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1 離心機(jī)的應(yīng)用和選型概述

離心機(jī)與其它分離機(jī)械相比，不僅能得到含濕量低的固相和高純度的液相，而且具有體積小、密封性好、連續(xù)運(yùn)行、自動遙控等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于化工、石化、石油煉制、輕工、醫(yī)藥、食品、紡織、冶金、煤炭、選礦、船舶、環(huán)保、軍工等各個領(lǐng)域。如濕法采煤的煤粉回收；石油開采的鉆井泥漿凈化回用；鈾同位素的濃縮；污水處理的污泥濃縮和脫水；石油化工產(chǎn)品的精制；抗菌素、農(nóng)藥的提取；牛乳、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、動植物油、米糖油、淀粉等食品的制造；織品纖維脫水；潤滑油、燃料油的提純等都需使用離心機(jī)?？梢姡x心機(jī)已成為國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛應(yīng)用的分離設(shè)備。

2 適于不同工藝要求的離心機(jī)機(jī)型簡介

在生產(chǎn)過程中，有脫水、澄清、濃縮、分級、分離等不同的工藝要求。脫水和澄清，其實(shí)質(zhì)就是使懸浮液中固體和液體相互分離開來，脫水是去掉固相中的液相，澄清是去掉液相中的固相。濃縮是使液-液二相中的固相在溶液中的含量提高。分級是使懸浮液中不同粒徑的顆粒，以某一粒徑d_Kp為基準(zhǔn)，分成大于d_Kp和小于d_Kp的二組顆粒組分。分離一般是指二種互不相溶的液相的分離，如果液-液相呈連續(xù)相，則分離僅與它們的比重差有關(guān)；如果一相連續(xù)，另一相分散——即另一相以液滴狀態(tài)分散在連續(xù)相中，構(gòu)成了乳濁液，在此情況下，要把液-液二相分離，則不僅與二相的比重差有關(guān)，而且與分散相的液滴直徑大小有關(guān)。

2.1 脫水過程中涉及的物性參數(shù)、分離要求和設(shè)備選擇

脫水過程是使懸浮液中的固相從液相中分離出來，且要求含的液相越少越好。

（1）物性參數(shù)

懸浮液的固相濃度；固相所含顆粒的大小、形狀、性質(zhì)——是剛體、晶體還是無定形菌絲體；固體的吸水性能，摩擦系數(shù)；懸浮液的溫度，pH值，以及固-液二相比重差，粘度。

（2）經(jīng)離心脫水后的物料要求

脫水后固體允許的含水率；固體是否允許被破碎；液相中允許的含固率等。

（3）考慮選型的離心機(jī)型

①固相濃度較高，固相顆粒是剛體或晶體，且粒徑較大，則可選用離心過濾機(jī)。如果顆粒允許破碎，則可選用刮刀離心機(jī)；顆粒不允許被破碎，則可選用活塞推料或離心力卸料離心機(jī)。脫水性能除與物料本身的吸水性能有關(guān)外，還與離心機(jī)的分離因數(shù)、分離時間、濾網(wǎng)的孔徑、孔隙率等參數(shù)，以及離心機(jī)的材質(zhì)、溶液的pH值、顆粒特性和工藝要求等有關(guān)。

②固相濃度較低，顆粒粒徑很細(xì)，或是無定型的菌絲體，如果選用離心過濾機(jī)，由于粒徑太細(xì)，濾網(wǎng)跑料嚴(yán)重。濾網(wǎng)太細(xì)，則脫水性能下降，無定型的菌絲體和含油的固體顆粒會把濾網(wǎng)堵死，在此情況下，建議采用沒有濾網(wǎng)的三足式沉降離心機(jī)或臥螺沉降離心機(jī)，并根據(jù)固相粒徑大小，液固比重差，選擇合適的分離因數(shù)，長徑比，流量，轉(zhuǎn)差和溢流半徑。如果顆粒大小很不均勻，則可先用篩分把粗顆粒除去，然后再進(jìn)離心機(jī)進(jìn)一步脫水。

③懸浮液中固-液二相的比重差接近，顆粒粒徑在0.05mm以上的，則可選用離心過濾機(jī)。

離心過濾機(jī)與沉降離心機(jī)的脫水機(jī)理不同，前者是通過過濾介質(zhì)——濾網(wǎng)，使固液分離，能耗低，脫水率高；后者是利用固-液比重差不同而進(jìn)行分離，一般情況下，能耗較過濾機(jī)高，脫水率比過濾機(jī)低。這些機(jī)型的選擇還與處理量的大小有關(guān)，處理量大應(yīng)考慮選用連續(xù)型機(jī)器。

