第四章 分离机械与设备

本章主要问题 1. 过滤操作基本原理 2. 过滤分离工作过程 3. 旋液器工作原理

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。 混合物包括均相和非均相两大类，非均相混合物是由具有分界界面的两相所组成，而均相混合物则没有明显的界面。

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。

不同物性物质的分离方法不同，分离一般采用过滤、蒸馏、重结晶、萃取、离心及吸附等方法。 食品生产中的分离主要包括以下几类。 （1）固-固分离固-固分离是根据不同固体颗粒的大小和密度等性质来分离，如筛分，又可纳入分级的范畴；

（2）固-液分离固-液分离常利用过滤机等机械 （3）固-气分离固-气分离常利用旋风分离器等将乳粉颗粒从热风中的分离； （4）液-液分离液-液的分离可利用离心机等机械

从分离的原理上，可将食品的分离设备分为两大类。 1．利用机械力和分离介质来进行分离的操作，包括： ①利用离心力分离的分离设备； ②利用离心力和流体力学性质中的惯性力来进行物料分离的旋液分离器； ③利用机械力，在物料传递过程中通过过滤介质进行分离、以及用在20世纪60年代后发展起来的膜分离技术。

2．超临界流体萃取技术，该技术利用某些溶剂在临界值上所具有的特性来提取混合物中可溶性组分的一门新的分离技术。其他还有一些利用物理、化学或表面性质的方法使分散相与分散介质发生物性变化。

第一节离心分离原理及设备分类 （一）离心分离的原理 在食品的生产中，经常需要将固—固、固—液、液—液、固—液—液的混合物料中的组分加以分离，其中，固—液、液—液、固—液—液混合物料的分离操作，可称之为非均相系分离操作。 离心分离设备是利用分离筒的高速旋转，使物料中具有不同比重的分散介质、分散相或其它杂质在离心力场中获得不同的离心力，达到分离的目的。

离心过滤：在有孔的鼓内壁面覆以滤布，则流体甩出而颗粒被截留在鼓内的过程。 离心沉降：对于鼓壁上无孔，且分离的是悬浮液，则密度较大的颗粒沉于鼓壁，而密度较小的流体集中于中央并不断引出的过程。 离心分离：对于鼓壁上无孔且分离的是乳浊液，则两种液体按轻重分层，重者在外，轻者在内，各自从适当位置引出的过程。

离心机分离性能的指标用分离因素（Kc）表示。 =离心加速度：重力加速度

（二）离心机分类 1．按离心机的离心分离因数大小来分类 （1）常速离心机α<3 000，主要用于分离颗粒不大的悬浮液和物料的脱水。 （2）高速离心机3 000<α<50 000，主要用于分离乳状和细粒悬浮液。 （3）超高速离心机α>50 000，主要用于分离相不易分离的超微细粒的悬浮系统和高分子的胶体悬浮液。

2．按操作原理的不同分类 （1）过滤式离心机这是鼓壁上有孔，借离心力实现过滤分离的离心机。 （2）沉降式离心机这是一种鼓壁上无孔，借离心力实现沉降分离的离心机。 （3）分离式离心机这是一种鼓壁上无孔，具有极大的转速，一般在4000r/min以上，分离因数在3 000以上的离心机。

3．按操作方式的不同分类 （1）间歇式离心机是指转鼓对所承载的被分离而截留的物料有一定质量限度的离心机。可根据需要延长或缩短过滤时间，主要用以固—液悬浮混合液的分离。 （2）连续式离心机整个设备的操作均在连续化状态下，用于固—液悬浮液和液—液乳浊液的分离。

4．按卸料方式分类 5．按转鼓主轴位置分类 （1）卧式离心机（2）立式离心机 （1）人工卸料离心机（2）重力卸料离心机 （3）刮刀卸料离心机（4）活塞推料离心机 （5）螺旋卸料离心机（6）离心卸料离心机 （7）振动卸料离心机（8）进动卸料离心机 5．按转鼓主轴位置分类 （1）卧式离心机（2）立式离心机

