幾種高速沉降離心機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
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(shí)現(xiàn)固液分離的過(guò)程?；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(guò)濾介質(zhì)等特點(diǎn)。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(chǎng)合，也可用于液—液兩相、液—液—固三相分離或粒度分級(jí)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。
沉降離心機(jī)相比其他過(guò)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(diǎn)，近年來(lái)在過(guò)濾分離設(shè)備領(lǐng)域占有較大的市場(chǎng)空間。隨著過(guò)濾分離技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)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。其中螺旋卸料沉降式離心機(jī)可實(shí)現(xiàn)排渣和過(guò)濾分離同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到連續(xù)分離的目的，適用于脫水、濃縮、分級(jí)澄清等眾多場(chǎng)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(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。筆者重點(diǎn)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(duì)新開(kāi)發(fā)的立式碟片螺旋卸料離心機(jī)的狀況做了詳述。
一、臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)
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)用較為廣泛。自20世紀(jì)80年代引進(jìn)國(guó)外臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)以來(lái)，我國(guó)臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)通過(guò)消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，已有長(zhǎng)足的發(fā)展。目前我國(guó)臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)制造廠商已從起初能生產(chǎn)轉(zhuǎn)鼓直徑為160mm發(fā)展到現(xiàn)在的1000mm的各種規(guī)格型號(hào)的臥螺離心機(jī)，分離因數(shù)已從1000提高到4000，長(zhǎng)徑比也由2提高到5。除此之外，我國(guó)的相關(guān)科研技術(shù)人員對(duì)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(rùn)滑系統(tǒng)以及人機(jī)控制等。
目前國(guó)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(guò)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(diǎn)：應(yīng)用范圍廣，能滿足各種需要固-液分離的場(chǎng)合，完成固相脫水、液相澄清、液-液-固、液-固-固分離和粒度分級(jí)等分離過(guò)程；對(duì)物料的適應(yīng)范圍較大，能分離固相粒度直徑為5~2000μm，固相濃度為0.5%~40.0%的懸浮液；能自動(dòng)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，裝機(jī)生產(chǎn)能力大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。
2. 工作原理
臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)主要由高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、差速器及驅(qū)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，利用這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)排渣與過(guò)濾分離的連續(xù)進(jìn)行。
3. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
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(guò)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)可以通過(guò)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(shì)是可在設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(yùn)行的場(chǎng)合。
②三相分離
三相分離臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)向心泵來(lái)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-焦炭末的分離、魚(yú)粉加工中魚(yú)油-水-魚(yú)肉的分離、油泥處理過(guò)程中油-泥-水的三相分離等。
二、碟式分離機(jī)
1. 發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)碟式分離機(jī)的研制開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，起步較晚但發(fā)展迅速。大量民營(yíng)企業(yè)的參與，更加重視對(duì)碟式分離機(jī)技術(shù)研發(fā)的投入，包括對(duì)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(cè)手段都對(duì)提高國(guó)產(chǎn)碟式分離機(jī)的質(zhì)量起到很好的推動(dòng)作用，各種先進(jìn)檢測(cè)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(guò)近40年的發(fā)展，我國(guó)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(guó)際接軌。現(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(lái)越受到用戶的信賴，基本可替代進(jìn)口設(shè)備。但是對(duì)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(guó)外相比還存在一定差距。
2. 分類及特點(diǎn)
按分離功能和排渣功能的不同對(duì)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(shí)排出固相微粒。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(dòng)系統(tǒng)為增速傳動(dòng)，一般常用的增速傳動(dòng)方式有螺旋齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)兩種。螺旋齒輪傳動(dòng)具有加工制造容易、結(jié)構(gòu)緊湊、潤(rùn)滑方便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。皮帶傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安裝方便，尤其是在轉(zhuǎn)鼓排渣時(shí)皮帶能緩沖對(duì)機(jī)座與立軸的沖擊力，但皮帶傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。
