第六章食品分离机械与设备

第六章食品分离机械与设备第一页，共八十页，2022年，8月28日主要内容、重点与难点主要内容：分离的方法与分类、过滤机械、离心机械、各种分离机械的分离原理重点：过滤机械中板框式过滤机械和离心机械中的卧式螺旋卸料离心机的结构、工作原理和工作过程及其应用难点：过滤分离的工作过程和分离机械的分离原理的比较。第二页，共八十页，2022年，8月28日举例：纯净水、太空水的工艺流程第三页，共八十页，2022年，8月28日几种典型的过滤装置：二氧化碳过滤器中空纤维超滤活性碳过滤器第四页，共八十页，2022年，8月28日概述

定义：食品生产的分离操作是将不同物理、化学等属性的物质，根据其颗粒大小、相、密度、溶解性、沸点等表现出的不同特点而将物质分开的一种操作过程。发酵的产品经常要经过分离或净化才能进入下一程序；淀粉、结晶或杂质等固形物料从原料液中的分离；纯净水的制备；蛋白质的提纯以及提取天然有效成份等。要运用一定的物理或化学方法，采用适当的分离机械与设备来加以操作，并在此过程中消耗一定的物料和能量。分离过程是食品加工中一个十分重要的操作。分离过程的投资常占生产过程总投资的50%~90%，用于产品分离的费用占到生产总成本的70%甚至更高。第五页，共八十页，2022年，8月28日概述（续）食品加工中典型的两大类混合物：1.连续相为液体：分散相为固体（固-液系统）、分散相为液体（液-液系统或液体混合物）和分散相为气体（气-液相系统）三种；2.连续相为气体：分散相为固体（固-气系统）和分散相为气体（液-气系统）。第六页，共八十页，2022年，8月28日分离的方法1.扩散式分离方法蒸发、蒸馏、干燥等（根据挥发度或汽化点的不同）；结晶（根据凝固点的不同）；吸收、萃取、沥取等（根据溶解度的不同）；沉淀（根据化学反应生成沉淀物的选择性）；第七页，共八十页，2022年，8月28日分离的方法（续）吸附（根据吸附势的差别）；离子交换（用离子交换树脂）；等电位聚焦（根据等电位Ph的差别）；气体交换、热扩散、渗析、超滤、反渗透等（根据扩散速率差）第八页，共八十页，2022年，8月28日分离的方法（续）2.机械分离方法过滤、压榨（根据截流性或流动性）；沉降（根据密度或粒度差）。沉降分离可分为重力沉降和离心沉降分离。后者包括离心分离和旋流分离，分离设备分别为离心机和旋流分离器。第九页，共八十页，2022年，8月28日磁分离（根据磁性差）；静电除尘、静电聚结（根据电特性）；超声波分离（根据对波的反映特性）。在以上分离方法中，过滤分离、离心分离和旋流分离被称为食品分离中的三大主要机械分离方法。分离的方法（续）第十页，共八十页，2022年，8月28日第一节过滤机械过滤是利用混合物内相的截留性差异进行分离的一种操作。优点：过滤应用范围广，适应粒度和浓度范围较宽，可用于连续相为流体，分散相为固体混合物的分离。缺点：过滤介质的堵塞难以避免，工作的连续性较差，对于低浓度的混合液过滤的经济性较差。一、概念第十一页，共八十页，2022年，8月28日在过滤的操作过程中，一般将被过滤处理的悬浮液称为滤浆，滤浆中被截留下来的固体微粒称为滤渣，而积聚在过滤介质上的滤渣层则被称为滤饼，透过滤饼和过滤介质的液体称为滤液。第十二页，共八十页，2022年，8月28日二、过滤分离的工作过程过滤操作过程一般包括过滤、洗涤、干燥和卸料四个过程。过滤：悬浮液在推动力作用下，克服过滤介质的阻力进行固液分离；洗涤：停止过滤后，滤饼的毛细孔中包含有许多滤液，须用清水或其他液体洗涤，以得到纯净的固粒产品或尽量多的滤液；第十三页，共八十页，2022年，8月28日过滤分离的工作过程（续）干燥：用压缩空气吹或真空吸，把滤饼毛细管中存留的洗涤液排走，得到含湿量较低滤饼；卸料：把滤饼从过滤介质上卸下，并将过滤介质洗净，以备重新进行过滤。第十四页，共八十页，2022年，8月28日三、过滤机的分类按过滤推动力分：重力过滤机、加压过滤机和真空过滤机；按过滤介质的性质分：粒状介质过滤机、滤布介质过滤机、多孔陶瓷介质过滤机和半透膜介质过滤机等；按操作方法分：间歇式和连续式过滤机。第十五页，共八十页，2022年，8月28日四、典型的过滤机械（一）板框压滤机*：是一种间歇式过滤机，利用滤板来支撑过滤介质，滤浆在加压下强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼。（二）加压叶滤机：是一种间歇式过滤机。（三）真空过滤机：以抽真空为推动力，一般为连续式操作，是一种连续性生产和机械化程度较高的过滤设备。第十六页，共八十页，2022年，8月28日（一）板框压滤机1主要结构滤板滤框滤布压紧装置支撑装置见教材上附图。第十七页，共八十页，2022年，8月28日2主要结构及其作用2.1滤板：分为洗涤板和非洗涤板，面板上有各种凸凹纹路，其作用是支撑滤布并提供滤液流出的通道。滤板、滤框、滤布、压紧装置第十八页，共八十页，2022年，8月28日2.2滤框：滤板和滤布的支撑载体。滤框与滤布共同作用形成滤浆和滤饼的空间。第十九页，共八十页，2022年，8月28日2.3滤布：分离滤浆和滤饼。2.4压紧装置：提供推压力。一般依靠螺杆的旋转提供推压力，也有采用液压油缸驱动的。第二十页，共八十页，2022年，8月28日3工作原理利用滤板来支撑过滤介质，滤浆在加压下（0.1－1MPa）强制进入滤板之间的空间内，并形成滤饼，分离滤饼和滤液。第二十一页，共八十页，2022年，8月28日4工作过程滤浆由滤框上方通孔进入滤框空间，固粒被滤布截流，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。当滤框内充满滤饼时，停止进料，进行滤饼洗涤，洗涤后再将滤饼清除，重新组装，进入下一循环操作。第二十二页，共八十页，2022年，8月28日第二十三页，共八十页，2022年，8月28日第二十四页，共八十页，2022年，8月28日第二十五页，共八十页，2022年，8月28日5特点5.1优点：过滤面积大；过滤推动力大（最大可达1MPa，一般在0.3~0.5MPa）；无运动部件，动力消耗小；使用可靠、结构简单、制造方便、造价低、便于检查操作等。第二十六页，共八十页，2022年，8月28日5.2缺点过滤的滤液不均匀；滤布磨损严重；间歇式操作，装卸板框的劳动强度大，生产效率低；滤饼洗涤慢；第二十七页，共八十页，2022年，8月28日6应用适用于各种复杂物料的过滤，在食品工业中应用广泛，特别适用于低浓度悬浮液、胶体悬浮液、分离液相黏度大或接近饱和状态的悬浮液的过滤。第二十八页，共八十页，2022年，8月28日(二)转鼓真空过滤机

