幾種高速沉降離心機的發展及應用

牟富君

(江蘇巨能機械有限公司)

幾種高速沉降離心機的發展及應用

牟富君

(江蘇巨能機械有限公司)

根據螺旋卸料沉降離心機和碟式分離機的特點，開發了一種將碟片與螺旋離心機復合的全新沉降離心機——立式碟片螺旋卸料離心機，并在工業生產中得到了應用。

螺旋卸料沉降離心機 碟式分離機 立式碟片螺旋卸料離心機

離心沉降是指依靠離心力的作用，固體在液體中沉降，沉降后的物料進一步受到離心力的擠壓，實現固液分離的過程[1]?；陔x心沉降原理的離心機統稱為沉降離心機。沉降離心機具有分離因數高，液固兩相分離后固相沉降在設備的外壁上，不需要使用過濾介質等特點。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、食品及煙草等基礎行業以及能源、生物、環保等新型技術領域都有廣泛應用[2～4]。

沉降離心機相比其他過濾分離設備具有節能降耗、分離效果好、可調節性好及應用范圍廣等優點，近年來在過濾分離設備領域占有較大的市場空間。隨著過濾分離技術的發展，出現了越來越多高效節能型沉降離心機，按照原理和結構主要可分為螺旋卸料沉降離心機、碟式分離機、管式離心機及室內分離機等機型[5，6]。其中螺旋卸料沉降離心機可實現排渣和過濾分離同時進行，達到連續分離的目的，適用于脫水、濃縮、分級澄清等眾多場合。另一種應用廣泛的沉降離心機為碟式分離機，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特點。筆者重點介紹幾種螺旋卸料沉降離心機和碟式分離機的改進與創新以及在現代工業中的應用情況。另外，還對新開發的立式碟片螺旋卸料離心機的狀況做了詳述。

1 臥式螺旋卸料沉降離心機

1.1 發展狀況

螺旋卸料沉降離心機根據結構可分為臥式和立式兩種，其中臥螺離心機應用最為廣泛。自20世紀80年代引進國外臥式螺旋卸料沉降離心機以來，我國臥式螺旋卸料沉降離心機通過消化、吸收先進技術，已有長足的發展[7,8]。目前我國臥式螺旋卸料沉降離心機制造廠商已從最初能生產轉鼓直徑為160mm發展到現在的1 000mm的各種規格型號的臥螺離心機，分離因數已從1 000提高到4 000，長徑比也由2提高到5。除此之外，我國的相關科研技術人員對臥式螺旋卸料離心機做了大量的研究工作，包括技術參數、分離工藝、耐磨耐腐材料的研制和選用、安全保護裝置的創新、減振技術、軸承潤滑系統以及人機控制等，目前國內臥式螺旋沉降離心機的研制綜合技術水平已有了很大的提高。臥式螺旋卸料沉降離心機經過近30年的研究和工程應用，得到迅速發展，具有以下優點：應用范圍廣，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、連續運轉，裝機生產能力大，運行維護費用較低。

1.2 工作原理

臥式螺旋卸料沉降離心機(圖1)主要由高轉速的轉鼓、螺旋輸送器、差速器及驅動裝置等部件組成，當要分離的懸浮液進入離心機轉鼓后，比液相密度大的固體顆粒在離心力作用下快速沉降到轉鼓內壁，螺旋輸送器和轉鼓轉向相同，但是兩者之間存在轉速差，形成相對運動，利用這種相對運動，把沉積在轉鼓內壁的固相顆粒送入轉鼓小端干燥區進一步脫水后經出渣口排出，分離后的清液從轉鼓大端溢流口流出，從而實現排渣與過濾分離的連續進行。

圖1 臥式螺旋卸料沉降離心機結構

1.3 結構特點

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可通過堰流板調節液池深度，改變分離效果。主要應用在污泥脫水和化工制藥行業。這種機型的不足之處是調整堰流板高度必須停機后進行。

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

圖2 向心泵型兩相臥螺離心機結構

1.3.2 三相分離

三相分離臥式螺旋卸料沉降離心機(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，通過調節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。主要應用領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

