几种高速沉降离心机的发展及应用

牟富君

(江苏巨能机械有限公司)

几种高速沉降离心机的发展及应用

牟富君

(江苏巨能机械有限公司)

根据螺旋卸料沉降离心机和碟式分离机的特点，开发了一种将碟片与螺旋离心机复合的全新沉降离心机——立式碟片螺旋卸料离心机，并在工业生产中得到了应用。

螺旋卸料沉降离心机 碟式分离机 立式碟片螺旋卸料离心机

离心沉降是指依靠离心力的作用，固体在液体中沉降，沉降后的物料进一步受到离心力的挤压，实现固液分离的过程[1]。基于离心沉降原理的离心机统称为沉降离心机。沉降离心机具有分离因数高，液固两相分离后固相沉降在设备的外壁上，不需要使用过滤介质等特点。特别适用于固体颗粒直径小、两相密度差小、物料分离困难的场合，也可用于液-液两相、液-液-固三相分离或粒度分级等，在化工、制药、冶金、食品及烟草等基础行业以及能源、生物、环保等新型技术领域都有广泛应用[2～4]。

沉降离心机相比其他过滤分离设备具有节能降耗、分离效果好、可调节性好及应用范围广等优点，近年来在过滤分离设备领域占有较大的市场空间。随着过滤分离技术的发展，出现了越来越多高效节能型沉降离心机，按照原理和结构主要可分为螺旋卸料沉降离心机、碟式分离机、管式离心机及室内分离机等机型[5，6]。其中螺旋卸料沉降离心机可实现排渣和过滤分离同时进行，达到连续分离的目的，适用于脱水、浓缩、分级澄清等众多场合。另一种应用广泛的沉降离心机为碟式分离机，它适用于分离难分离物料，如黏度大、固体颗粒小、密度相近的乳浊液混合物等，在分离原理和性能上有其独特的技术特点。笔者重点介绍几种螺旋卸料沉降离心机和碟式分离机的改进与创新以及在现代工业中的应用情况。另外，还对新开发的立式碟片螺旋卸料离心机的状况做了详述。

1 卧式螺旋卸料沉降离心机

1.1 发展状况

螺旋卸料沉降离心机根据结构可分为卧式和立式两种，其中卧螺离心机应用最为广泛。自20世纪80年代引进国外卧式螺旋卸料沉降离心机以来，我国卧式螺旋卸料沉降离心机通过消化、吸收先进技术，已有长足的发展[7,8]。目前我国卧式螺旋卸料沉降离心机制造厂商已从最初能生产转鼓直径为160mm发展到现在的1 000mm的各种规格型号的卧螺离心机，分离因数已从1 000提高到4 000，长径比也由2提高到5。除此之外，我国的相关科研技术人员对卧式螺旋卸料离心机做了大量的研究工作，包括技术参数、分离工艺、耐磨耐腐材料的研制和选用、安全保护装置的创新、减振技术、轴承润滑系统以及人机控制等，目前国内卧式螺旋沉降离心机的研制综合技术水平已有了很大的提高。卧式螺旋卸料沉降离心机经过近30年的研究和工程应用，得到迅速发展，具有以下优点：应用范围广，能满足各种需要固-液分离的场合，完成固相脱水、液相澄清、液-液-固、液-固-固分离和粒度分级等分离过程；对物料的适应范围较大，能分离固相粒度直径为5～2 000μm、固相浓度为0.5%～40.0%的悬浮液；能自动、连续运转，装机生产能力大，运行维护费用较低。

1.2 工作原理

卧式螺旋卸料沉降离心机(图1)主要由高转速的转鼓、螺旋输送器、差速器及驱动装置等部件组成，当要分离的悬浮液进入离心机转鼓后，比液相密度大的固体颗粒在离心力作用下快速沉降到转鼓内壁，螺旋输送器和转鼓转向相同，但是两者之间存在转速差，形成相对运动，利用这种相对运动，把沉积在转鼓内壁的固相颗粒送入转鼓小端干燥区进一步脱水后经出渣口排出，分离后的清液从转鼓大端溢流口流出，从而实现排渣与过滤分离的连续进行。