2.2 澄清過程中涉及的物性參數(shù)，分離要求和設(shè)備選擇

澄清是指大量的液相中含有少量的固相，希望把少量的固相除去，而使液相得到澄清。

（1）物性參數(shù)

澄清前液相中固相的含量，固相所含顆粒的大小，形狀和性質(zhì)，以及液相的溫度，pH值，粘度，液-固二相的比重差。

（2）澄清后的液相要求

液相的含固量和固相的含濕量。

（3）考慮選擇的離心機(jī)型

大量液相少量固相且固相粒徑很小（10μm以下）或是無定型的菌絲體，可選用臥螺，碟片或管式離心機(jī)。如果固相含量＜1%，粒徑＜5μm則可選用管式或碟片人工排渣離心機(jī)。如果固相含量≤3%，粒徑＜5μm，則可選用碟片活塞排渣離心機(jī)。其中管式離心機(jī)的分離因數(shù)較高（≥10000），可分離粒徑在0.5μm左右的較細(xì)小的顆粒，得到的澄清液清，但單機(jī)處理量小，分離后固渣緊貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，較干。清渣時，需拆開機(jī)器，不能連續(xù)生產(chǎn)，為方便清渣，有的在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁襯有薄薄的塑料紙筒，出渣時把紙筒抽出即可。碟片人工排渣離心機(jī)分離因數(shù)也較高（≈10000），由于碟片組合，沉降面積大，沉降距離小，得到的澄清液也好，且處理量較管式離心機(jī)大，但分離出的固相也沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，需定期拆機(jī)清渣，因此也不能連續(xù)生產(chǎn)。

碟片活塞排渣離心機(jī)分離因數(shù)在10000左右，可以分離粒徑為0.5μm左右的顆粒，得到澄清液也好，分離出的固相沉積在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁上，當(dāng)貯存至一定量后，機(jī)器能自動打開活塞進(jìn)行排渣，因此可連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)?；钊呐旁鼤r間可根據(jù)懸浮液中的固相含量，機(jī)器的單位時間處理量以及轉(zhuǎn)鼓貯渣的有效容積進(jìn)行計(jì)算后確定。排渣方式分部分排渣和全部排渣二種，部分排渣時，機(jī)器供料不間斷，僅瞬間打開活塞排渣，且固渣較干，但固渣在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)可能未被排凈，會造成機(jī)器的振動和液相渾濁，因此經(jīng)一定周期部排后，需進(jìn)行一次全部排渣，即全排。全排是指機(jī)器達(dá)到規(guī)定的排渣時間時，停止供料，活塞打開時間較長，使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的所有液體和固渣全部排放出來。這時得到的固渣含水率很高，液相損耗較大，也有在排渣前停止進(jìn)料，注入自來水或其它回用水來置換分離的液相，以減少料液的損失。

2.3 濃縮過程中涉及的物性參數(shù)，分離要求和設(shè)備選擇

濃縮過程是使懸浮液中的少量固相得到富集，如原來懸浮液中的固相含量為0.5%，通過分離濃縮使其增加到6～8%，這個過程就是濃縮過程。

（1）物性參數(shù)

濃縮前懸浮液中的固相含量，液-固比重差，粘度，固相性質(zhì)和顆粒粒徑分布范圍，懸浮液pH值。

（2）濃縮要求

濃縮后的固相濃度及液相澄清度要求（即液相中允許的含固量）。

（3）考慮選擇的離心機(jī)型

常用的分離設(shè)備有碟片噴嘴排渣離心機(jī)，臥螺離心機(jī)和旋液分離器等。

固-液比重差大的物料，可用旋液分離器，一般采用多級串并聯(lián)流程，如淀粉生產(chǎn)中的濃縮，有色金屬礦的浮選濃縮等等。固-液比重差較小的物料可用碟片噴嘴離心機(jī)或臥螺沉降離心機(jī)，碟片噴嘴離心機(jī)用于固相濃縮較為普遍，濃縮率的大小與懸浮液本身的濃度，固-液比重差，固相顆粒粒徑的分布及噴嘴的孔徑和離心機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。噴嘴孔徑選擇過大，液相隨固相流失較大，固相濃縮率低；噴嘴孔徑選擇小了，則噴嘴易被物料堵塞，使機(jī)器產(chǎn)生振動。進(jìn)料濃度太低時，可采用噴嘴排出液的部分回流，即排出液部分返回離心機(jī)進(jìn)一步濃縮，使固相濃縮率提高。為了選擇合適的噴嘴孔徑，應(yīng)對固相顆粒的粒徑及分布進(jìn)行測定。