(Rotarydrumvacuumfilter)1．基本结构⑴转鼓：第二十九页，共八十页，2022年，8月28日

⑵分配头：(Dividinghead)

第三十页，共八十页，2022年，8月28日⑶滤浆槽(Slurrytank)：⑷搅拌器(Agitator)：⑸刮刀(Scraperknife)：⑹洗涤装置(Washing)：⑺各种阀腔5、13、6、10，真空系统，压缩空气机，传动系统。第三十一页，共八十页，2022年，8月28日2．工作过程

过滤→第一次吸水→洗涤→第二次吸水→卸饼→滤布再生等项操作工序同时在转鼓的不同部位上进行，转鼓每回转一周，完成一个操作循环，自动连续完成作业。第三十二页，共八十页，2022年，8月28日3．特点

优点：①能连续工作，节省人力，生产能力大；②过滤适应性好，能处理粘性、具有可压缩性滤饼及容易堵塞滤布的物料。

缺点：①由于真空操作，过滤推动力有限，对难过滤物料适应性差；②滤饼的洗涤不充分（滤饼仍含30％水分）；③附属设备多，如真空系统、压缩空气系统、各类泵、供水系统等，提货费用高，设备昂贵，过滤面积不大（30－40％）。第三十三页，共八十页，2022年，8月28日第二节离心分离机械一、离心分离概念（原理）*二、离心分离应用三、离心分离机械的分类*四、典型的离心分离机械第三十四页，共八十页，2022年，8月28日一、离心分离概念（原理）离心分离：是指利用物料在惯性离心力的作用下进行固-液、液-液、液-液-固相分离。利用惯性离心力的作用下进行固-液、液-液、液-液-固相分离的机械称为离心机。具体可分为离心过滤、离心沉降、离心分离。