图1 卧式螺旋卸料沉降离心机结构

1.3 结构特点

1.3.1 两相分离

两相分离的卧式螺旋卸料沉降离心机主要包括堰板型和向心泵型两种。

堰板型两相分离卧式螺旋卸料沉降离心机可通过堰流板调节液池深度，改变分离效果。主要应用在污泥脱水和化工制药行业。这种机型的不足之处是调整堰流板高度必须停机后进行。

向心泵型两相分离卧式螺旋卸料沉降离心机(图2)可以通过向心泵调节液池深度，改变分离效果。该设备的主要优势是可在设备运行过程中调节液池深度，调节范围大且精确，出液更密闭。主要应用于工艺参数不稳定和需要密闭运行的场合。

图2 向心泵型两相卧螺离心机结构

1.3.2 三相分离

三相分离卧式螺旋卸料沉降离心机(图3)可处理含一种固体及两种互不相溶液体的混合物料，轻相液从堰流板因重力流出，重相液从向心泵输出，通过调节向心泵来改变轻重相液体的分界面，可得到较好的分离效果。主要应用领域包括焦化厂废水处理中焦油-水-焦碳末的分离、鱼粉加工中鱼油-水-鱼肉的分离、油泥处理过程中油-泥-水的三相分离等[9]。

2 碟式分离机

2.1 发展状况

我国碟式分离机的研制开始于20世纪70年代，起步较晚但发展迅速[10]。大量民营企业的参与，更加重视对碟式分离机技术研发的投入，包括对大型锻件和精密铸件材料的研究、分离机主要零部件的应力分析和腐蚀分析以及机器稳定性的研究等。在零件加工工艺上，数控技术和加工中心的应用、科学先进的检测手段都对提高国产碟式分离机的质量起到很好的推动作用，各种先进检测仪器的引入也有助于技术创新和设备研发。经过近40年的发展，我国碟式分离机在技术和质量上都有很大的提高，逐渐与国际接轨。现有的规格品种已居其他离心机之首，在生产数量、应用覆盖面、出口数量等方面与其他型式离心机相比均名列前茅。目前，许多机型质量已经基本接近欧洲先进水平，越来越受到用户的信赖，基本可替代进口设备。但是对于大型分离机和高速分离机，由于材料和制造精度等原因，与国外相比还存在一定差距。

图3 液-液-固三相卧式螺旋沉降离心机结构

2.2 分类及特点

按分离功能和排渣功能的不同对碟式分离机进行分类。按分离功能可分为以下3种类型：澄清型，用于提高液相的纯度；净化型，用于液-液-固的分离，使液相的轻相或重相纯净；浓缩型，用于液-液-固和液-液的分离，使重相或轻相浓缩，同时排除固相微粒。按排渣方法可分为4种类型：人工排渣、活塞排渣、喷嘴排渣、活塞与喷嘴结合排渣。

碟式分离机的传动系统为增速传动，一般常用的增速传动方式有螺旋齿轮传动和皮带传动两种。螺旋齿轮传动具有加工制造容易、结构紧凑、润滑方便、费用低廉等优点。皮带传动的优势在于结构简单、运转平稳、安装方便，尤其在转鼓排渣时皮带能缓冲对机座与立轴的冲击力，但皮带传动也存在一定的径向力。目前大功率的碟式分离机也已相继使用皮带传动系统[11]。

随着我国自动化控制水平的不断提高，很多大型分离机的自动控制系统均采用先进的人机交互界面，其控制的可靠性和稳定性都有很好的保证。对于碟式分离机而言，其自控系统有独特之处。从机器本身的运转要求来看，除了机器的启动与停机控制(通过PLC控制调整启动时间和最大启动电流)，在正常工作时需实时监测机器的工作电流、振动大小，并有超电流和超振动的自动报警，甚至自动停机。对于环阀排渣型碟式分离机，主要是控制电磁阀的打开时间与周期，对于DHZ550等大型碟式分离机，还可以自动调节重相出口向心泵的开启直径，来获得所要求的分离效果。从工艺要求方面，有进料流量的自动控制与检测，还有出料压力的检测与低压报警。从机器的安全运行方面，可以监测机器工作状况，同时也有报警功能[12]。