臥螺沉降離心機(jī)的濃縮效果與機(jī)器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差、長徑比及固-液相的比重差和處理量有關(guān)，城市污水處理廠的剩余活性污泥使用該機(jī)型可使二沉污泥的含固量從0.5%DS濃縮到8%DS左右，由于該種機(jī)器沒有濾網(wǎng)和噴嘴，因此不會造成物料堵塞現(xiàn)象，一般情況下，臥螺離心機(jī)排出的固相含水率比碟片噴嘴離心機(jī)要低。

2.4 分級過程中涉及的物性參數(shù)，分離要求和分級離心機(jī)的選擇

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)超細(xì)顆粒具有很大的用途。如：超細(xì)的高嶺土可以做 道林紙上的涂料，海底電纜的塑料套管填料，火箭噴嘴的耐高溫材料以及石化催化劑的載體。但超細(xì)顆粒（d≤2μm）用常用的篩分難以分離，而需采用濕法離心的方法加以分離，即把固相顆粒配成一定濃度的溶液（并加適量的分散劑），在一定的分離因數(shù)下，使大于某一粒徑d_Kp的顆粒沉降，小于d_Kp的顆粒不沉降，從而在固液二相中分得大于d_Kp和小于d_Kp的二組顆粒。

（1）物性參數(shù)

分級前懸浮液中的固相含量，固相顆粒的粒徑分布，固液二相比重差，粘度，pH值等。

（2）分級要求

要求分級的顆粒的分割粒徑d_Kp，以及分級效率（即≤d_Kp顆粒的得率）。

（3）考慮選擇的離心機(jī)型

目前常見的機(jī)型是臥螺離心機(jī)，根據(jù)固-液比重差，顆粒粒徑和d_Kp，選擇合適的分離因數(shù)和轉(zhuǎn)差，使大于d_Kp的顆粒沉降下來，由小端以固相排出，小于d_Kp的顆粒保留在液相中，從大端溢流口中隨液相排出，從而達(dá)到顆粒的分級。為了避免小于d_Kp的顆粒被大顆粒夾帶沉降，必須調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差和供料管插入離心機(jī)螺旋中的位置。

對于處理量很小的顆粒分級，可選用三足式沉降離心機(jī)，調(diào)節(jié)合適的分離因數(shù)進(jìn)行處理。

2.5 液-液、液-液-固分離過程中涉及的物性參數(shù)，分離要求和機(jī)型選擇

液-液，液-液-固分離是指二種或三種不相溶的相的分離，分離的原理是利用比重差。常見的有食物油的油-水分離，燃料油和潤滑油的油-水-固分離凈化等等。

（1）物性參數(shù)

液-液或液-液-固的各相組分含量，比重差，粘度，pH值以及乳化狀態(tài)。

（2）分離要求

液-液分離時，應(yīng)確保一相純度，而另一相則應(yīng)相應(yīng)放松一些。液-液-固分離時，基本上與上述相同，但需按固體含量多少來考慮選用人工排渣還是自動排渣的機(jī)型。此外如果遇到乳濁液的分離，在工藝上是否允許添加破乳劑。

（3）考慮選擇的離心機(jī)型

液-液，液-液-固分離處理量小的可以考慮選用管式離心機(jī)，處理大的一般選用碟片人工排渣或活塞排渣離心機(jī)。由于液-液二相的含量不同（如輕相液多，重相液少或輕相液少，重相液多），在管式離心機(jī)和碟片離心機(jī)中均需通過重力環(huán)加以調(diào)節(jié)。在碟片式離心機(jī)中，輕、重液相的含量還與碟片中心孔位置的分布有關(guān)，因此在選擇該種離心機(jī)型時，二相的含量是十分重要的。

3 離心力場的基本特性

3.1 分離因數(shù)

離心機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的離心加速度和重力加速度的比值，稱為該離心機(jī)的分離因數(shù)。

