幾種高速沉降離心機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

牟富君

(江蘇巨能機(jī)械有限公司)

幾種高速沉降離心機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

牟富君

(江蘇巨能機(jī)械有限公司)

根據(jù)螺旋卸料沉降離心機(jī)和碟式分離機(jī)的特點，開發(fā)了一種將碟片與螺旋離心機(jī)復(fù)合的全新沉降離心機(jī)——立式碟片螺旋卸料離心機(jī)，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

螺旋卸料沉降離心機(jī) 碟式分離機(jī) 立式碟片螺旋卸料離心機(jī)

離心沉降是指依靠離心力的作用，固體在液體中沉降，沉降后的物料進(jìn)一步受到離心力的擠壓，實現(xiàn)固液分離的過程[1]?；陔x心沉降原理的離心機(jī)統(tǒng)稱為沉降離心機(jī)。沉降離心機(jī)具有分離因數(shù)高，液固兩相分離后固相沉降在設(shè)備的外壁上，不需要使用過濾介質(zhì)等特點。特別適用于固體顆粒直徑小、兩相密度差小、物料分離困難的場合，也可用于液-液兩相、液-液-固三相分離或粒度分級等，在化工、制藥、冶金、食品及煙草等基礎(chǔ)行業(yè)以及能源、生物、環(huán)保等新型技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[2～4]。

沉降離心機(jī)相比其他過濾分離設(shè)備具有節(jié)能降耗、分離效果好、可調(diào)節(jié)性好及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，近年來在過濾分離設(shè)備領(lǐng)域占有較大的市場空間。隨著過濾分離技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多高效節(jié)能型沉降離心機(jī)，按照原理和結(jié)構(gòu)主要可分為螺旋卸料沉降離心機(jī)、碟式分離機(jī)、管式離心機(jī)及室內(nèi)分離機(jī)等機(jī)型[5，6]。其中螺旋卸料沉降離心機(jī)可實現(xiàn)排渣和過濾分離同時進(jìn)行，達(dá)到連續(xù)分離的目的，適用于脫水、濃縮、分級澄清等眾多場合。另一種應(yīng)用廣泛的沉降離心機(jī)為碟式分離機(jī)，它適用于分離難分離物料，如黏度大、固體顆粒小、密度相近的乳濁液混合物等，在分離原理和性能上有其獨特的技術(shù)特點。筆者重點介紹幾種螺旋卸料沉降離心機(jī)和碟式分離機(jī)的改進(jìn)與創(chuàng)新以及在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用情況。另外，還對新開發(fā)的立式碟片螺旋卸料離心機(jī)的狀況做了詳述。

1 臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)

1.1 發(fā)展?fàn)顩r

螺旋卸料沉降離心機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為臥式和立式兩種，其中臥螺離心機(jī)應(yīng)用最為廣泛。自20世紀(jì)80年代引進(jìn)國外臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)以來，我國臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)通過消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，已有長足的發(fā)展[7,8]。目前我國臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)制造廠商已從最初能生產(chǎn)轉(zhuǎn)鼓直徑為160mm發(fā)展到現(xiàn)在的1 000mm的各種規(guī)格型號的臥螺離心機(jī)，分離因數(shù)已從1 000提高到4 000，長徑比也由2提高到5。除此之外，我國的相關(guān)科研技術(shù)人員對臥式螺旋卸料離心機(jī)做了大量的研究工作，包括技術(shù)參數(shù)、分離工藝、耐磨耐腐材料的研制和選用、安全保護(hù)裝置的創(chuàng)新、減振技術(shù)、軸承潤滑系統(tǒng)以及人機(jī)控制等，目前國內(nèi)臥式螺旋沉降離心機(jī)的研制綜合技術(shù)水平已有了很大的提高。臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)經(jīng)過近30年的研究和工程應(yīng)用，得到迅速發(fā)展，具有以下優(yōu)點：應(yīng)用范圍廣，能滿足各種需要固-液分離的場合，完成固相脫水、液相澄清、液-液-固、液-固-固分離和粒度分級等分離過程；對物料的適應(yīng)范圍較大，能分離固相粒度直徑為5～2 000μm、固相濃度為0.5%～40.0%的懸浮液；能自動、連續(xù)運轉(zhuǎn)，裝機(jī)生產(chǎn)能力大，運行維護(hù)費用較低。

