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1、 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
2、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
3、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
4、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/m3表示。如我们称 1m3的铁，它的重量是 7860kg，即铁的密度是 7860kg/m3。室温下水的密度是1000kg/m3,石头、木头、水银在室温下的密度分别为 2700 kg/m3、180 kg/m3、13
5、550 kg/m3。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 p 表示，液体用 l 表示，用（p -l）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
6、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p颗粒密度l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： =2( - )18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
7、在水银上面d = 3 m = 3 x 106 m( p l) = (980 1 028) = 48 kg/m3h = 1,42 cP (centipoise) = 1,42 x 103 kg/m, s将上面数值带入公式得： (3 x 106) x 48 9 x 1012 x 481) vg = x 9,81 =x 9,81 =18 x 1,42 x 103 18 x 1,42 x 103= 0,166 x 9,81 = 106 m/s = 0,1663 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
8、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
9、，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
10、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
11、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B1B 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
12、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 的增大而增大，用下面公式(2)计算：a=r2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 ( pl3) vc = r 218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
13、作用下上浮的速度为0,166 x 106 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：2 x n = rad/s 60代入数值得(3 x 106)2 x 48v = x 0,2 x 564,492 = 0,108 x 102 m/s18 x 1,42 x 103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
14、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。分离通道图中所示，挡板呈锥形插入，形成锥形盘，这样增加了有效沉降面积，碟片层层堆叠形成碟片组，焊接在碟片上的呈辐射状的拼装物保持了碟片的正确距离，形成分离通道，拼焊物的厚度决定了通道的宽度。图 6.2.15用于固液分离的三 角旋转挡板离心分离器 从图 6.2.16中看出，液体是如何从外边缘进入通道，从内边缘离开，连续地流向出口的。粒子沉淀在碟片的外侧，形成通道的上表面。液体的速度 在各不同地方是不相同的，靠近碟片处的速度为零，通道中央的速度最大。离心力对所有的粒子都起作用，沉降速度将他们甩到分离器壁上，这样颗粒
15、随液体以 图 6.2.16简化的分离通道和固体颗粒在分离器中的形态的速度旋转，同时以沉降速度 v向器壁辐射。速度 Vp是这两个速度的矢量和，颗粒朝箭头方向移动（为了简化我们假设颗粒是沿图中虚线方向运动） 。为了达到分离，颗粒在到达 B点之前必须沉积在上面的板片上，也就是在等于或大于半径为 r2的位置。一旦沉降了，一体在碟片上表面的速度很小以至于颗粒不会随液体移动。因此在离心力的作用下，颗粒沿碟片壁面下滑，并在 B点的外侧边缘排出，堆积在离心机的周壁上。极限颗粒极限颗粒就是这样的一种尺寸的颗粒，即从适宜的位置如图6.2.17中 A点开始，只能在 B点接触到碟片，所有大于极限颗粒的粒子都能被分离出来。如图 6.2.17中小于极限颗粒的粒子从 AB之间的 C点进入通道，它也能被分离，颗粒越小，C 必须接近 B，以实现分离。牛奶的连续离心分离澄清图 6.2.17所有大于极限颗粒的粒子在阴影部分都会被分离在一个离心澄清机中，牛奶沿碟片外边缘引入，快速流向通往转轴的通道，并有上部出口排除，如图 6.2.18所示。在这过程中，固体杂质分离出来沿着碟片下侧被甩回澄清钵的周围，在此收集到沉淀空间