（见教材P115）第三十五页，共八十页，2022年，8月28日分离因数*：是指物料所受离心力与重力的比值，也等于离心加速度与重力加速度的比值。

它是衡量离心分离机分离性能的主要性能指标，分离因数的大小常根据不同的分离物料性质和不同的分离要求来选取。第三十六页，共八十页，2022年，8月28日二、离心分离机的应用制糖工业：砂糖糖蜜的分离；制盐工业：晶盐脱卤；奶制品工业：牛奶分离；淀粉工业：淀粉于蛋白质分离；油脂工业：食油精制；饮料工业：啤酒、果汁等的澄清；脱水蔬菜制造业：预脱水干燥处理；第三十七页，共八十页，2022年，8月28日三、离心分离机的分类1）按操作原理分类1.1过滤式离心机：转鼓上有孔，过滤分离，分离因数小，适用于易过滤的晶体悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离及脱水处理。1.2沉降式过滤机：转鼓上无孔，沉降分离，分离因数中，适用于分离不易过滤的悬浮液。1.3分离式离心机：转鼓无孔，转速高，分离因数大，用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或澄清。第三十八页，共八十页，2022年，8月28日三、离心分离机的分类2）按离心分离因数大小分类常速离心机：Kc‹3000，主要用于分离颗粒不大的悬浮液和物料的脱水；高速离心机：3000‹Kc‹50000，主要用于分离乳状和细粒悬浮液；超高速离心机：Kc›50000，主要用于分离极不易分离的超微细粒的悬浮系统和高分子的胶体悬浮液。第三十九页，共八十页，2022年，8月28日3）按操作方式：间歇式和连续式离心机；4）按转鼓主轴位置：卧式和立式离心机；5）按转鼓内流体和沉渣的运动方向：逆流式和并流式；6）按卸料的方式：人工卸料、重力卸料、刮刀卸料、活塞卸料、螺旋卸料、离心卸料和进动卸料等离心机；7）按分离工艺操作条件：常用型和密闭防爆型。三、离心分离机的分类第四十页，共八十页，2022年，8月28日四、典型离心分离机（一）卧式离心机：卧式螺旋卸料离心机*；卧式螺旋卸料沉降离心机；卧式离心卸料离心机；刮刀卸料离心机；第四十一页，共八十页，2022年，8月28日（二）立式离心机：自动排出式离心机；振动式离心机；三足式吊袋上卸料离心机；三足式刮刀下卸料自动离心机；高速管式离心机；碟片式离心分离机*。四、典型离心分离机（续）第四十二页，共八十页，2022年，8月28日（一）卧式螺旋卸料离心机1主要结构圆锥转鼓螺旋推料器差速器筛网过载保护装置其他附件：进出料口、壳体、箱体及机座等第四十三页，共八十页，2022年，8月28日2主要结构的作用圆锥转鼓：转鼓上有孔，内衬有筛网，与筛网共同作用分离滤液和滤饼；螺旋卸料器：卸出滤饼；差速器：调节螺旋卸料器和圆锥转鼓的转速，使其保持一个微小的转速差；筛网：分离滤液和滤饼；第四十四页，共八十页，2022年，8月28日3工作过程悬浮液由进料管输入螺旋推料器内腔。通过内腔料斗口喷铺在转鼓内衬筛网板上，在离心力作用下，悬浮液中液相通过筛网孔隙、转鼓孔被收集在机壳内，第四十五页，共八十页，2022年，8月28日从排出口排出机外，滤饼在筛网中滞留。在差速器作用下，滤饼由小直径处滑向大端，随转鼓直径增大，滤饼加快脱水，直到推出转鼓，以此实现进料、分离、洗涤和卸料的循环操作。3工作过程第四十六页，共八十页，2022年，8月28日4工作原理通过过滤型锥形转鼓的转动，利用滤液与滤饼离心惯性力的差异将其分离，并借助差速器调节螺旋推料器的转速，以实现滤饼的卸出。第四十七页，共八十页，2022年，8月28日

