1、離心分離器設(shè)計1 緒論1.1 工作原理 利用離心力分離固體（晶體、粘狀或纖維狀）和液體或重液體和輕液體的混合物中各組分的機械設(shè)備，簡稱離心機。如圖1所示。其主要部件是一個可以繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，稱作轉(zhuǎn)鼓。將物料（懸浮液或乳濁液）裝入轉(zhuǎn)鼓后，使轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生離心力，這樣物料因各組分比重不同而被分離。轉(zhuǎn)鼓有兩種，其一壁上有孔且襯有濾布等過濾介質(zhì)，液體經(jīng)過小孔時液體里邊的固體即被截留在過濾介質(zhì)上；其二壁上無孔，運作時固體被拋出而附于內(nèi)壁，液體另由導(dǎo)管排出。通常離心機的轉(zhuǎn)速愈高，離心力愈大，分離效果也愈好。圖1離心機1.2 發(fā)展歷程及展望 HYPERLINK :/ 拉瓦爾發(fā)明第一臺從牛奶中分

2、離奶油的分離機，其轉(zhuǎn)鼓為一空心圓筒。隨后，離心分離機的轉(zhuǎn)速越來越高，轉(zhuǎn)鼓直徑逐漸增大，改善了分離效果，提高了處理能力。 離心分離器是借助于離心力，使比重不同的物質(zhì)進行分離的方法。由于離心機等設(shè)備可產(chǎn)生相當(dāng)高的角速度，使離心力遠大于重力，于是溶液中的懸浮物便易于沉淀析出；又由于比重不同的物質(zhì)所受到的離心力不同，從而 HYPERLINK :/ souezu /Item/104372.aspx 沉降速度不同，能使比重不同的物質(zhì)達到分離。 1 分類固固分離使固體之間相互分離的離心分離法稱離心分級，設(shè)備為離心分離機。用控制離心時間的辦法，使得溶液中只沉淀大顆粒,而不是所有顆粒,這樣就可逐次將顆粒按大小分

3、開。 液液分離不互溶的液體在離心機中因密度不同而很快分離。這種方法比重力分離時間要短得多。常用一種稱為離心萃取機的裝置來分離液體溶液組分。該裝置由放置在圓筒轉(zhuǎn)鼓中的一系列多孔同心環(huán)組成，轉(zhuǎn)鼓環(huán)繞著一個筒形軸以每分鐘20005000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，液體通過筒形軸進出，以徑向順流方式在轉(zhuǎn)筒中流動而達到液體溶液組分的分離例如賽克一VGS 立式重力分離器。工作原理：如圖2所示。 進入賽克一VGS的含油污水在緩慢的流速和壓力作用下，通過諧振和一系列向上的螺旋親油折流板；這一過程使得比重較高的固體懸浮物沉降到賽克一VGS的底部泥斗中，細微的分散油粒在折流板的作用下，逐漸結(jié)合成大的油珠以便其在水中的浮力作用可

4、以將其托升到賽克一VGS的容器上部，隨著上部浮油的增加，通過自動的液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以使其自然流入集油罐中而賽克一VGS下層處理后的清液也能通過這樣的液位系統(tǒng)排出，處理后的出水可做回收和利用。對于大流量的有較高處理要求的污水，賽克一VG的浮油收集系統(tǒng)可以由一個表面浮油收集器來完成，該浮油收集器是一個漂浮裝置。它和液位表面有幾毫米的接觸可以完全的收集到表面的浮油，然后通過小型油泵將浮油輸送到系統(tǒng)外部的儲蓄罐內(nèi)，在儲蓄罐內(nèi)的油污可再次通過重力脫水下層的水又可被油泵抽進賽克一VGS,做以不斷的循環(huán)處理。主要用途： 針對碳氫化合物的乳化油及水混合液體進行處理：原油精煉和工藝用水回收，機械工作車間和交通設(shè)