离心机的应用 砂糖糖蜜分离 奶制品工业牛奶分离 制盐工业的晶盐脱卤 淀粉工业中淀粉与蛋白质的分离

第二节 卧式螺旋离心机 一、卧式螺旋离心机的基本结构和工作原理 1．卧式螺旋离心机的基本结构由三个部分组成：转筒部分、螺旋推料器和驱动装置。

第二节卧式螺旋离心机

2．卧式螺旋离心机的工作原理工作原理如图所示。整个设备由固定部分和运转部分两大部分组成。

二、卧式螺旋离心机的使用 主要有脱水用卧式螺旋离心机和澄清用卧式螺旋离心机，前者较后者转速低，螺径大，螺距大。 1．螺旋离心机的主要应用 应用化工、轻工、食品和环保行业，适用对悬浮液的液体澄清、固体脱水及粒度分级和废水处理等，并进行有效的沉渣输送。具有可连续分离操作，对物料的适应性强。在选用时考虑的几个方面。

（1）对于易分离物料的固相脱水，可以得到含液量较低的固体。 （2）对于细粒级难分离的悬浮液,采用高分离因数，大长径比的螺旋离心机来完成。 （3）对于固相浓度大的液—液—固三相悬浮液可采用特殊结构的螺旋离心机来完成。 （4）对固相颗粒粒度分级，适当的分离因数和合理的结构来实现。

三、碟式离心机分离设备结构与应用 以叠加在一起的锥形碟片在高速旋转过程中对物料进行分离的设备，主要用于液—液乳浊液分离和固—液悬浮液的分离，应用于乳品加工、淀粉提取等生产领域。

（一）碟式离心机的工作原理与结构 1．工作原理 分离机高速旋转形成一个强大的离心力场，料液在强大的离心力场的作用下，由于物料的密度差的存在，重组分受到了较大的离心力沿着锥形碟片下表面滑移出沉降区，进入混流过渡区并汇聚喷嘴排出机外；而轻组分因受到的离心力较小，汇聚向心泵室后排出机外，完成整个过程。

2．碟式离心机的主要结构 转鼓、机壳、传动系统、控制系统和机座组成。 转鼓是碟式机的主要部件，由转鼓体、分配器、碟片、转鼓盖、锁环等组成。碟片呈倒锥形，锥顶角600～1000，间距在0.3～10mm。

蝶式离心机外形图

2．碟式离心机的主要结构 碟式离心机的驱动结构使离心机转子高速旋转，是离心机设计中的核心技术之一，应保证离心机可靠地运行，具有较高的分离效率、高质量的分离效果。 离心机的驱动结构应具有如下的基本要求：①工作转速范围内振动小，运行稳定可靠；②转速精度高；③升降速快；④噪音低；⑤体积小，结构简单。

碟式离心机的驱动结构从人力驱动开始，经历了油透平驱动、空气透平驱动，发展到至今采用了高速电机——增速机构和电机直接驱动的过程。

3．碟式离心机的操作 碟式离心机是高速旋转的分离机，回转离心力极大，操作中，要注意安全。 开机前，分离机必须按规定进行细致的清洗和正确的装配，以达到动平衡状态，并且在每次开机前认真检查转鼓的转动是否灵活，各机件是否锁紧，刹车是否处在松开状态，察看机座的油箱油面是否处于玻璃刻度位上，要防止虚油面的产生。 若停机12h以上，开机前应将排油螺栓旋松几圈，排出可能沉降的水分。

第三节旋液离心分离机械与设备 旋液离心分离器又称旋液分离管、水力旋流器。广泛应用于食品、医药、化工行业等领域，如在淀粉的分离和提纯工艺中被普遍使用。它不仅可用于悬浮液的分离、增浓，而且可用于产品的分级，此外，还可用于不互溶液体的分离、气液分离以及传热、传质和雾化的操作中。

