離心分離技術(shù)的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀國(guó)外進(jìn)展及大規(guī)模定制設(shè)計(jì)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
雖然分離技術(shù)種類繁多：有機(jī)械的、化學(xué)的、電分離和熱分離等（其中包括離心分離、過濾、超濾、反滲透、結(jié)晶和滲析等技術(shù)），但離心分離技術(shù)與其它技術(shù)相比，有下述幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）占地面積??；（2）停留時(shí)間短；（3）無(wú)需助濾劑；（4）系統(tǒng)密封好；（5）放大簡(jiǎn)單；（6）過程連續(xù)；（7）分離效率易于調(diào)節(jié)；（8）處理量大。故自1836年第一臺(tái)三足式離心機(jī)在德國(guó)問世后，迄今分離技術(shù)有了很大的發(fā)展。各類離心機(jī)種類繁多，正在向高參數(shù)、系列化、專用機(jī)、多功能、新材料及自動(dòng)化等方面發(fā)展，并已廣泛用于化工、食品、輕工、醫(yī)藥、軍工、造船、環(huán)保、生物工程等近三十個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)與模塊化設(shè)計(jì)的普遍應(yīng)用，全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈、多樣化、個(gè)性化的客戶需求為離心分離機(jī)械實(shí)施大規(guī)模定制奠定了基礎(chǔ)，故大規(guī)模定制設(shè)計(jì)（DFMC）已成為設(shè)計(jì)方面的新動(dòng)向。
1 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀及主要差距
1.1 國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀
我國(guó)離心分離行業(yè)尚屬正在發(fā)展中，總體水平不高。隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)保、能源以及裝備對(duì)品質(zhì)的影響有了新的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過國(guó)外技術(shù)交流和合作以及成套項(xiàng)目的引進(jìn)、消化與吸收，促進(jìn)了我國(guó)離心分離技術(shù)的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：
（1）已基本形成了一個(gè)科研、設(shè)計(jì)和制造的體系。
（2）成立了分離領(lǐng)域的學(xué)術(shù)組織。
（3）在基礎(chǔ)理論與應(yīng)用方面進(jìn)行了研究。
（4）目前已能生產(chǎn)三足、上懸、活塞、螺旋、離心力卸料，振動(dòng)、進(jìn)動(dòng)卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁濾等離心機(jī)；分離機(jī)則有碟式、室式及管式。上述產(chǎn)品不僅遍及全國(guó)且遠(yuǎn)銷國(guó)外，且技術(shù)特性較“九五”期間有所提高。
（5）為滿足特殊工藝要求（防污染、密閉、防爆等），一些新型離心機(jī)亦先后問世。
（6）自控技術(shù)與CAD技術(shù)的應(yīng)用。
（7）各種相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。
（8）同國(guó)外著名離心機(jī)廠商的技術(shù)合作。
1.2 主要差距
盡管我國(guó)的離心分離設(shè)備有了很大進(jìn)展，但從整體而言，與世界先進(jìn)國(guó)家相比，差距甚大。主要表現(xiàn)在：
（1）規(guī)格、品種少，系列化程度差。特別缺少集幾種結(jié)構(gòu)形式、集集中推動(dòng)力于一體的復(fù)合式離心機(jī)。
（2）技術(shù)參數(shù)低。國(guó)外離心分離機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)普遍高于我國(guó)，并繼續(xù)向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。以臥螺離心機(jī)為例，近來(lái)研制的機(jī)型為國(guó)內(nèi)較大的，其轉(zhuǎn)鼓直徑亦僅?720mm。長(zhǎng)徑比為L/d=4，分離因數(shù)亦較低。而國(guó)外轉(zhuǎn)鼓直徑已達(dá)?2.1m，長(zhǎng)徑比L/d=6，處理能力大于200m3/h，可用于二相或三相分離。還發(fā)展了雙向擠壓型、沉降、過濾復(fù)合機(jī)型。目前，較先進(jìn)的機(jī)型都采用計(jì)算機(jī)控制，會(huì)隨著物料特性和參數(shù)的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)其相應(yīng)的工況。
