第四章 固液分离设备

1.1 液-固分离： 分离悬浮液时，悬浮液由中心进料管进入转鼓，从碟片束外缘经 碟片间隙向碟片内缘流动。因受离心力作用，固体颗粒在随液体
流动的同时沉降到各碟片的内表面，再向碟片外缘滑动，最后沉
积到鼓壁上。已澄清的液体向转鼓中心方向聚集,经溢流口或向心 泵排出。
1.2液-液分离：分离乳浊液时,乳浊液经碟片束上的进料孔进入
a.结构图4-2
b.优点：结构简，制造易，成本低。 c.缺点： 生产能力小，劳动强度大，对环境
造成污染，间歇生产。
1.2 真空转鼓过滤器 a.原理 图4-3 图4-4
三个阶段：过滤、洗涤和抽干、卸料 b.结构 图4-5 图4-6
c.优点：连续自动化生产 d.缺点：过滤、洗涤、抽干、卸料的时间无法分别调节。
（3）活门排渣碟式分离机
利用环状活门启、闭排渣口进行间歇排渣，又称自动排渣碟式分离机。整 体结构与人工排渣碟式分离机相似,特点是转鼓内有活门排渣装置，可不停 机卸除转鼓内的沉渣。操作时，由转鼓中心加料管加入悬浮液进行分离， 活门下面的密封水总压力大于悬浮液作用在活门上面的总压力，活门位置 在上，关闭排渣口。排渣时，停止加料并由转鼓底部加入操作水，开启转 鼓周边的密封水泄压阀,排出密封水,活门受转鼓内悬浮液压力的作用迅速下 降,开启排渣口。排尽转鼓内的沉渣和液体后，停止供给操作水，泄压阀闭 合,密封水压升高,活门上升关闭排渣口，完成一次工作循环。自动控制活门 排渣的方法有：①用时间继电器按预定操作周期控制排渣;②用光电管监控 分离液澄清度控制排渣;③根据转鼓内沉渣聚积程度，由压力信号或渣面信 号控制排渣。排渣时间一般为1～2秒。部分排渣的转鼓可控制更短的排渣 时间，仅排出转鼓内沉渣的一部分，不排出液体，排渣时可不停止进料,连 续分离,提高了处理能力。这种分离机最大处理量可达60米3／小时,适用于 处理固体颗粒直径为0.001～0.5毫米,固液相密度差大于0.01千克/分米3，固 相浓度小于10％的悬浮液和乳浊液。
一、过滤过程简介
1.过滤：用过滤介质讲液固混合物分离的过程。 2.过滤介质：包括滤布、滤网（不锈钢和黄铜）、刚性多孔介质（烧结 陶瓷、塑料、金属）、松散固体介质（硅藻土、珍珠岩粉、 细纱、活性炭、白土等） 3.分类：
表层过滤
按分离机制
深层过滤
二、真空过滤设备
1. 原理：利用真空在过滤介质两面产生压力差，使液体透过，固体截留。 1.1 真空抽滤机
第一节 过滤设备
概述
• 生物工业中，一般都需要从发酵液中除去菌体以得到 产品，或从培养基中除去未溶解的残余固体颗粒以便后 续加工，如啤酒生产中麦汁的过滤，啤酒酵母的过滤分 离。另外，在提取过程中，也经常遇到晶体与母液的分 离问题。它们都属于化工单元操作中的液一固分离过程。 • 微生物发酵的悬浮液中，固体粒子的性质差异很大， 且具有一定的可压缩性，使得分离较一般化工产品的分 离更加困难。通常分离前先对悬浮液进行预处理，改变 液体的物理性质，再选择适宜的分离手段和操作条件， 达到分离的目的。 • 液一固分离过程常采用沉降和过滤两种操作来完成。 沉降有重力沉降和离心沉降之分，过滤则有常压、加压、 真空及离心过滤不同形式。
3. 应用范围
广泛应用于从发酵液中回收菌体、抗生素及疫苗
<一>原理
1.离心沉降速度 颗粒在离心场中受到离心力、向心力、阻力，重力可忽略不计。其 切向速度ut，离心沉降速度计算式可推导为：
离心沉降速度ur
在层流区符合斯托克斯定律，即：
4d s s ut2 3 R
d s2 s ut2 层流区沉降速度ur 18 R
1.3真空带式过滤器 1.3.1托盘带式过滤器 1.3.1.1往复托盘带式过滤器
原理：图4-9
1.3.1.2固定托盘带式过滤器 a.特点：托盘固定不动
b.滤布运动：图4-10
加料阶段 注意：仅上半圈滤布运动，下半圈不动（棘齿轮锁紧），没真空， 两个阶段 不过滤，但洗涤一直开启。 过滤和卸料阶段
1.3.1.3水平带式过滤器 a.解决过滤带和真空连接的方式：图4-11 b.摩擦条的作用： ①密封缝隙（真空箱和滤布拖带之间） ②隔离、防磨损 见图4-12 c.工作原理：图4-13
5. 适用范围：固体含量稍高的悬浮液澄清
四、碟片式离心机
转鼓内装有一叠锥形碟片，用离心沉降法分离乳浊液和低
浓度悬浮液组分的。碟式分离机可在密闭、高温、低温、加压
和真空等条件下操作，用于从牛奶中提取奶油和果汁、啤酒、 动植物油、变压器油等的净化，以及酵母浓缩和从动物血浆中
提取血清等。
1. 原理
图1
三、加压过滤设备
1. 原理：在过滤介质滤液一侧施加压力，使液体通过，固体截留在介质表面实现 固液分离。 2. 过滤设备 2.1 板框压滤机 a.结构：“板”和“框”交替叠加，见图4-15、4-16、4-17、4-18 b.优点：①体积小，过滤面积大且可调，生产能力大。 ②结构紧，制造易，价格低。 c.缺点：间歇生产，劳动强度大。 d.适用范围：适用范围大（过滤面积大、流量大）, 在制药、化工、食品等行业