5、備維修，保養(yǎng)服務(wù)站和水處理，金屬制品和回收，發(fā)電廠和水體修復(fù)系統(tǒng)； 針對食品加工工藝中產(chǎn)生的脂肪,油和油脂進行處理：酒店和食品加工，購物中心和旅館，運動館和休閑場所，礦區(qū)和醫(yī)院護理。圖2 工作原理圖3 旋流式水砂分離器 固液分離常量分析中常用過濾法，半微量分析中則用離心分離法。常用的旋轉(zhuǎn)裝置有手搖離心機和電動離心機（通常轉(zhuǎn)速為14千周分），分離速度遠比過濾為快，例如旋流式水砂分離器。圖3所示。 工作原理：此類過濾器 基于重力及離心力的工作原理，清除重于水的固體顆粒。水由進水管切向進入離心過濾器體內(nèi)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，推動泥沙及密度較高的固體顆粒沿管壁流動，形成旋流，使沙子和石塊進入集砂罐，凈水則

6、順流沿出水口流出，即完成水砂分離。如圖4所示。主要用途：這種過濾器安裝在井及泵站旁，最適應(yīng)于分離水中含有的大量沙子及石塊，在滿足過濾要求的條件下，分離60150目砂石的能力可達到9298 。它一般不單獨使用，而只是作為過濾系統(tǒng)的前段過濾。使用注意事項： 1、在開泵與停泵使用離心過濾器的工作瞬間，由于水流失穩(wěn)而影響過濾效果，因此常與網(wǎng)式過濾器同時使用效果更好。 2、安裝時，在過濾器的進水口前應(yīng)安裝一段與進水口等徑的直通管，長度是進水口直徑的1015倍，以保證進水水流平穩(wěn)。 圖4 水沙分離器氣氣分離同位素研究中常用的手段。在高速旋轉(zhuǎn)下， HYPERLINK :/ souezu /Item/1068

7、79.aspx 氣體狀態(tài)的同位素混合物得以相互分離。用離心分離濃縮235U是有前景的方法之一。氣液分離 利用組分質(zhì)量（重量）不同對混合物進行分離氣體與液體的密度不同，相同體積下氣體的質(zhì)量比液體的質(zhì)量小，或者利用分散系粒子大小不同對混合物進行分離液體的分子聚集狀態(tài)與氣體的分子聚集狀態(tài)不同，氣體分子距離較遠，而液體分子距離要近得多，所以氣體粒子比液體粒子小些，例如下圖5氣液分離器。主要用途：分離氣流中夾帶的固體和液體，從氣流中分離液霧顆粒。注意事項：氣液分離器不適用于固液分離，液液分離，及從氣流中分離已汽化的液體。圖5氣液分離器。 應(yīng)用膠體化學(xué) HYPERLINK :/ souezu /Item/

8、239036.aspx 1924年瑞典的T.斯韋德貝里設(shè)計了超速離心機，這是一種以極高的角速度運轉(zhuǎn)的離心機，1940年獲得的離心加速度30萬倍于 HYPERLINK :/ souezu /Item/104481.aspx 重力加速度，它和30年代多層吸附理論的建立，以及40年代疏液膠體穩(wěn)定理論的建立,可說是近半世紀(jì)中膠體化學(xué)(見膠體和 HYPERLINK :/ souezu /Item/103983.aspx 表面化學(xué))領(lǐng)域內(nèi)的三大成就。超速離心機的分離原理是,當(dāng)一個含有聚合物或巨分子的溶液，在離心力是重力的25萬倍時，分子相互分離,純?nèi)軇┝粼诮缑嬉陨?這個界面以一定速度向容器低部移動。若溶質(zhì)

9、的分子量不均勻，這個界面上的濃度梯度也不均勻，則那些分子量低的會落在大分子之后。用 HYPERLINK :/ souezu /Item/117844.aspx 光學(xué)儀器可觀察出這個界面，從而精確測定沉降速率，而每種成分的沉降速率又與其分子量有關(guān)，因而可以計算出各成分的分子量。超速離心機不僅能分離膠粒,更重要的是它能測定膠粒的沉降速率、 HYPERLINK :/ souezu /Item/96469.aspx 平均分子量及混合體系的重量分布，因而在膠體化學(xué)研究（尤其是親液膠體）中起了重大的作用。 高分子化學(xué)超速離心機的出現(xiàn)為對 HYPERLINK :/ souezu /Item/146005.a