2.1 發展狀況

我國碟式分離機的研制開始于20世紀70年代，起步較晚但發展迅速[10]。大量民營企業的參與，更加重視對碟式分離機技術研發的投入，包括對大型鍛件和精密鑄件材料的研究、分離機主要零部件的應力分析和腐蝕分析以及機器穩定性的研究等。在零件加工工藝上，數控技術和加工中心的應用、科學先進的檢測手段都對提高國產碟式分離機的質量起到很好的推動作用，各種先進檢測儀器的引入也有助于技術創新和設備研發。經過近40年的發展，我國碟式分離機在技術和質量上都有很大的提高，逐漸與國際接軌?，F有的規格品種已居其他離心機之首，在生產數量、應用覆蓋面、出口數量等方面與其他型式離心機相比均名列前茅。目前，許多機型質量已經基本接近歐洲先進水平，越來越受到用戶的信賴，基本可替代進口設備。但是對于大型分離機和高速分離機，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結構

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進行分類。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、活塞與噴嘴結合排渣。

碟式分離機的傳動系統為增速傳動，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、結構緊湊、潤滑方便、費用低廉等優點。皮帶傳動的優勢在于結構簡單、運轉平穩、安裝方便，尤其在轉鼓排渣時皮帶能緩沖對機座與立軸的沖擊力，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也已相繼使用皮帶傳動系統[11]。

隨著我國自動化控制水平的不斷提高，很多大型分離機的自動控制系統均采用先進的人機交互界面，其控制的可靠性和穩定性都有很好的保證。對于碟式分離機而言，其自控系統有獨特之處。從機器本身的運轉要求來看，除了機器的啟動與停機控制(通過PLC控制調整啟動時間和最大啟動電流)，在正常工作時需實時監測機器的工作電流、振動大小，并有超電流和超振動的自動報警，甚至自動停機。對于環閥排渣型碟式分離機，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，還可以自動調節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。從機器的安全運行方面，可以監測機器工作狀況，同時也有報警功能[12]。

碟式分離機由于分離因數一般大于3 500，可用于處理常規離心機難以有效分離的物料，如高分散的液-液兩相乳濁液，固相顆粒細小、沉降慢的液-固兩相懸浮物等。碟式分離機技術參數范圍較大，轉鼓直徑范圍一般為150～1 000mm，最大已達1 200mm；轉速為6～10kr/min，最高可達12kr/min；分離因數為5 000～15 000；當量沉降面積最大達3×105m2，生產能力最大可達300m3/h。因此具有較好的分離效果，且適用范圍廣、技術參數變化范圍大。

2.3 應用范圍

我國碟式分離機開發和制造已經形成系列化、標準化，目前已擁有二十多個系列、一百多種不同規格。

2.3.1 乳品行業

隨著我國最近幾年乳品工業的飛速發展，碟式分離機在乳品工業得到了很好的應用，如牛奶的凈乳、牛奶的脫脂、無水黃油的精制、牛奶的標準化以及牛奶中細菌的分離等。

凈乳生產一般采用兩相分離自動排渣碟式分離機，可用機型較多，依需求的生產能力而不同，如國產的DHN360，生產能力較低，為5m3/h；DHN470略有提高，為10m3/h；DHN550的生產能力可達到20m3/h，最大可達60m3/h。

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

2.3.2 油脂工業

碟式分離機在油脂工業中的應用歷史久遠，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機型都被應用于油脂工業中，分離后的輕、重相液體均由向心泵輸出機外。國內近期研發的DHZ700全自動控制油脂專用碟式分離機的油脂精煉分離最大日處理量可達600t，該機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閉，使液-液分離界面位置縮小，能有效防止跑油現象。同時，該分離機在排渣時無需停止進料，可滿足連續生產的工藝要求。

2.3.3 淀粉工業

淀粉生產中常使用噴嘴型碟式分離機進行淀粉的預濃縮、淀粉與蛋白質的分離、麩質的濃縮以及麩質水的澄清等。以前年產10～30kt的淀粉廠普遍采用DPF445/10-14-30和DPF520/13-21-31兩種機型。隨著近幾年淀粉工業的大力發展，年產30～300kt的淀粉生產企業越來越多，最大的可達到年產600kt。我國自行生產的DPF800/130-20-31和DPF935/260-20-31噴嘴碟式分離機，單機生產能力可達到年產120kt，并且性能可靠、運轉平穩，既可提高產品收率，又達到節能環保的要求。

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

圖4 DPF935/260-13-31噴嘴型碟式分離機簡圖

2.3.4 釀酒工業和食品飲料工業

碟式分離機在釀酒工業和食品飲料工業中得到了廣泛的應用，如葡萄酒生產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，還有茶粉生產工藝中的澄清過程等均可采用碟式分離機。常用機型如DHP(Y)616/200-13-31環閥排渣碟式分離機，采用定量控制技術的排渣控制方法，能準確控制排渣量大小，排渣時不需要停止進料，運行穩定可靠，料液收率高。

