高等教育生物工程学Ch9.pptx

第九章 过滤、离心、膜分离设备n教学目的与要求教学目的与要求：了解发酵液处理的方法，掌握常用过滤、离心设备。n重点与难点重点与难点：过滤速度强化的方法，常用过滤、离心设备。讲授内容：第一节 过滤速度的强化 第二节 过滤设备 第三节 离心分离设备 第四节 膜分离设备思考题 1.名词解释：过滤介质的渗透性、离心分离因数名词解释：过滤介质的渗透性、离心分离因数 2.过滤介质的技术特性？过滤介质的技术特性？3.悬浮液中颗粒能够分离并沉降在转鼓的条件？悬浮液中颗粒能够分离并沉降在转鼓的条件？4.离心机的分类？离心机的分类？5.如何优化过滤速度？如何优化过滤速度？发酵液一般是悬浮液、需要将液体中的固形物滤去。操作属于化工单元操作的液固分离。液固分离有两种操作方式 沉降 过滤 沉降:重力沉降、离心沉降。过滤:常压、加压、真空、离心过滤。第一节 过滤速度的强化 一、过滤介质 过滤介质的性能1.过滤介质所能截留固体粒子的大小过滤介质所能截留固体粒子的大小 常用孔径大小表示，测量方法有显微镜下直接测量法和“鼓泡点”实验法。2.过滤介质的渗透性过滤介质的渗透性 指一定压力差下，单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量。常用过滤介质1.织物介质织物介质：常用棉纤维、尼纶和涤纶滤布。2.粒状介质粒状介质：硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性 炭、白土等。最常用是最常用是硅藻土硅藻土。优点:化学性能稳定；形状不规则空隙大且多孔；无毒、不可压缩。用法三种：深层过滤介质 1m 预涂层 助滤剂 降低滤饼可压缩性 3.多孔固体介质多孔固体介质:多孔陶瓷、玻璃、塑料等加工成板状或管状，用于微粒含量小的悬浮液过滤。二、过滤操作优化 过滤速度和悬浮液的物理性质和操作条件有关.根据过滤微分方程：q 单位过滤面积上的得到的滤液体积m3/m2；过滤时间，s dq/d过滤速度，m/s；p过滤压力差，Pa；滤液黏度，Pa.s；R滤布阻力，1/m；ro滤饼体积比阻，1/m2 ro=128/(n d4)d 毛细孔直径 毛细孔弯曲因子 n单位面积滤饼的 毛细孔数xo单位体积滤液中滤出的滤饼体积，m3/m3xo 单位体积滤液中滤出的滤饼体积，m3/m3；xo=Ve/V=Al/V=l/q l滤饼厚度m Ve、V滤饼、滤液体积m3 A过滤面积m2 过滤速度与过滤面积、过滤压力差成正比，与滤液黏度成反比，若忽略滤布阻力和滤饼比阻、滤饼厚度成反比。优化过滤操作条件1.改变悬浮液的物理性质 对发酵液进行预处理，目的是对发酵液进行预处理，目的是增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去高价的无机离子和杂蛋白，降低发酵高价的无机离子和杂蛋白，降低发酵液的黏度，实现有效分离。液的黏度，实现有效分离。注意：选择的预处理方法不得对发酵液中的产品造成影响。不能影响产品的质量。方法：加热加热加电解质、絮凝剂和凝固剂加电解质、絮凝剂和凝固剂无机盐无机盐调节调节pH加入助滤剂加入助滤剂需考虑：粒度、品种型号、用量、助滤剂本身不能影响产品质量。2.优化操作条件 提高过滤压差可提高过滤速度、对于不可压缩滤饼ro是常数，可在允许的条件下采用较高的压差；一般发酵液的滤饼为高度可压缩滤饼，滤饼比阻和过滤压差成指数关系：ro=r01 ps 或ro=r02+ps 式中：s、s压缩性指数;一般在0.10.95 s，s=0 不可压缩，s，s=1 完全可压缩；r01、r02、为系数 通过实验确定 间歇恒压过滤操作，开始滤速最大，然后降低，确定最佳过滤时间，即最大平均速度最大平均速度。ta 辅助操作时间 tp 最佳操作时间平均生产能力:W=V/(ta+tp)根据过滤基本方程恒压差积分得：求出V 的解代入W=V/（ta+tp）求出平均生产能力W 令dW/dtp=0 可求出达到最大平均生产能力的时间滤液量:第二节第二节 过滤设备过滤设备 按过滤推动力可分为 常压过滤设备 加压过滤设备 真空过滤设备 一、板框式和板式过滤机 二、真空过滤机 一、板框式和板式过滤机 板框过滤机：常用板框过滤机有BMS、BAS、BMY和BAY系列 B代表板框、M代表明流、A代表暗流、S代表手动压紧、Y代表液压压紧 操作压力0.30.5M Pa 最大1MPa 处理量：1525L/(m2.h)板式过滤机 常用为凹膛板式过滤机、又称箱式过滤机 自动板框压滤机板框式压滤机板框式压滤机板框压滤机的工艺计算：1.