乳品离心分离中文.docx
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乳品离心分离中文
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6.2.1GustafdeLaval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GustafdeLaval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3.2.21882年theAlfaA1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2700kg/m^3、180kg/m^3、13550kg/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（2700–1000）=1700kg/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（180–1000）=–820kg/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=9,81m/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：
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∝m=3x10–6m
（ρp–ρl）
=（980–1028）
=–48kg/m3
h=1,42cP（centipoise）
=1,42x10–3kg/m,s
将上面数值带入公式得：
1）vg
=
（3x10–6）x48
x9,81=
9x10–12x48
x9,81=
18x1,42x10–3
18x1,42x10
–3
=0,166x9,81=10–6m/s=0,166–3mm/s=0,597mm/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
t2t3t
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
BB2hhh1
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
–ρ
p
3）
vc
=
l
rω2
18η
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0,166x10–6m/s（0,6mm/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=5400rpm的作用下上浮的速度：
ω
=
2π
xn
rad/s
60
代入数值得
v=
（3x10–6）2
x48
x0,2x564,492
=0,108x10–2m/s
18x1,42x10–3
即1,08mm/sor3896,0mm/h.，比较两速度3896,0/0,6≈6500，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
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ω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，这样颗粒随液体以ω
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。
由于牛奶以碟片的宽度通过，
所以有足够的时间让很小的颗粒分离。
离心
图6.2.18澄清机中牛奶沿外
边缘进入并快速流向通道
澄清机与分离器最大的不同在于碟片组的设计，澄清机在外边缘没有开孔，出口数目也不同，澄清机一个出口而分离机有两个。
分离
在离心分离机中，碟片组带有垂直的分布孔，图6.2.19表示了脂肪球是怎么从离心分离机的碟片上分离出来的。
这种现象在图6.2.20中更加清楚的展示出来。