1.2 工作原理

臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)(圖1)主要由高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、差速器及驅(qū)動裝置等部件組成，當(dāng)要分離的懸浮液進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓后，比液相密度大的固體顆粒在離心力作用下快速沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，螺旋輸送器和轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)向相同，但是兩者之間存在轉(zhuǎn)速差，形成相對運動，利用這種相對運動，把沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的固相顆粒送入轉(zhuǎn)鼓小端干燥區(qū)進(jìn)一步脫水后經(jīng)出渣口排出，分離后的清液從轉(zhuǎn)鼓大端溢流口流出，從而實現(xiàn)排渣與過濾分離的連續(xù)進(jìn)行。

圖1 臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)結(jié)構(gòu)

1.3 結(jié)構(gòu)特點

1.3.1 兩相分離

兩相分離的臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)主要包括堰板型和向心泵型兩種。

堰板型兩相分離臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)可通過堰流板調(diào)節(jié)液池深度，改變分離效果。主要應(yīng)用在污泥脫水和化工制藥行業(yè)。這種機(jī)型的不足之處是調(diào)整堰流板高度必須停機(jī)后進(jìn)行。

向心泵型兩相分離臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)(圖2)可以通過向心泵調(diào)節(jié)液池深度，改變分離效果。該設(shè)備的主要優(yōu)勢是可在設(shè)備運行過程中調(diào)節(jié)液池深度，調(diào)節(jié)范圍大且精確，出液更密閉。主要應(yīng)用于工藝參數(shù)不穩(wěn)定和需要密閉運行的場合。

圖2 向心泵型兩相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)

1.3.2 三相分離

三相分離臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)(圖3)可處理含一種固體及兩種互不相溶液體的混合物料，輕相液從堰流板因重力流出，重相液從向心泵輸出，通過調(diào)節(jié)向心泵來改變輕重相液體的分界面，可得到較好的分離效果。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括焦化廠廢水處理中焦油-水-焦碳末的分離、魚粉加工中魚油-水-魚肉的分離、油泥處理過程中油-泥-水的三相分離等[9]。

2 碟式分離機(jī)

2.1 發(fā)展?fàn)顩r

我國碟式分離機(jī)的研制開始于20世紀(jì)70年代，起步較晚但發(fā)展迅速[10]。大量民營企業(yè)的參與，更加重視對碟式分離機(jī)技術(shù)研發(fā)的投入，包括對大型鍛件和精密鑄件材料的研究、分離機(jī)主要零部件的應(yīng)力分析和腐蝕分析以及機(jī)器穩(wěn)定性的研究等。在零件加工工藝上，數(shù)控技術(shù)和加工中心的應(yīng)用、科學(xué)先進(jìn)的檢測手段都對提高國產(chǎn)碟式分離機(jī)的質(zhì)量起到很好的推動作用，各種先進(jìn)檢測儀器的引入也有助于技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備研發(fā)。經(jīng)過近40年的發(fā)展，我國碟式分離機(jī)在技術(shù)和質(zhì)量上都有很大的提高，逐漸與國際接軌?，F(xiàn)有的規(guī)格品種已居其他離心機(jī)之首，在生產(chǎn)數(shù)量、應(yīng)用覆蓋面、出口數(shù)量等方面與其他型式離心機(jī)相比均名列前茅。目前，許多機(jī)型質(zhì)量已經(jīng)基本接近歐洲先進(jìn)水平，越來越受到用戶的信賴，基本可替代進(jìn)口設(shè)備。但是對于大型分離機(jī)和高速分離機(jī)，由于材料和制造精度等原因，與國外相比還存在一定差距。

圖3 液-液-固三相臥式螺旋沉降離心機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 分類及特點

按分離功能和排渣功能的不同對碟式分離機(jī)進(jìn)行分類。按分離功能可分為以下3種類型：澄清型，用于提高液相的純度；凈化型，用于液-液-固的分離，使液相的輕相或重相純凈；濃縮型，用于液-液-固和液-液的分離，使重相或輕相濃縮，同時排除固相微粒。按排渣方法可分為4種類型：人工排渣、活塞排渣、噴嘴排渣、活塞與噴嘴結(jié)合排渣。