（1）分離因數(shù)是離心機(jī)分離能力的主要指標(biāo)，分離因數(shù)愈大，物料所受的離心力亦大，分離效果就愈好。對于小顆粒，液相粘度大的難分離懸浮液，則需采用分離因數(shù)大的離心機(jī)加以分離。目前工業(yè)用離心機(jī)的分離因數(shù)值由數(shù)百到數(shù)十萬。

（2）分離因數(shù)與離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓半徑成正比，與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的平方也成正比，因此提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速比增大轉(zhuǎn)鼓半徑對分離因數(shù)的影響要大得多。分離因素的極限值取決于轉(zhuǎn)鼓材料的機(jī)械強(qiáng)度，一般超高速離心機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是小直徑，高轉(zhuǎn)速。

3.2 斯托克斯定律

顆粒的沉降速度與顆粒的直徑成平方關(guān)系，與顆粒和液體的密度差成正比，與液體粘度成反比。

在分離過程中，顆粒的沉降速度越大，分離效果就越顯著，斯托克斯定律表明了分離效果與物性參數(shù)的基本關(guān)系。

4 與離心機(jī)選型有關(guān)的物料特性

脫水、澄清、濃縮、分級、分離等分離過程的效率除與離心機(jī)的機(jī)型選擇有關(guān)外，還與分離物料的下列特性（即懸浮液的特性、固體顆粒特性、乳濁液特性等）有關(guān)。

4.1 懸浮液的特性

懸浮液是指液體和懸浮于其中的固體顆粒所組成的系統(tǒng)。根據(jù)固體顆粒的大小與濃度可分為：粗顆粒懸浮液，細(xì)顆粒懸浮液，高深度懸浮液和低濃度懸浮液。固體顆粒的粒度，懸浮液的濃度與濾渣或沉渣的厚度增長率，與離心機(jī)的處理能力有密切的關(guān)系，在設(shè)備選型中占有重要的地位。

懸浮液的粘度取決于液相粘度和懸浮液的濃度。

4.2 固體顆粒特性

固體顆粒特性一般指顆粒群中顆粒的主要物理性質(zhì)，包括顆粒的大小、粒度分布、形狀、比重、表面性質(zhì)等。它們與分離有著密切的關(guān)系：

（1）懸浮液或料漿中的固體顆粒，是由許多單個顆粒和聚集在一起的顆粒團(tuán)組成的混合體。

（2）顆粒的大小和幾何形狀與周圍液體表現(xiàn)間相互作用有關(guān)，顆粒越小，表面積則越大，固-液間的表現(xiàn)效應(yīng)就越顯著。

（3）有些顆粒由于結(jié)晶力或分子間的吸引力很強(qiáng)，顆粒與液體有明顯的界面，因此分離容易，如金屬粉末、砂粒及某些結(jié)晶鹽。有些顆粒如硅酸、粘土、氫氧化鋁、氫氧化鐵，顆粒與液體沒有明顯的界面，分離較困難。

（4）顆?？煞譃閳?jiān)硬和軟脆二種類型，堅(jiān)硬的顆粒比較穩(wěn)定，軟脆的顆粒在輸送、攪拌、混合、凝聚等過程中可能會引起破碎而降低顆粒度，從而影響固液分離效果。

4.3 乳濁液特性

乳濁液是由液體和懸浮于其中的一種或數(shù)種其它液體所組成的系統(tǒng)。換言之，乳濁液是一個多相系統(tǒng)，其中至少有一種液體以液珠的形式，均勻地分散于一個不和它互溶的液體之中。以液珠形式存在的液體稱為分散相（內(nèi)相或非連續(xù)相）；另一相稱為連續(xù)相（外相或非分散相）。乳濁液的液珠直徑一般大于0.1μm。乳濁液的穩(wěn)定性低，當(dāng)懸浮液珠達(dá)一定大小時，組成它的兩相會較快地分層。懸浮液珠的“臨界”大小約等于0.4～0.5μm，當(dāng)懸浮液珠小于此值時，乳濁液顯得穩(wěn)定，組成它的兩相不會分層。此種體系皆有一個較低穩(wěn)定度，這個穩(wěn)定度可因有表面活性劑或固體粉末之存在而大大增加。

乳濁液可根據(jù)組分是連續(xù)相或是非連續(xù)相而分為兩種截然不同的類型，例如油和水所成的乳濁液可以是油內(nèi)水外，也可以是油外水內(nèi)，一般常用O/W或W/O表示這兩種類型（/右邊是外相）。此處的油是廣義的，凡不與水混合者皆謂之油。