3 立式碟片螺旋卸料離心機的研發

螺旋卸料沉降離心機和碟式分離機因結構上的差異和特殊性有其各自的優勢但也存在不足。螺旋卸料沉降離心機相對于碟式分離機分離因數低，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。碟式分離機由于分離因數較高，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型的優勢開發了一種全新的沉降離心機——立式碟片螺旋卸料離心機，它是一種將碟片與螺旋離心機復合的離心機。其主要特點在于將碟片置于螺旋離心機之內，碟片、碟片支架和轉鼓連接在一起，三者轉速相同，與螺旋輸送器轉速不同，兩者的轉速差在1～100r/min之間，由這樣一個差速雙轉子系統構成其傳動部件。

立式碟片螺旋卸料離心機采用直立式結構形式，其結構如圖5所示，工作時物料從機器上端進料口流向轉鼓，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入碟片組，在離心力作用下，物料在碟片間進行固液分離，顆粒被甩向碟片外側，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上部流出；沉淀的固體在碟片外側，并聚集到轉鼓內壁上，通過螺旋和轉鼓之間轉速差，使得沉渣不斷被螺旋向下推送，最終從轉鼓小端的卸料口排出。

圖5 立式碟片螺旋卸料離心機結構簡圖

立式碟片螺旋卸料離心機比普通的螺旋離心機擁有更高的分離因數，其分離因數最高可達到8 000，且沉降面積大、沉降距離短、螺旋和轉鼓的差速可調，可以得到更清的濾液，同時保證固相濕度小，這是臥螺離心機和碟式分離機無法比擬的優點。立式碟片螺旋離心機適用于易起泡物料的分離，為防止物料起泡，采用排液向心泵結構，使機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、化學工業等含固量較高的兩相或三相物料的分離。如生物發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，轉鼓內直徑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%。若需進行固液分離的混合液，選用臥式螺旋沉降離心機無法分離或澄清度無法達到；用噴嘴或活塞排渣碟式分離機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，既能達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 建立沉降離心機液體動力學與分離原理模型，用于指導沉降離心機的研究和開發，使沉降離心機應用領域更為廣泛。

4.2 通過企業與高校、科研院所的合作，對沉降離心機高速旋轉零件的材料進行研究和開發，確保沉降離心機的安全可靠運行。

4.3 環閥排渣型碟式分離機的排渣控制目前還是依靠經驗，通過設定時間周期控制，如果要做到更加精密的控制排渣量，減少料液損失，應該采用對轉鼓沉渣區的填充度，即“自思維”控制系統，可自動發出排渣信號并自動排渣。

[1] Rushton A ，Ward A S， Holdich R G，著，朱企新，許莉，譚蔚，等譯.固液兩相過濾及分離技術[M]. 北京：化學工業出版社，2005.

[2] 黃世剛，黃勇，黃晶，等.臥式螺旋卸料沉降離心機應用于煙草漿料分離[J]，山東化工，2015，44(5)，96～99.

[3] 王福航．臥式螺旋卸料沉降離心機應用于鹽泥分離[J]．純堿工業，2014，(1)：27～30.

[4] 周翠紅，凌鷹，申文君，等． 臥式螺旋沉降離心機污泥脫水模擬研究[J]．機械工程學報，2014，50 (16):206～211.

[5] 全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會. 工業離心機和過濾機選用手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2014.

[6] 施震榮. 工業離心機選用手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2003.

[7] 張臘明. 立式螺旋卸料沉降離心機的研制[D]. 大連：大連理工大學，2007.

[8] 黃志新，錢才富，范德順. 臥式螺旋卸料沉降離心機節能研究進展[J]．石油化工設備，2008，37(1)：45～48.

[9] 李龍. 三相臥螺離心機轉鼓動靜態分析及參數優化[D]. 蘭州：天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，2014.

[10] 牟富君. 我國碟式分離機的現狀與發展趨勢[C].中美國際過濾與分離技術研討會論文集. 上海：中國技術市場協會過濾與分離專業委員會，2009.

[11] 劉廣明. 碟式分離機分離效果的分析研究[J]．過濾與分離，2009，19(1)：27～30.

[12] 牟宇慧，牟富君. DHZ550型自清式碟式分離機的研制[J]．中國油脂，2014，39(7)：77～79.

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，總經理，從事過濾和分離設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)