1 引言

分離機械是實現固液分離、液-液分離以及液-液-固分離的設備，主要分為過濾機和離心機兩大類。過濾分離是在推動力的作用下，將位于一側的懸浮液（或含固體顆粒發熱氣體）中的流體（或氣體）通過多孔介質的孔道向另一側流動，顆粒被截留，從而實現流體與顆粒的分離操作過程；離心分離則是在離心力作用下使分散在懸浮液中的固相粒子或乳濁液中的液相粒子沉降的過程。在工業生產中，由于分離機械具有過程連續、設備不復雜、操作簡便、使用范圍廣、需求量大以及品種規格多等特點，再加之其分離成本較其他分離方式低，因而被廣泛應用，在國民經濟中具有重要作用，是化工、冶金、礦山、醫藥、生物和環保等部門不可缺少的重要技術裝備。

2 應用現狀與拓展

分離機械種類繁多，主要包括推料離心機、臥螺離心機、真空轉鼓過濾機等，在節能環保（特別是工業減排和污水處理方面）、石油化工、醫藥食品、鋼鐵冶金、煤炭開采及其他礦山開采、城市地下工程等重要領域有著多種應用。

2.1 真空轉鼓過濾機

真空轉鼓過濾機是工業中應用較多的連續操作固液分離設備，廣泛應用于化工、醫藥、礦山、食品等行業。

在淀粉轉化生產葡萄糖的過程中，淀粉經過液化、糖化后需濾除糖液中的蛋白質及雜質，目前大多數企業通用的方法是采用真空轉鼓過濾機預涂硅藻土進行吸附過濾。在硫酸法鈦白粉生產中多道工序要用真空轉鼓過濾機。

純堿是重要而基礎的化工原料之一，被稱為工業之母。作為純堿行業碳化出堿液分離的關鍵設備，真空轉鼓過濾機自美國道爾-奧利弗首創以來，已經使用了整整一個世紀。中國作為世界純堿大國，多年來在純堿生產中一直采用真空轉鼓過濾機。自上世紀80年代中期天津堿廠自主研發出第一代大型20㎡真空轉鼓過濾機，20㎡真空轉鼓過濾機即成為中國純堿行業濾堿機主力機型。

在氧化鋁生產過程中，赤泥漿的固液分離是重要的生產工序，國內外許多氧化鋁廠將真空轉鼓過濾機應用到赤泥過濾生產中，以實現赤泥與其附液的固液分離，回收以鋁酸鈉形式夾帶于赤泥中的Na2O和Al2O3。中國鋁業山東分公司還進行了真空轉鼓過濾機赤泥高效過濾機的創新設計，研制了100㎡卸料輥式真空轉鼓過濾機，減少堿液浪費，降低勞動強度，在氧化鋁生產中得到了很好的應用。

真空轉鼓過濾機是國內煉油廠酮苯脫蠟裝置的主要設備之一，用于潤滑油溶劑脫蠟和蠟溶劑脫油過程。國內煉油廠使用的真空轉鼓過濾機主要機型為50㎡真空轉鼓過濾機。

PTA即精對苯二甲酸，是聚酯生產的重要原料。我國PTA生產能力位居世界第一位。在PTA的生產工藝中，世界90%的PTA裝置均采用真空轉鼓過濾機來分離粗對苯二甲酸及PTA漿料。近年來隨著國產真空過濾機技術的日趨成熟，揚子石化、中國石化上海石化公司等，在PTA裝置精制單元增設國產真空過濾機系統，運行至今，設備運行穩定，過濾和洗滌效果明顯優于原采用的離心機。真空過濾機投用后，PTA產品中的PT-酸含量得到了有效控制，不僅解決二線精制中PT-酸含量波動幅度大的難題，而且PT-酸的質量分數值也明顯降低。保證了PTA單元安、穩、長、優、高負荷運行，經濟效益顯著，為PTA裝置高負荷生產創造了良好條件。

2.2 離心機

2.2.1 臥螺離心機

臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱臥螺離心機）由于能夠連續出料，生產能力大，對物料的適應性強，結構緊湊，占地面積少等特點，應用越來越廣泛，其發展速度很快，在水處理和許多工業領域都有重要應用。

