第三节 过滤设备

过滤是利用多孔介质将悬浮液中的固体微粒截留而使液体自由通过的分离操作。食品工业中在生产饮料、果汁、糖浆、酒类等类产品时，常用过滤方式除去其中的固形物微粒，以提高产品的澄清度，防止制品日后随保存时间延长发生沉淀。

一、过滤过程及设备类型

（一）过滤过程

过滤操作中，一般将被过滤的悬浮液称为滤浆，滤浆中被截留下来的固体微粒称为滤渣，而积聚在过滤介质上的滤渣层则被称为滤饼，透过滤饼和过滤介质的液体称为滤液。过滤过程见图4-21。

完整的过滤操作一般有以下四个工序阶段：①过滤阶段，形成滤饼和产生滤液；②洗涤阶段，利用适当介质（如水）对滤饼中夹带的滤液进行冲洗；③干燥阶段，利用适当手段排除滤饼中液体；④卸料阶段，从过滤介质除去滤饼。其中第①和第④阶段是所有过滤操作必有的阶段，而第②和第③阶段是否进行要视具体应用而定。

过滤介质是过滤机的重要组成部分。工业上常用的过滤介质有三类：①粒状介质，如细纱、石砾、炭等；②织物介质，如金属或非金属丝编织的网、布或无纺织类的纤维纸；③多孔性固体介质，如多孔陶、多孔塑料等。

为防止胶状微粒对滤孔的堵塞，有时用助滤剂（如硅藻土、活性炭等）预涂于过滤介质上，或按一定比例与待过滤悬浮液均匀混合，一起进入过滤机，形成渗透性好、压缩性较低的滤饼，使滤液能顺畅流通。

（二）过滤机类型

过滤机按过滤推动力可分为重力过滤机、加压过滤机和真空过滤机；按过滤介质的性质可分为粒状介质过滤机、滤布介质过滤机、多孔陶瓷介质过滤机和半透膜介质过滤机等；按操作方式可分为间歇式过滤机和连续式过滤机等。

间歇式过滤机的四个过滤操作工序在过滤机同一部位不同时间段依次进行。它的结构简单，但生产能力较低，劳动强度较大。一般加压过滤机多为间歇式过滤机。

连续式过滤机的四个过滤操作工序是同一时间在过滤机不同部位上进行的。它的生产能力较高，劳动强度较小，但结构复杂。一般真空过滤机为连续式过滤机。

二、加压式过滤机

加压过滤机的过滤介质或滤饼一侧压力高于大气压，另一侧为常压或略高于常压，两侧形成的压力差可大于一个大气压。柱塞泵、隔膜泵、螺杆泵、离心泵、压缩气体以及来自压力反应器的物料本身都可提供加压的压力。加压过滤机的常用操作压力范围在0.3～0.5MPa，最高的可达3.5MPa。

加压过滤机的优点：①由于较高的过滤压力，过滤速率较大；②结构紧凑，造价较低；③操作性能可靠，适用范围广。加压过滤机的缺点主要是它的间歇操作方式，有些型式加压过滤机的劳动强度较大。

典型的加压过滤机有板框式压滤机和叶滤机等。

（一）板框式压滤机

板框压滤机的外形和结构如图4-22所示。它由机架与板框组成。机架由固定端板、螺旋（或液压）式压紧装置及一对平行的导轨组成。在压紧装置的前方有一安放在导轨上、可前后移动的活动端板。在固定端板与活动端板之间是相互交替排列、垂直搁置在导轨上的滤板和滤框。滤板和滤框的组数可根据生产能力及滤浆性质确定，一般在10～60组。组装时，交替排列并用滤布隔开的滤框和滤板，用压紧装置压紧。压紧装置可以是手动或电动螺杆，也可以是油压机构。

滤框和滤板的结构如图4-23所示，通常为正方形。滤框内边长范围在200～2000mm，框厚范围在16～80mm。食品工业用的板框压滤机，其滤框和滤板可用不锈钢或塑料等材料制造。滤板和滤框适当（角或边框）位置开有孔，根据安排组装叠在一起后，便形成供滤浆、滤液和洗涤水流动的通道。滤框有与滤浆（有时也可与洗涤水）通道相通的孔道，供滤浆（或洗涤水）进入滤框。滤板上有孔道与滤液通道相通，有些滤板装有供滤液直接排出的旋塞。压滤机的进料有底部进料和顶部进料两种方式。底部进料能够快速排除滤室中的空气，对于一般的固体颗粒能形成厚度均匀的滤饼。顶部进料，可得到最多的滤液和湿含量最少的滤饼，适用于含有大量固体颗粒，有堵塞底部进料口趋势的物料。大型的压滤机则采用底部和顶部同时进料方式。滤板和滤框的液流通道位置应当根据进料方式确定。

压滤机的滤液排出有暗流和明流两种方式。暗流方式是当压滤机锁紧后，由滤板、滤框上的排液孔道形成贯通压滤机整个工作长度的滤液密封通道，滤液经滤板上的排液口流向滤液通道，再从固定端板的排液管道流向滤液贮罐。暗流方式用于滤液是易挥发的或要求清洁卫生避免染菌的物料的过滤。明流方式是通过每块滤板的排液口各自直接流到压滤机下部的敞口集液槽中。明流方式可以观察到每块滤板流出的滤液流是否澄清；若滤布破损，滤液混浊，可关闭此滤板的排液阀，而整个过滤过程仍可继续进行。

板框压滤机对于滤渣压缩性大或近于不可压缩的悬浮液都能适用。适合的悬浮液的固体颗粒浓度一般为10%以下。板框压滤机的食品工业应用例子有：压榨液的进一步精制，脱色处理液去除固形物等。