碟式分離機(jī)的傳動系統(tǒng)為增速傳動，一般常用的增速傳動方式有螺旋齒輪傳動和皮帶傳動兩種。螺旋齒輪傳動具有加工制造容易、結(jié)構(gòu)緊湊、潤滑方便、費用低廉等優(yōu)點。皮帶傳動的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安裝方便，尤其在轉(zhuǎn)鼓排渣時皮帶能緩沖對機(jī)座與立軸的沖擊力，但皮帶傳動也存在一定的徑向力。目前大功率的碟式分離機(jī)也已相繼使用皮帶傳動系統(tǒng)[11]。

隨著我國自動化控制水平的不斷提高，很多大型分離機(jī)的自動控制系統(tǒng)均采用先進(jìn)的人機(jī)交互界面，其控制的可靠性和穩(wěn)定性都有很好的保證。對于碟式分離機(jī)而言，其自控系統(tǒng)有獨特之處。從機(jī)器本身的運轉(zhuǎn)要求來看，除了機(jī)器的啟動與停機(jī)控制(通過PLC控制調(diào)整啟動時間和最大啟動電流)，在正常工作時需實時監(jiān)測機(jī)器的工作電流、振動大小，并有超電流和超振動的自動報警，甚至自動停機(jī)。對于環(huán)閥排渣型碟式分離機(jī)，主要是控制電磁閥的打開時間與周期，對于DHZ550等大型碟式分離機(jī)，還可以自動調(diào)節(jié)重相出口向心泵的開啟直徑，來獲得所要求的分離效果。從工藝要求方面，有進(jìn)料流量的自動控制與檢測，還有出料壓力的檢測與低壓報警。從機(jī)器的安全運行方面，可以監(jiān)測機(jī)器工作狀況，同時也有報警功能[12]。

碟式分離機(jī)由于分離因數(shù)一般大于3 500，可用于處理常規(guī)離心機(jī)難以有效分離的物料，如高分散的液-液兩相乳濁液，固相顆粒細(xì)小、沉降慢的液-固兩相懸浮物等。碟式分離機(jī)技術(shù)參數(shù)范圍較大，轉(zhuǎn)鼓直徑范圍一般為150～1 000mm，最大已達(dá)1 200mm；轉(zhuǎn)速為6～10kr/min，最高可達(dá)12kr/min；分離因數(shù)為5 000～15 000；當(dāng)量沉降面積最大達(dá)3×105m2，生產(chǎn)能力最大可達(dá)300m3/h。因此具有較好的分離效果，且適用范圍廣、技術(shù)參數(shù)變化范圍大。

2.3 應(yīng)用范圍

我國碟式分離機(jī)開發(fā)和制造已經(jīng)形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，目前已擁有二十多個系列、一百多種不同規(guī)格。

2.3.1 乳品行業(yè)

隨著我國最近幾年乳品工業(yè)的飛速發(fā)展，碟式分離機(jī)在乳品工業(yè)得到了很好的應(yīng)用，如牛奶的凈乳、牛奶的脫脂、無水黃油的精制、牛奶的標(biāo)準(zhǔn)化以及牛奶中細(xì)菌的分離等。

凈乳生產(chǎn)一般采用兩相分離自動排渣碟式分離機(jī)，可用機(jī)型較多，依需求的生產(chǎn)能力而不同，如國產(chǎn)的DHN360，生產(chǎn)能力較低，為5m3/h；DHN470略有提高，為10m3/h；DHN550的生產(chǎn)能力可達(dá)到20m3/h，最大可達(dá)60m3/h。

碟式分離機(jī)用于牛奶脫脂主要應(yīng)用在生產(chǎn)脫脂奶和干酪素的工藝中，常用機(jī)型有人工排渣型如DRY360、DRNZ400和自動排渣型如DHNZ470等，屬于三相分離。

2.3.2 油脂工業(yè)

碟式分離機(jī)在油脂工業(yè)中的應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)，適用于動、植物油的脫膠、加堿中和后的脫皂和水洗后的油-水分離等過程，植物油包括大豆油、菜籽油、棉籽油、葵花籽油、米糠油、茶籽油、紅花油及亞麻籽油等的提取和分離，動物油如豬油的精煉、魚油的提取和精制。