10、spx 高分子溶液的深入了解提供了一種有力的研究手段。1940年斯韋德貝里使用超速離心法測定了分子量及其分布，可直接測定幾萬至幾百萬的分子量。 HYPERLINK :/ souezu /Item/99602.aspx 高分子化合物分子量測定方法的出現(xiàn)，極大地推動了高分子化學(xué)的發(fā)展，許多天然高分子屬于單一 HYPERLINK :/ souezu /Item/102422.aspx 分散體系(所有分子都持同一分子量)，對這種系統(tǒng)，超速離心法是最好的分子量測定法，比滲透壓、光散射和粘度等測定法更好。 生物化學(xué)超速離心法同樣為生物化學(xué)提供了一種強有力的研究手段。斯韋德貝里應(yīng)用超速離心法測量了蛋白質(zhì)分子

11、在水中的沉降速率，從而能計算蛋白質(zhì)的分子量。他的一些測定結(jié)果如下：牛 HYPERLINK :/ souezu /Item/59557.aspx 胰島素：46000;人血紅球：63000；人血清球：153000；章血血清：2800000； HYPERLINK :/ souezu /Item/55838.aspx 煙草花葉病毒：31400000。超速離心法還經(jīng)常用于蛋白質(zhì)的降解、分離、精制以及 HYPERLINK :/ souezu /Item/134836.aspx 分子量分布測定。細胞研究中常用一種分帶或區(qū)域離心機，用一個大容量旋轉(zhuǎn)室，根據(jù)密度梯度 HYPERLINK :/ souezu /I

12、tem/102195.aspx 離心分離原理來分離細胞。 HYPERLINK :/ souezu /Item/78707.aspx 環(huán)境保護離心分離法常用于：離心過濾，借助離心作用從漿料中排除液體，漿料被引入一快速旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)籃中，固體留在多孔的網(wǎng)上，液體則受離心作用從濾餅中擠出;或利用旋轉(zhuǎn)器中的離心力使輕重物質(zhì)分開,重物質(zhì)以稠泥漿的形式通過噴嘴流走。常用設(shè)備為 HYPERLINK :/ souezu /Item/214122.aspx 離心過濾機。離心沉降，懸浮固體在離心力作用下移向或離開旋轉(zhuǎn)中心，這樣就可聚集在一個區(qū)域內(nèi)而被移出，可以使顆粒的沉淀時間從幾小時減至幾分鐘。常用設(shè)備為 HYPERL

13、INK :/ souezu /Item/217367.aspx 離心沉降器。離心捕集，用于從煤煙、空氣流中分離出0.11 000微米的小顆粒物質(zhì)，是治理 HYPERLINK :/ souezu /Item/126597.aspx 空氣污染的有效手段之一。常用設(shè)備為離心捕集器，也稱微粒收集器、 HYPERLINK :/ souezu /Item/78554.aspx 旋風(fēng)除塵器。 其他應(yīng)用工業(yè)中常用離心除渣器來凈化紙漿漿料，使?jié){料高速回轉(zhuǎn)或產(chǎn)生回轉(zhuǎn)旋渦作用，把塵粒分離出來。還常用離心干燥機，或稱離心脫水機，依靠離心力將水分脫去。 展望離心分離法與其他方法相結(jié)合，可以產(chǎn)生新的更為有效的分離方法，這

14、是離心分離法的現(xiàn)代發(fā)展方向。在這方面,離心分離法與色譜法結(jié)合而產(chǎn)生的場流分級法(或稱外力場流動分餾法)就是一個典型例子。1966年J.C.吉丁斯提出一類新的無固定相的色譜分離法，即場流分級法,或稱單相色譜。這種方法的最初構(gòu)思,是以離心力壓迫分子于柱壁而代替固定相的保留作用，這樣產(chǎn)生的分離方法稱離心色譜，也叫沉積場流分級法。后來依據(jù)這一基本思想，以電場、磁場、熱梯度等代替離心力場，得到不同的場流分級法，從而建立了一類分離方法體系。場流分級法不但對大分子和膠體有很強的分離能力,而且它也能分離分子量小于103的物質(zhì)和大于30微米的遠遠超出膠體范圍的固體顆粒，其可分離的分子量有效范圍約為1031017