板框压滤机的优点是：结构较简单、操作容易、运行稳定、保养方便、过滤面积选择灵活、占地小、对物料适应性强。其缺点主要有：板框很难做到无人值守，滤布常常需要人工清理、装拆劳动强度大、不能连续运行，并且滤布消耗大。

（二）叶滤机

叶滤机也是一类间歇加压的过滤设备，主要由耐压的密闭罐体及安装在罐体内的多片滤叶组成。罐体可以有立式和卧式两种形式（图4-24）。

滤叶由金属筛网框架或带沟槽的滤板组成（图4-25），形状有矩形、圆形等，外面可套滤布。滤叶可安装在固定或转动构件上。滤叶在罐内的安装也可有水平和垂直两种取向。垂直滤叶两面均能形成滤饼，而水平滤叶只能在上表面形成滤饼。在同样条件下，水平滤叶的过滤面积为垂直滤叶的1/2，但水平滤叶形成的滤饼不易脱落，操作性能比垂直滤叶好。因此，人们通常用滤叶的安装取向来对叶滤机进行分类。图4-26和图4-27所示分别为垂直滤叶型叶滤机和水平滤叶型叶滤机的例子。

叶滤机的操作周期可分为过滤和洗涤两个阶段。过滤时，将滤叶置于密闭槽中，滤浆处于滤叶外围，借助于滤叶外部的加压或内部的真空进行过滤，滤液在滤叶内汇集后排出，固体粒子则积于滤布上成为滤饼，厚度通常为5～35mm。洗涤时，以洗液代替滤浆，洗液的路径与滤液相同，经过的面积也相等。滤饼可利用振动、转动以及喷射压力水清除，也可打开罐体，抽出滤叶组件，进行人工清除。

叶滤机的主要优点是：灵活性大，单位体积有较大过滤面积，洗涤速率较一般压滤机为快，而且洗涤效果较好。叶滤机的主要缺点是：构造复杂，滤饼不如板框压滤机干燥，也有滤饼不均匀的现象，使用的压差通常不超过400kPa。

加压叶滤机有利于取得滤液。它适用于过滤周期长、滤浆特性恒定的过滤操作。在食品工业中，叶滤机大多以硅藻土预涂层作过滤介质，图4-28所示为一套带预涂硅藻土的叶滤机装置。

叶滤机在食品工业的典型应用对象有食用油、饮料、糖液、味精液等。

三、真空过滤机

真空过滤机是过滤介质的上游为常压、下游为真空的设备，作为过滤推动力的上下游两侧的压力差不超过一个大气压。真空过滤机常用的真空度为0.05～0.08MPa，但也有的超过0.09MPa。真空过滤机可有间歇式和连续式两种型式，但后者应用更广泛。常见的连续式真空过滤机有转鼓式和转盘式等。

真空过滤机的主要优点：①劳动强度小；②能直接观察过滤情况，及时发现问题，便于检查；③维修费用较低。真空过滤机主要缺点如下：①不能过滤低沸点料液；②不能过滤会形成可压缩比滤饼的难过滤物料；③真空系统需经常维护。

连续式真空过滤机除以上特点外，优点是工作效率高，缺点是若进料料浆中的固体颗粒浓度和颗粒粒度分布变动大则过滤的效果差。

（一）转筒式真空过滤机

转筒式真空过滤机如图4-29所示。它的主体为可转动的水平圆筒（截面见图4-30），称为转鼓，其直径为0.3～4.5m，长3～6m。圆筒外表面由多孔板或特殊的排水构件组成，上面覆盖滤布。圆筒内部被分隔成若干个扇形格室，每个格室有吸管与空心轴内的孔道相通，而空心轴内的孔道则沿轴向通往位于轴端并随轴旋转的转动盘上。转动盘与固定盘紧密配合，构成一个特殊的旋转阀，称为分配头，如图4-31所示。固定盘上分成若干个弧形空隙，分别与减压管、洗液贮槽及压缩空气管路相通。

当转鼓旋转时，借分配头的作用，扇形格内分别获得真空和加压，如此便可控制过滤、洗涤等操作循序进行。如图4-30所示，整个转鼓表面可分为六个区，这些区域所对应真空状态与操作情形见表4-6。

转筒式真空过滤机主要优点：①适应性强，凡悬浮液颗粒粒度中等、黏度不太大的物料均适用；②可通过调节转鼓转速来控制滤饼厚度和洗涤效果；③滤布损耗小于其他类型过滤机。这种机型的主要不足之处：①由于以真空为推动力，过滤压差低，最大不超过80kPa，因此，滤饼的湿度较高（一般＞20%）；②设备加工制造复杂，消耗于抽真空的电能高。目前国产的这类机型过滤面积范围一般在5～40m²，最大可达50m²。

（二）转盘真空过滤机

如图4-32所示为转盘真空过滤机简图。它是由一组安装在水平转轴上并随轴旋转的滤盘（或转盘）所构成。转盘真空过滤机及其转盘的结构和操作原理与转筒真空过滤机相类似。盘的每个扇形格各有其出口管道通向中心轴，而当若干个盘联接在一起时，一个转盘的扇形格的出口与其他同相位角转盘相应的出口就形成连续通道。与转筒真空过滤机相似，这些连续通道也与轴端旋转阀（分配头）相连。转盘真空过滤机的操作与转筒真空过滤机甚为相似。每一转盘即相当于一个转鼓，操作循环也受旋转阀的控制。每一转盘各有其滤饼卸料装置，但卸料较为困难。

转盘真空过滤机主要优点是单位过滤面积占地少，单机过滤面积大，最大可达85m²，滤布更换方便、消耗少、能耗也较低。其缺点主要是滤饼的洗涤不良，洗涤水与悬浮液易在滤槽中相混。