离心与膜分离设备

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6) 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。 7) 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，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。 （二） 膜分离的特点 1．膜分离过程不发生相变化，能耗低。 2．膜分离过程在常温下进行。 3．不仅适用于有机物，无机物和病毒、细菌分离，还适用于 一些共沸物或近沸物的分离。
1/ m2
每小时滤饼体积：Ve =V x0 = 3.25×0.30 = 0.975 (m3/h) Ve 0.975 3 转筒每转一周得滤饼体积： = V = = 0.0325(m /h)
60ω 60×0.5 滤饼厚度 n = Vc = 0.0325 = 0.006 (m) A 5.39
c
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12 11 10 9 8 7 6 5
13
14 15 16 17 18 1
4
3
2
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四、过滤机的生产能力 1、板框过滤机过滤面积及生产能力计算 恒压差过滤面积：
过滤、 过滤、离心与膜 分离设备
四、过滤机的生产能力及 计算 五、离心与膜分离设备
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3、转筒真空过滤机 、
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1）转筒真空过滤机的结构 ） 转筒真空过滤机是工业上应用最广的一种连续操作的过 滤设备。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面 有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中，圆 筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分 配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次 分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程 中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松 、卸饼等项操作
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（三）、膜分离设备 膜分离设备应具备的条件： 1、膜面切向速度快，以减少浓差极化。 2、单位体积中所含膜 面积比较大 3、容易拆洗和更换。 4、保留体积小，无死角 5、具有可靠的膜支撑装置。
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1) 板框式膜组件
这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类 似，由支承板、膜、导流板、交替重叠组成。其 中支承板是不锈钢多孔筛板，它的两侧表面有窄 缝。其内腔有供透过液通过的通道，支承板的表 面与膜相贴，对膜起支撑作用。导流板表面设有 不同形状的流道，以增加液流的湍流程度和降低 浓度的极化。过滤原液流入导流板通过导流板的 螺旋通道时，透过液通过膜进入支承板小孔，通 过支承板内的通道汇集排出，流出导流板的浓缩 液则从另一孔道排出。
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2）分配头的结构及工作原理 ） 分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构成，转动盘随 筒体一起旋转，固定盘内侧面各凹槽分别与各种不同作用 的管道相通。 当扇形格1开始进入滤浆内时，转动盘上相应的小孔道与 固定盘上的与真空管道连通的凹槽f相对，从而，吸走滤液 。图上扇形格1至7所处的位置称为过滤区。扇形格转出滤 浆槽后，仍与凹槽f相通，继续吸干残留在滤饼中的滤液。 扇形格8至10所处的位置称为吸干区。
RV +V ( R + 2pr0 x0τ ) A= 2pτ
2 2
1 2
V V：滤液体积，m
3
R：滤布阻力， R：滤布阻力， / m 1 l：滤饼厚度，m 1 r0：滤饼的体积比阻，/ m 3 A：过滤面积 , m 2
τ：过滤时间，s
p：过滤压力差 , Pa
：滤液黏度, Pa s
压滤机生产能力：
V W= τ +τa
(1)求过滤面积根据：
RV +V (2 R2 + 2pr0 x0τ ) A= 2pτ
1 2
先求出 r0=0.015×1012 ×(2 ×105 ) 0.67＝5.38 ×1014 1/m
χ0=0.096
应由实验测出
τ=70-15＝3300S 将各项代入后求得：A＝198m2
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（2 ）求滤饼厚度
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例：某工业发酵液用用一直径为1.75m，长0.98m转筒真空 过滤机于60kPa真空度（450mmHg）下进行过滤操作，操作 温度30℃，发酵液黏度为1.56×10-3Pas,实验测得滤饼比阻与 压 力 差 关 系 为 r0=0.12 × 1 0 1 0 P0.7， x0 = 0.3 转 筒 转 速 为 ， 0.5r/min，浸没角125°，滤布阻力可忽略，试求： 1) 过滤机的生产能力。 2) 转筒表面最终滤饼厚度。
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（二）、离心沉降设备 1、管式离心机
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分离原理：分为液－液分离的连续操作管式离心机和液－固分离的间歇操 作离心分离机。 管式离心机分离机构是一长的转筒，转筒内设有长条挡 板。压力将悬浮液或乳浊液由转筒底进入转筒，在长条形挡板带动下与转 筒一起旋转，悬浮液中固体粒子因受到离心力大而沉积在转筒内壁，液相 则由上端排出口排出。对于液－液分离，因液体中不同组分受到离心力大 小不同在离心力场中分层，重液层紧贴转筒内壁，轻液则分布在近轴心， 因重轻液在转筒径向分布区域不同可通过不同的溢流口排出。
