分离机

脂肪球的上浮速度

将新鲜的牛乳放在容器中，脂肪球开始向上聚 集，直至牛乳表面。速度可以用上面的公式计 算得出。下面是在室温35℃时的平均值： d = 3 μ m =3 × 10-6m (pp-pI) = (980-1028) = -48kg/m3 η = 1.42cP(厘泊) = 1.42 × 10-3kg/m.s 将这些数值代入公式：
极限颗粒 极限颗粒是这样大小的一种颗粒，
即当从最适宜的位臵，即从图 6.2.17 中的A点开始，它只能在 B'点才能接触到碟片，所有大于 极限颗粒的都能被分离。 如图所示，如果小于极限颗粒的 某些颗粒在A 和B 点之间某一点 进入通道，它也能被分离。颗粒 越小，C 必须越靠近B，以实现 分离。
间歇式重力分离
图6.2.7 中的容器A，装有悬浮液，其中的分散介质的直径
为d，均匀一致的固体颗粒，其密度大于液体，为了使所有 粒子从表面沉到容器底部，悬浮液必需静臵足够长的时间， 沉降距离为h1m。 如果沉降距离减小，那么完全分离所需的时间就能缩短。容 器B 的高度减小了，其面积扩大了，这样它仍具有同样的体 积，沉降距离h2减少到h1的1/5，所以，完全分离所用的 时间也减少到1/5，然而，沉降距离减少的越多，沉降时间 越短，容器的面积越大。
离心分离
沉降速度 如果在一容器中装上液体，并旋转 该容器，就会产生离心力。如图 6.2.13所示。也就产生了离心加速 度a,离心加速度不像静止容器中的 重力加速度是个常数。它随着距传 动轴的距离（半径r）和旋转速度 (用角速度ω 表示)的增加而增加，如 图6.2.14。加速度可通过公式2）来
计算：
如果用离心加速度a，以r ω 2 表示，
来代替斯托克斯定律方程1 中的重 力加速度g，则有公式3） 公式3）可用于计算分离机中每一颗 粒的沉降速度：
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脂肪球的上浮速度
前面使用方程1）发现，在重力的作用下，直径3 μ m 的单个脂肪球的上浮速度为 0.166 × 10-6m/s 或0.6mm/h。 现在用公式3）来计算离心机中同样直径的脂肪球的上浮速度。其距轴0.2mz转速 n=5400rpm. 计算角速度：
重力沉降
从历史角度说，离心分离是近代的一项发
明。早在100 年前，把一种物质从另一种 物质中分离出来的技术是靠重力沉降的自 然过程。 沉降在自然界中每时每刻都在发生。粘土 颗粒在雨水坑中形成泥浆，但又迅速沉淀 下去，泥水变清。由海浪或游泳者搅浑了 的一片海水也是如此。泄漏到海里的石油， 由于它比水轻而上浮，在海面上形成一层 油膜。 重力沉降也是乳品业中从牛乳中分离脂肪 的一项原始技术。刚挤出的牛乳放臵在一 个容器中，过一段时间，脂肪球聚集起来 并向上漂浮在牛乳上部，形成一层稀奶油， 然后手工把这层奶油撇出。
沉降条件
要处理的液体必须是悬浮液，即两种或更多相的混合物。
其中一种为连续相。在牛乳中，乳浆或脱脂乳是连续相， 脂肪以直径小于15μ m的小球分散在脱脂乳中。
牛乳也含有第三相，一些分散的固体颗粒，如乳房细胞，