（3）產(chǎn)品進(jìn)展緩慢。而國(guó)外，由于采用模塊化的組合結(jié)構(gòu)，特別是采用了大規(guī)模定制設(shè)計(jì)的新手段，故能滿足用戶的個(gè)性化需求，并加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。甚至還儲(chǔ)備所謂“冷凍產(chǎn)品”，以隨時(shí)適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。
（4）其它方面。在產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、自控技術(shù)、加工工藝、新材料的使用、配套產(chǎn)品的品質(zhì)，以及理論研究等方面，均存在不少的差距。
2 國(guó)外離心分離技術(shù)的進(jìn)展
受新技術(shù)推動(dòng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響，國(guó)外離心分離技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
2.1 加強(qiáng)理論研究，選擇較佳設(shè)計(jì)方案
瑞典Alfa-laval公司，在碟片流道研究中發(fā)現(xiàn)，碟片間隙橫斷面上的速度分布取決于一個(gè)無(wú)量綱數(shù)“λ”，而工業(yè)離心機(jī)的“λ”通常在5～28之間。隨著“λ”值的增加，碟片的轉(zhuǎn)速增加，薄層減少，可提高雷諾數(shù)并緩和渦流。通過對(duì)碟片間隔件和分布孔的巧妙設(shè)計(jì)，進(jìn)料量可增加20%，此外，還對(duì)相分離技術(shù)進(jìn)行了研究。
近年來(lái)，研究人員為選擇較佳方案，采用流場(chǎng)分離法、有限元模擬法、大梯度密度梯級(jí)法、反模態(tài)分析法等，對(duì)離心機(jī)的工作性能和關(guān)鍵零件進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)優(yōu)良性能的離心機(jī)提供了理論依據(jù)。并對(duì)帶內(nèi)洗滌的臥螺離心機(jī)中堰池深度以及臥螺離心機(jī)技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系等進(jìn)行了優(yōu)化研究。
2.2 技術(shù)參數(shù)的提高和新機(jī)型的問世
為提高產(chǎn)品的純度，及滿足能源和環(huán)保的要求，高參數(shù)已成為國(guó)外機(jī)型的發(fā)展特點(diǎn)。由于生物工程需要分離極細(xì)的顆粒，如細(xì)菌、酶及胰島素等，故碟式機(jī)已可處理0.1μm微粒，且分離因數(shù)可達(dá)15000。如德國(guó)Westfalia公司的CSA160機(jī)型和瑞典Alfa-laval公司的BTAX510機(jī)型均屬此例。
隨著工藝要求的提高，新機(jī)型不斷問世。美國(guó)Dorr·Oliver公司的BH-46型碟式機(jī)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑已達(dá)1.2m，轉(zhuǎn)鼓重量為4.5t，用2個(gè)功率為220kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)能力為450m3/h，當(dāng)量沉降面積已達(dá)250000㎡。
瑞典Alfa-laval公司用于生物技術(shù)的BTUX510型碟式機(jī)，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的渦流噴嘴。利用噴嘴進(jìn)料黏度和濃度的關(guān)系，可提供恒定的固相濃度，與進(jìn)料速度和固體含量的變化無(wú)關(guān)。
而具有10000分離因數(shù)的臥螺離心機(jī)，可從某種程度上彌補(bǔ)管式分離機(jī)的不足。BTNX3560-A機(jī)型的特點(diǎn)是先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)：主軸承改為彈性安裝，可延長(zhǎng)壽命，降低機(jī)器噪音與振動(dòng)。
德國(guó)Krauss-Maffei公司新研制的SZ型活塞機(jī)，尺寸雖小，卻更能有效進(jìn)行固相分離。還有德國(guó)Flottweg公司用于處理難分離物料的雙錐體臥螺離心機(jī)等。
2.3 新材料的應(yīng)用
為了提高分離機(jī)械的性能、強(qiáng)度、剛度、耐磨性和抗腐蝕性，一批新型材料不斷涌現(xiàn)。如，工程塑料、硬質(zhì)合金以及性能優(yōu)良的耐磨腐蝕不銹鋼材料。
法國(guó)曾研制一種用硬質(zhì)陶瓷制成的轉(zhuǎn)子，英國(guó)也曾研制由合成樹脂構(gòu)成的連續(xù)纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子。
但在碟式機(jī)中，由于需要高強(qiáng)度和一定的耐腐性能，雙相組織的不銹鋼廣泛采用。俄國(guó)研制成功一種雙相鋼04X25H5M2（即04Cr25Ni5Mb2），有足夠的強(qiáng)度和塑性。德國(guó)的Wischnouskii等研制的分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓新材料，具有強(qiáng)度高、塑性和耐腐蝕性好的特點(diǎn)。
