1 離心機的應用和選型概述

離心機與其它分離機械相比，不僅能得到含濕量低的固相和高純度的液相，而且具有體積小、密封性好、連續運行、自動遙控等優點，因此被廣泛應用于化工、石化、石油煉制、輕工、醫藥、食品、紡織、冶金、煤炭、選礦、船舶、環保、軍工等各個領域。如濕法采煤的煤粉回收；石油開采的鉆井泥漿凈化回用；鈾同位素的濃縮；污水處理的污泥濃縮和脫水；石油化工產品的精制；抗菌素、農藥的提?。慌Ｈ?、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、動植物油、米糖油、淀粉等食品的制造；織品纖維脫水；潤滑油、燃料油的提純等都需使用離心機。可見，離心機已成為國民經濟各部門廣泛應用的分離設備。

2 適于不同工藝要求的離心機機型簡介

在生產過程中，有脫水、澄清、濃縮、分級、分離等不同的工藝要求。脫水和澄清，其實質就是使懸浮液中固體和液體相互分離開來，脫水是去掉固相中的液相，澄清是去掉液相中的固相。濃縮是使液-液二相中的固相在溶液中的含量提高。分級是使懸浮液中不同粒徑的顆粒，以某一粒徑d_Kp為基準，分成大于d_Kp和小于d_Kp的二組顆粒組分。分離一般是指二種互不相溶的液相的分離，如果液-液相呈連續相，則分離僅與它們的比重差有關；如果一相連續，另一相分散——即另一相以液滴狀態分散在連續相中，構成了乳濁液，在此情況下，要把液-液二相分離，則不僅與二相的比重差有關，而且與分散相的液滴直徑大小有關。

2.1 脫水過程中涉及的物性參數、分離要求和設備選擇

脫水過程是使懸浮液中的固相從液相中分離出來，且要求含的液相越少越好。

（1）物性參數

懸浮液的固相濃度；固相所含顆粒的大小、形狀、性質——是剛體、晶體還是無定形菌絲體；固體的吸水性能，摩擦系數；懸浮液的溫度，pH值，以及固-液二相比重差，粘度。

（2）經離心脫水后的物料要求

脫水后固體允許的含水率；固體是否允許被破碎；液相中允許的含固率等。

（3）考慮選型的離心機型

①固相濃度較高，固相顆粒是剛體或晶體，且粒徑較大，則可選用離心過濾機。如果顆粒允許破碎，則可選用刮刀離心機；顆粒不允許被破碎，則可選用活塞推料或離心力卸料離心機。脫水性能除與物料本身的吸水性能有關外，還與離心機的分離因數、分離時間、濾網的孔徑、孔隙率等參數，以及離心機的材質、溶液的pH值、顆粒特性和工藝要求等有關。

②固相濃度較低，顆粒粒徑很細，或是無定型的菌絲體，如果選用離心過濾機，由于粒徑太細，濾網跑料嚴重。濾網太細，則脫水性能下降，無定型的菌絲體和含油的固體顆粒會把濾網堵死，在此情況下，建議采用沒有濾網的三足式沉降離心機或臥螺沉降離心機，并根據固相粒徑大小，液固比重差，選擇合適的分離因數，長徑比，流量，轉差和溢流半徑。如果顆粒大小很不均勻，則可先用篩分把粗顆粒除去，然后再進離心機進一步脫水。

③懸浮液中固-液二相的比重差接近，顆粒粒徑在0.05mm以上的，則可選用離心過濾機。

離心過濾機與沉降離心機的脫水機理不同，前者是通過過濾介質——濾網，使固液分離，能耗低，脫水率高；后者是利用固-液比重差不同而進行分離，一般情況下，能耗較過濾機高，脫水率比過濾機低。這些機型的選擇還與處理量的大小有關，處理量大應考慮選用連續型機器。

