離心機(jī)的設(shè)計(jì)選型及應(yīng)用實(shí)例
行業(yè)動(dòng)態(tài)
1 概述
離心機(jī)是利用離心力作為推動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)液相非均一系混合物的分離或濃縮的機(jī)械?；驹砭褪遣捎脵C(jī)械的方法，將混合物置于一定的力場(chǎng)之中，利用混合物的各個(gè)相在力場(chǎng)中受到不同的力從而得到較大的相重差使其分離。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，離心機(jī)屬于后處理設(shè)備，主要用于脫水、濃縮、澄清、凈化及固體顆粒分級(jí)等工藝過(guò)程。離心機(jī)以體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率高、生產(chǎn)能力大、附屬設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于化工、石油、食品、制藥、紡織、冶金、煤炭、水處理和船舶等部門(mén)。
2 離心機(jī)的分類(lèi)
離心機(jī)根據(jù)不同的分類(lèi)原則派生出很多種類(lèi)及名稱(chēng)，歸納以下幾種分類(lèi)原則，對(duì)后續(xù)設(shè)備的選型或可起到引領(lǐng)作用。
2.1 按照分離機(jī)理分類(lèi)
2.1.1 過(guò)濾離心機(jī)
過(guò)濾離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓壁上開(kāi)小孔，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁設(shè)有濾網(wǎng)（布），轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，液相由于離心力的作用，透過(guò)有孔鼓壁排出，固相截留在轉(zhuǎn)鼓壁內(nèi)，形成濾餅，實(shí)現(xiàn)液固分離。主要用來(lái)分離含固量高，固體顆粒大于10μm的懸浮液。代表機(jī)型有三足式離心機(jī)、上懸式離心機(jī)、臥式刮刀離心機(jī)、臥式活塞推料離心機(jī)、離心力卸料離心機(jī)、螺旋卸料過(guò)濾離心機(jī)等。
2.1.2 沉降離心機(jī)
沉降離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓壁上無(wú)孔，也無(wú)濾網(wǎng)，懸浮液隨轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，物料中各相由于位置、密度不同，受到不同的離心力而分層沉淀，質(zhì)量較大、顆粒較粗的物料分布在靠近轉(zhuǎn)鼓壁，質(zhì)量較小、顆粒較細(xì)的聚集其上，澄清液則從機(jī)上溢出，達(dá)到分離的目的。沉降離心機(jī)一般轉(zhuǎn)速較高，n=7000～8000r/min，適用于固體含量較少，固體顆粒小于10μm的懸浮液。沉降離心機(jī)的常見(jiàn)機(jī)型有螺旋卸料沉降離心機(jī)。
2.1.3 分離機(jī)
分離機(jī)用于分離乳濁液，嚴(yán)格講也屬于沉降式，習(xí)慣上叫做分離機(jī)。轉(zhuǎn)鼓壁上不開(kāi)孔，依據(jù)液-液兩相的密度差，在高速離心力場(chǎng)作用下，液-液分層，重相在外層，輕相在內(nèi)層，固相沉于鼓壁通過(guò)一定的裝置分別排出，實(shí)現(xiàn)分離。適用于含微量固體顆粒的乳濁液，固體顆粒小于5μm。常見(jiàn)機(jī)型有管式分離機(jī)、室式分離機(jī)、碟式分離機(jī)。
2.2 按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類(lèi)
2.2.1 間歇式離心機(jī)
間歇式離心機(jī)的加料、分離、卸渣過(guò)程是不同轉(zhuǎn)速下間歇進(jìn)行的。間歇式離心機(jī)主要用于固-液懸浮液的分離，其典型機(jī)型有三足式離心機(jī)、上懸式離心機(jī)等。
2.2.2 連續(xù)式離心機(jī)
連續(xù)式離心機(jī)的操作過(guò)程一直在全速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)能力較大，用于固-液懸浮液和液-液乳濁液的分離。連續(xù)式離心機(jī)的典型機(jī)型有臥式刮刀卸料離心機(jī)、臥式活塞卸料離心機(jī)、離心慣性力卸料式離心機(jī)等。