图6.2.19牛奶从分布孔中进入碟片组图6.2.20碟片的剖视图，显示牛奶怎样从分布孔进入分离器并分离的
牛奶进入距碟片边缘一定距离的垂直分布孔，在离心力的作用下，牛
奶中的沉淀物和脂肪球根据与连续介质的相对密度的不同，朝里或朝
外运动。
在澄清机中，高密度的固体杂质迅速沉降到分离机的周围，汇集到沉
淀空间中，由于此时牛奶向碟片边缘流动，所以有助于杂质的沉淀。
奶油也就是脂肪球，比脱脂牛奶的密度小，所以在通道内向转轴方
向流动，并通过周口连续地排除。
脱脂牛奶向外流动到碟片外的空间，
进而通过最上面的碟片与钵罩之间的通道排出。
脱脂效率
从牛奶中分离出的脂肪的数量由分离器的设计、牛奶的流量和脂肪
球尺寸的分布决定。
最小的脂肪球尺寸，通常是小于1um，在规定的时间没来得及升，
就被脱脂牛奶从分离器中带出。
脱脂牛奶中残留的脂肪含量通常在0.04—0.07%之间。
如果进入机器的流速减小，那么流过通道的速度也会下降，这就
给奶油足够的时间让它从脂肪出口排出。
也就是脱脂效率随着流速的减小而增加，反之亦然。
奶油中的脂肪含量
进入分离器的牛奶分两部分流出，脱脂牛奶和奶油，其中奶油的
流出量占总的10%左右，奶油的流出量决定了奶油的脂肪含量。
如牛奶脂肪含量为4%，流量为20000l/h，则总的脂肪含量为
4x20000/100=800l/h
加入奶油要求的脂肪含量为40%，则奶油必须用一定量的脱脂奶稀释，脱脂奶稀释后的流量为：
800*100/40=2000l/h
800l/h是纯的脂肪，剩下的1200l/h是脱脂奶。
奶油和脱脂牛奶出口安装节流阀来有效的调节流量，以获得一定脂肪含量要求的奶油。
固体杂质的排除
分离钵中沉降空间里收集的杂质中含有稻草、毛发、
脂肪细胞、白细胞、红细胞、细菌等等，沉淀物的
数量总是变化的，但一般约为1kg/1000L，沉降空
间由分离机的尺寸决定，典型的有10-20L。
图6.2.21带有分布孔和密封槽的锥钵
在使用分离钵时要定期的拆卸分离钵，进行人工清洗沉淀空间，但这需要大量的劳动力。
现代的自动清洗或者是分离钵都配备了自动除渣设备，在预定的时间间隔内，排除沉渣，这就消除了人工清洗，这将在最后：
“排除系统”中介绍。
在分离中，通常是30-60分钟排渣一次。
离心分离机的基础设计
图6.2.25和6.2.26是自动清洗的分离机的剖面图，可以看出它由两部分构成，主体和顶罩，它们通过螺钉拴在一起，垫片组固定在顶盖和钵体中间的分配器之间。
现代的分离机有两种形式：
半开式和封闭式。
半开始的设计
如图6.2.23在半开式分离机中，牛奶通常由一进口进入，
一般在上部，通过固定轴向导管，进入钵体。
当牛奶进入肋型分布器（4）时，将会加速到钵体
旋转速度，然后进入碟片组（3）的分离通道，
离心力将牛奶向外甩成环状圆柱体表面，由于是
常压操作，所以上表面压力跟大气压近似，随着靠近
图6.2.22钵体周围沉淀空间
短暂开合时固体喷出
距轴的外置的变化，压力慢慢变大，到钵体表面，压力最大。
图6.2.23半开式自清洗分离机
1.脱脂牛奶压力盘
2.奶油压力盘
3.碟片组
4.分布器
较重的固体被分离出来收集在沉淀空间里。
奶油向轴方向游动，通过奶油压力盘排出通道。
脱脂牛奶从碟片组脱离从钵体与外罩之间的通道中流向脱脂牛奶压力盘排出。
压力盘
在半开式分离机中，奶牛和脱脂牛奶的出口处安
有一特殊的装置—压力盘。
如图6.2.24所示。
由于该装置的从在，所以通常称半开式分
离机为压力盘式分离机。
静置的压力盘的边缘浸入液体的转动
柱内，连续地排除一定量的液体。
旋转的
图6.2.24位于半开钵体上部的压力盘
液体的动能在压力盘中转化成静压能，该压力总是等于下面液体的压力降。
下游压力降的增加意味着钵体上的液体向里面移动，这样出口的节流作用自动减小，为了防止进入空气，压力盘上覆盖有液体是非常重要的。
密闭式设计
在密闭式分离机中，牛奶是通过轴向进口管进入钵体，并很快达到旋转速度，然后继续通过分布孔进入碟片组。
在操作时，密闭式分离机的钵体完全被牛奶充满，中间没有空气，所以密闭式分离机可以看做是密闭管路的一部分。
外部泵提供的压力足以克服从进口到出口之间奶油和脱脂牛奶的流动阻力，计算叶轮的直接以满足出口压力的要求。