1．旋液离心分离机械与设备的原理和结构 其结构如图所示，也是一种离心沉降式分离器，其结构紧凑，操作维修方便，可实现连续操作，造价低廉，使用寿命长。

原理： 在互不相溶且具有密度差的液体混合物以一定的方式及速度从入口进入旋液分离器后，在离心力场的作用下，密度大的相被甩向四周，并顺着壁面向下运动，作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出，达到液-液分离的目的。

按照分离介质不同可分为：固—液分离（除砂器）、固体筛选、液—液分离（油水分离）、气—液分离、气—固分离（旋风除尘器）、气—液—固三相分离 按结构形式一般可分为：静态旋液分离器和动态旋液分离器两种。 2．旋液离心分离机械与设备的特点与应用 结构特点是直径小而圆锥部分长，所以又被称之为旋液分离管。

在操作中带压浆料在进入旋液分离器后，会产生较大的压降，旋液分离器的压力应略高于整个系统的压损（不大于0 在操作中带压浆料在进入旋液分离器后，会产生较大的压降，旋液分离器的压力应略高于整个系统的压损（不大于0.3MPa）。不同的加工环节对压力的要求不一同，对用于除泥砂、粗分环节的旋液分离器，0.6MPa左右，用于淀粉洗涤或者回收蛋白质的旋液分离器，其工作压力还要高一些。

第四节 膜分离设备 膜分离是近20年来在迅速崛起的高新技术，利用天然或人工合成的高分子半透膜分离的方法，利用膜两侧的压力差或电位差为动力，使流体中的某些分子或离子透过半透膜或被半透膜截留下来，以获得或去除流体中某些成分的一种分离技术。 如果通过半透膜的不只是溶剂，而是有条件选择性地让某些溶质组分通过，因而溶液中不同溶质组分得到分离，该过程称为膜分离。

膜分离技术的核心是膜，膜的选择性是分离的关键，膜分离技术所包含的方法有多种，较常使用的有： （1）超滤（ultrafiltration），简称UF法； （2）反渗透（reverse-osmosis），简称RO法； （3）电渗析（electrodialysis），简称ED法； （4）微孔过滤（microfiltration），简称MF法。

一、膜分离设备的原理和特点 1．膜分离的原理 反渗透和超滤是以压力差为推动力的膜分离技术。水溶液与具有微孔的薄膜互相接触，由于膜的化学性质使它对水溶液中的溶质具有排斥作用，结果，靠近膜表面的浓度梯度急剧下降，在溶液-膜的界面上形成一层被吸附的纯水层。反渗透就是在压力存在下使水不断通过膜上的毛细孔渗出，溶质则被膜截留。

“筛分”理论是把膜表面看成具有无数微孔，利用这些不同孔径的孔眼像筛子一样截留住分子直径相应大于它们的溶质和颗粒，从而达到了分离的目的。 通常对超滤机理的阐述有下述两种模型： （1）毛细流动模型溶质的脱除靠流过过滤或筛滤作用，半透膜阻止了大分子的通过，按这一模型建立的流动是毛细孔中的层流流动； （2）溶解扩散模型假定扩散质的分子，先溶解于膜的结构材料中，后经载体的扩散而传递。因为分子不同，溶解度和扩散度也就不同。

2．膜分离的应用范围 根据膜分离技术过程推动力的不同，大体上可分为两类：以压力为推动力的超滤和反渗透，以电力为推动力的电渗析，电渗析使用的是被称为离子交换膜的特殊半透膜。

膜分离技术目前已经被广泛地应用于海水、苦咸水淡化，超纯水制备，废水处理过程以及食品工业中的牛奶、乳清蛋白、茶叶的浓缩和其他食品的精制、提纯与浓缩。此外，在染料工业、化学工程和生物工程、航天技术上亦被得到广泛的应用。比如反渗透和超滤在医疗行业方面用于血过滤、人工血液的制造、人参蜂王浆处理、中草药制剂的精制、病菌、酶、病毒、核酸、蛋白质等生理活性物质的浓缩、分离、精制以及激素的精制等。