乳濁液與懸浮液的區(qū)別是，乳濁液內(nèi)由于濃度的變化可能發(fā)生兩相的轉(zhuǎn)換，即分散相變成連續(xù)相，而連續(xù)相成為分散相。乳濁液的內(nèi)摩擦或粘度和懸浮液一樣，因濃度的不同而改變，而在兩相發(fā)生轉(zhuǎn)換的濃度下，乳濁液的粘度較大。

描述乳濁液的物理性質(zhì)主要包括液珠的大小及其分布、濃度、粘度、布朗運(yùn)動及電現(xiàn)象等等，其中液珠粒度分布測定與時間的關(guān)系常常是研究乳濁液穩(wěn)定時的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。

5 物料的預(yù)處理

從斯托克斯定律知道，顆粒的沉降速度與顆粒的直徑成平方關(guān)系，與顆粒和液體的密度差成正比，與液體粘度成反比，為使分離操作變得容易進(jìn)行，對于一些分離難度較大的物料，沒法通過物理和化學(xué)的方法，使顆粒直徑增大，液體粘度減小和固液密度差增大。另外，為了提高設(shè)備的處理能力和降低物料對設(shè)備的磨損，也應(yīng)采用相應(yīng)的增濃，預(yù)濃縮與防磨損的措施。

5.1 用化學(xué)或物理的方法將懸浮液中的顆粒增大

化學(xué)預(yù)處理主要是凝聚法，絮凝法，物理預(yù)處理為結(jié)晶，溫度調(diào)節(jié)，陳化，冷凍和引入摻合劑以改變懸浮液的性質(zhì)。

5.2 通過溫度調(diào)節(jié)，改善分離液的粘度和密度

（1）如礦物油和水的分離，二者在通常情況下密度均接近于1，但礦物油的密度隨著溫度的升高呈明顯下降的趨勢。因此可通過加溫來加大礦物油和水的密度差。再如糖蜜加水稀釋，既可加大密度差，又可減少粘度。

（2）很多油品在室溫下粘度較高，但加熱后粘度明顯下降。

5. 3 增稠和預(yù)濃縮處理

若懸浮液的濃度很低，直接選用離心機(jī)，因處理量大，則選用機(jī)型大，投資高，運(yùn)行費(fèi)也高。如果通過增稠和預(yù)濃縮，使懸浮液的濃度提高，處理量減小后，再選用離心機(jī)，這樣選的機(jī)型就小，投資減小，運(yùn)行費(fèi)也減小。

常見的預(yù)濃縮方法有：重力沉降，篩分和旋液分離器等等。當(dāng)然在具體應(yīng)用時還需根據(jù)工藝要求，經(jīng)濟(jì)分析綜合考慮。

5.4 防磨損處理

有些物料在分離過程中對離心機(jī)的磨損較大，根據(jù)研究分析和試驗(yàn)結(jié)果，建議在進(jìn)離心機(jī)前，先把物料中較大的顆粒除去，對改善離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的磨損有很好的效果。

6 各種離心機(jī)型對物料的適應(yīng)范圍

離心機(jī)的型式和規(guī)格有許多種，按分離原理分為離心過濾機(jī)，沉降離心機(jī)。在離心過濾機(jī)中，按卸料形式不同又可分為：三足式人工排渣離心機(jī)、三足式刮刀卸料離心機(jī)、活塞推料離心機(jī)、離心力卸料離心機(jī)、進(jìn)動卸料離心機(jī)等等。沉降離心機(jī)中有：臥螺沉降離心機(jī)，立螺沉降離心機(jī)、碟片人工排渣離心機(jī)、碟片噴嘴排渣離心機(jī)、碟片活塞排渣離心機(jī)以及管式離心機(jī)等等。每種機(jī)型中還有大小不同的規(guī)格系列。在這些離心機(jī)型中，它們的分離因數(shù)有高低，對物料的固體濃度有不同的適應(yīng)要求，對固體顆粒的大小、性質(zhì)也有不同的適應(yīng)性，分離后的固相含水率，液相澄清度也各有差異。因此在已知物料分離要求的情況下，如何選擇合適的離心機(jī)是十分重要的，為此介紹各種離心機(jī)型的物料適用范圍表如下：

注：●表示可以采用