15、，這樣寬的連續(xù)分離范圍是空前未有的。 近年來出現(xiàn)的離心制備 HYPERLINK :/ souezu /Item/102823.aspx 薄層色譜法是離心分離法滲透于色譜領(lǐng)域而產(chǎn)生的又一種高效分離法。層析薄板為圓形，樣品注射于圓心四周，從垂直于圓心的方向連續(xù)地加入展開劑,薄板旋轉(zhuǎn),各不同組分即沿徑向迅速展開。在紫外燈照射下可觀察到譜帶的移動，由于板面設(shè)置是傾斜的，可沿斜向直接接收各分開的組分。該法已用于天然產(chǎn)物、合成產(chǎn)物及異構(gòu)體等的快速分離提純，分離效果優(yōu)于制備 HYPERLINK :/ souezu /Item/102883.aspx 薄層色譜和柱層色譜法，在一定程度上與制備型 HYPERLI

16、NK :/ souezu /Item/78609.aspx 高壓液相色譜法相似，但在節(jié)省時間和溶劑等方面優(yōu)于后者。 現(xiàn)在離心分離機種類繁多。按結(jié)構(gòu)和分離要求，可分為過濾式離心機，沉降式離心機和分離機3類，分離機僅適用于分離低濃度懸浮液和乳濁液。另外，又可根據(jù)轉(zhuǎn)速大小分為常速離心機和高速離心機，根據(jù)操作方法不同分為間歇式離心機和連續(xù)式離心機，根據(jù)卸料方式不同分為人工卸料離心機和自動卸料離心機等。 碟式離心機是立式離心機的一種。轉(zhuǎn)鼓裝在立軸上端，通過傳動裝置由電動機驅(qū)動而高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有一組互相套疊在一起的碟形零件-碟片。碟片與碟片之間留有很小的間隙。懸浮液（或乳濁液）由位于轉(zhuǎn)鼓中心的進料管加入

17、轉(zhuǎn)鼓。當(dāng)懸浮液（或乳濁液）流過碟片之間的間隙時，固體顆粒（或液滴）在離心機作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液層）。沉渣沿碟片表面滑動而脫離碟片并積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑最大的部位，分離后的液體從出液口排出轉(zhuǎn)鼓。碟片的作用是縮短固體顆粒（或液滴）的沉降距離、擴大轉(zhuǎn)鼓的沉降面積，轉(zhuǎn)鼓中由于安裝了碟片而大大提高了分離機的生產(chǎn)能力。積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固體在分離機停機后拆開轉(zhuǎn)鼓由人工清除，或通過排渣機構(gòu)在不停機的情況下從轉(zhuǎn)鼓中排出。分離乳濁液的碟式離心機，碟片上開有小孔。乳濁液通過小孔流到碟片的間隙。在離心力作用下，重液沿著第個碟片的斜面沉降，并向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁移動，由重液出口連續(xù)排出。而輕液沿著每個碟片的斜面向上移動，匯

18、集后由輕液出口排出。澄清懸浮液用的碟式離心沉降機，碟片上不開孔。只有一個清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣，間歇排出。轉(zhuǎn)鼓中由于安裝了碟片而大大提高了分離機的生產(chǎn)能力。積聚在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固體在分離機停機。后拆開轉(zhuǎn)鼓由人工清除，或通過排渣機構(gòu)在不停機的情況下從轉(zhuǎn)鼓中排出。1礦物油行業(yè)：船舶主機、陸用柴油機、電站等燃油和潤滑油的凈化；2乳制品行業(yè)：鮮牛乳的澄清和凈化、脫脂；3植物油行業(yè)：棕櫚油的凈化和澄清，植物油精煉的脫膠、脫皂、脫水和脫蠟等；4飲料制品行業(yè)：啤酒、果汁、飲料等澄清，植物蛋白的提取、廢水處理等；生物工程發(fā)酵液的澄清；5淀粉行業(yè)：淀粉漿的濃縮和分級；6制藥行業(yè)：抗生素類、生化制藥類藥劑萃

19、取過程中的凈化或澄清，中藥藥劑的澄清等；7化工行業(yè)：化工原料的凈化或澄清；8羊毛脂行業(yè)：從洗毛污水中提取和凈化羊毛脂；9膠乳行業(yè)：凈化和濃縮天然橡膠乳漿；10其他行業(yè)：如實驗室、石油、焦化、高嶺土、紙漿回收、電解液處理、廢水處理、環(huán)保等，以及動植物蛋白的提取、動物脂肪的提取及精煉、混合脂肪酸的分離。 碟式分離機按工藝操作原理來分，則有離心澄清型和離心分離型兩大類。澄清型用于懸浮液的固液分離；分離型用于兩不相溶液體所組成的乳濁液的分離，即液一液分離。無論是澄清操作，還是分離操作，都有排渣要求。 1 機殼機殼主要由底板和上下桶體構(gòu)成，上下桶體收集從轉(zhuǎn)鼓中分離出來的輕液和沉渣，底板作為電動機及傳動部