2.3 按照分離因數(shù)大小分類(lèi)
按照分離因數(shù)大小，離心機(jī)可分為：
（1）常速離心機(jī)，F(xiàn)r＜3500，一般為過(guò)濾式，主要用于分離顆粒不大的懸浮液和物料的脫水。
（2）高速離心機(jī)，3500≤Fr＜50000，一般為沉降式，主要用于分離乳濁液和細(xì)粒懸浮液。
（3）超高速離心機(jī)，F(xiàn)r≥50000，一般為分離機(jī)，主要用于分離超微細(xì)粒懸浮液和高分子的膠體懸浮液。
2.4 按照卸料方式分類(lèi)
按照卸料方式，離心機(jī)可分為：人工卸料、重力卸料、刮刀卸料、活塞推料、螺旋卸料、振動(dòng)卸料、離心力卸料、進(jìn)動(dòng)卸料等。
2.5 按照轉(zhuǎn)鼓主軸的空間位置分類(lèi)
按照轉(zhuǎn)鼓主軸的空間位置，離心機(jī)可分為臥式離心機(jī)和立式離心機(jī)。
3 離心機(jī)的選型依據(jù)
離心機(jī)的選型實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)物料的物性參數(shù)和工藝要求，在各種離心機(jī)機(jī)型中尋找一種能符合工藝要求的特定機(jī)器，這就要求對(duì)物料分離流程系統(tǒng)有比較全面的了解，注重離心機(jī)的各種技術(shù)參數(shù)。
3.1 明確分離的目的
分離的目的主要有：
（1）取得水含率低的固相。
（2）取得澄清度高的液相。
（3）對(duì)固-液二相均有要求，或?qū)σ幌嘁蟾?，?duì)另一相可適當(dāng)放寬要求。
分離的目的不同，對(duì)選擇的分離機(jī)的機(jī)型也就不同。
①用于液-液分離及液相澄清，乳濁液分離難度較大，可選用沉降離心機(jī)，選用高速分離機(jī)，依靠高速旋轉(zhuǎn)把不同密度的液體分離開(kāi)來(lái)。
②用于固相脫水可考慮選用過(guò)濾離心機(jī)及沉降離心機(jī)。
③濃縮過(guò)程首先考慮使用分離機(jī)，也常常選用螺旋卸料沉降離心機(jī)。
④固相分級(jí)常可選用螺旋卸料沉降離心機(jī)，如果處理量很小，也可選用三足式沉降離心機(jī)。
3.2 與選型有關(guān)的參數(shù)
3.2.1 物料的物性參數(shù)
物料的腐蝕性、磨蝕性、揮發(fā)性、毒性、密度、pH值、燃爆性等；懸浮液的固相濃度，固相顆粒尺寸、形狀、分布，固-液二相密度差，表面張力和液相黏度等；乳濁液的液-液二相的濃度、液珠大小、布朗運(yùn)動(dòng)系數(shù)和黏度。
3.2.2 物料分離的工藝參數(shù)
物料分離的工藝參數(shù)主要有：物料的處理量、溫度、壓力，分離液的澄清度，分離固體的含水率、破損率，洗滌程度、分級(jí)和原液的濃縮度等。
離心機(jī)種類(lèi)繁多，能滿(mǎn)足同一分離要求的機(jī)型可能不止一種，在這種情況下，需要對(duì)比設(shè)備的價(jià)格及可靠性，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、附屬裝置少、易于維修、運(yùn)行費(fèi)用低的設(shè)備。另外也要考慮行業(yè)習(xí)慣，分離工藝和設(shè)備在某行業(yè)中已非常成熟，在選型時(shí)調(diào)研現(xiàn)有運(yùn)行情況，可以參考、借鑒。
4 離心機(jī)在某項(xiàng)目中的選用實(shí)例
4.1 項(xiàng)目背景
醫(yī)藥中間體為醫(yī)藥的主要活性成分，大致等同于半成品，屬于多段工藝中間體，經(jīng)過(guò)一定工藝處理的粗產(chǎn)物，是用于藥品合成工藝過(guò)程中的化工原料或化工產(chǎn)品。某醫(yī)藥中間體項(xiàng)目以甲醇、硫磺、亞硝酸鈉、氯化鉀和氫氧化鈣等原料，生產(chǎn)硫酸二甲酯、硝基甲烷、鹽酸羥胺、硫酸鉀、氯甲烷、硫酸、氯化鈣等一系列產(chǎn)品。以該項(xiàng)目中離心機(jī)應(yīng)用相對(duì)集中的80kt/a硝基甲烷裝置結(jié)晶工段的工藝流程為例，來(lái)闡述離心機(jī)的選型和應(yīng)用。
循環(huán)泵從鹽液中間罐將鹽液抽出送到離心機(jī)12-M301，經(jīng)分離后得到的肟胺鹽固體進(jìn)入肟胺鹽罐，然后裝桶包裝；分離液流入母液罐，然后由進(jìn)料泵增壓，經(jīng)換熱器升溫后進(jìn)入結(jié)晶器。母液在結(jié)晶器內(nèi)蒸發(fā)結(jié)晶，漿液經(jīng)泵送入離心機(jī)12-M302，硫酸鈉固體送入產(chǎn)品庫(kù)，分離液流入母液罐。母液經(jīng)再次蒸發(fā)結(jié)晶后送入離心機(jī)12-M303進(jìn)行固液分離，制得亞硝酸鈉送至產(chǎn)品庫(kù)。
