较 1 是否采用弹性隔膜压榨 采用弹性隔膜的目的主要有三个： ( 1 ) 隔膜可前后移动，滤室中滤饼的厚度可变，从而使投料量更加灵活。 对于不同投料量和生产不同类型的麦汁，过滤的麦糟量是不同的，若麦糟量 变化比较大，会造成厢式压滤机内滤饼充不满或不能全部进入滤室，影响过滤效 果。带隔膜的厢式压滤机的滤室大小可变，可以在一定程度上适应不同的投料量 新型麦汁压滤机的研究 和辅料配比。不带隔膜的厢式压滤机要改变总的滤室容积，只能通过增减滤板数 量或设置可移动的盲板实现。 ( 2 ) 洗糟前对滤饼预加压以提高洗糟效率。 洗糟动力学表明，在洗糟过程中存在四个阶段口6 】：第一阶段是洗糟水进入麦 糟层；第二阶段是洗糟水置换糟层中较大孔隙中头道麦汁形成的栓塞流；第三阶 段是洗糟水的贯流，洗糟水贯穿通道并开始与残留的头道麦汁混合；第四阶段为 洗涤扩散，这是洗糟最藿要的阶段，扩散作用的效果取决于时间和浓度梯度。 前两阶段对于洗出浸出物的效果几乎没有影响，因此，可以通过隔膜挤压滤 饼，减小糟层中颗粒间隙的大小，来减少洗糟水的用量；同时，挤出头道麦汁留 下了空隙，减小了洗糟水进入时的阻力，可以提高洗糟速度。 滤饼预挤压后，残留的高浓度头道麦汁减少。到洗糟第三阶段，相对大量的 洗糟水进入与少量的残留头道麦汁混合，麦糟颗粒周围残糖的浓度梯度比滤饼不 压缩的情况大，有利于第四阶段的扩散。 另外预挤压还能够使滤饼中的多孔分布更加均匀，改善洗糟效果。 ( 3 ) 最终加压压出残留的洗涤麦洲以提高收得率，同时麦糟含水量降低至 7 0 7 5 ，与n o r t e k 6 6 压缩空气吹扫后相当。 采用弹性隔膜有上述的好处，同时也带来一些问题：系统增加了压缩空气输 入部分；压滤机结构更为复杂、总的板数增加、占地面积增大；隔膜的费用使得 制造成本提高；使用和维护费用增高。 2 洗糟工艺设计 早期的m e u r a 2 0 0 1 麦汁压滤机以恒定流量进行洗糟，而n o r t e k 6 6 根据洗糟 过程中浓度、黏度的变化把洗糟分成3 个流量不同的阶段。m e u r a 经过理论与实 验的研究，也改进了洗糟程序，先后以4 个不同的流量、压力组合进行洗糟，洗 糟时间被控制在4 0 m i n 内，洗糟水量也降低到每妇麦芽最多2 3 l 。 n o r t e k 6 6 麦汁压滤机采用变化的“板至板”洗糟工艺，这种工艺通过洗糟水 从麦汁出口进入和奇偶数号滤板流道布置不同这两点设计实现。由于洗糟水对滤 布反向冲洗，所以效果优于洗糟水从醪液入1 2 1 进入的设计。 1 3 过滤理论 过滤是将悬浮在液体或气体中的固体颗粒分离出来的工艺过程。其基本原理 是，在压力差的作用下，悬浮液中的流体通过过滤介质，固体颗粒被过滤介质所 截留，从而实现流体和固体的分离。过滤过程的物理实质是两相流体在多孔介质 内部的毛细通道内作渗流流动的过程，通常，将液固两相混合物称为滤浆，被截 留的滤渣层称为滤饼，通过多孔介质及滤饼的液体称为滤液，多孔介质被称为过 浙江大学硕士学位论文 滤介质。过滤的压力差主要通过给料的料浆泵提供，压力差一般在0 之0 m p a 。 一般来说，过滤分为滤饼过滤和深层过滤( 如图1 9 所示) f 1 7 i 。当悬浮液通 过介质时，固体颗粒被截留在过滤介质表面并形成一层厚度为几i t l m 到几十m m 的滤饼层，这个过程称为滤饼过滤。深层过滤是指固体颗粒沉积在过滤介质的内 部而非过滤介质的表面。工业上的过滤操作大多采用滤饼过滤。 由于过滤理论涉及固液两 相( 或者多相) 流体力学，既有 微观也有宏观流体力学现象，而 且，滤饼层结构极为复杂。因此， 同纯流体力学相比，研究难度增 大，进展相对缓慢。至今尚不能 麟：豳 a b 图1 9 滤饼过滤和深层过滤 a - 滤饼过滤b 深层过滤1 - 滤饼2 过滤介质 完全从纯理论上建立过滤计算模型。在很大程度上，过滤仍是一门依靠试验和经 验与理论分析相结合的科学。