自動排渣和人工清渣兩種三相分離碟式分離機(jī)機(jī)型都被應(yīng)用于油脂工業(yè)中，分離后的輕、重相液體均由向心泵輸出機(jī)外。國內(nèi)近期研發(fā)的DHZ700全自動控制油脂專用碟式分離機(jī)的油脂精煉分離最大日處理量可達(dá)600t，該機(jī)型具有自動排渣功能，每次排渣量基本一致，不易受外界水壓等條件的影響。并且在排渣時其重相液體向心泵會自動提前關(guān)閉，使液-液分離界面位置縮小，能有效防止跑油現(xiàn)象。同時，該分離機(jī)在排渣時無需停止進(jìn)料，可滿足連續(xù)生產(chǎn)的工藝要求。

2.3.3 淀粉工業(yè)

淀粉生產(chǎn)中常使用噴嘴型碟式分離機(jī)進(jìn)行淀粉的預(yù)濃縮、淀粉與蛋白質(zhì)的分離、麩質(zhì)的濃縮以及麩質(zhì)水的澄清等。以前年產(chǎn)10～30kt的淀粉廠普遍采用DPF445/10-14-30和DPF520/13-21-31兩種機(jī)型。隨著近幾年淀粉工業(yè)的大力發(fā)展，年產(chǎn)30～300kt的淀粉生產(chǎn)企業(yè)越來越多，最大的可達(dá)到年產(chǎn)600kt。我國自行生產(chǎn)的DPF800/130-20-31和DPF935/260-20-31噴嘴碟式分離機(jī)，單機(jī)生產(chǎn)能力可達(dá)到年產(chǎn)120kt，并且性能可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，既可提高產(chǎn)品收率，又達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。

目前國內(nèi)最大的噴嘴型碟式淀粉分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑為1 000mm，電機(jī)功率為250kW，處理量可達(dá)到250m3/h。圖4所示為DPF935/260-13-31噴嘴型碟式分離機(jī)簡圖，該機(jī)型具有以下特點：當(dāng)量沉降面積大，處理量大；分離效果好，其底流濃度、底流的蛋白含量、頂流的干物質(zhì)含量等指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小，噪音低；自帶液壓油缸升降系統(tǒng)，在安裝、清洗時將轉(zhuǎn)鼓部件升起并回轉(zhuǎn)，方便日常維護(hù)；自動化控制程度高，可實時監(jiān)測設(shè)備各項運行參數(shù)，如主機(jī)振動強度、軸承溫度及報警等。

圖4 DPF935/260-13-31噴嘴型碟式分離機(jī)簡圖

2.3.4 釀酒工業(yè)和食品飲料工業(yè)

碟式分離機(jī)在釀酒工業(yè)和食品飲料工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如葡萄酒生產(chǎn)中葡萄汁的澄清處理，啤酒釀造過程中麥芽汁和啤酒的澄清，果汁行業(yè)中果肉與果汁(如橙汁、蘋果汁等)的分離、果汁的濃縮，還有茶粉生產(chǎn)工藝中的澄清過程等均可采用碟式分離機(jī)。常用機(jī)型如DHP(Y)616/200-13-31環(huán)閥排渣碟式分離機(jī)，采用定量控制技術(shù)的排渣控制方法，能準(zhǔn)確控制排渣量大小，排渣時不需要停止進(jìn)料，運行穩(wěn)定可靠，料液收率高。

3 立式碟片螺旋卸料離心機(jī)的研發(fā)

螺旋卸料沉降離心機(jī)和碟式分離機(jī)因結(jié)構(gòu)上的差異和特殊性有其各自的優(yōu)勢但也存在不足。螺旋卸料沉降離心機(jī)相對于碟式分離機(jī)分離因數(shù)低，分離效果不是很好，分離后重液含輕液較多，輕液含固量較高，但是能得到濕度較小的固相。碟式分離機(jī)由于分離因數(shù)較高，能得到澄清度較好的液體，但固相含濕率較高，且其排渣過程屬于間歇操作。