碟式分离机由于分离因数一般大于3 500，可用于处理常规离心机难以有效分离的物料，如高分散的液-液两相乳浊液，固相颗粒细小、沉降慢的液-固两相悬浮物等。碟式分离机技术参数范围较大，转鼓直径范围一般为150～1 000mm，最大已达1 200mm；转速为6～10kr/min，最高可达12kr/min；分离因数为5 000～15 000；当量沉降面积最大达3×105m2，生产能力最大可达300m3/h。因此具有较好的分离效果，且适用范围广、技术参数变化范围大。

2.3 应用范围

我国碟式分离机开发和制造已经形成系列化、标准化，目前已拥有二十多个系列、一百多种不同规格。

2.3.1 乳品行业

随着我国最近几年乳品工业的飞速发展，碟式分离机在乳品工业得到了很好的应用，如牛奶的净乳、牛奶的脱脂、无水黄油的精制、牛奶的标准化以及牛奶中细菌的分离等。

净乳生产一般采用两相分离自动排渣碟式分离机，可用机型较多，依需求的生产能力而不同，如国产的DHN360，生产能力较低，为5m3/h；DHN470略有提高，为10m3/h；DHN550的生产能力可达到20m3/h，最大可达60m3/h。

碟式分离机用于牛奶脱脂主要应用在生产脱脂奶和干酪素的工艺中，常用机型有人工排渣型如DRY360、DRNZ400和自动排渣型如DHNZ470等，属于三相分离。

2.3.2 油脂工业

碟式分离机在油脂工业中的应用历史久远，适用于动、植物油的脱胶、加碱中和后的脱皂和水洗后的油-水分离等过程，植物油包括大豆油、菜籽油、棉籽油、葵花籽油、米糠油、茶籽油、红花油及亚麻籽油等的提取和分离，动物油如猪油的精炼、鱼油的提取和精制。

自动排渣和人工清渣两种三相分离碟式分离机机型都被应用于油脂工业中，分离后的轻、重相液体均由向心泵输出机外。国内近期研发的DHZ700全自动控制油脂专用碟式分离机的油脂精炼分离最大日处理量可达600t，该机型具有自动排渣功能，每次排渣量基本一致，不易受外界水压等条件的影响。并且在排渣时其重相液体向心泵会自动提前关闭，使液-液分离界面位置缩小，能有效防止跑油现象。同时，该分离机在排渣时无需停止进料，可满足连续生产的工艺要求。

2.3.3 淀粉工业

淀粉生产中常使用喷嘴型碟式分离机进行淀粉的预浓缩、淀粉与蛋白质的分离、麸质的浓缩以及麸质水的澄清等。以前年产10～30kt的淀粉厂普遍采用DPF445/10-14-30和DPF520/13-21-31两种机型。随着近几年淀粉工业的大力发展，年产30～300kt的淀粉生产企业越来越多，最大的可达到年产600kt。我国自行生产的DPF800/130-20-31和DPF935/260-20-31喷嘴碟式分离机，单机生产能力可达到年产120kt，并且性能可靠、运转平稳，既可提高产品收率，又达到节能环保的要求。

目前国内最大的喷嘴型碟式淀粉分离机转鼓直径为1 000mm，电机功率为250kW，处理量可达到250m3/h。图4所示为DPF935/260-13-31喷嘴型碟式分离机简图，该机型具有以下特点：当量沉降面积大，处理量大；分离效果好，其底流浓度、底流的蛋白含量、顶流的干物质含量等指标均达到国际先进水平；运转平稳，振动小，噪音低；自带液压油缸升降系统，在安装、清洗时将转鼓部件升起并回转，方便日常维护；自动化控制程度高，可实时监测设备各项运行参数，如主机振动强度、轴承温度及报警等。

图4 DPF935/260-13-31喷嘴型碟式分离机简图

2.3.4 酿酒工业和食品饮料工业

碟式分离机在酿酒工业和食品饮料工业中得到了广泛的应用，如葡萄酒生产中葡萄汁的澄清处理，啤酒酿造过程中麦芽汁和啤酒的澄清，果汁行业中果肉与果汁(如橙汁、苹果汁等)的分离、果汁的浓缩，还有茶粉生产工艺中的澄清过程等均可采用碟式分离机。常用机型如DHP(Y)616/200-13-31环阀排渣碟式分离机，采用定量控制技术的排渣控制方法，能准确控制排渣量大小，排渣时不需要停止进料，运行稳定可靠，料液收率高。

