第三章第一节沉降分离设备

1、第三章固液分离设备2概述概述液固分离用于：液固分离用于：n分离液体中的固体颗粒或菌体分离液体中的固体颗粒或菌体q啤酒生产中麦汁的过滤q啤酒酵母的分离q无菌水的制备；n晶体与母液的分离晶体与母液的分离n污泥浓缩污泥浓缩3方法：方法：沉降和过滤n沉降：重力沉降和离心沉降；n过滤：常压、加压、真空及离心过滤部分沉降分离设备，也用于液液分离另膜分离设备不局限于固液分离，更包括气固分离4本章内容n第一节沉降分离设备q原理重力沉降与离心力沉降q管式沉降离心机q碟式沉降离心机q卧螺式沉降离心机n第二节过滤分离设备n第三节膜分离设备5第一节沉降分离设备原理n利用液固密度差，在重力场或离心力场中实现分离n重力沉

2、降的推动力小，很少应用，离心沉降占主要。n沉降效果受颗粒沉降速度场的大小的影响6n颗粒在流体中受到三个力的作用： 浮力 fb 曳力 fd 质量力 fb 图 3-13 颗粒在流体 中沉降时受力 质量力质量力fb fb=mg （重力）1.重力场中沉降速度的推导重力场中沉降速度的推导 曳力曳力f fd d aufdd22 式中d为曳力系数，a为颗粒在流动方向上的投影面积 即流体的阻力 浮力浮力f fb b fb=mg/p p、 为颗粒、液体的密度7n牛二定理： tumfffdbbdd对于小颗粒，整个沉降过程可认为是匀速沉降对于小颗粒，整个沉降过程可认为是匀速沉降，此时合力为零。用ut表示此时的颗粒速

3、度：042122ptdpdumgdpptgdu34整理得此速度的计算公式：dp为颗粒的直径。 8p (1) rep 2，层流区，又称斯托克斯（stokes）区，此时pdre24p (2) 2 rep 500过渡区，又称阿仑 (allen) 区，此时 6 . 0re5 .18pdp (3) 500 rep 2105湍流区，又称牛顿 (allen) 区，此时 44. 0dp (4) rep 2105 d将突然下降，呈现不规则现象。n曳力系数曳力系数d ：为雷诺数rep=dput/的函数9将曳力系数曳力系数的值代入沉降速度表达式：层流区，重力沉降速度： 182gdupptn修正1：发酵液中的微生物不

4、是球形，有丝状、杆状和椭球形等，计算时应以当量直径当量直径代入。10n修正2：一定固含量的液体中，颗粒沉降是干扰沉降，一般以下式修正：3111iuutti：固体与液体的体积比: 是i的函数，关系式见表颗粒情况颗粒情况i范围范围取值公式取值公式不规则颗粒不规则颗粒0.150.5球形颗粒球形颗粒0.20.5极稀薄悬浮液极稀薄悬浮液i0.1584. 23051i43. 32291i21112. 离心场中沉降速度的推导n简单地：可将颗粒在重力沉降公式中的加速度g，换为离心加速度rw2：层流区： 1822rdupptr r：颗粒所在位置到离心场中心的距离，即离中心：颗粒所在位置到离心场中心的距离，即离中

5、心远近不同，其径向的沉降速度也不同远近不同，其径向的沉降速度也不同12nf：离心加速度与重力加速度g的比值。（离心力场是重力场的几倍 ）n提高转速n对分离更有效管式离心机3.场的大小指标：分离因数f管式离心机转速一般为15000 rpm，f为50000，则其半径是多少？rpm ns mdr18009009006021222222为转鼓转速，为转鼓角速度，和直径，为离心机转鼓的半径和其中dnrngrngrngrf13f是设备的指标按f值大小，可将离心机分为：n普通型：f3500 适用于50um-10mm颗粒，中等短纤维、块状物料脱水n高速型：3500-50000 细颗粒、稀薄悬浮液或乳浊液n超高

6、速：f50000分散度较高的乳浊液、胶体溶液、不同分子量的气体14n三足式过滤离心机：f 1000；n卧螺沉降离心机： f4000，特殊的6000-10000n碟片式离心机： f 10000n管式离心机： 10000 f25000015一管式沉降离心机一管式沉降离心机n细长、高速旋转的转鼓n特点：qf大，可达50000q可用于液液分离和悬浮液的澄清。q生产能力低 图为分离液液固的管式离心机1 电机支架 2 驱动装置3 环形堰板 4 排液管 5 轻液 6 重液7 转鼓 8 固体 9 制动器 10 机架 11 液体入口16n分离悬浮液中的液、固两相的离心机：离心澄清机。n分离乳浊液中的液、液两相的