2.2.1.1 污水處理和污泥脫水

上海三得利啤酒將臥螺離心機應用于啤酒生產污泥脫水，發揮了臥螺離心機特長，性能優越，表現突出。我國抗生素工業及其他微生物發酵的發酵液過濾大都采用手動板框壓濾機，設備較落后，勞動條件差，濾液純度不高。石藥集團中潤制藥公司利用臥螺離心機處理發酵液，取得了很好效果。河北中潤制藥公司將臥螺離心機應用于處理青霉素發酵廢水，出水濃度達到COD降低50%，固形物去除在90%以上，效果令人滿意。中國鋁業山東分公司將臥螺離心機應用于擬薄水鋁石生產表明，擬薄水老化液和一次漿液可用臥螺離心機進行固液二相離心沉降分離，自動化程度高，勞動強度低，占地面積小，能耗小并可改善環境。保定天鵝公司在粘膠廢水處理過程中應用LW450-2150-N型臥螺離心機污泥脫水，能滿足處理要求。

國外，美國圣騎士（Centrisys）離心機公司的臥螺離心機技術和性能代表了同行業的世界領先水平。是美國環保行業的臥螺離心機制造商，在全世界范圍內為近400座污水處理設施提供了臥螺離心機及污泥脫水方案。成都天保公司與美國圣騎士合作研發的大長徑比臥螺離心機技術參數國內領先，并達到了國際同類產品的先進水平。目前天保公司臥螺離心機轉鼓直徑可達1000mm，長徑比達4.57。

臥螺離心機在處理污水時，污水易透過間隙進入軸承工作腔，造成軸承損壞。上海市離心機械研究所對臥螺離心機密封結構進行改造，采用新型孔用骨架油封，與O型密封圈配合，構成組合型密封結構，解決滲水問題引發的軸承使用壽命縮短的問題。成都天保公司創新設計了一種用于臥螺離心機軸承的新型密封結構，摩擦力小、密封可靠，有效地防止潤滑油外泄和外界氣、液體滲入軸承室，使主軸承始終處于良好的潤滑狀態，延長主軸承的使用壽命，改善離心機的運行狀態。

2.2.1.2 白泥分離煤泥脫水

在氨堿廠蒸餾廢液處理中，一個非常重要的工序是對廢液中固體沉淀物的分離，即白泥的分離，臥螺離心機分離白泥在國外氨堿廠是成熟技術。澳大利亞PENRICE純堿廠用臥螺離心機分離白泥后的清液完全達到排放標準，分離后的白泥可直接裝車外運，省略了晾曬過程。國內青島堿業公司與濟南化機廠共同開發直徑為φ800mm的大型臥螺離心機，并進行工業化試驗，取得較好白泥分離效果。但也表明，處理氨堿法白泥，臥螺離心機的大型化十分必要。其直徑至少要做到1m，這樣1臺1m的大型臥螺離心機的能力可以達到1臺800㎡的板框壓濾機的能力。臥螺離心機用于白泥的分離具有優勢和發展前景。隨著國內大型臥螺離心機的研發成功，其投資費用將大大降低，優勢也將進一步顯現。天地科技公司用WLL1000臥螺離心機在煤泥脫水回收應用，大大提高選煤廠粗煤泥脫水的生產效率，全面降低粗煤泥脫水成本，對促進選煤企業向環保節能型企業發展意義顯著。

2.2.1.3 液-液-固三相分離

萊鋼公司焦化廠等使用阿法拉伐公司生產的P2-520液-液-固三相臥螺離心機進行煤焦油處理，對焦油乳化問題處理效果明顯，同時有效降低了瀝青產品中銨鹽含量，解決了瀝青Na+含量，提高了產品質量。蘭州石化公司使用德國福樂偉公司Z53-4/455型臥螺離心機，滿足高懸浮物、大泥量催化劑污泥脫水，效果顯著，解決了高懸浮物和高氨氮廢水處理的環保難題，實現了催化劑污水達標排放。河南安鋼焦化廠、石焦集團采用福樂偉Z4E-3/441型三相臥螺離心機進行焦油氨水分離和脫水脫渣，效果良好，達到了提高質量、節能減排，降低生產成本，提高經濟效益的目的。

2.2.1.4 合成塑料及合成纖維生產

在合成塑料及合成纖維生產的分離設備中，臥螺離心機已成為關鍵設備之一。在PVC生產過程中，離心機運行是否正常，將影響干燥工序的生產能力及產品質量，嚴重時甚至會影響整個PVC裝置的正常運行。目前，國內PVC行業均采用臥螺離心機來完成脫水工藝。新疆天業（基團）有限公司20萬t/a PVC裝置漿料脫水系統采用重慶江北機械公司與法國堅納公司合作制造的D6NC臥螺離心機，處理能力大，滿足生產需要。