不过，对过滤基本方程进行研究，在实践中进行验 证，仍然具有重要的现实意义。 存滤饼过滤理论的研究中，前人从两个角度研究了过滤现象的基本规律。一 个是以r u t h 为代表，他从d a r c y 经验公式出发，重点研究r 过滤阻力对过滤的 影响；个是以k o z e n y c a r m a n 为代表，也从d a r c y 经验公式出发，根据渗流理 论，从研究滤饼结构和颗粒形状八手，重点研究滤饼的可压缩性和渗透系数对过 滤的影响。接下来将分别对他们的研究成果进行简要阐述。 1 3 1 多孔介质层内清洁液体的流动 d a r c y 在1 8 5 6 年研究了堆积床层最基本的压力降和流量的关系。该床层由 固体颗粒堆积而成，流体流经颗粒床层的间隙，液体与固体颗粒表面的摩擦和固 体颗粒的几何障碍造成了流动阻力和压力降。d a r c y 发现，在层流的情况下，压 力降与流体流速存在正比关系，他把这个规律同电学中电流流经电阻的欧姆定律 作了合理的类比，提出了著名的d a r c y 定律l ”j 望：堡业 ( 1 1 ) 三埘d 式中，p 为压力降；为颗粒床层厚度；为流体黏度：爿为颗粒床层截面积： 矿为流过床层的累积流体体积；t 为经历时间；k 为渗透率。 d a r c y 定律至今仍被认为是过滤理论的基础。 1 3 2 渗透率与k o z e n y - c a r m a n 方程 渗透率表达了液体流经包括滤饼在内的多 l 介质的难易程度。影响渗透率的 因素有组成多孔介质中的颗粒的大小和孔隙率。很多学者都对其进行了研究，其 新型麦汁压滤机的研究 中最有影响的渗透率公式是由k o z e n y 提出的1 1 6 】 拈赢靠 z ， 五( 1 一s ) 2 影 式中，s 为孔隙率，即颗粒床层内液体能够流过的孔隙体积占总体积的比例；s r 为单位体积颗粒的比表面积；世为k o z e n y 常数，通常在固定的颗粒床层或低速 移动的颗粒床层取值为5 ，在沉降或高速移动的颗粒床层取值为3 3 6 。 把式( 1 2 ) 代入d a r c y 定律可得k o z e n y c a r m a n 方程 坐：生l ( 1 - e ) 2 s ；l 里 ( 1 3 ) 三 一l s 3 j d ， k o z e n y c a r m a n 方程以简洁的形式表达了滤饼复杂结构的过滤速度方程，是 唯一由同体粒子的尺寸及滤饼结构特性预测滤饼比阻( 或渗透系数) 的最好理论 计算式，揭示了影响过滤过程各因数之间的内在联系”1 。 1 3 3 r u t h 理论及其方程 1 9 0 8 年，h a t s c h e r 首次提出，流体流过过滤介质及滤饼孑l 道时受到的摩擦力 是产生过滤阻力的主要原因。从此，人们将研究重点集中在过滤阻力及直接决定 过滤阻力的滤饼结构上。 19 4 6 年，c a r m a n 和r u t h 引入压缩渗透性试验装嚣进行过滤的理论分析，通 过对滤饼阻力的大量研究，他们认为，滤饼层厚度三和滤饼层渗透性系数实质上 是以阻力形式影响过滤方程的，因此，r u t h 提出，式( 1 1 ) 可改写为 竖：! 塑( 一 、lj d t 肛( 尺。+ r 。) 这就是人们熟知的r u t h 过滤方程。式中，矿为累积滤液量；r 为过滤时i h ；a 为 过滤面积；卸为操作压力；为滤液黏度；r 。为滤饼阻力；r 。为过滤介质阻力。 r u t h 用式( 1 5 ) 表示出滤饼阻力矗。与单位过滤面积上沉积的滤饼质量w 成 比例，比例系数为d ，称为滤nl t n t 1 8 j 月。= 凹w ( 1 5 ) 式中，w 为单位过滤面积上沉积的滤饼质量。若定义c 为流出单位体积滤液所增 加的干滤饼质量，则 w ：c v( 16 ) a 因此，滤饼阻力 凡：口w ：c c z v ( 17 ) 浙江大学硕士学位论文 1 3 4 滤饼过滤方程的几种形式 由式( 1 4 ) ，并引入比阻a 和流出单位体积滤液所增加的干滤饼质量c ，自 通用过滤方程 印= 等y 詈+ 着r m 百d v s ， 1 4 。