為彌補(bǔ)耐蝕和強(qiáng)度之間的矛盾，一些先進(jìn)的制造商普遍采用了轉(zhuǎn)鼓的自增強(qiáng)技術(shù)。
2.4 其它方面進(jìn)展
（1）強(qiáng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化。隨著自動(dòng)控制和傳感技術(shù)的發(fā)展，許多先進(jìn)的自控手段被引入，并對(duì)離心機(jī)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，如溫度、流量、速度、振幅和噪音等進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，并通過傳感器將收集信息輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)系統(tǒng)處理后，可及時(shí)了解各種參數(shù)的變化以采取相應(yīng)的措施。由此出現(xiàn)了無(wú)人操作的碟式分離機(jī)。
（2）各種組合機(jī)和專用機(jī)的開發(fā)。Alfa-laval公司在碟式分離機(jī)上組合螺旋輸送器形成復(fù)合碟式機(jī)；Krauss-Maffei公司的柱錐復(fù)合活塞機(jī)、虹吸刮刀離心機(jī)；Sharpies公司的沉降過濾復(fù)合螺旋離心機(jī)等。此外，還有為滿足特殊工藝要求的專用機(jī)，如：滿足食品和生物醫(yī)藥行業(yè)的FDA（GMP）之機(jī)型。
3 大規(guī)模定制設(shè)計(jì)（DFMC）
設(shè)計(jì)被認(rèn)為是成品形式、成本、可靠性和市場(chǎng)接受程度的重要因素。通常80%的制造成本、50%的品質(zhì)、50%的定單提前期和80%的商業(yè)復(fù)雜性取決于產(chǎn)品和過程的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)規(guī)范（通常包括機(jī)械、電氣與軟件等各方面）由用戶需求和操作規(guī)范所決定。因此，如何很好地滿足用戶的需求，將是設(shè)計(jì)人員首要考慮的問題。
大規(guī)模定制（mass customization，MC）的概念起初出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代晚期，由Davis首先預(yù)見：即大規(guī)模定制是一種通過過程的高度敏捷、柔性和集成以提供給每一個(gè)客戶個(gè)性化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和服務(wù)的能力。
由于設(shè)計(jì)在產(chǎn)品生命周期中的重要性，面向大規(guī)模定制的設(shè)計(jì)已成為設(shè)計(jì)方面的新動(dòng)向。
大規(guī)模定制設(shè)計(jì)（DFMC）（Tseng和Jiao，1996）在產(chǎn)品早期的設(shè)計(jì)階段就考慮范圍經(jīng)濟(jì)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)。DFMC的重點(diǎn)在于把當(dāng)前個(gè)別產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提升到產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品族設(shè)計(jì)中，模塊化技術(shù)的使用無(wú)疑是至關(guān)重要的。
（1）模塊化技術(shù)是一種系統(tǒng)化方法，不僅應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，且貫穿于產(chǎn)品的制造、組織和許多其它階段，即模塊化技術(shù)的實(shí)施必須貫穿于產(chǎn)品的全生命周期，以充分保證大量生產(chǎn)的產(chǎn)品能滿足特定客戶的個(gè)性化需求。
（2）模塊化產(chǎn)品族體系的組成：模塊化設(shè)計(jì)是一種通過采用相似模塊來(lái)產(chǎn)生復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)。構(gòu)建模塊化產(chǎn)品族體系的元素有三種，即公共基（是一組用作基本核心單元的模塊，稱之為產(chǎn)品平臺(tái)）、差異使能（由不同產(chǎn)品所必需的一組不同的功能模塊）和配置機(jī)制（定義了不同模塊間的配置規(guī)則）。
（3）模塊化的不同層次：在模塊化產(chǎn)品族體系中，自頂向下存在著三種不同的層次。即系統(tǒng)層、模塊層和組件層。
4 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，大規(guī)模定制設(shè)計(jì)加速了變異產(chǎn)品的引進(jìn)，并減少了新產(chǎn)品的成本。然而為確保低成本的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，大規(guī)模定制設(shè)計(jì)及其應(yīng)用還有更長(zhǎng)的路要走：世界離心機(jī)行業(yè)正在進(jìn)一步探索和研究，深信國(guó)內(nèi)將會(huì)向國(guó)際水平不斷努力。