3臺(tái)離心機(jī)在結(jié)晶單元起到固液分離的作用，分別分離出肟胺鹽、硫酸鈉、亞硝酸鈉等產(chǎn)品。
該項(xiàng)目涉及的物料品種多樣，根據(jù)工藝要求，其分離要求也不盡相同，因此用于不同物料分離的離心機(jī)類(lèi)型也不相同。
考慮兼顧不同設(shè)備形式選型的需要，除了選取硝基甲烷裝置中的離心機(jī)12-M301和離心機(jī)12-M602為例外，還選取了200kt/a硫酸二甲酯裝置中的離心機(jī)11-M501和50kt/a鹽酸羥胺裝置中離心機(jī)13-M201加以介紹。各裝置的具體流程在這里不再贅述了。
4.2 離心機(jī)的選用情況
4.2.1 離心機(jī)11-M501
（1）選型原因
在上述項(xiàng)目中，離心機(jī)11-M501的作用是用于硫酸鈉溶液的脫水，此處硫酸鈉溶液的額定流量為3062kg/h，溶液密度為1300kg/m3、固含量=20%～25%，工藝要求脫水后硫酸鈉產(chǎn)品中的w（H2O）≤5%。
用于固相脫水的離心機(jī)可以考慮過(guò)濾離心機(jī)和沉降離心機(jī)，綜合考慮硫酸鈉溶液中的固體顆粒含量較高、但顆粒度不祥以及流程中允許間斷工況等條件，該項(xiàng)目的離心機(jī)11-M501初選立式刮刀型離心機(jī)。綜合考慮各種因素，離心機(jī)11-M501選用了平板式自動(dòng)刮刀下卸料離心機(jī)。
（2）結(jié)構(gòu)
平板式自動(dòng)刮刀下卸料離心機(jī)由機(jī)蓋與機(jī)體、刮料裝置、料位探測(cè)器、轉(zhuǎn)鼓、軸承座、匯集料斗等構(gòu)成。
（3）技術(shù)參數(shù)
平板式自動(dòng)刮刀下卸料離心機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)鼓直徑：1250mm
轉(zhuǎn)鼓容積：400L
裝料限量：520kg
轉(zhuǎn)速：1000r/min
分離因數(shù)：698
主電動(dòng)機(jī)功率：18.5kW
（4）特點(diǎn)及用途
該類(lèi)刮刀離心機(jī)是過(guò)濾離心機(jī)中應(yīng)用廣泛適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備，分離因數(shù)可達(dá)到600，甚至1000以上，分離效果較好，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)、過(guò)濾時(shí)間可根據(jù)物料特性及分離要求靈活掌握、濾渣洗滌充分、固體顆粒不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，具有其他分離設(shè)備不可替代的優(yōu)點(diǎn)，是制藥工業(yè)中主要的處理設(shè)備之一。
4.2.2 離心機(jī)12-M301
（1）選型原因
離心機(jī)12-M301的作用也是用于硫酸鈉溶液的脫水，此處硫酸鈉溶液的額定流量為39000kg/h，密度為1300kg/m3、固含量=29.84%，工藝要求脫水后硫酸鈉產(chǎn)品中的w（H2O）≤5%。
與離心機(jī)11-M501相比，此處硫酸鈉溶液的固含量明顯增大，且額定流量要大得多，故此處硫酸鈉溶液的脫水選擇了臥式螺旋沉降離心機(jī)。
（2）結(jié)構(gòu)
臥式螺旋沉降離心機(jī)的結(jié)構(gòu)由柱-錐轉(zhuǎn)鼓、螺旋卸料器、差速器、機(jī)殼、進(jìn)料管、固/液排出口等構(gòu)成。
（3）技術(shù)參數(shù)
臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)鼓直徑：520mm
轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度：2187mm
轉(zhuǎn)速：2800r/min
轉(zhuǎn)鼓與螺旋的轉(zhuǎn)速差：5～25r/min
分離因數(shù)：2280
主電動(dòng)機(jī)功率：55kW
（4）優(yōu)點(diǎn)
臥式螺旋沉降離心機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有：
①該機(jī)單機(jī)生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)緊湊。
②對(duì)物料適應(yīng)性較大，在不能提供固相顆粒大小及分布的相關(guān)參數(shù)時(shí)也能完成分離。
