乳品-离心分离(中文).docx

离心分离设备与牛奶的标准化 离心分离 背景 1877年4月，德国贸易咱杂志“Milch-Zeitung”刊登了一项关于牛奶分离机器的发明，该机器主要是一个转鼓，转一段时间后，奶牛就会浮在上面， 这样就可以将奶牛从原牛奶中分出来 图6.2.1 Gustaf de Laval第一台连续分离机的发明者看完这篇文章后，年轻的瑞典工程师Gustaf de Laval说：他会让分离技术跟德国一样在瑞典上 演1879年1月15日斯德哥尔摩日报报道说：“自从昨天，一种撤奶皮的离心机展示以来，以 后每天将在11点到12 点之间在Regeringsgatan 大街41号1楼展示这台机器可以看做是一个 由皮带和滑轮驱动的转鼓，由于奶油比牛奶轻， 在离心力的作用下漂浮在牛奶上面，再从导管导 出，收集下来剩下的牛奶则摔到器壁，收集下 来，这样就构成了一个分离设备图3.2.2 1882年the Alfa A 1的第一台分离机器之一如今，大多数同类机器都配备锥形盘栈。

重力沉降从历史的角度来看，离心分离是近一百年来发展起来的发明，是由于重力作用将一种物质从混合物中分离的自然过程沉降作用在无时无刻地出现着，泥土溶于水后很快就分开，过一段时间水又变清；波浪或是游泳者掀起的云沙也是这样；漏入海中的油比水轻，漂浮在水面上，形成一层油膜重力沉降液也是将原始技术应用到日常生活中，用于将图6.2.3沙石、油、冰淇淋混合在水中后又分开脂肪从牛奶中分离牛奶从挤下来放置一段时间后，脂肪凝聚，在牛奶表面形成一层奶牛层，然后用人工方法就能将之掠出来沉降要求液体必须看做是离散的，两种或多种组分混合，一种必须是连续性介质，如牛奶，奶清或是脱脂牛奶是连续性的组分脂肪以小球的形式散布在脱脂牛奶上，直径大约有15um左右牛奶还还有第三组分，如乳腺细胞、碎稻草和毛发等分散固体颗粒分散的其他组分不能互溶，溶解的组分是不能用沉降方法分离的，如乳糖就不能通过沉降分离，但可以通过结晶，然后沉淀而分离分离组分的密度也应不同，这在分离牛奶的过程中是符合的，固体杂质比脱脂牛奶的密度大，而脂肪的密度较小沉淀过程假如一块石头落入水中而没沉下去我们会感到惊讶，同时我们也认为一块软木当然会漂在水面上这是因为我们经验知道石头重而木头轻。

但是我们将石头扔到密度很大的液体水银里面，或是一块铁，将会是怎样的现象了？我们没有经验推断到底是什么样的，我们可能推断石头和铁块沉下去了实际上，石头和铁块都会漂在它上面密度密度是每种物质都有的物理属性，它指单位体积的物质所具有的质量，用kg/m^3表示如我们称1m^3的铁，它的重量是7860kg，即铁的密度是7860kg/m^3室温下水的密度是1000kg/m^3,石头、木头、水银在室温下的密度分别为2700 kg/m^3、180 kg/m^3、13550 kg/m^3当一种物体落入另一种液体是，是否沉降，主要是比较两者的密度的大小，如果物体的密度大于液体的，它将下称，反之漂在上面密度习惯上表示称希腊字母r，固体用ρp 表示，液体用ρl表示，用（ρp -ρl）表示两者的密度差，如石头和水的密度差表示成(2 700 – 1 000) = 1 700 kg/m3，结果是正数，也就是石头的密度大，即石头下沉；木头与水的密度差表示成(180 – 1 000) = – 820 kg/m3，结果是负数，所以木头比水轻，木头落到水中，将浮在水面沉降和浮选速度固体颗粒或液滴进入粘性液态介质，在重力的作用下最终达到匀速降落，我们称这个速度为沉降速度。

如果颗粒的密度小于液态介质的密度，它将匀速上浮，该速度用vg （g为重力加速度）表示，它的大小用下面方程计算：d—— 颗粒直接ρp——颗粒密度ρl——连续性液体介质密度 g = 9,81 m/s2重力加速度如果这些量都已知，那么沉降（上浮）速度可以用下面斯托克斯公式表示：vg =d^2(ρp -ρl)18η由上面颗粒或液滴的沉降（上浮）速度公式可以看出： ●速度跟颗粒的直径的平方成正比；即直径为2cm的颗粒是直径为1cm的颗粒下降速度的4倍；●速度与密度差成正比；●速度与粘度成反比脂肪球的上浮速度当牛奶静置在容器中时，脂肪球会上浮漂在容器上面，它的上浮速度可以用上面公式计算在35℃时，图6.2.5密度低于水银的 铁、石头、软木漂浮在水银上面d = 3 µm = 3 x 10–6 m(ρ p – ρ l)= (980 – 1 028)= – 48 kg/m3h = 1,42 cP (centipoise)= 1,42 x 10–3 kg/m, s将上面数值带入公式得： 1) vg=(3 x 10–6) x 48x 9,81 =9 x 10–12 x 48x 9,81 =18 x 1,42 x 10–318 x 1,42 x 10–3= 0,166 x 9,81 = 10–6 m/s = 0,166–3 mm/s = 0,597 mm/h根据上面的计算，我们知道脂肪上浮的速度很小，3um的脂肪球上浮的速度为0.6um//h.实际上，脂肪群在上浮的过程中速度是很快的。