粉碎的稻草和毛发等。 被分离的相之间必须互不相溶，在溶液中，溶质不能用沉 降的方法分离。溶解的乳糖不能通过离心分离而分离出来, 然而，乳糖可以结晶，乳糖结晶后即可通过沉降分离出来。 要分离的相也必须具有不同的密度。在牛乳中的各相符合 这一要求；固体杂质比脱脂乳密度大，而脂肪又比脱脂乳 的密度小。
从图6.2.16 可以看出，液体是如何从外侧边缘 （半径r1）进入通道，从内侧边缘（半径r2） 离开、并且连续地流向出口的。颗粒穿过通道 时，沉积在碟片的外侧，形成了通道的上界面。 液体的速度ω 在通道的各部分不尽相同，从紧 邻碟片时的零速度直至通道中心速度最大值， 离心力对所有的颗粒都起作用。沉降速度V将 它们甩到分离机的周壁上，这样，颗粒一方面 以速度ω 与液体同时转动，另一方面以沉降速 度V 放射式地向外做圆周运动。 所得的速度Vp是这两个运动的矢量和。颗粒 朝着由矢量箭头Vp所指的方向运动。（为了 简便起见，我们假定颗粒朝着由该图中虚线所 示的直线方向运动）。 为了实现分离，该颗粒必须在达到B 点之前沉 积在上面的板片上，即在相当于或大于r2半径 的位臵上。一旦颗粒沉降，碟片表面的液体速 度太小而不能再将颗粒带走。因此，它在离心 力的作用下向外沿着该碟片的下侧滑动，并在 B 点的外侧边缘排出，并堆积在离容器的周壁 上。
在不降低分离效率的前提下，即不让 任何限定的颗粒或者较大的颗粒随澄 清液跑掉，要确定容器的最大能力。 当悬浮液在带有水平挡板的容器中进 行连续分离时，分离通道最终将被沉 积的颗粒堵塞，于是分离停止。
如果该容器装上如图6.2.10 所示的倾斜挡板，那么 在重力的影响下，沉积在挡板上的颗粒将从挡板上 滑下，并堆积在容器的底部。为什么已沉淀在挡板 上的颗粒不会被挡板之间向上流动的液体冲走呢？ 图 6.2.11作了解答。该图是一个分离通道断面图。当 液体从挡板之间通过时，紧邻挡板的液体边界层受 到摩擦阻力，速度降为零。 静止的边界层对它的邻层又产生一种阻力，依次直 至通道的中心。通道中心的速度最高, 依次可以得 到如图所示的速度分布曲线，通道之间的液流是层 流，这样，在静止边界区的沉积颗粒仅受重力的作 用。 在计算流过带倾斜挡板的容器的最大流量时，使用 投影面积作为有效沉降面积。 要充分利用分离容器的能力，需要安装可供颗粒沉 淀的最大表面积，沉降距离不直接影响容器的能力， 但必须保持一定的最小通道宽度，以避免沉积颗粒 将通道堵塞。
沉降和上浮速度
粘性介质中，在重力作用下运动的固体颗粒或液滴最终会获 得一稳定的速度，这个速度被为沉降速度。如果颗粒的密度 比液体介质的密度低。颗粒将以上浮速度上浮，这些速度用 Vg 表示（g= 重力）。沉降上浮速度的大小由以下的 物理量决定： ● 颗粒直径d，m ● 颗粒密度ρ p kg/m3 ● 连续相的密度pI kg/m3 ● 连续相的粘度η kg/m.s ● 重力加速度g = 9.81m/s2 如果这些量是已知的，那么颗粒或液滴的沉降/上浮速度可用 以下公式来计算，这是从斯托克斯定律导出的。 上面的公式（方程1）告诉我们颗粒液滴的沉降/ 上浮速度： ● 随颗粒直径的平方而增加，这说明直径为2cm颗粒的沉降 /上浮速度要比直径为1cm 的颗粒速度快4 倍。（22=4） ● 随两相的密度差的增加而增加。 随液体介质粘度的减小而增加。