③能根據(jù)工藝流程要求自動(dòng)、連續(xù)、長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)封閉操作。
4.2.3 離心機(jī)12-M602
（1）選型原因
離心機(jī)12-M602用于鹽漿液的脫水，其額定流量為33.7m3/h，密度為1350kg/m3、固含量=50%～60%，粒度主要分布在0.15～1.00mm，工藝要求脫水后產(chǎn)品中的w（H2O）≤3%。
由于鹽漿液中的固含量高、固體顆粒物較粗，且要求脫水后固相的水含率低，因此鹽漿液脫水選用雙級(jí)活塞推料離心機(jī)比較適合。
（2）結(jié)構(gòu)
雙級(jí)活塞推料離心機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)體、推料機(jī)構(gòu)、機(jī)殼、油路、機(jī)座、護(hù)罩、控制部分等組成。
（3）技術(shù)參數(shù)
雙級(jí)活塞推料離心機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑：720/800mm
過(guò)濾區(qū)長(zhǎng)度：300mm
轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速：700～1600r/min
分離因數(shù)：220～1147
推料次數(shù)（可調(diào)）：30～80次/分
推料行程：50mm
主電動(dòng)機(jī)功率：75kW
（4）優(yōu)點(diǎn)
雙級(jí)活塞推料離心機(jī)具有全自動(dòng)操作、連續(xù)排渣、生產(chǎn)能力大、晶粒不易破碎等優(yōu)點(diǎn)。
4.2.4 離心機(jī)13-M201
（1）選型原因
鹽酸羥胺溶液的額定流量為3.5m3/h，密度為1326kg/m3、固含量=30%，粒度分布不祥，工藝要求脫水后固相中的w（H2O）≤5%。
鹽酸羥胺固體物料是該項(xiàng)目的產(chǎn)品之一，對(duì)固相質(zhì)量要求較高，固相需要清洗且含水率低，故離心機(jī)13-M201的作用不僅是對(duì)鹽酸羥胺溶液進(jìn)行脫水，還需對(duì)脫水后的固相進(jìn)行洗滌。故離心機(jī)13-M201選擇臥式螺旋卸料過(guò)濾離心機(jī)。
（2）結(jié)構(gòu)
臥式螺旋卸料過(guò)濾離心機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)殼、機(jī)座、外轉(zhuǎn)鼓、內(nèi)螺旋、差速器、進(jìn)料管、洗滌管、出料/液口、傳動(dòng)主軸等部分組成。
（3）技術(shù)參數(shù)
該離心機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑：350mm
轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度：300mm
轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速：3000r/min
分離因數(shù)：1762
處理能力：1～15m3/h
過(guò)濾精度：0.104mm（150目）
主電動(dòng)機(jī)功率：15kW
（4）優(yōu)點(diǎn)
該機(jī)型可連續(xù)操作，性能穩(wěn)定，能耗低，密閉性好，分離效果好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品要求，且轉(zhuǎn)鼓10°的錐角可保證良好的洗滌效果。
4.3 其他考慮因素
離心機(jī)的選用不僅要滿(mǎn)足分離目的要求，滿(mǎn)足處理量、進(jìn)出料特性、壓力、溫度等工藝參數(shù)的要求，還要考慮以下方面。
（1）運(yùn)行環(huán)境的安全性
在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的離心機(jī)，安全運(yùn)行過(guò)程成為選型的首要要求。電動(dòng)機(jī)的防爆等級(jí)應(yīng)該符合爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的區(qū)域等級(jí)，另外在選型時(shí)還需考慮配置其他防爆措施，比如：現(xiàn)場(chǎng)防爆按鈕、防靜電皮帶、變頻器控制、防爆電磁閥、防爆接近開(kāi)關(guān)、防爆隔離柵、靜電接地、能耗制動(dòng)、氮?dú)獗Ｗo(hù)、氧氣含量在線(xiàn)檢測(cè)等。上述防爆措施并不是所有有防爆要求的場(chǎng)合都要配置，應(yīng)綜合考慮實(shí)際工藝和生產(chǎn)環(huán)境的需求科學(xué)選配。