筆者整合上述兩種機(jī)型的優(yōu)勢開發(fā)了一種全新的沉降離心機(jī)——立式碟片螺旋卸料離心機(jī)，它是一種將碟片與螺旋離心機(jī)復(fù)合的離心機(jī)。其主要特點在于將碟片置于螺旋離心機(jī)之內(nèi)，碟片、碟片支架和轉(zhuǎn)鼓連接在一起，三者轉(zhuǎn)速相同，與螺旋輸送器轉(zhuǎn)速不同，兩者的轉(zhuǎn)速差在1～100r/min之間，由這樣一個差速雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)構(gòu)成其傳動部件。

立式碟片螺旋卸料離心機(jī)采用直立式結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，工作時物料從機(jī)器上端進(jìn)料口流向轉(zhuǎn)鼓，并通過物料分布器向四周分流，通過底部加速器加速，物料由碟片中心孔進(jìn)入碟片組，在離心力作用下，物料在碟片間進(jìn)行固液分離，顆粒被甩向碟片外側(cè)，液體則從錐形碟片間流向中間，并在抽吸泵的作用下從離心機(jī)上部流出；沉淀的固體在碟片外側(cè)，并聚集到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，通過螺旋和轉(zhuǎn)鼓之間轉(zhuǎn)速差，使得沉渣不斷被螺旋向下推送，最終從轉(zhuǎn)鼓小端的卸料口排出。

圖5 立式碟片螺旋卸料離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

立式碟片螺旋卸料離心機(jī)比普通的螺旋離心機(jī)擁有更高的分離因數(shù)，其分離因數(shù)最高可達(dá)到8 000，且沉降面積大、沉降距離短、螺旋和轉(zhuǎn)鼓的差速可調(diào)，可以得到更清的濾液，同時保證固相濕度小，這是臥螺離心機(jī)和碟式分離機(jī)無法比擬的優(yōu)點。立式碟片螺旋離心機(jī)適用于易起泡物料的分離，為防止物料起泡，采用排液向心泵結(jié)構(gòu)，使機(jī)器在一定壓力下工作，抑制起泡，以利于提高分離效率。適用于生物制藥、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等含固量較高的兩相或三相物料的分離。如生物發(fā)酵中殘渣與液體的分離、果汁與果肉的分離等。

DL400是一種新型碟式螺旋卸料分離機(jī)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑400mm，功率50kW，適合處理含固量為20%～30%的物料，分離能力最大可達(dá)10m3/h，分離后固相含濕量20%左右，液相含固量低于0.2%。若需進(jìn)行固液分離的混合液，選用臥式螺旋沉降離心機(jī)無法分離或澄清度無法達(dá)到；用噴嘴或活塞排渣碟式分離機(jī)又受含固量太高或排渣固相含濕量高的限制；對于含濕量高的固體、既無法過濾又無法進(jìn)一步分離濃縮、后道工序加工難度很大的情況，采用DL400碟式螺旋卸料分離機(jī)，既能達(dá)到有效分離又能獲得低含濕量的固相，可有效解決上述難題。

4 展望

4.1 建立沉降離心機(jī)液體動力學(xué)與分離原理模型，用于指導(dǎo)沉降離心機(jī)的研究和開發(fā)，使沉降離心機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。

4.2 通過企業(yè)與高校、科研院所的合作，對沉降離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)零件的材料進(jìn)行研究和開發(fā)，確保沉降離心機(jī)的安全可靠運行。

4.3 環(huán)閥排渣型碟式分離機(jī)的排渣控制目前還是依靠經(jīng)驗，通過設(shè)定時間周期控制，如果要做到更加精密的控制排渣量，減少料液損失，應(yīng)該采用對轉(zhuǎn)鼓沉渣區(qū)的填充度，即“自思維”控制系統(tǒng)，可自動發(fā)出排渣信號并自動排渣。

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DevelopmentandApplicationofSeveralKindsofHigh-speedSedimentationCentrifuges

MOU Fu-jun
(JiangsuJunengMachineryCo.,Ltd.)

Based on introducing characteristics of the scroll discharge decanting centrifuge and the disc separator, a new decanting centrifuge, i.e. the vertical disc scroll discharge centrifuge was developed and applied in industrial production.

scroll discharge decanting centrifuge, disc separator, vertical disc scroll discharge centrifuge

牟富君(1963-)，工程師，總經(jīng)理，從事過濾和分離設(shè)備的研究和制造工作，mfj@ju-neng.cn。

TQ051.8

A

0254-6094(2017)03-0256-06

2016-03-29，

2017-02-10)