隨著我國(guó)自動(dòng)化控制水平的不斷提高，很多大型分離機(jī)的自動(dòng)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(duì)于碟式分離機(jī)而言，其自控系統(tǒng)有獨(dú)特之處。從機(jī)器本身的運(yùn)轉(zhuǎn)要求來(lái)看，除了機(jī)器的啟動(dòng)與停機(jī)控制（通過(guò)PLC控制調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)電流），在正常工作時(shí)需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器的工作電流、振動(dòng)大小，并有超電流和超振動(dòng)的自動(dòng)報(bào)警，甚至自動(dòng)停機(jī)。對(duì)于環(huán)閥排渣型碟式分離機(jī)，主要是控制電磁閥的打開(kāi)時(shí)間與周期，對(duì)于DHZ550等大型碟式分離機(jī)，還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)重相出口向心泵的開(kāi)啟直徑，來(lái)獲得所要求的的分離效果。從工藝要求方面，有進(jìn)料流量的自動(dòng)控制與檢測(cè)，還有出料壓力的檢測(cè)與低壓報(bào)警。從機(jī)器的安全運(yùn)行方面，可以監(jiān)測(cè)機(jī)器工作狀況，同時(shí)也有報(bào)警功能。
碟式分離機(jī)由于分離因數(shù)一般大于3500，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150~1000mm，可達(dá)1200mm；轉(zhuǎn)速為6~10kr/min，可達(dá)12kr/min；分離因數(shù)為5000~15000；當(dāng)量沉降面積可達(dá)3×105平方，生產(chǎn)能力可達(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。
3. 應(yīng)用范圍
我國(guó)碟式分離機(jī)開(kāi)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(gè)系列、一百多種不同規(guī)格。
3.1 乳品行業(yè)
隨著我國(guó)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，如牛奶的凈化、牛奶的脫脂、無(wú)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(dòng)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(guó)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～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(dòng)排渣型如DHNZ470等，屬于三相分離。
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(dòng)、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(guò)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、紅花油及麻籽油等的提取和分離，動(dòng)物油如豬油的精煉、魚(yú)油的提取和精制。
自動(dòng)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(guó)內(nèi)近期研發(fā)的DHZ700全自動(dòng)控制油脂專用碟式分離機(jī)的油脂精煉分離日處理量可達(dá)600t，該機(jī)型具有自動(dòng)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(shí)其重相液體向心泵會(huì)自動(dòng)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(shí)，該分離機(jī)在排渣時(shí)無(wú)需停止進(jìn)料，可滿足連續(xù)生產(chǎn)的工藝要求。
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(lái)越多，可達(dá)到年產(chǎn)600kt。我國(guó)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(yùn)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。
以DPF935/260-13-31噴嘴型碟式分離機(jī)為例，該機(jī)型具有以下特點(diǎn)：當(dāng)量沉降面積大，處理量大；分離效果好，其底流濃度、底流的蛋白質(zhì)量、頂流的干物質(zhì)含量等指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小，噪音低；自帶液壓油缸升降系統(tǒng)，在安裝、清洗時(shí)將轉(zhuǎn)鼓部件升起并回轉(zhuǎn)，方便日常維護(hù)；自動(dòng)化控制程度高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如主機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度、軸承溫度及報(bào)警等。
3.4 釀酒工業(yè)和食品飲料行業(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(guò)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(píng)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(guò)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(shí)不需要停止進(jìn)料，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，料液收率高。
三、展望
1.建立沉降離心機(jī)液體動(dòng)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(kāi)發(fā)，使沉降離心機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。
2.通過(guò)企業(yè)與高校、科研院所的合作，對(duì)沉降離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)零件的材料進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，確保沉降離心機(jī)的安全可靠運(yùn)行。
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(yàn)，通過(guò)設(shè)定時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)鼓沉渣區(qū)的填充度，即“自思維”控制系統(tǒng)，可自動(dòng)發(fā)出排渣信號(hào)并自動(dòng)排渣。
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