高速臥螺離心機(jī)在玉米蛋白分離中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
玉米蛋白是玉米淀粉的副產(chǎn)物深加工后制成的。玉米蛋白中含有豐富的氨基酸和葉黃素，是一種利用率比較高的飼料原料，原有的玉米蛋白生產(chǎn)工藝主要采用板框壓濾機(jī)來進(jìn)行固液分離。但是板框壓濾機(jī)存在占地面積大、自動(dòng)化程度低、作業(yè)環(huán)境差（敞開式作業(yè)）、勞動(dòng)強(qiáng)度高等缺點(diǎn)，而臥式螺旋卸料離心機(jī)（以下簡稱“離心機(jī)”）具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、投入少、不間斷封閉式作業(yè)、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。
1 玉米蛋白的生產(chǎn)工藝及物料特性
1.1 生產(chǎn)工藝
玉米破碎浸泡后通過分離機(jī)分選出淀粉液和蛋白液，蛋白液進(jìn)一步濃縮后進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)行固液分離，分離后的液相則進(jìn)入后續(xù)的水處理過程，固相經(jīng)過烘干后制作成蛋白飼料。
1.2 物料特性
玉米蛋白粉的密度約為1.2g/cm3，進(jìn)料濃度為5%～10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。玉米蛋白液具有黏度高、顆粒細(xì)、沉降速度慢等特點(diǎn)。
1.3 離心機(jī)選型依據(jù)
試管離心機(jī)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如下表所示：
轉(zhuǎn)速（r/min） | 3000 | 4000 | 5000 |
液相含固率/% | 1.65 | 1.64 | 1.62 |
固相含水率/% | 70.30 | 66.50 | 65.20 |
原液含固率/% | 8.30 | ||
原液過濾含固率/% | 1.60 |
從上表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著轉(zhuǎn)速提高，固相含水率和液相含固率都有所下降。原液中的可溶成分濃度為1.6%，實(shí)際不含可溶成分的濃度為6.7%左右。通過計(jì)算可知，含水率為60%的玉米蛋白密度為1.07g/cm3左右，非常接近水的密度。由于二者密度差很小，需要更高的轉(zhuǎn)速才能把玉米蛋白沉降下來，因此選用高速離心機(jī)。
2 高速離心機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特性
2.1 工作原理
該高速離心機(jī)為逆流式離心機(jī)，主要由高強(qiáng)度轉(zhuǎn)鼓、螺旋推料器、行星齒輪差速器、軸承、機(jī)座、機(jī)罩、主副電機(jī)和電氣控制系統(tǒng)組成。
玉米蛋白液經(jīng)進(jìn)料管和螺旋出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片不斷將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下并從排渣口推出。分離后的清液經(jīng)液層調(diào)節(jié)板開口流出轉(zhuǎn)鼓。螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（即差轉(zhuǎn)速）是通過差速器來實(shí)現(xiàn)的，其大小由副電機(jī)來控制。差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相聯(lián)接，輸出軸與螺旋體相聯(lián)接，輸入軸與副電機(jī)相聯(lián)接。主電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)差速器的外殼一起旋轉(zhuǎn)，副電機(jī)通過聯(lián)軸器的聯(lián)接來控制差速器輸入軸的轉(zhuǎn)速，使得差速器能夠按照一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，從而實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)對(duì)玉米蛋白的連續(xù)分離過程。
2.2 結(jié)構(gòu)特性
結(jié)合玉米蛋白的物料特性，選用高速離心機(jī)來對(duì)玉米蛋白進(jìn)行固液分離。高速離心機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了高轉(zhuǎn)速、大長徑比、大錐角等結(jié)構(gòu)。
2.2.1 高速離心機(jī)性能參數(shù)
高速離心機(jī)的性能參數(shù)如下表所示：
項(xiàng)目 | 參數(shù) |
轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑（mm） | 520 |