物料恒算：已知 须处理滤液量为m kg，固相浓度为x（W%）湿滤渣量为m1kg，湿度为x1（W%）固相浓度1-x1滤液量为Vm3 滤液密度用表示kg/m3 对总物料恒算:m=m1+V.滤液恒算：m(1-x)-m1x1=V.滤渣恒算：m.x=m1(1-x1)可得到滤液量V、滤渣量m1、滤渣中的液体含量m1x1.可选择压滤机2.压滤机选择和台数 一台板框压滤机滤箱体积：Vp=N.A.B.H Vp 滤箱体积m3 N 滤框数 A.B.H分别为滤框的有效高度、宽度、厚度m 若发酵液体积为VF m3 滤渣体积VE与发酵液体积VF之比为E E=VE/VF 滤箱充填系数K 则压滤机台数3.过滤面积 对恒压差、恒速过滤，过滤面积为:忽略滤布阻力：对加压变速过滤比较复杂忽略滤布阻力可用一个恒压差方程来代替4.压滤机的生产能力：间歇操作的平均生产能力 W=V/(a+p)W 压滤机的平均生产能力m3/s V 每批的滤液量m3 a 辅助操作时间 s p 过滤时间 s二、真空过滤机 过滤推动力是大气压和真空度的压力差。过滤最大压差80kPa，一般为2767kPa。用的较多的是转筒真空过滤机。型号有GP、GP-x型 GP为刮刀卸料、GP-x为绳索卸料。过滤面积有1、5、10、20、40等m2，最大50m2。滚筒直径0.34.5m、长度0.36m。滤饼厚度小于40mm。n转筒过滤机的流程 n转筒真空过滤机的结构和操作 转筒过滤机可分为过滤区、洗涤及脱水区、卸渣和再生区。n转筒真空过滤机的生产能力 转筒过滤机的流程转筒真空过滤机的结构1.转鼓2.过滤室3.分配阀4.料液槽5.摇摆搅拌器6.洗涤液喷嘴7.刮刀转筒真空过滤机的结构和操作 转筒过滤机的生产能力：忽略滤布阻力：A转筒过滤面积m2 P 过滤压差Pa 转筒的浸没角 滤液黏度Pa.s ro滤饼的体积比阻1/m2 xo单位体积滤液中滤出滤饼体积m3/m3 滚筒转速r/min例：某工业发酵液=0.00156Pa.s，温度30，用直径1.75m长0.98m转筒过滤机，于压力60kPa真空度下过滤，实际测得滤饼与过滤压力关系为 ro=0.121010 P 0.7，xo=0.30，滚筒转速0.5r/min，浸没角为125滤布阻力忽略，计算.生产能力 .滚筒表面滤饼层厚度。解：过滤面积 A=3.141.750.98=5.39 m3 ro=0.12101060000 0.7=2.651012(1/m3)每小时的生产能力：滤饼层厚度 每小时的滤饼量答：生产能力3.25m3/h,滤饼层厚度6mm.n转盘式真空过滤机水平回转翻盘式真空过滤器 第三节 离心分离设备 离心分离设备有两类：过滤离心分离设备 沉降式离心分离设备 一、离心分离原理和离心分离因数 常用分离机有：管式离心机管式离心机 碟式离心机碟式离心机 习惯上将悬浮液 液-固分离：离心澄清机离心澄清机;离心沉降离心沉降 轻重不同的液-液分离：离心分离机离心分离机.离心分离离心分离。离心沉降离心沉降特点:：1）转鼓无孔 2）固相密度液相密度 3）适合含固量低，粒径小的悬浮液 4）悬浮液 沉渣 澄清液 离心分离离心分离特点：1）转鼓无孔；2）转速更高 3）适合乳浊液；4）乳浊液:轻液重液少量沉渣 碟式离心机的分离原理 碟式离心机是在圆柱型的转鼓内加入许多重叠的碟片缩短颗粒沉降的距离，可以提高分离效率。澄清机分离机 悬浮液中颗粒能够分离并沉降在转悬浮液中颗粒能够分离并沉降在转鼓的条件：鼓的条件：料液在转鼓内的停留时间应大于或料液在转鼓内的停留时间应大于或等于颗粒离心沉降所需要的时间。等于颗粒离心沉降所需要的时间。离心分离因数 离心分离因数离心分离因数是是颗粒在转鼓内受到的颗粒在转鼓内受到的离心力和重力的比值；或受到的离心力和重力的比值；或受到的离心加速离心加速度度和和重力加速度重力加速度的比值。的比值。V圆周线速度m/s V=2rn/60 V=2rn/60 r转鼓直径m n转速r/min根据分离因数的大小可分为三类 1.普通离心机普通离心机，f3000，转鼓直径大转速低。适合分离0.010.1mm固体颗粒。2.高速离心机高速离心机，f 300050000用于分离悬浮液或乳浊液 3.超速离心机超速离心机，f50000，分散度较高的乳浊液 二、常用离心机及选型 1.管式离心机结构及操作 管式离心机转鼓细长、转速高。分为两种类型GF型和GQ型，GF型型用于乳浊液的液-液分离操作；连续操作。GQ型型用于悬浮液的液-固澄清操作，间歇操作，需人工除渣。1.折转器折转器 2.固定机壳固定机壳3.十字形挡板十字形挡板 4.转鼓转鼓5.轻液室轻液室 6.