页数：61页文件大小：3.69 MB来源： 食品加工机械与设备ppt课件
本课件先界定分离操作与固固、固液、液液等分离类型，再按分离原理展开七节内容：离心分离原理与离心机分类、卧式螺旋离心机及立式与碟式三足式离心机、旋液分离器、过滤机械与板框压滤机及硅藻土过滤机、膜分离设备、超临界萃取设备和分子蒸馏设备。
典型应用：发酵产品经分离或净化后进入下一程序；淀粉、结晶或杂质等固形物料从原料液中分离；纯净水制备；蛋白质提纯；提取天然有效成分。
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：
从分离的原理上，可将食品的分离设备分为两大类
本章内容
（一）离心分离的原理：食品生产中经常需要将固—固、固—液、液—液、固—液—液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称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。
以牛乳的重力沉降来说明：牛乳主要成分为水分87.0%、乳固体13.0%（其中非脂乳固体9.0%、脂肪4.0%），还有少量腺体细胞和杂质等。脂肪球直径约100～10 000nm，比重0.93；脱脂乳比重为1.035。将新鲜乳静置于普通沉降槽内，脂肪球徐徐上浮，数小时后可分成上层稀奶油、中层脱脂乳、下层固体杂质三个较明显的组分。
稀奶油的上浮速度可用斯托克斯公式表示：v = 2gr²（ρa−ρb）/（9η）。式中 v——上浮（沉降）速度，cm/s；g——重力加速度，cm/s²；r——脂肪球半径，cm；ρa——脂肪球密度，g/cm³；ρb——脱脂乳（分散介质）密度，g/cm³；η——介质粘度，η=0.1 Pa·s。
脂肪球上浮速度与g、ρa、ρb、r、η有关，与脂肪球半径的平方成正比；由于 S = v·t，沉降槽越深（路程S），分层所需时间t越长。
重力沉降及离心沉降都是利用物料内清液和杂质的比重差来实现分离的，不同的是所用的分离力形式不同：前者是重力，后者是离心力。
以离心沉降来说，因为有重力的数百倍到数万倍的离心力作用，其分离速度远比重力沉降大，分离效果也高得多。
分离因数是表示离心机分离性能的主要指标，定义为物料所受离心力与重力之比值，也等于离心加速度与重力加速度之比值：α = Rω²/g。式中 α——分离因数；ω——转鼓回转角速度；R——转鼓半径，cm；g——重力加速度，cm/s²。
增大转鼓半径、增加转速有利于提高分离因数，尤其是增大转速，但从设备强度因素考虑，两者的增加都有限度。
离心机转速很高，分离因数可高达3000以上，对于在重力场中极为稳定的悬浮液和乳浊液的分离尤其适用；分离因数的选取取决于被分离物料的性质和要求。
对悬浮液、乳浊液（及气溶胶）分离操作的目的：
（二）离心机分类
3．按操作方式的不同分类
4．按卸料方式分类：①人工卸料；②重力卸料；③刮刀卸料；④活塞推料；⑤螺旋卸料；⑥离心卸料；⑦振动卸料；⑧进动卸料。
5．按转鼓主轴位置分类：（1）卧式离心机；（2）立式离心机。
第二节 卧式螺旋离心机（图6-11 卧式螺旋卸料过滤离心机）：1.出料斗；2.排液口；3.壳体；4.防振垫；5.机座（底座）；6.防护罩；7.差速器；8.箱体；9.圆锥转鼓；10.螺旋推料器；11.洗涤进料管。
一、卧式螺旋离心机的基本结构和工作原理
图6-12 卧式螺旋卸料沉降离心机：1.差速器；2.主轴承；3.油封1；4.左右铜轴瓦；5.油封2；6.外壳；7.螺旋；8.转鼓；9.油封3；10.转承；11.油封4；12.进料管。
3．卧式螺旋离心机的主要部件：（1）转鼓；（2）螺旋；（3）差速器。
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。
三、立式离心机
四、碟式离心机分离设备结构与应用（一）工作原理与结构：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，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。
工作原理（图6-23 液固分离和液液固分离的工作原理）：分离机高速旋转形成强大的离心力场，料液在其中因密度差存在，重组分受到较大的离心力沿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；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：由转鼓、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60°～100°，间距在0.3～10mm。
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，应保证离心机可靠运行，具有较高的分离效率和高质量的分离效果。基本要求：
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，发展到现在采用高速电机—增速机构和电机直接驱动。
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。
五、三足式离心机设备结构与应用