d ，爿d r 1 3 4 1 恒压过滤 在恒压条件下对式( 1 8 ) 积分，边界条件为：时间为0 时滤液量为0 ，时间 为f 时，滤液量为v 扣= 卷r 附y + 急批 。， 整理可得到下列线性化抛物线方程 三：婴v 十丝鱼( 1 1 0 ) v2 a2 a p a 卸 式( 11 0 ) 可以看作是一条t v 关于矿的直线方程。用由实验获得的t v 值和值 作图，如果滤液的黏度、过滤面积、压差、单位滤液体积的干滤饼质量都已知的 话，由直线的斜率和截距就可以计算滤饼比阻及过滤介质阻力。 1 3 42r 厦速过滤 j ：业上大量使用容积泵向过滤设备提供料浆，这类泵输出体积流量均匀的料 浆，送入过滤机，如果滤饼不可压缩，就具备了恒速过滤的条件。随着过滤的进 行，滤饼发生新的沉积，系统阻力增加，为了维持固定的流量，压差就必须增加。 在恒速情况下 里一v 常数 式( 1 8 ) 町以变为 卸= ( 等孚 y + ( 警- 爿 过滤压差幻关于滤液量v 的图像为一条直线，由直线斜率与截距可以算得滤饼 比阻与过滤介质阻力。 1 3 43 变压一变速过滤 如果使用非容积式泵作为压滤机的供料设备，过滤过程就可能使压力、流量 都在变化的过程。最典型例子的是用离心泵给板框式压滤机供料，泵的特性曲线 决定了流量与压力的关系。 新型壹汁压滤机的研究 假设通过实验可以得到滤饼比阻及过滤介质阻力，则据此可以检查、预测、 控制或设计加压过滤系统，所以应该了解对于规定周期内要求的滤液或料浆流 量，过滤系统会有什么样的响应。忽略滤饼体积的变化，瞬时流量可写成 口：竖( 1 1 2 ) d f 代入式( i8 ) ，得 竺；# c r v + l( 1 1 3 ) q a 2 爿咒， 泵的特性曲线决定了瞬时流量是压力降的函数，从而可以得到在任意压力下的瞬 时流量q 的值，把式( 1 1 2 ) 重新整理再积分，得 f ：掣( 1 1 4 ) 。q 式中的滤液体积可由式( 1 1 3 ) 得到。 l34 4 对可压缩r 性滤饼的修正 滤饼的司压缩性，指的是滤饼的阻力随着滤饼两侧的压力降p ，的变化而变 化的种性质，这种性质可以通过多种方法进行试验1 9 】。处理可压缩滤饼的一种 最好的方法是使用平均滤饼比阻口。的概念 ，：土p 型 ( 1 1 5 ) 2 石土产 在个限定的范围内【旧 ，有时可以应用下列来自实验的经验公式 口= a p ： ( 1 1 6 ) 式中，口。为单位压力降下的滤饼比阻，一为南实验获得的可压缩性指数，对于不 可压缩物料来说，其值等于零。 使用式( 1 1 6 ) ，可根据式( 1 1 5 ) 把平均滤饼比阻表示为 = 甜o ( 1 一 ) 卸? ( 1 1 7 ) 1 3 ，5 经典过滤理论的缺陷和过滤理论的发展【1 9 前面所讨论的过滤理论，是依赖于加压渗透试验器( c p c ) 试验的经验性理 论。它试图将特殊情况一般化，而不是像其他研究领域所遵循的由一般情况归纳 出特殊情况。正由于经验过滤理论不是以精确的理论体系为基础，因此有时不能 全面地指导过滤实践，其主要缺陷有： 关于过滤介质阻力。过滤介质阻力r 。，在恒压过滤中可根据截距来测定的观 点是非常不确切的，而且在实际上经常使介质阻力成为不合理的低值，甚至成为 负值。t i l l e r 等人指出，在过滤试验开始阶段，t v 对矿的曲线就已经有显著弯曲， 浙江大学硕士学位论文 而这一弯曲是很容易遗漏的。他们认为截距值是一个“假的阻力值”。 关于滤饼比阻掰和其平均值概念口。，的使用。即使在恒压试验中，压力也是 随着穿过的滤饼厚度而变化的，因此孔隙率和滤饼阻力也随着改变。由式( 1 1 5 ) 所定义的搿平均值是根据一系列的恒压试验中所获得的有效滤饼阻力的平均 值，这个平均值又是滤饼中各个点值的平均。传统理论的基本假定认为口的