排液罩排液罩7.驱动轴驱动轴 8.环状隔盘环状隔盘9.重液室重液室 管式离心机的生产能力：D1 进料管管径m D转鼓直径m h 转鼓高度m ds 颗粒直径m s 颗粒密度kg/m3 液体密度kg/m3 n离心机的转速 r/m A 转鼓流通截面积m2三足式离心机 间歇式离心机 2.蝶式离心机的结构和操作 蝶式离心机转鼓内装有数十片锥角为60120锥型碟片，间隙0.52.5mm 有简单型和自动排渣型 简单型：用于固体粒子含量1%悬浮液 转鼓内最大沉渣量6080kg 间歇操作间歇操作 自动排渣型：在转鼓直径最大处对称开有824 个孔径0.752mm的排渣孔，开孔数和固体含量有关。也可用活门。分离因数为600011000，能分离的最小颗粒直径0.5微米。用于颗粒直径在320微米的悬浮液分离。连续操作连续操作分分离离用用分分离离机机分离用碟片分离用碟片 n 碟片转速r/min Z 碟片数目 r1、r2 碟片内、外圆半径，m 碟片半锥角，s 被分离颗粒的密度，kg/m3 ds 被分离颗粒的直径，m 料液密度，kg/m3 料液黏度，Pa.s蝶式离心机的生产能力：无论哪一种离心机生产能力计算时，均未考虑发酵液的颗粒浓度均未考虑发酵液的颗粒浓度和澄清液的澄清度的要求和澄清液的澄清度的要求，计算生产能力时需要修正。第四节 膜分离设备 膜分离的方法有：渗透、透析、电渗析、反渗透、微过滤、超滤、气体透过等。生物工业常用的膜分离过程有 微过滤、超滤、反渗透。三种分离方法的原理相同，推动力为压力差，不同的是膜的孔径不同，截留的颗粒大小不同。微过滤膜孔最大，微米反渗透膜孔最小。膜分离nMembrane separation是利用特殊制造的、具有选择透过性能的膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。n膜的定义n在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。n是均匀的一相或是由两相以上凝聚物质所构成的复合体，厚度应在0.5 mm以下，具有两个界面；n膜还必须具有高度的渗透选择性；n面积可以很大，也可以非常微小。n膜分离的基础n根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如过滤（Fitration，F）、微滤（Microfiltration，MF）超滤（Ultrafiltration，UF）。n按膜孔径大小分类n微滤膜微滤膜 0.02520 mn超滤膜超滤膜 0.0010.02 m（120 nm）n反渗透膜反渗透膜 0.00010.001 m（0.11 nm）n纳米过滤膜纳米过滤膜 平均直径2 nm。n按材料分类n合成高分子材料n主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。n聚砜膜的耐高温，适用pH范围广，耐氯能力强，可调节孔径为120 nm。但操作压力极限为0.51.0 MPa。n聚酰胺膜的耐压能力较高，对温度和pH都有很好的稳定性，使用寿命较长，常用于反渗透。n天然高分子材料n醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜。一般使用温度低于4550，pH 38。n无机材料n主要有陶瓷、微孔玻璃等。目前实用化的无机膜主要有孔径0.1 m以上的微滤膜和截留分子量10 kD以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。特点是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但造价较高。膜厚0.51.5微米，常与较厚的多孔支持膜复合，总厚度可达0.1250.25mm。膜分离设备：板式膜分离设备 管式膜分离设备 中空纤维膜分离设备 螺旋卷式膜分离设备管束膜过滤器管束膜过滤器板式膜过滤器板式膜过滤器1滤过液体滤过液体2滤板滤板3刚性多孔支持板刚性多孔支持板4超滤膜超滤膜中空纤维膜过滤器n螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件结构 spiral-woundmembrane modulen新型膜过滤设备介绍：n不锈钢管式膜分离系统n采用坚固的316L不锈钢粉末衬体和TiO2惰性涂层结合，分离孔径50nm100nm非极性无机膜材料，可耐受各种复杂化学环境,分离性能优异。n最高承受压力:7.0MPa，温度200，pH 114谢谢!