人工卸料三足离心机：1-出液管；2-支柱；3-底盘；4-轴承座；5-摆杆；6-弹簧；7-转鼓；8-外壳；9-主轴；10-轴承；11-压紧螺栓；12-三角带；13-电机；14-离心离合器；15-机座。
三足式液压自动卸料离心过滤机：1-油马达；2-主轴；3-转鼓底；4-刮刀装置；5-旋转油缸；6-挡液板；7-升降油缸；8-转鼓；9-外机壳；10-弹性悬挂支承装置；11-底座。
图6-19 三足式吊袋上卸料离心机工作原理图：以吊袋方式从上部卸出滤饼。
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，也可用于产品的分级，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．原理和结构：也是一种离心沉降式分离器，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。
旋液分离器结构简图（内流型原理图）：1-尾水管；2、喷嘴；3-圆柱体；4-圆锥体；5-底流嘴。
2．特点与应用：结构特点是直径小而圆锥部分长，所以又被称为旋液分离管。
图6-24 旋流器内流型示意图：圆筒上降旋液、下升旋液、锥筒、进料、溢流等布置。
设计与选择：根据物料性质、处理或分级要求以及给定的压力降，先初步确定结构的尺寸比例，再确定Dc。带压浆料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）。
第四节 过滤机械与设备：过滤操作的基本原理是利用一种能将悬浮液中的固体微粒截留而使液体物料自由通过的多孔介质，从而达到将悬浮液中固—液分离的目的。
在过滤操作过程中，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，积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，透过滤饼和过滤介质的液体称为滤液。
一、过滤机械与设备的原理和特点（一）过滤原理 1．过滤阻力和推动力
过滤的过程实际上是过滤推动力克服过滤阻力的过程。过滤起始，阻力只来自过滤介质和支承物；随着过滤进行，滤渣被截留形成滤饼，阻力则由过滤介质阻力和滤饼阻力组成。推动力则是由滤饼和过滤介质所形成的过滤层两侧的压力差。
工业过滤压力差的来源有四种（过滤操作示意图：1-滤浆；2-滤饼；3-滤布；4-支承物；5-滤液）：
2．过滤操作的程序和分类：根据过滤推动力，可分别称为重力、加压、真空和离心过滤。过滤操作分为过滤、滤饼洗涤、滤饼干燥、滤饼卸除四个阶段。
大多数间歇式过滤机都是在加压下操作，而几乎所有的连续过滤机都是真空过滤机。
二、过滤机械与设备的结构与应用（一）板框压滤机（板框压滤机简图）：1-固定端板；2-滤布；3-板框支座；4-可动端板；5-支承横梁；含过滤板、滤框、洗涤板。
1．结构与工作原理：由端板、滤板、滤框、滤布、支撑横梁、螺旋压紧装置组成；许多交替排列的滤板和滤框构成主要工作部件，板和框架都被支承在一对横梁上。
（2）板框压滤机的工作原理及过程（板框压滤机工作过程图）：1—框边；2—橡胶隔膜；3—气室；4—滤室。
本页为板框压滤机的部件编号图，源文件仅提取到编号数字（1～5、11等），未提取到部件名称文字。建议对照原课件图片补充各编号对应的部件说明。
硅藻土压力过滤机：硅藻土过滤机是以硅藻土为助滤剂的压力式过滤机。先将2.5～3.0kg硅藻土加入150～200kg澄清良好的液体中，通过流体泵输入过滤机，随着过滤进行，助滤剂硅藻土在滤盘上涂布形成滤饼层；至预涂液达到澄清要求后结束预涂，泵入添加硅藻土的待滤液进行正常过滤操作。
优点：性能稳定，适应性强，能用于很多液体的过滤，过滤效率高，可获得很高的滤速和理想的澄清度，甚至很混浊的液体也能过滤；设备简单，且在操作良好的情况下还具有除菌的效果。
移动式硅藻土过滤机：1—手轮；2—后支座；3—拉紧螺杆；4—压紧板；5—排气阀；6—壳体；7—导向杆；8—滤盘；9—前支座；10—玻璃筒。
波形板滤盘是主要过滤部件，数量较多，可达几十个，由所需生产能力而定，主要由波形板、滤网、压边圈、滤布所组成。材质为不锈钢，圆形，上面压制有许多呈同心圆分布的凹凸槽：一则增加波形板的强度，二则凹槽也是液体的通道。
第五节 膜分离设备：膜分离是近20年来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，以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截留下来，以获得或去除流体中某些成分。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，使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。较常使用的方法有：
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。
而“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，从而达到分离目的。
膜过滤原理示意图（反渗透RO、超滤UF）：通常对超滤机理的阐述有两种模型。
2．膜分离的应用范围：根据推动力的不同大体分为两类——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（电渗析使用被称为离子交换膜的特殊半透膜）。