2.2.2 推料離心機

推料式離心機具有諸多特性，適用于分離平均粒徑大于0.05mm的各種顆粒，聚合物和短纖維狀等懸浮液的連續脫水或洗滌，在許多場合已取代了真空轉鼓過濾機和刮刀卸料離心機，可分離物料達200余種，已在化工、輕工、食品、醫藥等行業成功應用。

廣重企業集團公司離心機研究所近年設計開發了HR500-NA雙級推料離心機。具有當今國際同類型分離機的先進水平，其處理量相當于WH-800離心機處理量的3倍，且占地面積小。分離物料有銨鹽、鉀鹽、三聚酰胺、聚苯乙烯等等。根據其結構特性和技術特征，可以替代WH-800離心機和刮刀離心機，實現產品的更新換代，市場前景可觀。

我國近幾年在用于純堿分離的推料離心機研發方面取得了長足進步。2007年，成都天保公司研發的轉鼓直徑1米的大型臥式三級活塞推料離心機試車成功，填補了國內大型活塞推料離心機制造領域的空白。

隨后，又相繼開發了應用領域更大的大型二級柱錐式活塞推料離心機，推出“新型真空轉鼓過濾機與三級活塞推料離心機組合工藝流程單元技術及裝備”方案，“新型水合機與三級離心機配套工藝流程”重質純堿生產方案，進一步擴大了大型離心機在純堿行業的應用范圍。擁有核心技術及自主知識產權的HS/HRZ三/二級活塞推料離心機φ1000及系列，已經占領純堿行業重堿和一水堿分離離心機國產市場80%的份額，得到行業的廣泛認可，產品綜合技術水平已達到國際同期先進水平，可以替代進口產品。在真空轉鼓濾堿機后配置推料離心機，對真空過濾后重堿進行二次分離，以進一步降低重堿水分并力求取得洗水的分離及得到二次利用。目前此工藝流程在純堿行業中得到認可并逐漸得到推廣。甘肅金昌化工集團引進成都天保公司HS1000-NA離心機，對真空過濾后重堿進行二次分離，大大改善了純堿生產的各項工藝條件。

在芒硝生產中，廣東南方堿業股份有限公司在離心干燥工序采用P-500雙極推料離心機對無水芒硝進行脫水處理，運行一直很平穩，為公司帶來了良好經濟效益。青島堿業公司在小蘇打5萬t/a擴建裝置中采用國內HR630雙級活塞推料式離心機，滿足連續穩定的生產能力。并對設備關鍵部位進行改造，使整機性能得到突破性改進，幾乎達到了進口同類機型的水平。小蘇打環境效益大為改觀，順利通過了食品生產企業健康認證，提升了小蘇打的品牌效應及市場競爭力，取得了較大的環境效益。在硫酸銨和碳酸氫銨生產中，結晶產品和母液的分離必須使用臥式活塞推料離心機。大化集團大連化工股份公司將HR630-NC雙級活塞推料離心機用于氯化銨、鹽漿的分離，具有生產效率高、使用壽命長等優點。

3 發展趨勢及前景

分離作為生產中重要的后處理工序，對產品的質量有著顯著的影響，而分離機械的性能又直接控制著分離效果的優劣，因此世界各國對分離機械的研究從未中止過。目前，隨著能源、資源的日趨枯竭，環境的惡化，新行業的崛起，這都要求分離機械向高分離精度、節能方向發展，同時也為分離機械的發展提供了極大的機遇，促使分離機械有了進一步的、更為廣闊的發展前景。

3.1 提高技術參數研制新機型新材料

為了提高分離機械的性能、強度、剛度、耐磨性和抗腐蝕性，眾多新材料不斷涌現。成都天保公司研制了一種用于制作離心機轉鼓的強度高、耐腐蝕性好、材質穩定不變形并有良好加工性能的雙相不銹鋼。并申請了轉鼓制作方法發明專利，克服了鍛造和焊接的工藝缺陷，制作難度低，轉鼓整體成形好，內部組織結構致密，變形量小，穩定性好，對國產臥螺離心機的大型化作出了貢獻。德國Wischnouskii等研制的分離機轉鼓新材料，具有強度高、塑性和耐腐蝕性好的特點。這些材料用在諸如轉鼓等回轉件的制造上，可以在提高分離效果的同時，減輕重量，從而降低能耗。近年國內對分離機械的易損件，包括機殼、刮刀、螺旋葉片、出料腔等進行表面改性使用新型材料，延長其壽命，減輕維修工作量，節約維修費用。