移动距离 时间 t 2t 3t图6.2.6不同直径脂肪球的上浮 从图6.2.6可以看出不同直径的脂肪球在重力作用下在奶清中的上浮现象刚开始脂肪球位于容器底部，t分钟后一定数量的沉淀物开始移动，3t分钟后，大颗粒沉淀物都漂浮到容器上面同时，尺寸适中的颗粒开始慢慢往上漂浮，而小颗粒的沉淀物几乎没有上浮的痕迹 中间尺寸的颗粒经过6t时间后漂浮到容器上部，而小尺寸的颗粒则需要12t的时间才能抵达重力作用下的颗粒团的分离 图6.2.7A容器中，放有密度大于液体的等直径的离散相固体颗粒，放置很长一段时间，颗粒就沉降到容器底部，这种情况下沉降距离为h1若减小沉降距离，沉降时间会缩短，如B容器，减小了沉降距离，增大了垂直面积以保证同体积沉降距离减少到1/5，而沉降时间也减少到1/5.但是沉降距离和时间减小，所需的面积就增加了重力作用下的连续介质的分离 图6.2.8连续固液分离器图6.2.8所示的容器是将连续介质从液体中分离出来的设备，含有泥浆颗粒的溶液进入容器的一端，通过排入口以一定流量进入另一端，由于大小各异，它们的流动速度各不同。

挡板增加了沉降能力图6.2.9水平挡板增加沉降的能力如果总面积增加的话沉降能力会增加，那么嵌入平行板在容器中，这样就增大了总面积，如图6.2.9所示现在有一些以图6.2.8所示的那样的速度进行的分离通道，总的容量就是速度乘以通道数（也就是总的挡板面积）对分离而言，总的分离量图6.2.10装有倾斜挡板的沉降室使颗粒呈层流状态下降就是最大通过分离器而没流失的体积也就是允许通过的粒子比要求的澄清液的颗粒大 当悬浮液在平板分离器中分离时，分离通道会被分离出的颗粒堵塞，分离将会停下来如果分离采用倾斜挡板，如6.2.10所示，分离出的颗粒在重力的作用下从倾斜板上滑下，落在分离器底部收集下来为什么颗粒会在挡板中间迟缓的下降？图6.2.11中所示的通道截面速度图可以解释：由于通道避免边界层的摩擦作用，使得其处速度变为零图6.2.11各分离通道中颗粒的速度，箭头长度表示速度的大小这层边界对靠经的下层边界起到抑制作用，以此类推，到中间速度最大，图中的速度变化图是在层流状态下测得的驻点处的颗粒仅受重力倾斜挡板中计算时运用投影面积的方法为了充分利用分离器的能力，我们得设计出最佳的挡板面积虽然分离距离没有直接作用于分离能力，但必须流出最小的流通通道，保证不被堵塞。

单固相两液相和两液相的连续分离图6.2.12液液和固液分离设备B进口；B1挡板让清液流出；B2挡板阻挡轻的一体让重的组分流过 B1 B B2 hh h1 hs 图6.2.13旋转物体产生离心力如图6.2.12所示是用于液液两相分离的设备，在重力的作用下，还可以分离悬浊液打开开口B，让离散相进入分离器，由于固相的密度大于两液相，会沉降到底部两液相较小密度的那相漂浮起来，从B1挡板上面流出，较重的一相从B2挡板地下流出B2挡板阻止轻组分从下面流过离心分离分离速度如图6.2.13中，如果一个容器中冲入液体并旋转，将产生离心力这将产生一个离心加速度，这个加速度不像重力加速度那样静止不变的，它的大小随着旋转轴到旋转物体之间的距离（旋转半径r）和旋转速度ω的增大而增大，用下面公式(2)计算：a=rω^2将斯托克斯公式中的重力加速度用上面加速度代替，则分离方程为：d2 (ρ– ρp3)vc=lrω 218η该公式可用于计算各种直径的颗粒的分离速度。

脂肪球的上浮速度方程一可以预测直径为3um的脂肪球在重力作用下上浮的速度为0,166 x 10–6 m/s（0,6 mm/h）；现在利用方程三可以计算出等径的脂肪球在旋转半径为0.2m，转速n = 5 400 rpm的作用下上浮的速度：ω=2 πx nrad/s 60代入数值得v =(3 x 10–6)2x 48x 0,2 x 564,492= 0,108 x 10–2 m/s18 x 1,42 x 10–3即1,08 mm/s or 3 896,0 mm/h.，比较两速度3 896,0/0,6 ≈ 6 500，离心沉降的速度是重力沉降的6500倍固体颗粒的连续离心分离—澄清 图6.2.15所示的是一个用于连续固液分离的离心钵，这种操作称之为澄清将图6.2.10的容器旋转90度，绕轴旋转，就是一个离心分离机的截面 分离通道 。