3．膜性能 膜是反渗透和超滤的主要材料，也是电渗析的主要材料，是膜分离技术的中心，膜分离技术的提高，关键取决于膜性能的改进。 （1）膜分离技术对膜性能的要求膜性能主要是指膜的物理和化学性能以及膜的分离透过性。

（2）膜材料膜的材料及其材质在很大程度上决定了膜的功能。膜材料的发展经历了3个阶段。 第1阶段是醋酸纤维素膜，也称CA膜，价格便宜，性能也好，PH值3.5～9.5，且使用的温度较低，抗污染性差，在强酸和弱碱作用下会水解；

第2代膜材料是高性能的合成材料，如聚砜、聚丙烯腈以及改性纤维等，可经受强酸强碱，在高压下抵抗破坏能力强，耐氧化、耐腐蚀、抗污染性好，是目前应用最为广泛的膜材料； 第3代膜材料以无机膜为代表，如多孔性陶瓷、多孔性玻璃以及多孔性金属等，耐温达400℃。

4．膜分离设备的原理 （1）超滤设备的工作原理 在超滤中， 如果颗粒小到亚微细粒的程度，半透膜孔的大小也要趋近于能阻止溶液中大分子的通过，这种利用半透膜的微孔过滤以截留溶液中大溶质分子的操作称为超滤，而这样的半透膜则被称之为超滤膜，超滤的驱动力是压差， 通常高达1.0MPa，在溶液侧加压，使溶剂和小分子透过膜而得到分离。

（2）反渗透的工作原理 （a）图所示为在半透膜两侧的溶剂和由溶质与溶剂组成的溶液。在没有外力的作用下，左侧溶剂分子会自动穿过半透膜流向右侧溶液。因溶剂的流动，在高浓度溶液区域形成一个渗透压头，达到渗透的平衡。如果在溶液的一侧（膜的右侧）加上一个大于渗透压的压力，则高浓度溶液区域的溶剂（水）会穿过半透膜流向低浓度溶液（或溶剂）的一侧，这种现象称之为反渗透。 反渗透的动力也是压力。

（3）电渗析的工作原理 如图所示，进入第1、3、5、7室的水中离子，在直流电场作用下作定向移动，阳离子向阴极移动，透过阳膜进入极水室以及2、4、6室，阴离子则向阳极移动，透过阴膜进入2、4、6、8室。

二、膜分离设备的结构与应用 （一）超滤与反渗透设备的结构与应用 利用超滤进行食品的浓缩和提纯可充分保留食品原有风味和香味成分，因为没有物料相态的变化，对料液的物化结构没有破坏。 （1）纯水和超纯水的制备工业用水的初级纯化，污水和苦咸、海水淡化的处理。

（2）生物制药酶、病毒、毒素、噬菌体及各种蛋白质稀溶液的浓缩、脱盐和提纯；医用水处理；血液及生物制品的浓缩精制； （3）食品工业饮料、饮用水的除菌净化，矿泉水的澄清制备，豆制品及乳品加工，有价值物质的回收。超滤用于脱脂乳的浓缩，可制取含蛋白质达50～80%的脱脂浓乳，是在乳清中浓缩和回收蛋白质的有效方法；应用于低度酒、果酒及饮料的澄清。

（二）电渗析设备的结构与应用 电渗析法可应用于下列场合中： （1）海水的浓缩、淡化； （2）加工厂废水、废液的脱盐，有价值物的回收； （3）有机物和无机盐类的分离； （4）有机酸的精制、浓缩及回收； （5）脱盐饮料水的制备； （6）牛乳、乳清、糖蜜的脱盐； （7）低盐酱油的制造； （8）果汁类中柠檬酸、酒石酸的去除。

作业题 1. 简述过滤操作的基本原理和过滤分离的工作过程。 2. 叙述旋液器的工作原理。