（2）過(guò)流介質(zhì)的腐蝕性
根據(jù)離心機(jī)過(guò)流的介質(zhì)，應(yīng)選用合適的材料來(lái)制造，以滿(mǎn)足物料的腐蝕性、磨蝕性、pH值等參數(shù)要求。在醫(yī)藥中間體項(xiàng)目中，設(shè)備材料選用要求與鹽酸羥胺直接接觸的設(shè)備表面不和其發(fā)生化學(xué)變化或析出鐵離子，不僅僅是轉(zhuǎn)鼓等金屬材料，所有接觸物料的零部件材料都應(yīng)達(dá)到這一要求，包括密封件、緊固件等。采用選用關(guān)系防腐性能、潔凈度要求。按所分離物料的腐蝕數(shù)據(jù)（化學(xué)性質(zhì)、溫度、濃度等），要求選用合適防腐材料，如316L不銹鋼或TA2鈦合金；對(duì)一些特殊的物料，可采用哈氏合金或涂層處理。
（3）行業(yè)的特殊性
針對(duì)某些行業(yè)的特殊要求，以醫(yī)藥中間體項(xiàng)目所選用離心機(jī)為例，在保持離心機(jī)分離特性的前提下，根據(jù) 質(zhì)監(jiān)總局和 標(biāo)準(zhǔn)化管委會(huì)聯(lián)合發(fā)布的GB 28670-2012《制藥機(jī)械（設(shè)備）實(shí)施藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的通則》，對(duì)離心機(jī)這類(lèi)原料藥機(jī)械和設(shè)備提出了具體的要求：易于清洗、消毒或滅菌，便于生產(chǎn)操作和維修、保養(yǎng)，并能防止差錯(cuò)或減少污染。與藥品直接接觸的設(shè)備表面應(yīng)光潔、平整、無(wú)死角、耐腐蝕，不與藥品發(fā)生化學(xué)變化或吸附藥品。設(shè)備所用的潤(rùn)滑劑、冷卻劑等不得對(duì)藥品或容器造成污染。管道的設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)避免死角、盲管。針對(duì)以上要求，在選型時(shí)就必須充分考慮離心機(jī)結(jié)構(gòu)型式，要求離心機(jī)應(yīng)有緊急停車(chē)、自鎖功能和振動(dòng)保護(hù)或過(guò)振報(bào)警裝置。
5 結(jié)束語(yǔ)
離心機(jī)選型是一項(xiàng)簡(jiǎn)單而又復(fù)雜的工作，隨著分離技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，分離機(jī)械的選型顯得尤為重要。綜上所述，認(rèn)為離心機(jī)選型主要考慮的因素如下：
（1）首先根據(jù)所需分離的混合液的處理量及固含量、固體顆粒的粒徑分布，是晶體狀還是粉末狀等來(lái)選擇合適的離心機(jī)，確定濾布型號(hào)。
（2）依據(jù)所需分離物料的腐蝕性，確定與物料接觸部分需用不銹鋼（SUS304、316、316L）或鈦材、襯塑（改性聚乙烯）、哈氏合金及特殊雙相不銹鋼等。
（3）依據(jù)物料中是否含有機(jī)溶劑及強(qiáng)腐蝕化學(xué)品選擇合適的密封材料。
（4）根據(jù)所在區(qū)域的防爆等級(jí)，物料情況在設(shè)備制造及電器控制部分制作中充分考慮，使離心機(jī)的密封結(jié)構(gòu)，密封材料及防靜電措施滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求，如需要可以增加惰性氣體保護(hù)裝置等。
（5）依據(jù)用戶(hù)對(duì)設(shè)備自動(dòng)化要求程度，選擇自動(dòng)化/手動(dòng)操作的分離設(shè)備。
（6）對(duì)同時(shí)滿(mǎn)足工況要求的不同形式離心機(jī)做經(jīng)濟(jì)對(duì)比，選擇運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、附屬裝置少、易于維修、運(yùn)行費(fèi)用低的設(shè)備。
（7）考慮行業(yè)習(xí)慣，選用在某行業(yè)中已非常成熟，運(yùn)行情況良好的設(shè)備。
技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的制造廠多年來(lái)積累設(shè)計(jì)制造現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，也可與設(shè)備制造廠家的專(zhuān)家們溝通商定選擇合適的機(jī)型。
熱門(mén)產(chǎn)品
