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离心分离机  

2008-03-01 20:38:08|  分类: 实验仪器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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离心分离机是利用离心力,分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分的机械,又称离心机。

离心分离机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开;或将乳浊液中两种密度不同,又互不相溶的液体分开(例如从牛奶中分离出奶油);它也可用于排除湿固体中的液体,例如用洗衣机甩干湿衣服;特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物,例如浓缩、分离气态六氟化铀;利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点,有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。离心分离机大量应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等部门。

工业用离心分离机按结构和分离要求,可分为过滤离心机、沉降离心机和分离机三类。分离机仅适用于分离低浓度悬浮液和乳浊液,包括碟式分离机、管式分离机和室式分离机。

    离心分离机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒,称为转鼓,通常由电动机驱动。悬浮液(或乳浊液)加入转鼓后,被迅速带动与转鼓同速旋转,在离心力作用下各组分分离,并分别排出。通常,转鼓转速越高,分离效果也越好。

    离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。离心过滤是使悬浮液在离心力场下产生的离心压力,作用在过滤介质上,使液体通过过滤介质成为滤液,而固体颗粒被截留在过滤介质表面,从而实现液-固分离;离心沉降是利用悬浮液(或乳浊液)密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理,实现液-固(或液-液)分离。

    还有一类实验分析用的分离机,可进行液体澄清和固体颗粒富集,或液-液分离,分离粒度达0.1~0.5微米。比如常用的试管分离机,其转速为3000~20000转/分,装等量料液的玻璃试管对称插入摆架或角形转子的凹穴中,在离心力作用下料液在试管内沉降分层。超高速分析用分离机采用小直径沉降转鼓。这类分离机有常压、真空、冷冻条件下操作的不同结构型式。

    衡量离心分离机分离性能的重要指标是分离因数。它表示被分离物料在转鼓内所受的离心力与其重力的比值,分离因数越大,通常分离也越迅速,分离效果越好。工业用离心分离机的分离印数一般为100~20000,超速管式分离机的分离印数可高达62000,分析用超速分离机的分离印数最高达610000。决定离心分离机处理能力的另一因素是转鼓的工作面积,工作面积大处理能力也大。

过滤离心机和沉降离心机,主要依靠加大转鼓直径来扩大转鼓圆周上的工作面;分离机除转鼓圆周壁外,还有附加工作面,如碟式分离机的碟片和室式分离机的内筒,显著增大了沉降工作面。

    此外,悬浮液中固体颗粒越细则分离越困难,滤液或分离液中带走的细颗粒会增加,在这种情况下,离心分离机需要有较高的分离因数才能有效地分离;悬浮液中液体粘度大时,分离速度减慢;悬浮液或乳浊液各组分的密度差大,对离心沉降有利,而悬浮液离心过滤则不要求各组分有密度差。

    选择离心分离机须根据悬浮液(或乳浊液)中固体颗粒的大小和浓度、固体与液体(或两种液体)的密度差、液体粘度、滤渣(或沉渣)的特性,以及分离的要求等进行综合分析,满足对滤渣(沉渣)含湿量和滤液(分离液)澄清度的要求,初步选择采用哪一类离心分离机。然后按处理量和对操作的自动化要求,确定离心机的类型和规格,最后经实际试验验证。

    通常,对于含有粒度大于0.01毫米颗粒的悬浮液,可选用过滤离心机;对于悬浮液中颗粒细小或可压缩变形的,则宜选用沉降离心机;对于悬浮液含固体量低、颗粒微小和对液体澄清度要求高时,应选用分离机。

    离心分离机未来的发展趋势将是强化分离性能、发展大型的离心分离机、改进卸渣机构、增加专用和组合转鼓离心机、加强分离理论研究和研究离心分离过程最佳化控制技术等。

    强化分离性能包括提高转鼓转速;在离心分离过程中增加新的推动力;加快推渣速度;增大转鼓长度使离心沉降分离的时间延长等。发展大型的离心分离机,主要是加大转鼓直径和采用双面转鼓提高处理能力使处理单位体积物料的设备投资、能耗和维修费降低。理论研究方面,主要研究转鼓内流体流动状况和滤渣形成机理,研究最小分离度和处理能力的计算方法。

一、离心力及其作用
  当悬浮液绕轴旋转时,悬浮中的微粒就同时受到背向转轴方向的离心力和正向转轴方向的介质浮力的双向作用,微粒的运动轨迹取决于所受合力的方向。根据物理学原理推导可知:F合=F离-F介=Vr×4p2N2r/3600-Vs×4p2N2r/3600= V4p2N2r/3600×(r-s),式中V表示微粒的体积,N表示每分钟的转数,r表示微粒至转轴的距离,r与s分别表示微粒与其介质的密度。显然,当r=s时,F合=0,微粒受力平衡,故将维持距转轴恒定的距离转动,也就不可能被分离开;当rs时,F合,微粒主要受向心力作用,故而将向转轴方向移动,直至浮到介质表面;而当当r>s时,F合>0,微粒主要受离心力作用而向远离转轴方向移动,直至沉淀到容器底部。因此,r>s是微粒从悬浮液中进行离心分离的基本条件。使用普通离心机的根本目的就在于使这样的微粒从悬浮液中分离出来。
从理论上讲,凡是能通过离心分离的微粒在悬浮液静置时,受重力与浮力的共同作用也能自动沉降而得以分离,只是分离所需时间较长,效果较差,沉降本领较弱。一般常用相对离心力(RCF)的大小来表示离心分离的本领强弱。相对离心力是指微粒在离心分离时所受的合力(F合)与在静置分离时所受合力(F’合)的比值,而F’合= Vr×g- Vs×g= Vg×(r-s),式中g为重力加速度,故RCF= F合/F’合=4p2N2r/3600g,由于4p2N2r/3600就是微粒处的角加速度,所以相对离心力又是微粒在离心时的角加速度与在静置时的重力加速度之比。很明显,只要调节N或/和r就可影响RCF的值,从而改变其离心分离本领。实验中RCF的值常用多少倍于重力加速度表示,如1000×g。
二、离心力与作用时间的积累效应
微粒在悬浮液中被分离的速度快慢除与转动的转数大小有关外,还与离心时间长短有关,即离心力作用于微粒上具有时间积累效应。衡量时间积累效应高低的物理量常用冲量矩的大小来表示,冲量矩(Lt)的值等于离心力的力矩(L)与离心时间(t)的乘积,依物理学原理可推导出:Lt=(2pRn/60)2×t,即冲量矩的大小与转速(N)的平方和时间的乘积成正比。
由此可见,在同一离心转头的条件下(N,r一定),转动时间越长,冲量矩越大,分离效果越好。对同一悬浮液,因转动的时间不同而有不同的冲量矩,若调节影响冲量矩的两个可变因子即转速(N)和时间(t),可以在较低转、速较长时间得到较高转速、较短时间同样的冲量矩,从而得到相同的分离效果。但是,若转速相差太大,则会受扩散作用影响而使较低转速离心的分离效果下降
三、普通离心机的组成
普通离心机分水平式和斜角式两种,其构造简单、功能单一,只适用于一般物质的离心分离。实验室常用的水平式离心机主要由驱动电机、变速箱与调速手柄、旋转盘(包括转轴及其支架)、离心筒、带盖的离心腔以及机座等部分组成。

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