轉(zhuǎn)速（r/min） | 4000 |
分離因數(shù)（無量綱） | 4659 |
差轉(zhuǎn)速（r/min） | 0～32（可調(diào)） |
主電機(jī)功率（kW） | 55 |
副電機(jī)功率（kW） | 22 |
2.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
（1）高分離因數(shù)
離心機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速大于4000r/min，分離因數(shù)超過4659，已屬于高速離心機(jī)的范疇。
（2）大長徑比
大長徑比能夠增加離心機(jī)有效沉降區(qū)域的面積，延長了玉米蛋白在離心機(jī)內(nèi)部的停留時(shí)間，從而提高玉米蛋白的回收率，使分離后的清液更清澈，減輕了后續(xù)廢水處理的壓力。高速離心機(jī)設(shè)計(jì)的長徑比大于4，較大限度地增加了有效沉降區(qū)域面積，也就是增強(qiáng)了離心機(jī)的處理能力，分離性能也更加優(yōu)越。
（3）大錐角
結(jié)合玉米蛋白的物料特性，以及玉米蛋白離心分離后的渣干液清的要求，設(shè)計(jì)了大錐角的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的半錐角角度大于10°。該結(jié)構(gòu)能夠大大增加液層的深度，與相同長徑比的機(jī)型相比，其澄清段更長；因錐角放大，在脫水區(qū)會(huì)形成更大的擠壓力，使渣相更干，這樣就能更好地保證渣干液清，大大提高了分離效果，從而得到更好的分離性能。
（4）自動(dòng)沖洗功能
由于玉米蛋白有黏性容易發(fā)酵變質(zhì)，所以離心機(jī)在停機(jī)之后需要將內(nèi)部完全沖洗干凈，這樣才不會(huì)影響下一批玉米蛋白的品質(zhì)。離心機(jī)設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)沖洗的結(jié)構(gòu)和程序，能夠?qū)C(jī)座、機(jī)罩、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外和螺旋進(jìn)行全方位沖洗。
（5） 的電器控制系統(tǒng)
電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了 的雙電機(jī)雙變頻共直流母線。離心機(jī)的主電機(jī)和副電機(jī)均采用變頻器控制，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，副電機(jī)因差速作用始終處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，同時(shí)控制系統(tǒng)采用了變頻器共直流母線技術(shù)，副變頻器將副電機(jī)產(chǎn)生的一部分電能反饋給主變頻器，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過雙電機(jī)雙變頻控制技術(shù)，可以精準(zhǔn)地控制離心機(jī)的差轉(zhuǎn)速。
3 高速離心機(jī)的工藝參數(shù)對(duì)玉米蛋白分離效果的影響
采用高速離心機(jī)對(duì)玉米蛋白進(jìn)行固液分離，通過調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速、液層深度等工藝參數(shù)來達(dá)到較佳的分離效果。
3.1 轉(zhuǎn)速的影響
離心機(jī)轉(zhuǎn)速越快，離心力就越大，細(xì)小顆粒的沉降速度就越快，對(duì)固相物的擠壓力也越大，離心機(jī)的分離效果就越好。
不同轉(zhuǎn)速工況下的分離效果如下表所示：
序號(hào) | 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速（r/min） | 主機(jī)電流（A） | 扭矩（N/m） | 取樣次數(shù)（次） | 固相含水率（%） |
1 | 3600 | 73.7 | 34～37 | 5 | 67.2～68.5 |
2 | 3700 | 74.5 | 35～38 | 5 | 66.0～66.9 |
3 | 3800 | 75.6 | 40～44 | 5 | 64.8～65.7 |
4 | 3900 | 76.6 | 39～43 | 5 | 63.4～64.2 |
注：以上數(shù)據(jù)是在離心機(jī)的差轉(zhuǎn)速為8r/min，液層深度為172mm，處理量為10m3/h時(shí)測得的。
通過上表的數(shù)據(jù)可以得出，隨著轉(zhuǎn)速增大，固相含水率降低。但由于轉(zhuǎn)速太快，離心力太大，反而會(huì)形成積料現(xiàn)象，增加了螺旋推料器的負(fù)擔(dān)，從而不利于推料，會(huì)造成清液渾濁，不利于提高分離效果，并且轉(zhuǎn)速越高能耗越大，所以在不影響分離效果的前提下，選擇合適的轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。