當下，工業大型化的進程已越來越迫切，同時，出于提高設備工作效率、實現制品更高純度及節能的目的，越來越多的高參數大規格機型逐步面世。如德國BHS公司推出的轉鼓直徑為2m、過濾面積為7.68㎡的轉鼓加壓過濾機。意大利Pieralisi公司推出的長徑比5.12、轉速3360r/min、分離因數2950、處理能力55000L/h的臥螺離心機。德國KMPTAG-G1公司推出的轉鼓直徑1.8m、轉鼓長度1.25m、轉鼓容積1350L、過濾面積7.07㎡、分離因數710、轉速840r/min的刮刀卸料離心機等。

在提高參數的同時，世界各國也不斷開發新結構機型。德國Westfalia公司的DiscDecanter，它首次在臥螺離心機中融合了碟式分離機技術。通過在臥螺離心機轉鼓液相出口前放置碟片，有效地將臥螺離心機和碟式分離機各自的優點結合在一臺機器中。碟片給液相提供了額外的、高效的二次澄清；同時殘留在液相中的超細顆粒得以進一步被分離，然后返回到臥螺離心機中，與固體物質一起排出。這種結構的離心機，使分離效果變得更好，有效地減少了沉降面積，從而降低了空間需求與設備成本。國內成都天保公司通過對真空轉鼓過濾機母液與洗后液分離、吹風卸料、主傳動系統構造和錯氣頭密封等關鍵技術進行改造，解決了困擾純堿行業幾十年的一些技術難題。隨著材料技術的發展、真空技術的進步，新型帶式真空過濾機成為用于純堿生產的新型過濾裝置。在歐洲的純堿廠，在上世紀末或更早時間水平帶式真空過濾機成為重堿過濾的主要設備。國內自上世紀80年代開始研究設計水平帶式真空過濾機，形成獨具特點的國產機型，達到了一定的技術水平。大連化工公司引進產自意大利的真空帶式過濾機，于2009年10月開車成功，并進行改進，取得了好的效果。

3.2 多功能復合機型與成套系統新式產品問世

隨著分離機械向大型化發展，如何用小的能耗提高其濾餅的脫水效果得到干的濾餅，或為后續的干燥工藝節能，已變得十分必要。各種組合機和專用機的問世一定程度上解決了這一問題。例如，帶壓榨隔膜的箱式壓濾機增加干燥單元，采用機械壓榨力脫液，可以使加壓過濾后的濾餅更干，比直接干燥脫液大大節能，同時增加干燥單元，使濾餅在一個流程中達到工藝要求的干度。英國Euroby公司推出的CentriDry離心機，它將離心脫水和熱烘干技術集合在一臺機器上。上海離心機械研究所研制了新一代污泥脫水（濃縮脫水一體）高干度離心機LW530×2270NY成套設備，采用國際先進水平的大長徑比、高轉速、液壓小差速系統，差速根據負載自動反饋調節，推料功率自動補償使污泥得到雙向擠壓從而得到更高的干度。該成套設備與臥螺離心機和帶式壓濾脫水機相比，無論是在性能上還是在處理能力上，都遠高于該廠的這兩種機型，藥耗和電耗也有不同程度降低，其性價比優于兩種機型。天保公司將過濾機與活塞推料離心機組合使用，在大幅度降低重物料鹽份、水份的同時，無須在過濾工序添加助濾劑，對節能降耗、增產增收帶來巨大效益，一座年產30萬噸的純堿企業，一年可節約標準煤1.35萬噸，可減少廢液排放量1.5萬噸，其技術工藝達到了國內領先、國際先進水平。該公司研發的大直徑自身返堿蒸汽煅燒爐，與國內外同類產品相比也具有明顯的節能降耗效果。天保公司還將臥螺離心機做成撬裝式集成或車載式移動成套系統，集成臥螺離心機、進料泵、絮凝劑制備及稀釋系統、干泥輸送系統、控制系統、電線和管道等脫水處理需要的所有設備，減少安裝時間，節省工程費用，減少設備占用空間，方便運輸，應用于分散式脫水處理或者臨時脫水項目。