5特点5.1优点：是一种连续性操作的过滤机械，生产效率高，具有过载保护装置，可实现无人安全操作；运转平稳、噪声低，适用于腐蚀性强的介质物料的分离。5.2缺点制造成本高；滤饼中还存有滤液；应视不同的滤浆调整转速差。第四十八页，共八十页，2022年，8月28日（二）碟式分离机(Disccentrifuge)：

1.应用碟式分离机用于乳浊液的分离和含有少量固相的悬浮液的澄清。

第四十九页，共八十页，2022年，8月28日①按用途分为：澄清用碟式分离机和分离用碟式分离机。②按进料和排液的方式分为：敞开式、半密封式和密封式三种。③按排渣方式又可分为：人工排渣型、喷嘴排渣型和环阀排渣型。2.分类第五十页，共八十页，2022年，8月28日3.主要结构主要有转鼓（锥形碟片）和传动装置（主轴、离心摩擦联轴节、螺旋齿轮等）。第五十一页，共八十页，2022年，8月28日它具有一密闭的转鼓，鼓中放置有数十个至上百个锥顶角为60°~100°的锥形碟片，碟片与碟片间的距离用帖附于碟片背面的、具有一定厚度的狭条来调节和控制，一般碟片间的距离为0.5－2.5mm。第五十二页，共八十页，2022年，8月28日4.工作特点澄清用与分离用碟式分离机结构上区别在于碟片和出液口。第五十三页，共八十页，2022年，8月28日①澄清用：

碟片不开孔，出液口只有一个。悬浮液从中心管加入，经碟片底架引到转鼓下方，在离心力作用下，重度大的固相颗粒沿碟片下表面沉积到转鼓内壁，定期停机取出。而澄清液则沿碟片上表面向中间流动，由转鼓上部出液口排出。

第五十四页，共八十页，2022年，8月28日②分离用：

碟片开孔，出液口有两个（轻液、重液）。悬浮液从中心管加入，由底架分配到碟片层的“中性孔”位置，分别进入各锥形碟片间，成薄层分离，密度小的轻液沿碟片上表面向中心流动，由轻液口排出；重液则沿碟片下表面流向转鼓外层，经重液口排出。乳浊液含有少量固相时，它们则积沉于转鼓内壁上定期排渣。第五十五页，共八十页，2022年，8月28日5.特点：生产能力大，能自动连续操作，并可制成密闭、防爆型。6.发展趋势：进一步改善自动化控制系统；研制转鼓材料，提高转鼓的强度；研究转鼓内流体动力状态；改善转鼓结构，进一步提高分离效果和生产能力，以及更好地满足各种生产的工艺要求。第五十六页，共八十页，2022年，8月28日第三节旋流分离机械（简介）一、基本概念与应用二、旋液器的基本结构与工作原理三、旋流分离器的特点第五十七页，共八十页，2022年，8月28日一、基本概念与应用旋流分离技术是一种高效节能型的分离技术，它的关键部分是旋流分离器，简称旋流器。它是利用切向注入的混合物高速旋转产生的离心力来加速颗粒的沉降，非均相物料系在分离器内形成向下的外旋流和向上的内旋流，达到不同密度的相或不同粒度颗粒的分离。第五十八页，共八十页，2022年，8月28日基本概念与应用（续）旋流分离器可用于具有密度差的固-液、气-液、固-气、液-气、液-液以及固-固等非均相混合物的分离，包括生物、食品（如淀粉生产、制糖工业、奶制品工业、食用油工业、啤酒工业、葡萄酒生产工业等）、三废（废气、废液和废固）处理等领域中的澄清、增浓或脱水、分级、洗涤等分离过程，甚至还可以及强化传热传质和分离于一身，用作旋流干燥器等。一、基本概念与应用第五十九页，共八十页，2022年，8月28日二、旋液器的基本构造与工作原理旋液器：用于液-液分离的旋流分离器称为旋液器，简称为旋液器。它是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相的机械分离设备。第六十页，共八十页，2022年，8月28日基本构造基本构造为一个分离腔和一至两个入口或两个出口。分离腔主要有圆柱形、圆锥形和柱-锥形三种基本形式。外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)进料底流溢流外螺旋内螺旋第六十一页，共八十页，2022年，8月28日工作原理：外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)进料底流溢流外螺旋内螺旋悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。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。第六十二页，共八十页，2022年，8月28日工作原理：(续)外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)进料底流溢流外螺旋内螺旋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。第六十三页，共八十页，2022年，8月28日三、旋流分离器的特点3.1优点：结构简单；成本低，占用空间小、重量轻、维护费用少、能耗低（不到碟片式离心机的10%）、不需任何帮助分离的介质；安装灵活方便，旋流器可以任何角度安装；工作连续可靠，操作维护方便，一旦设计、调试好，就可以自动、稳定的工作。第六十四页，共八十页，2022年，8月28日三、旋流分离器的特点3.2缺点：由于剪切作用，容易将液滴（油滴或水滴）打碎乳化而恶化分离过程；通用性较差，处理不同性质的物料往往需要不同结构尺寸或操作条件的旋流器；由于湍流，分离能力不如离心机（超高速离心机）的大，即可分离的最小颗粒（边界粒度）没有离心机的小，但其边界粒度也达2um左右。三、旋流分离器的特点第六十五页，共八十页，2022年，8月28日四、主要技术参数旋液分离器的圆筒直径一般为75～300mm。悬浮液进口速度一般为5～15m/s。压力损失约为50～200kPa。分离的颗粒直径约为10～40m。第六十六页，共八十页，2022年，8月28日第四节溶剂萃取设备（简介）原理：有机溶剂萃取过程是利用两个互不混溶的液相中各个组分（包括目标组分）溶解度的不同，从而达到分离的目的。使用的溶剂叫萃取剂，提出的物质叫萃取物。根据分离物系构成的不同，溶剂萃取设备可分成为液-液萃取设备和液-固萃取设备。