奶油中脂肪含量的控制
压力盘式分离机
1
2
3
4
6
7
8
9
从压力盘中排出的奶油体积可以通过奶油出口的节流阀来控制，阀门渐渐打开，从中流出的奶油体积慢慢增加，脂肪含量慢慢减小。
所以奶油的排出量与脂肪含量是一致的。
如果牛奶的脂肪含量是4%而要求的牛油的脂肪含量是40%，那么出口流量必须调到2000L/h（根据以前的计算）。
如图6.2.27中，脱脂牛奶的出口压力应根据分离机的类型和牛奶的流量调节到一定的数值，奶油出口的流量也应该调到与所需脂肪含量一定的流量。
3
奶油流量计
在压力盘式分离机中奶油的体积是由2
带有流量计（3）的节流阀
（2）控制，1
阀孔的大小有一螺钉调节，节流的液体通过
一带刻度的玻璃管，管内有一短管状的浮子，
当奶油通过时浮子浮起达到一定位置，该位置
根据奶油的流量和粘度而不同。
图6.2.27带手动控制装置的压力盘分离机
1.带节流阀的脱脂牛奶出口
2.脱脂牛奶节流阀
3.奶油流量计
通过分析进入的牛奶的脂肪含量和要求的奶油脂肪含量，计算奶油的体积，调节螺钉，就可粗略的达到设定流量位置。
再根据测得的奶油脂肪含量进行细调。
于是操作员就可知道奶油脂肪含量正确时的浮子的位置。
奶油脂肪含量受进入牛奶的脂肪的含量和生产线中流量的变化影响，有许多仪器（如自动化检测仪器）与调节系统相结合，用于测定奶油中脂肪的含量使之保持一个恒定的值。
密闭式分离机
如图6.2.28所示是自动定压式密闭分离机。
通过控制隔膜阀上的压缩空气来达到要求的压力。
分离过程中，隔膜上受恒压空气压力，隔膜下面
受到产品（脱脂奶）的压力，若产品压力
降低，空气会推动隔膜下降，与隔膜固定
在一起的阀杆也会移动通道变窄，进而使
脱脂奶出口的压力增加到预设值，反之亦然。
图6.2.28脱脂牛奶出口
带有定压装置的封闭式分离钵
图6.2.29压力盘式分离机和密闭
式分离机的奶油出口以及不同距离处的脂肪浓度
压力盘式和密闭式分离机在出口特性上的区别
图6.2.29是压力盘式和密闭式分离机上奶油出口的简图，也体现出两种机器的不同。
在压力盘式分离机中，压力盘出口外径必须浸入旋转的液体中，浸入的距离由奶油中脂肪含量来确定分离机中奶油的自由液面，最内部脂肪含量最大，随着半径增大，脂肪含量一次递减。
通过迫使自由奶油表面向内移动，增加了奶油自由液面到压力盘边缘的距离，这样奶油的脂肪含量就增加了。
如排出的奶油脂肪含量为40%，那么内部的奶油脂肪含量一定很高。
过度浓缩后，增加摩擦，导致内部与空气接触的脂肪球破裂，这将破坏脂肪球导致粘性问题，使脂肪的氧化和水解大大上升。
密闭式分离机奶油从中心部位排出，这个部位的脂肪浓度最高没必要再浓缩。
当排出含脂肪高的奶油时，出口情况的判别显得格外重要。
在奶油脂肪含量达到72%时，脂肪球实际上互相接触在一起。
从压力盘式分离机中出来的奶油中几乎是不可能的，因为在压力盘上不可能达到如此大的压力，而在密闭式分离机上产生高于72%的奶油是可能的。
排出系统
产品和在线清洗
在分离过程中，钵体底部借助水压克服了密封环的阻力而向上移动，滑动钵的位置根据来自顶部的压力、产品压力、而其下部谁的压力的不同而定。
从产品和cip溶液中沉淀下来的污物聚集到钵体周围的沉淀空间中，直到排出系统启动菜排出。
为了清洗较大面积的钵体，水冲阶段就有大量的沉杂和液体排出。
排渣
沉渣自动启动是通过一个设定的定时器或加工线上的某个传感器来实现，或人工按钮。
沉渣排放的情况取决于离心机的类型，但基本上是加入一定量的水来平衡，当水从滑动钵体底部排出时，滑动钵体立刻下降沉渣从周围排出，关闭钵体平衡术由服务系统自动供给。
平衡水推动钵体的底部，克服密封环的阻力上移并下来。
沉渣排放时间约为两点几秒。
离心钵的框架吸收了沉渣能量，沉渣借助重力排到下水道或容器、泵中。
图6.2.30
驱动装置
乳品分离中，分离机安装在一个垂直轴上，此轴由上下两个轴承支撑，大多数情况下垂直轴有水平的涡轮与电机带动，蜗轮提供合适的速度，实现正确连接。
虽然有各种的摩擦联轴器，但各种情况下摩擦是变化的，所以经常允许其与控制启动的程序直连。
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