膜分离技术已被广泛应用于海水、苦咸水淡化，超纯水制备，废水处理，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、航天技术上也得到广泛应用。
例如反渗透和超滤在医疗行业用于血过滤、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。
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，这样的半透膜称之为超滤膜。
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。超滤原理示意图：1-进料；2-浓缩液；3-清液；4-超滤膜（图6-36 单一膜组件系统的过滤示意图）。
（2）反渗透的工作原理（反渗透原理：(a)渗透；(b)反渗透）：(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，因溶剂流动在高浓度溶液区域形成一个渗透压头，达到渗透平衡。如果在溶液一侧（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（电渗析脱盐示意图）：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：本页为中心纤维超滤膜筒等膜组件结构图。
图6-38 平板膜分离装置结构原理图（浓缩液、隔板、膜、透过液、支撑板、原液）；图6-39 管式膜组件示意图；图6-40 卷式膜组件示意图。
超滤设备的应用：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。
图6-41 中空纤维膜组件示意图：[从内向外流动式]、[从外向内流动式]。
（二）电渗析设备的结构与应用 1．结构：由浓淡室水隔板、离子交换膜、电极、极水隔板、锁紧装置等部件构成，外形与片式热交换器相似。板框和隔板支承和隔开离子交换膜，构成阴极室和阳极室，并形成水流通道。能透过阳离子的半透膜称为阳离子交换膜；能透过阴离子的半透膜称为阴离子交换膜。
电渗析设备结构示意图：1-电极；2-阳离子交换膜；3-隔板；4-阴离子交换膜。
2．电渗析设备的应用：电渗析法可应用于下列场合
第六节 超临界萃取设备：物质的分离一般采用过滤、蒸馏、离心、吸附、重结晶以及萃取等。萃取就是利用溶剂对对象物的选择性溶解或溶解能力的差异从而达到物质分离的目的。
超临界萃取则是利用处于临界压力和临界温度以上的流体具有特异增加的溶解能力而发展起来的一项提取混合物中可溶性组分的分离新技术，具有溶剂萃取法和蒸馏法双方的特点，可显著提高产品回收率和纯度，对人体无害，操作稳定安全，自20世纪80年代以来在食品、医药、化工等领域得到了广泛的应用。
1．超临界流体：物质以气、液和固3种形式存在，在不同压力和温度下可以相的转换。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。当物质所处的温度高于临界温度、压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。
在压温图中，CO₂的相图如图所示。高于临界温度和临界压力的区域称为超临界区；如果流体被加热或被压缩至其临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液体性质，同时保留有气体性能，这种状态的流体称为超临界流体。
2．超临界萃取原理：从气、液和超临界流体性质的比较可以知道，在临界点附近，压力和温度的微小变化都会引起气体密度的很大变化。超临界流体的密度相当于气体的数百倍，而其流动性和粘度仍接近于气体，扩散系数虽约为气体的1%，但却是液体扩散系数的数百倍，因而在萃取过程中既具有类似气体的高扩散性，又有类似于液体的溶解能力。
在临界区域附近，操作压力和温度的微小变化都会引起流体密度的大幅度变化，因而也将影响其溶解能力；超临界流体萃取技术正是利用这个特性来溶解、提取和分离物质。
第七节 分子蒸馏设备 一、分子蒸馏的原理和特点（一）原理：分子蒸馏是一种特殊的液—液分离技术，其原理是利用分子运动平均自由程的差别，在远低于沸点的情况下将物质分离。它可以克服一般蒸馏技术在分离物质过程中所存在的弊端，而且大大提高了分离效率，是在0.133～1.33Pa的高真空条件下进行的非平衡蒸馏。
图6-51 降膜式分子蒸馏器的结构：溶液经旋转分散器分布，在加热夹套作用下汽化，经旋转汽液分离器分离；馏出液在冷凝器（多管或盘管）中冷凝，残留液排出，配备真空排气系统、旋转刷、冷却液、供给液等部件。
（二）分子蒸馏的特点
二、分子蒸馏设备的结构和应用：由原料罐、分子蒸馏器、残留物受器、馏出物受器、冷阱和油扩散泵、旋片泵组成。
分子蒸馏装置工艺流程简图：1-原料罐；2-分子蒸馏器；3-残留物受器；4-馏出物受器；5-冷阱；6-油扩散泵；7-旋片式真空泵；a.冷却水进口；b.冷却水出口；温度测口；真空测口。
（二）分子蒸馏技术的应用：分子蒸馏具有独特的技术优势，可广泛地应用于国民经济的各个方面，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物料的分离。
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