離心機(jī)的設(shè)計選型及應(yīng)用實例
行業(yè)動態(tài)
1 概述
離心機(jī)是利用離心力作為推動力來實現(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之中，利用混合物的各個相在力場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等工藝過程。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。
2 離心機(jī)的分類
離心機(jī)根據(jù)不同的分類原則派生出很多種類及名稱，歸納以下幾種分類原則，對后續(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
2.1.1 過濾離心機(jī)
過濾離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓壁上開小孔，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁設(shè)有濾網(wǎng)（布），轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時，液相由于離心力的作用，透過有孔鼓壁排出，固相截留在轉(zhuǎn)鼓壁內(nèi)，形成濾餅，實現(xiàn)液固分離。主要用來分離含固量高，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)鼓壁上無孔，也無濾網(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)鼓壁上不開孔，依據(jù)液-液兩相的密度差，在高速離心力場作用下，液-液分層，重相在外層，輕相在內(nèi)層，固相沉于鼓壁通過一定的裝置分別排出，實現(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
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
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
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、振動卸料、離心力卸料、進(jìn)動卸料等。
2.5 按照轉(zhuǎn)鼓主軸的空間位置分類
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）對固-液二相均有要求，或?qū)σ幌嘁蟾撸瑢α硪幌嗫蛇m當(dāng)放寬要求。
分離的目的不同，對選擇的分離機(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來。
②用于固相脫水可考慮選用過濾離心機(jī)及沉降離心機(jī)。
③濃縮過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?？蛇x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、分級和原液的濃縮度等。
離心機(jī)種類繁多，能滿足同一分離要求的機(jī)型可能不止一種，在這種情況下，需要對比設(shè)備的價格及可靠性，選擇結(jié)構(gòu)簡單、附屬裝置少、易于維修、運(yùn)行費用低的設(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)在某項目中的選用實例
4.1 項目背景
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)過一定工藝處理的粗產(chǎn)物，是用于藥品合成工藝過程中的化工原料或化工產(chǎn)品。某醫(yī)藥中間體項目以甲醇、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。以該項目中離心機(jī)應(yīng)用相對集中的80kt/a硝基甲烷裝置結(jié)晶工段的工藝流程為例，來闡述離心機(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，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。
3臺離心機(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選用了平板式自動刮刀下卸料離心機(jī)。
（2）結(jié)構(gòu)
平板式自動刮刀下卸料離心機(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
主電動機(jī)功率：18.5kW
（4）特點及用途
該類刮刀離心機(jī)是過濾離心機(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)簡單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)、過濾時間可根據(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，并可實現(xiàn)自動控制。因此，具有其他分離設(shè)備不可替代的優(yōu)點，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
主電動機(jī)功率：55kW
（4）優(yōu)點
臥式螺旋沉降離心機(jī)的主要優(yōu)點有：
①該機(jī)單機(jī)生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)緊湊。
②對物料適應(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)時也能完成分離。
③能根據(jù)工藝流程要求自動、連續(xù)、長期運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(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活塞推料離心機(jī)比較適合。
（2）結(jié)構(gòu)
雙級活塞推料離心機(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
過濾區(qū)長度：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
主電動機(jī)功率：75kW
（4）優(yōu)點
雙級活塞推料離心機(jī)具有全自動操作、連續(xù)排渣、生產(chǎn)能力大、晶粒不易破碎等優(yōu)點。
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目的產(chǎn)品之一，對固相質(zhì)量要求較高，固相需要清洗且含水率低，故離心機(jī)13-M201的作用不僅是對鹽酸羥胺溶液進(jìn)行脫水，還需對脫水后的固相進(jìn)行洗滌。故離心機(jī)13-M201選擇臥式螺旋卸料過濾離心機(jī)。
（2）結(jié)構(gòu)
臥式螺旋卸料過濾離心機(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)鼓長度：300mm
轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速：3000r/min
分離因數(shù)：1762
處理能力：1～15m3/h
過濾精度：0.104mm（150目）
主電動機(jī)功率：15kW
（4）優(yōu)點
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)的選用不僅要滿足分離目的要求，滿足處理量、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
在爆炸危險區(qū)域的離心機(jī)，安全運(yùn)行過程成為選型的首要要求。電動機(jī)的防爆等級應(yīng)該符合爆炸性危險環(huán)境的區(qū)域等級，另外在選型時還需考慮配置其他防爆措施，比如：現(xiàn)場防爆按鈕、防靜電皮帶、變頻器控制、防爆電磁閥、防爆接近開關(guān)、防爆隔離柵、靜電接地、能耗制動、氮氣保護(hù)、氧氣含量在線檢測等。上述防爆措施并不是所有有防爆要求的場合都要配置，應(yīng)綜合考慮實際工藝和生產(chǎn)環(huán)境的需求科學(xué)選配。
（2）過流介質(zhì)的腐蝕性
根據(jù)離心機(jī)過流的介質(zhì)，應(yīng)選用合適的材料來制造，以滿足物料的腐蝕性、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
針對某些行業(yè)的特殊要求，以醫(yī)藥中間體項目所選用離心機(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)化管委會聯(lián)合發(fā)布的GB 28670-2012《制藥機(jī)械（設(shè)備）實施藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的通則》，對離心機(jī)這類原料藥機(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)備所用的潤滑劑、冷卻劑等不得對藥品或容器造成污染。管道的設(shè)計和安裝應(yīng)避免死角、盲管。針對以上要求，在選型時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、自鎖功能和振動保護(hù)或過振報警裝置。
5 結(jié)束語
離心機(jī)選型是一項簡單而又復(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選擇合適的離心機(jī)，確定濾布型號。
（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，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足現(xiàn)場要求，如需要可以增加惰性氣體保護(hù)裝置等。
（5）依據(jù)用戶對設(shè)備自動化要求程度，選擇自動化/手動操作的分離設(shè)備。
（6）對同時滿足工況要求的不同形式離心機(jī)做經(jīng)濟(jì)對比，選擇運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、附屬裝置少、易于維修、運(yùn)行費用低的設(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)驗豐富的制造廠多年來積累設(shè)計制造現(xiàn)場經(jīng)驗，也可與設(shè)備制造廠家的專家們溝通商定選擇合適的機(jī)型。