3.2 差轉(zhuǎn)速的影響
轉(zhuǎn)鼓與螺旋的轉(zhuǎn)速差叫做差轉(zhuǎn)速，差轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了離心機(jī)的排料速度。在離心力不變的情況下，差轉(zhuǎn)速越大，螺旋推料器的推料速度就越大，就能更快地把玉米蛋白推出出料口，但同時(shí)也會(huì)因玉米蛋白在離心機(jī)內(nèi)部脫水時(shí)間短而造成固相含水率高的情況。
不同差轉(zhuǎn)速工況下的分離效果如下表所示：
序號(hào) | 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速 （r/min） | 差轉(zhuǎn)速（r/min） | 取樣次數(shù)（次） | 固相含水率（%） | 液相含固率（%） |
1 | 3800 | 3 | 5 | 60.5～62.2 | 2.10～2.20 |
2 | 3800 | 5 | 5 | 62.5～64.3 | 1.92～2.00 |
3 | 3800 | 8 | 5 | 65.1～67.2 | 1.81～1.88 |
4 | 3800 | 12 | 5 | 68.2～70.1 | 1.72～1.79 |
5 | 3800 | 15 | 5 | 70.4～72.8 | 1.74～1.80 |
由上表可知，差轉(zhuǎn)速越小，固相含水率越低，同時(shí)也因推料太慢而造成清液含固率偏高，所以在實(shí)際調(diào)試中需要選擇合適的差轉(zhuǎn)速來達(dá)到較佳分離效果。
3.3 液層深度的影響
提高液層深度，相當(dāng)于增加了玉米蛋白在離心機(jī)內(nèi)部的停留時(shí)間，把一些較細(xì)且不易沉降的顆粒給分離出來，降低了離心分離后的清液含固率，但是液層太高會(huì)造成固相中的含水率偏大。
不同液層深度工況下的分離效果如下表所示：
序號(hào) | 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速（r/min） | 液層深度（mm） | 取樣次數(shù)（次） | 固相含水率（%） | 液相含固率（%） |
1 | 3800 | 92 | 5 | 64.3～66.8 | 1.71～1.75 |
2 | 3800 | 90 | 5 | 63.2～66.3 | 1.76～1.82 |
3 | 3800 | 88 | 5 | 62.5～65.4 | 1.84～1.89 |
4 | 3800 | 86 | 5 | 61.3～63.5 | 1.91～1.95 |
5 | 3800 | 84 | 5 | 60.8～62.4 | 2.10～2.50 |
從上表數(shù)據(jù)可知，液層深度越高，液相含固率越低，但固相含水率卻越高，在實(shí)際調(diào)試中需要選擇合適的液層深度達(dá)到較佳分離效果。
4 分離效果
為了滿足客戶“渣干液清”的要求，需綜合調(diào)節(jié)各項(xiàng)工藝參數(shù)，包括調(diào)節(jié)處理量、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、差轉(zhuǎn)速、液層調(diào)節(jié)板等。通過多次調(diào)試，高速離心機(jī)較佳的分離參數(shù)是轉(zhuǎn)速為3850r/min，差轉(zhuǎn)速為3.2r/min，液層深度為88mm，處理量為5.2m3/h，固相含水率為59.4%，液相含固率為1.65%，分離效果可達(dá)到客戶要求。
5 改進(jìn)方向
在本次調(diào)試過程中，由于玉米蛋白的密度較小，清液中出現(xiàn)漂浮顆粒，在分離過程中導(dǎo)致清液含固率偏大，從而影響了處理量。若要降低清液含固率，又要保證固相含水率，需要讓清液中的玉米蛋白在離心機(jī)內(nèi)部停留更長的時(shí)間。一是加大長徑比，讓澄清段更長；二是增加螺旋緩沖板長度，該結(jié)構(gòu)可以使用更高的液層深度，從而延長玉米蛋白的停留時(shí)間，同時(shí)螺旋緩沖板對(duì)固相有一定的擠壓作用，能夠降低固相含水率，使分離效果更好。
6 結(jié)論
離心機(jī)的各個(gè)工藝參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，必須根據(jù)物料的特性和分離要求來調(diào)節(jié)各個(gè)工藝參數(shù)，使其達(dá)到較佳的分離效果，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。通過本次高速離心機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)，積累了在玉米蛋白分離中的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，為以后提升玉米蛋白的分離效果打下了基礎(chǔ)。在處理玉米蛋白分離中，高速離心機(jī)是一個(gè)比較理想的分離設(shè)備。