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4) 超滤：应用孔径为10到200(1＝ 10-10 m )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。 5) 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。 5) 电渗析：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。
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离心分离因素（离心力强度）：离心加速度与重力加 速度的比值。
f =
ω 2r
g
离心分离因素是反映离心机分离能力的重要指标，f愈大 ，离心力愈大，其分离能力愈强。并且可知，离心机的转鼓 直径愈大，则分离因数大，但r的增大对转鼓的强度有影响。 工业上根据离心分离因数大小将离心机分为三类： 1. f<3000 为常速离心机 ，用于分离固体0.01-1.0mm颗粒 2. 3000<f<5000 为高速离心机 , 3. f>5000 为超速离心机
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六、膜分离设备 （一）、膜分离方法 1)、渗透：渗透是一个扩散过程，在渗透中只有溶剂透过 膜，溶质及固体粒子被阻挡。可用于溶质的浓缩。 2)、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。 3) 透析：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。
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扇形格转至12的位置时，洗涤水喷洒于滤饼上，此时扇形格 与固定盘上的凹槽g相通，经另一真空管道吸走洗水。扇形 格12、13所处的位置称为洗涤区。扇形格11对应于固定盘上 凹槽f与g之间,不与任何管道相连通，该位置称为不工作区。 当扇形格有一区转入另一区时，因有不工作区的存在， 使操作区不致相互串通。扇形格14的位置称为吸干区，15为 不工作区。扇形格16、17与固定盘凹槽h相通，在与压缩空 气管道相连，压缩空气从内向外穿过滤布而将滤饼吹松，随 后由刮刀将滤饼卸除。扇形格16、17的位置称为吹松区及卸
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料区，18为不工作区。如此连续运转，整个转筒表面上便构 成了连续的过滤操作。 转筒的过滤面积一般为5～40m2，浸没部分占总面积的 30%～40%。转速可在一定范围内调整，通常为0.1～3r/min。 滤饼厚度一般保持在40mm以内，转筒过滤机所得滤饼中的液 体含量很少低于10%，常可达30%左右。 转筒真空过滤机的优点是能连续自动操作，省人力，生 产能力大，适用于处理易含过滤颗粒的浓悬浮液。 缺点是附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大。过滤 推动力有限，不易过滤高温的悬浮液。
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3、碟片式离心机
碟片式离心机的结构:离心澄清机的转 鼓内有 数十只(50~80)形状和尺寸相同的 碟片，碟片按一定间距(0.5~1.2mm)叠置 起来组成碟片组。悬浮液进入离心澄清机 后，从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄 层隙道，这时悬浮液也被带着高速旋转， 由于固体和液体的离心沉降速度的不同， 在碟片间的隙道中被分开，固体的离心沉 降速度大，就离开轴线向外运动，液体的 离心沉降速度小，则向轴线流动。这样， 固体和液体就在碟片间的隙道流动的过程 中被分开。
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碟片离心机固液相分离原理 颗粒以一定速度达到上 碟片的底表面，此时，颗粒 将不再具有平行于隙道向着 轴线的速度v,在离心力作用下 ，沿着底表面向外滑去，至 碟片的周边处，被摔入碟片 组与鼓壁形成的环形空间中 。这时，它一方面具有水平 向外的离心沉降速度，同时 具有接近于垂直向上的流动 速度，其合速度使粒子离开 轴线方向，向斜上方动，沉 积在鼓鄙壁上
h=
滤饼 体积 x0V = = 0.011m 滤饼 面积 A
为达到这一生产能力所需滤框的厚度：
H=
过滤速度
W=
V 22.80 = = 0.0054m 3 / s τ + τ f 70 × 60
h× 2 11× 2 = = 27.5mm 0.8 0.8
（3）根据以上计算结果选出合符要求的压滤机型。 如本例可选IPF1250×1500型压滤机，因根据型号可算 出框厚为30mm，即 总过滤面积 ÷ 2
W：压滤机的平均生产能力，m3/s τa：辅助操作时间，s V：每批可获得的滤液量，m3
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例
选用IFP型自动压滤机对黑曲霉糖化酶发酵液进行恒压差过滤，已
知操作压力2×105Pa，实验测得此过滤条件下，r0=0.015×1012P0.67，滤 布比阻为6.3×10111/m,，在30℃温度下发酵液黏度为1.59×10-3PaS，每 批处理发酵液的量为25m3，可得滤液22.80m3，今要求在70min内完成一 个操作周期（包括辅助操作时间15min）。计算上述条件下的过滤面积 、滤饼厚度，并选择压滤机规格。
总过滤面积 = 1.74m 2 框数 × 2 框总体积
滤框每侧有效过滤面积为
可选57块滤框其总过滤面积为： 57 ×2 ×1.74＝198.4m2
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2、转筒真空过滤机生产能力 当滤布阻力可以忽略不计时 转筒转一周所得滤液量为：
V=A 2p a r0 x0 60ω
每小时滤液量为： V = A 120pa ω h r0 x0 其中： A = πDL D-转筒直径 L-转筒的长度 ω：为转筒转速 r/min, α：转筒浸没角 浸没度或浸没分数 ＝浸没角/360° 转速ω愈高，浸没度愈大，生产能力愈大。
五、离心分离设备 （一）、离心分离原理与分离因素 离心分离是在液相非均匀体系中， 利用离心力来达到液液分离，液固分离 的方法，通称为离心分离。分为离心沉 降(依靠惯性离心力的作用而实现的沉降 过程叫作离心沉降)和离心过滤。 离Fra Baidu bibliotek力场中流体粒子沉降速度：
d2 v= ( ρ s ρ )ω 2 r 18
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解：1）生产能力 转筒过滤面积：
A = πD L =1.75×0.98×3.14 = 5.39m2
压力差： p =133.3× 450 = 59990Pa 滤饼比阻：r = 0.12×1010 ×599900.7 = 2.65×1012 0 则： h = A 120pa ω V r0 x0 = 3.25 (m3/h) 2）滤饼厚度