已知2 π =1圆周，及 n= 每分钟的转数（rpm） 转速 n 为5400rpm 时，角速度（ω ）为： ω =564.49rad/s 沉降速度（V）为：
即：1.08mm/s 或3896.0mm/h 用离心力场中的沉降速度除以重力场中的沉降速度可以得出离心分离效率，与重力沉 降速度相比，离心沉降速度比它快3896.0/0.6=6500 倍。


从计算结果可以看出，脂肪球上升速度非常慢， 一个3 μ m 直径的脂肪球以0 . 6 m m / s 的速 度向上运动。如果脂肪球直径增大一倍，速度 将为2 2 ×0.6=2.4mm/s，因而，当脂肪球聚 集成较大颗粒时，上浮速度要快得多。 图6.2.6所示，为不同直径脂肪球在重力作用 下如何通过乳浆上浮的示意图。在零时间时， 脂肪球在容器底部，七分钟后，已发生一定程 度的上浮3t 分钟后，最大的脂肪球已达到表 面，这时，中等大小的脂肪球已上升到中途， 而最小的脂肪球仅到达容器1/4 的高度。
密度
每一种物质都有一个物理特性，称之为密度。密 度是一种物质重量计量的单位，可用kg/m3 来 表示。如果我们称量1m3 的铁，秤指向7860kg， 则铁的密度为7860 kg/m3，室温下水的密度为 1000 kg/m3，室温下石头（花岗石）、软木塞
和水银的密度分别为2700kg/m3,180 kg/m3， 13550 kg/m3 。 当物体放入液体中时，该液体的密度和放入物体 的密度决定了物体的沉浮。如果物体的密度大， 它下沉，若小于液体的密度，则上浮。 密度通常用希腊字母ρ 表示，固体密度为ρ p， 液体的密度为ρ L，可以计算出ρ p- ρ L 的值，即 粒子和液体之间的密度差。如果把石头扔入水中， 密度差为（2700-1000）=1700 kg/m3，结果 是正值，因为石头的密度比水的密度大，石头下 沉！ 软木塞在水中可表示为（180-1000）=820kg/m3, 这次结果是负值。由于软木塞密度 小，将其投入水中，它将克服重力的作用浮上表 面。
沉降如何进行
石头落入水中，假若它不沉底，我们一定会感到奇怪。
同样地，软木塞被扔入水中，估计它一定会浮上来， 因为经验告诉我们，石头比水“重”，而软木塞比水 “轻”。 如果把石头扔入一高密度的液态金属—水银中会怎样 呢？或者在水银中放一块铁又会怎样呢？我们没有这 方面的经验去预测结果，我们可能想铁块会沉，但实 际上，石头和铁块都会浮起来。
一固相两液相的连续分离
一个与图6.2.12 相似的装臵可通
过重力把两种混合的液体分离开， 同时也可以将其中悬浮的固体颗 粒从该混合物中分离出来。 悬浮液从进口处下行并穿过开口 B，在B 液位处形成一水平流。 比两种液体密度大的固体颗粒， 从这一液位层沉到容器的底部， 两种液相中密度较小的上升到表 面并从溢流出口B1处流出。密 度较大的液体向下运动，在挡板 B2下通过并从较低的出口排出。 挡板B2的作用是防止较轻的液 体流错方向。
固体颗粒的连续离心分离－ －净化。
图6.2.15所示的是用于从液体中
连续分离固体颗粒的离心钵，这 种操作称之为净化。设想图 6.2.10 的沉降容器旋转90o，并 绕轴旋转，即可得离心分离机的 截面图。 分离通道 从图6.2.15可看出，离心钵有一 组锥形盘式挡板。它可以提高有 效的沉降面积。碟片层层迭合形 成一个装臵，称为碟片组。焊接 在碟片上呈辐射状的拼焊物保持 了碟片间的正确距离，形成了分 离通道。拼焊物的厚度决定了通 道的宽度。
离心分离机




一些历史资料 最近发明的从牛乳中分离稀奶油的装臵早在1877 年4 月 18 日的德国商业期刊“MiLch-zeitung” 中就有记载。这 是一个“可以旋转的鼓，鼓旋转一定时间后，稀奶油浮在 表面，然后用普通的方法将其刮下来” 一个年轻的瑞典工程师，Gustaf de Laval 读完这篇文章后 说：“我要证明离心力在瑞典也会和在德国一样起作 用。”1879年1月15日的"Stockolms Dagblag”日报报 道：“用于分离稀奶油的离心分离机自昨天起开始展出， 并在每天早上11 点至中午12 点在Regeringsgatan 41 号 房一层进行演示。这个机器可以比作一个靠皮带和皮带轮 驱动的大鼓，稀奶油比牛乳轻，靠离心力的作用浮到牛乳 表面，流入一个通道，并收集到一个容器中，在它的下面， 牛乳从鼓的周围甩出，进入另一通道，被收集到另一个容 器中。” 自1890年以来，Gustaf de Laval 制造的分离机装上了一 种特殊设计的锥片。这项技术在1888年由德国的Freiherr von Bechtolsheim 获得了专利，1889 年又由瑞典AB 分 离机公司获得专利。Gustaf de Laval 是专利的部分持有者。 现在绝大数类似的机器都装有一组锥片。
连续式重力分离
图6.2.8 表示的是利用简单
的容器把直径不等的颗粒从 液体中连续分离出来。含有 泥浆颗粒的液体从容器一端 加入，并以一定的速度流向 另一端的溢流口。不同直径 的颗粒在途中以不同的速度 沉降。
挡板增加沉降能力
如果使沉降器的总面积增加，其沉降 能力也会增加，但这会使沉降器庞大 而笨重，代替的办法是，如图6.2.9 所 示，在容器中插入水平挡板，以增加 分离的有效面积。 这样就有了若干个“分离通道”，颗 粒在每一个通道中都以图6.2.8 容器中 同样的速度分离。容器的总能力是每 一通道的能力乘以通道数。总的用于 分离的有效面积（即挡板面积的总和） 是每一挡板的面积乘以分离通道数。