7、离心机 ：离心分离机。17已知要处理的物料性质、单位时间处理量，沉降设备如何选型？18设r2为转鼓内径， r1为料液在鼓内的半径。当量沉降面积当量沉降面积选型依据选型依据n考虑一个颗粒恰好在出口处沉降到鼓壁上的情况：n以下两个方向的运动同时进行：q轴向：从进口走到出口q径向：在离心力场下，从进口处距轴为r1的距离，到接触到鼓壁。q两过程时间相等。q设离心机的处理能力为q，m3 /s：注意，转筒内不是装满液体的！19122221222112222212222t221221rrln18qrrh,ttrrln18trrrdr1818drudrdtdrqrrhqtppppppppdddrd恰在出口处沉

8、降，则有则，若设要沉降的颗粒，有积到对上式积分，从的距离，花时间径向：颗粒径向走过离心机的长度离心机的容量，所需时间：轴向：从进口走到出口一般情况时，t1t2即，颗粒没有走到出口就沉降了此时对应着最大流量q20。为碟片半个锥顶角度数为碟片数，其中得：降机，也有类似推导，同理，对于碟式离心沉可以展开、简化为：对于管式离心机，其值，当量沉降面积定义为而后者降速度此颗粒在重力场中的沉解出s,tan3grrs22gr3rhrrlngrrhrrlngrrhrrlngrrh18grrlnrrh18q3132221222122122212212221221222212212222ppppdd公式变形后，前一

9、项只与物料性质有关，后一项只与设备性质有关21当量沉降面积的物理意义：在重力场中（加速度为g），使流量为q的液体，其中的直径为dp的固体颗粒，在从进口到出口的时间中沉降下来，所需要的沉降面积离心机单位时间的处理能力：当量沉降面积越大，它所能处理的流量就越大。22。力，求此离心机的生产能在，离心管出口内径控制，发酵液含固量为，菌体当量直径，湿菌体密度为，粘度为发酵液密度为作用综合利用。已知酸发酵液，以取得菌体型管式离心机分离谷氨采用例qmm30%15m5 . 1kg/m1050spa104 . 1kg/m1000n105gf1 . 3333l/h 8 .174/h0.1748m 6 .25211

10、093. 13600qm/s1093. 115. 0394. 211038. 411394. 215. 03051305115. 0im/s1038. 4104 . 11881. 910001050105 . 118m 6 .252181. 92015. 00525. 0360150002723. 02gr3rhmm30rmm723rpm15000rmm105388333. 083184. 284. 283262t22222122212故，故，由公式已知修正速度：，转筒高，转速为查参数，得转鼓内径为解：当量tttpuiuuigdud2d123此表中的生产能力是估算值，可能不适用所需处理的物料2

11、4注意注意:p例题中的转筒的实际沉降面积是多少？p也可以已知q，计算出可沉降分离的颗粒大小。作业5此作业题简化一些，暂不考虑沉降速度的修正。此作业题简化一些，暂不考虑沉降速度的修正。25管式离心机的应用特别适用于固相浓度小（固相浓度小（2%以内）以内） ，粘度大，固相颗粒细或液液两相密度差较小的液液or 液固分离 n中药口服液及糖浆剂的澄清：中药澄清型管式离心机 n血液制品：血液分离机 26二碟片式离心机二碟片式离心机n在管式离心机的基础上，在转鼓中加入了许多重迭的碟片q加入碟片：缩短了沉降距离，提高了沉降面积，从而增大了处理量n据分离对象不同，分为：1.碟片式离心澄清机2.碟片式离心分离机2

12、7碟式离心机是生物工业中应用最为广泛的一种离心机28n悬浮液从碟片外，进入各碟片间n固体：沉降速度大，,在离心力作用下向上层碟片的下表面运动，而后沿碟片下表面下滑n液体：被动地（被挤向）向轴线流动工作时：29密闭的转鼓，转鼓内设有数十个至上百个锥角为60o120o的锥形碟片30结构n机壳n传动装置n转鼓q转鼓q碟片：碟片间隙1mm左右，5080只n排渣装置q人工排渣q喷嘴排渣q活塞排渣31a人工排渣优点优点结构简单广泛应用于固含量1%的悬浮液分离缺点缺点劳动强度大32b喷嘴排渣喷嘴位于转鼓锥端，4-12个喷嘴可以由一个特殊装置定时开启沉渣以浆液状态排出，固液比不高33c活塞排渣排渣34碟片式离