3.3 設計研究方法的進步

進入新世紀后，節能、環保、高效成為新時期對分離機械的新要求。這一要求不僅僅體現在機器設備上，也體現在其設計研究、制造等過程中。

隨著客戶要求的多元化與個性化，分離機械更新換代速度變得越來越快，從設計到投放市場的周期也變得越來越短，傳統二維設計的局限性越顯突出。二維設計時，通過繪制多個視圖來體現三維特征，以固定尺寸定義幾何要素，修改時，必須重畫線條，而設計過程中不可避免地要進行多次修改。大強度的重復勞動，不僅增加了設計難度，也延長了設計周期。三維實體設計以立體三維模型，實現形狀、尺寸及裝配關系的完整與準確，在設計階段可視地進行干涉檢測，及時發現各零部件間裝配關系是否合理，進行實時修改，為實物的制作及裝配提供一切必要的準備，降低了設計和加工制造難度。同時，還可以應用完成的模型與其他分析軟件進行數據交換，進一步進行強度剛度等分析和優化設計。由三維模型而生成工程圖，保證形狀尺寸準確無誤，盡可能地避免了繪圖錯誤，將由圖紙錯誤而造成的經濟損失降低。由于三維實體設計能夠直觀地反映設計方案，在設計水平、設計效率、產品質量等方面有重大提升，目前國內主要分離機械廠家都已實現產品設計三維化，而且在不遠的將來，三維實體設計會完全替代傳統二維設計。

強度剛度設計是分離機械設計的重要內容。有限元法不受構件幾何形狀的約束，能直接對各個部位進行詳細計算。被科研機構和大專院校采用，可以解決隨著分離機械單機生產能力和分離因數的提高，結構設計中的強度、變形和振動等問題。用傳統方法很難準確計算出如轉鼓之類復雜的高速回轉件的應力應變，需要對回轉件結構做較大簡化，得到的計算結果與實際差異較大。為能保證其安全運行，往往加大保險系數，使設計強度過大而造成浪費。盡管如此，仍然經常因設計強度不合理而引起應力集中，使其破壞甚至造成事故。用有限元法能夠得到與實際情況比較相近的結果，能夠直觀的顯示出轉動部件各個部位的應力分布，使其結構能得到優化，得到制造成本和機器性能的平衡。四川大學與成都天保公司聯合，通過對大長徑比臥螺離心機轉鼓系進行有限元分析，實現了離心機結構的優化。

3.4 對分離條件的智能化響應

工業生產中，進入機器進行分離操作的物料，其各組分含量不可能一直保持不變，每次進料組分的含量發生改變時，就需要機器停機，進行調整。而現代工業生產，一般是一個整體的流程，一旦其中某個環節出現中止，則整個流程都會被迫停滯，造成時間和金錢的浪費。因此，要求工作中的機器在不影響生產的前提下，具備能自動適應進料含量改變的能力。目前國外已在此方面有所進展。例如：德國Westfalia公司開發的VariPond系統，它能在運行中改變離心機液池深度，從而在進料改變時，也能保證恒定的排放濃度，而以往則是需要停機進行調整。意大利Pieralisi公司開發的離心機可移動投料系統和Rotovariator差速自動調節系統。前者可以實現隨時調整投泥點的位置，在相當大的范圍內調整進料在離心機內的停留時間，從而得到優秀的脫水效果，并節省絮凝劑的投加量以及電耗；后者可以根據離心機內的扭矩值的設定和變化，來調整離心機轉鼓和螺旋的差轉速，從而確保出泥含固率始終保持在設定值。國內汾礦集團洗煤廠對離心機進行了計算機控制研究；湖南大學進行了智能離心機通用開發平臺的研究與實現。山東海化公司開發了純堿裝置先進控制系統，實現了自動化控制和優化生產，解決了常規控制中不易解決的多種難題，在能滿足人們對生產過程的安全、高效、優質和低耗的要求，取得了可觀的經濟效益。但是，相較于國外，國內在此領域做出的研究還遠遠不夠，而未來的分離機械勢必應對分離條件具有智能化響應、具有自動適應分離條件改變的能力，因此急待國內的企業和學者在此領域做出更大努力才行。

4 結束語

目前，基本上各種行業都存在固液分離的工業要求，并且許多行業在工藝中存在固液分離困難、效率低、能耗高、效果差的難題。必須選用效率高、能耗少、噪音低、自動化程度高的固液分離設備，才能滿足當前發展的需要。因此，需要在分離機械的基礎理論研究上加大投入，從客戶需求出發，提供個性化解決方案。同時重視產品的工業設計和可靠性設計，不斷開發新機型和新材料，發展多功能集成化、大型化、專業化和自動化的產品。隨著技術的發展，分離機械的研制技術將更科學、運行更可靠、更能滿足不同行業的分離要求。