3 立式碟片螺旋卸料离心机的研发

螺旋卸料沉降离心机和碟式分离机因结构上的差异和特殊性有其各自的优势但也存在不足。螺旋卸料沉降离心机相对于碟式分离机分离因数低，分离效果不是很好，分离后重液含轻液较多，轻液含固量较高，但是能得到湿度较小的固相。碟式分离机由于分离因数较高，能得到澄清度较好的液体，但固相含湿率较高，且其排渣过程属于间歇操作。

笔者整合上述两种机型的优势开发了一种全新的沉降离心机——立式碟片螺旋卸料离心机，它是一种将碟片与螺旋离心机复合的离心机。其主要特点在于将碟片置于螺旋离心机之内，碟片、碟片支架和转鼓连接在一起，三者转速相同，与螺旋输送器转速不同，两者的转速差在1～100r/min之间，由这样一个差速双转子系统构成其传动部件。

立式碟片螺旋卸料离心机采用直立式结构形式，其结构如图5所示，工作时物料从机器上端进料口流向转鼓，并通过物料分布器向四周分流，通过底部加速器加速，物料由碟片中心孔进入碟片组，在离心力作用下，物料在碟片间进行固液分离，颗粒被甩向碟片外侧，液体则从锥形碟片间流向中间，并在抽吸泵的作用下从离心机上部流出；沉淀的固体在碟片外侧，并聚集到转鼓内壁上，通过螺旋和转鼓之间转速差，使得沉渣不断被螺旋向下推送，最终从转鼓小端的卸料口排出。

图5 立式碟片螺旋卸料离心机结构简图

立式碟片螺旋卸料离心机比普通的螺旋离心机拥有更高的分离因数，其分离因数最高可达到8 000，且沉降面积大、沉降距离短、螺旋和转鼓的差速可调，可以得到更清的滤液，同时保证固相湿度小，这是卧螺离心机和碟式分离机无法比拟的优点。立式碟片螺旋离心机适用于易起泡物料的分离，为防止物料起泡，采用排液向心泵结构，使机器在一定压力下工作，抑制起泡，以利于提高分离效率。适用于生物制药、食品工业、化学工业等含固量较高的两相或三相物料的分离。如生物发酵中残渣与液体的分离、果汁与果肉的分离等。

DL400是一种新型碟式螺旋卸料分离机，转鼓内直径400mm，功率50kW，适合处理含固量为20%～30%的物料，分离能力最大可达10m3/h，分离后固相含湿量20%左右，液相含固量低于0.2%。若需进行固液分离的混合液，选用卧式螺旋沉降离心机无法分离或澄清度无法达到；用喷嘴或活塞排渣碟式分离机又受含固量太高或排渣固相含湿量高的限制；对于含湿量高的固体、既无法过滤又无法进一步分离浓缩、后道工序加工难度很大的情况，采用DL400碟式螺旋卸料分离机，既能达到有效分离又能获得低含湿量的固相，可有效解决上述难题。

4 展望

4.1 建立沉降离心机液体动力学与分离原理模型，用于指导沉降离心机的研究和开发，使沉降离心机应用领域更为广泛。

4.2 通过企业与高校、科研院所的合作，对沉降离心机高速旋转零件的材料进行研究和开发，确保沉降离心机的安全可靠运行。

4.3 环阀排渣型碟式分离机的排渣控制目前还是依靠经验，通过设定时间周期控制，如果要做到更加精密的控制排渣量，减少料液损失，应该采用对转鼓沉渣区的填充度，即“自思维”控制系统，可自动发出排渣信号并自动排渣。

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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-)，工程师，总经理，从事过滤和分离设备的研究和制造工作，mfj@ju-neng.cn。

TQ051.8

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0254-6094(2017)03-0256-06

2016-03-29，

2017-02-10)