13、心机的应用n适应于细菌、酵母菌、放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片的分离n在世界各国油脂精炼工艺中应用最为广泛n最大允许处理量达300m3hq制造碟式离心机较著名的企业有：瑞典阿法-拉伐(-laval)公司、德国威斯伐利亚(westfalia)公司、丹麦狄探(titan)公司。我国著名的企业有南京绿洲机器厂、宜兴粮食机械厂等。35碟式离心机在连续炼油工艺中的应用3637碟式离心机分离饱和与不饱和脂肪酸的工艺不饱和脂肪酸低温下呈液态；饱和脂肪酸结晶后，被乳化剂与盐溶液悬浮；分离的两相是液态的不饱和脂肪酸，和液态悬浮体系，是液液分离。成品硬脂酸成品硬脂酸硬脂酸硬脂酸水溶液水溶液加热或返加热或返

14、混合酸混合酸油酸油酸水洗水洗38碟式离心机在啤酒澄清工艺中的应用流程从右至左39a-供料 b-澄清产品出口 c-固体出口 d-废料去灭菌工序 e-蒸汽 f-仪表用空气 g-无菌水 h-冲洗水 i-生产水补给水 j-生产水，排放水 k-生产水出口 l-夹套冷却水进口 m-夹套冷却水出口 n-轴封水 o-排风 p-排水 q-冷凝水碟式离心机在流程中的连接空气、水、蒸汽等均有连接 此离心过程可保证无菌1-离心机 2-控制装置 3-电动机起动器 4-固体贮罐 5-废料贮罐 6-隔膜阀 7-球阀 8-气动隔膜阀 9-止回阀 10-针阀 11-空气减压阀 12-恒压阀 13-取样旋塞 14-恒流阀 15-

15、凝汽阀 16-无菌空气过滤器 17-观察镜 18-压力指示器19-流量计 20-温度传感器 21-液面传感器 40谷氨酸发酵液菌体分离三级水洗流程图41n第一、二离心机并联，分离发酵液中的菌体q上清液输出，而排出的沉降菌体（菌体50%）因含有0.35%谷氨酸，故再进行洗涤与回收n第三、四离心机串联，分别作为第一、二次洗涤q第一次洗涤用的水，是第二次洗涤的上清液q第二次洗涤用的水，是专门的洗涤水谷氨酸发酵液菌体分离三级水洗流程42三螺旋卸料沉降离心机n 卧式螺旋沉降离心机n三相分离三相分离 卧式螺旋沉降离心机n 卧式螺旋沉降 过滤复合离心机应用广泛，分离酒厂酒糟固液、分离霉菌发酵液、单细胞蛋白发

16、酵液，也可用来分离活性污泥等43工作原理：n悬浮液（物料）由进料管加入悬浮液（物料）由进料管加入螺旋内筒，进而流入转鼓螺旋内筒，进而流入转鼓n固相沉降到转鼓壁上，由固相沉降到转鼓壁上，由螺旋螺旋输送器输送器将其推向转鼓小端从出将其推向转鼓小端从出渣口排出，澄清液体从转鼓大渣口排出，澄清液体从转鼓大端的溢流口溢出。端的溢流口溢出。n连续进料、连续分离，分离液连续进料、连续分离，分离液和沉渣连续排出。和沉渣连续排出。 44结构n转鼓：多为柱锥形，也有柱形（澄清）或锥形（脱水）q鼓内液池容量大小，靠出液口的溢流挡板来调节q出渣口，612个，内衬耐磨套n差速器：电机转鼓差速器外壳 差速器齿轮螺旋约约1%转差转差n螺旋输送器：q进料位置在螺旋中部45n优点q适于含固量大的物料q可连续进料、分离和卸料46卧式螺旋沉降离心机叶片间的出料孔和可更换的叶片出渣口溢流口47三相分离三相分离卧式螺旋沉降离心机二种液相和一种固相二种液相和一种固相进入离心机后，固相沉降，液相分层，实现固/液/液三相分离，并分别排出。 48卧式螺旋沉降沉降/ /过滤过滤离心机 为了能获得更好的脱水效果，在固相出口之前，增加了一截带有滤网的过滤段，可进一步使固相脱水过滤段49卧