20、件的支承構(gòu)件。機殼上端與懸浮液的輸入管及輕相輸出管相連。 傳動系統(tǒng)該機采用皮帶傳動，電動機通過皮帶及立軸而帶動轉(zhuǎn)鼓。立軸系撓性軸，上軸承為撓性軸承，轉(zhuǎn)鼓安裝在立軸的上端。并具有張緊裝置，使立軸處的皮帶輪剛性定位在機殼上，讓機殼承受皮帶的張力，解決了皮帶張緊力對撓性軸定位的影響。這些傳動裝置均安裝在機座內(nèi)。 轉(zhuǎn)鼓組件轉(zhuǎn)鼓組件是分離機的最主要部分，它包括：a)轉(zhuǎn)鼓體：由上、下轉(zhuǎn)鼓、底及蓋等組成。上、下轉(zhuǎn)鼓由18個M20的螺栓連接，其內(nèi)壁設(shè)計成錐角以利于容渣和排渣。b)碟片組件碟片架、碟片組。c)排渣裝置轉(zhuǎn)鼓錐端部設(shè)有18個噴嘴座孔便于安裝不同數(shù)量和直徑的噴嘴。2 原始計算數(shù)據(jù)在離心機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，

21、通常取典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)進行計算，其他情況下可以改變部分參數(shù)進行參數(shù)化設(shè)計。 轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)參數(shù)為：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑Do=0.790m；篩網(wǎng)內(nèi)徑D=0.762 m；圓柱形轉(zhuǎn)鼓有效長度L=0.457 m：開孔環(huán)板有三種不同的厚度tl=0.015 m，h=0.028 m，t3=0.04 m；鋼管內(nèi)徑破=0.04 m，外徑00=0.06 m：操作參數(shù)：分離因數(shù)Fr=500；軸功率N=29.4kW(40hp)；轉(zhuǎn)鼓材料OCrl7Ni 12M02N的特性：b=500MPa;0.2=275MPa材料密度=7.98 x1000kgm3；HRB=95，HV=220，HBS=217楊氏模量E=ell Pa：泊松比 ;物料參數(shù)

22、：生產(chǎn)能力Q=60 th(連續(xù)進料)； 3 轉(zhuǎn)鼓設(shè)計校核離心應(yīng)力分析 離心機轉(zhuǎn)鼓帶動其內(nèi)物料高速旋轉(zhuǎn),所以,鼓壁內(nèi)的離心應(yīng)力由鼓壁本身及其內(nèi)物料兩部分產(chǎn)生。3.1.1鼓壁質(zhì)量引起的離心應(yīng)力 如圖6所示,高速回轉(zhuǎn)下的圓錐形轉(zhuǎn)鼓,其轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量產(chǎn)生的離心力垂直于回轉(zhuǎn)軸,在軸向沒有分力,不能產(chǎn)生經(jīng)線方向的應(yīng)力,即(1)=0。鼓壁質(zhì)量產(chǎn)生的離心力在壁面法線方向的分力、在轉(zhuǎn)鼓壁中引起的環(huán)向應(yīng)力可按下式計算。式中,錐形轉(zhuǎn)鼓任意一點處的內(nèi)半徑,錐形轉(zhuǎn)鼓的半錐角,0轉(zhuǎn)鼓壁金屬材料重度,轉(zhuǎn)鼓角速度。由上式可知,鼓壁本身質(zhì)量離心力產(chǎn)生的周向應(yīng)力與鼓壁厚度無關(guān),只與材料的密度、圓周速度。及錐形轉(zhuǎn)鼓任一點處的內(nèi)半徑有關(guān)。因此,增加鼓壁厚度并不能減小周向應(yīng)力,而且周向應(yīng)力最大值在圓錐轉(zhuǎn)鼓的大口處。3.1.2被分離物料的離心力引起的應(yīng)力和變形 經(jīng)線應(yīng)力(1) 如圖7所示,錐形轉(zhuǎn)鼓任意半徑處的經(jīng)線應(yīng)力(1)可根據(jù)軸向力平衡條件計算。 針對此問題中