有广泛用途,特别适用于中成药料液的过滤,效果甚佳 。
e.操作过程： ①清洗板框并盖滤布。 ②安装入框架内并压紧。
③过滤。 ④停止过滤（滤液进口压力表迅速上升）
⑤拆卸、清洗滤布板框
2.2 板式压力机
a.结构：只有“板”而无“框”且“板”结构特别，见图4-19、4-20 b.工作原理：图4-21
b.优点：结构更紧凑，操作相对更容易一些。
1.3.1.4带式过滤器的操作方式
并流洗涤 图4-13
逆流洗涤 图4-14
1.3.1.5 优缺点和适用场合
a. 优点：①连续操作，洗涤可逆、可并。 ②操作弹性大。 b. 缺点：控制复杂，制造难度大，贵重，材质要求高（滤布和滤布托带） c. 适用范围：① 固体沉淀较快的滤液 ② 滤饼易产生裂缝的滤液
R——颗粒的旋转半径,单位是m。
2.离心分离因数
离心加速度与重力加速度之比称为离心分离因数，用Kc表示。
2 ut2 ut 因离心加速度 所以 kC = R Rg kC是离心分离的重要指标，是衡量离心机的分离能力大小的重要
③残液吹扫。（后常需洗涤） ⑤卸料。
2.4 垂直加压叶滤机
a.结构和原理：图4-24、4-25 b.形式： ①垂直加压叶滤机
②卧式垂直加压叶滤机
图4-26
c.优点：卸料检修清理易，密封简（无转动）。 c.缺点：滤饼易脱落，垂直加压叶滤机上部需预留较大空间。 d.适用范围： 同水平板式压滤机 e.操作过程：同水平板式压滤机（卸料略微不同）
第二节 离心沉降设备
离心沉降：利用离心力使不同密度的液固或液液混合物分离的方法。 离心沉降设备：实现离心沉降的设备。
常用在普通过滤难以达到目的的固液分离或溶液澄清。
一、管式离心机
1. 原理及结构：图4-40 图10-23 2. 优点：结构简、转速高（分离因数高达15000-65000 ）、
沉降效果最好。
2.5 纳式过滤器
a.结构：图4-29、4-30 b.特点： 搅拌和刮刀可升降。
c.操作过程：图4-32
c.优点：综合了上述设备优点 d.缺点：间歇操作，滤饼较粘时出料困难 e.适用范围： 广且可进行化学反应。见P46
四、离心过滤设备
1. 原理：利用离心力迫使液体通过过滤介质，使固液分开。 2. 过滤设备 2.1 三足离心机 a.外形及结构：见图4-34、4-35 b.优点：①能力强，滤饼干。 ②结构简，制造易，价格低。 c.缺点： 间歇生产，劳动强度大，能耗高。 d.适用范围：常规使用，滤液易燃、有毒、有腐蚀时慎用 。 e.操作过程： ①开机。 ②加料过滤。
③甩干。
⑤甩干
④洗涤。
⑥停机，挖出滤饼。
2.2 自动下出料离心机 a. 结构：多一刮刀和固体出料口，见图4-36 b.优点：①能力强，滤饼干。 ②自动连续生产，劳动强度低。 c.缺点及适用范围： 价格贵，不适合滤饼太粘的料液。
d.操作过程：图4-37
2.3 自动卸料卧式离心机 a. 结构：见图4-38，4-39 b.优点：①占地面积小，可自动连续生产。 ②滤饼厚度均匀（不受重力影响）。 c.缺点及适用范围： 结构复杂，对转轴要求高；进料要均匀。 d.适用场合及操作过程：和立式相同。见图4-40
各碟片间隙，按密度不同分为重液和轻液，重液沿碟片内表面 向转鼓壁流动，轻液向中心流动，经溢流口和向心泵分别排出。
进料孔位置应在重液层与轻液层的交处。此处称为中性层,其半
径 式中k为重液与轻液的密度比，R1和R2 分别
为重液和轻液的排出口半径。进料孔与中性层不重合时，排出 的重液或轻液就不纯净，此时可改变重液或轻液排出口半径来 调整中性层位置。由于转鼓内的液体被碟片束分为许多薄层，
3. 缺点：固体沉淀需手工移出，泡沫含量高的悬浮液分离效 果差。 4. 适用范围：固含量低于1%，颗粒度0.01~100微米，黏度 大的悬浮液澄清或固液两相密度差较小乳浊液或悬浮液的分离， 如油水、蛋白质、青霉素、香精油等。 5. 种类：GQ型（分离悬浮液）及GF型（分离乳浊液） 6.型号：类型代号+转股直径 105mm 如GF105中105指转股直径
分离在薄层内进行，离心沉降的距离很短，显著提高了分离速
度。碟式分离机的分离因数较高,达4000～10000，并因转鼓内 的碟片数量多，显著扩大了沉降面积，分离效率较高。
1.3向心泵:具有固定在机壳上静止不动的叶轮，叶轮外缘浸没 在与转鼓同步旋转的分离液层内，分离液由叶轮外缘进入弧形
流道，流至叶轮中心排液管排出。叶轮将旋转液体的动能转变
二、套管式离心机
1. 原理及结构：图4-41
2. 优点：结构紧凑、固体颗粒能分级沉淀。
3. 缺点：固体沉淀清除难。
4. 适用范围：固体含量较少的悬浮液澄清