第六十七页，共八十页，2022年，8月28日第五节膜分离设备（简介）是利用膜的选择性，以膜的两侧存在一定量的能量差（压力差或电位差）作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同而实现的分离。膜分离有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析和透析等。属于速度控制的传质过程，具有设备简单、可在室温或低温下操作、无相变、处理效率高、节能等优点，适用于热敏性的生物工程产物、浓缩与纯化。它在水处理、工业分离、废水处理、食品和发酵工业等方面的应用均取得了重大的突破。第六十八页，共八十页，2022年，8月28日超滤装置当全乳、脱脂乳或乳清等液料在压力下流过超滤膜表面时，含有乳糖及低分子盐类的水溶液能透过超滤膜，变成清液流出。含有脂肪及蛋白质等高分子化合物被膜层截留，成为浓缩液。这样的分离过程称为超滤。如果将所得浓缩液用清水稀释，再进行超滤，可使料液中的低分子溶质进一步随清液流出，而高分子物质逐步得到提纯，这样的过程称为全滤。超滤装置的关键组件是膜组。

第六十九页，共八十页，2022年，8月28日膜组膜组是由超滤膜和支承板组成。支承板材料常为聚砜，多呈椭圆形，两层空心夹板结构，见下图：第七十页，共八十页，2022年，8月28日两个表面设计为弧形浅沟，适于处理粘性物料，不易形成膜面上的浓料沉积，能加快透过速度，改善流动状态。超滤膜紧贴于支承板的两面，两端开有圆孔，料液从一端进入，流过膜面，从另一端流出。清液透过膜层及支承板沟槽上的长条孔隙，进入夹层空心，从支承板边上的一个小管流出。有多组膜板叠合，组成并联或串联形式，清液从每个膜面透过流出，超滤膜不断得到浓缩。第七十一页，共八十页，2022年，8月28日反渗透装置当全乳、脱脂乳或乳清等料液，在压力下流过反渗透膜表面时，其所含有的干物质几乎全被反渗透膜截留。透过膜层的是清水，这样的分离过程就叫反渗透。通过反渗透处理，料液被脱水浓缩，其营养物质不发生变化。反渗透的原动力是高压泵的压力，需要有超过溶质渗透压的压力，才能正常运行。一般为3～5MPa。第七十二页，共八十页，2022年，8月28日电渗析装置当乳清中的干物质含量经浓缩到20％～30％后，通过由成对的离子选择膜组成的电渗析装置时，在直流电的作用下，溶液通过带电膜时，正负离子被分开。所有无机盐离子（Na＋、CI－）从乳清所在的离