2.2 澄清過程中涉及的物性參數，分離要求和設備選擇

澄清是指大量的液相中含有少量的固相，希望把少量的固相除去，而使液相得到澄清。

（1）物性參數

澄清前液相中固相的含量，固相所含顆粒的大小，形狀和性質，以及液相的溫度，pH值，粘度，液-固二相的比重差。

（2）澄清后的液相要求

液相的含固量和固相的含濕量。

（3）考慮選擇的離心機型

大量液相少量固相且固相粒徑很?。?/span>10μm以下）或是無定型的菌絲體，可選用臥螺，碟片或管式離心機。如果固相含量＜1%，粒徑＜5μm則可選用管式或碟片人工排渣離心機。如果固相含量≤3%，粒徑＜5μm，則可選用碟片活塞排渣離心機。其中管式離心機的分離因數較高（≥10000），可分離粒徑在0.5μm左右的較細小的顆粒，得到的澄清液清，但單機處理量小，分離后固渣緊貼在轉鼓內壁上，較干。清渣時，需拆開機器，不能連續生產，為方便清渣，有的在轉筒內壁襯有薄薄的塑料紙筒，出渣時把紙筒抽出即可。碟片人工排渣離心機分離因數也較高（≈10000），由于碟片組合，沉降面積大，沉降距離小，得到的澄清液也好，且處理量較管式離心機大，但分離出的固相也沉積在轉鼓內壁上，需定期拆機清渣，因此也不能連續生產。

碟片活塞排渣離心機分離因數在10000左右，可以分離粒徑為0.5μm左右的顆粒，得到澄清液也好，分離出的固相沉積在轉鼓的內壁上，當貯存至一定量后，機器能自動打開活塞進行排渣，因此可連續進行生產。活塞的排渣時間可根據懸浮液中的固相含量，機器的單位時間處理量以及轉鼓貯渣的有效容積進行計算后確定。排渣方式分部分排渣和全部排渣二種，部分排渣時，機器供料不間斷，僅瞬間打開活塞排渣，且固渣較干，但固渣在轉鼓內可能未被排凈，會造成機器的振動和液相渾濁，因此經一定周期部排后，需進行一次全部排渣，即全排。全排是指機器達到規定的排渣時間時，停止供料，活塞打開時間較長，使轉鼓內的所有液體和固渣全部排放出來。這時得到的固渣含水率很高，液相損耗較大，也有在排渣前停止進料，注入自來水或其它回用水來置換分離的液相，以減少料液的損失。

2.3 濃縮過程中涉及的物性參數，分離要求和設備選擇

濃縮過程是使懸浮液中的少量固相得到富集，如原來懸浮液中的固相含量為0.5%，通過分離濃縮使其增加到6～8%，這個過程就是濃縮過程。

（1）物性參數

濃縮前懸浮液中的固相含量，液-固比重差，粘度，固相性質和顆粒粒徑分布范圍，懸浮液pH值。

（2）濃縮要求

濃縮后的固相濃度及液相澄清度要求（即液相中允許的含固量）。

（3）考慮選擇的離心機型

常用的分離設備有碟片噴嘴排渣離心機，臥螺離心機和旋液分離器等。

固-液比重差大的物料，可用旋液分離器，一般采用多級串并聯流程，如淀粉生產中的濃縮，有色金屬礦的浮選濃縮等等。固-液比重差較小的物料可用碟片噴嘴離心機或臥螺沉降離心機，碟片噴嘴離心機用于固相濃縮較為普遍，濃縮率的大小與懸浮液本身的濃度，固-液比重差，固相顆粒粒徑的分布及噴嘴的孔徑和離心機的轉速有關。噴嘴孔徑選擇過大，液相隨固相流失較大，固相濃縮率低；噴嘴孔徑選擇小了，則噴嘴易被物料堵塞，使機器產生振動。進料濃度太低時，可采用噴嘴排出液的部分回流，即排出液部分返回離心機進一步濃縮，使固相濃縮率提高。為了選擇合適的噴嘴孔徑，應對固相顆粒的粒徑及分布進行測定。

臥螺沉降離心機的濃縮效果與機器的轉速、轉差、長徑比及固-液相的比重差和處理量有關，城市污水處理廠的剩余活性污泥使用該機型可使二沉污泥的含固量從0.5%DS濃縮到8%DS左右，由于該種機器沒有濾網和噴嘴，因此不會造成物料堵塞現象，一般情況下，臥螺離心機排出的固相含水率比碟片噴嘴離心機要低。

2.4 分級過程中涉及的物性參數，分離要求和分級離心機的選擇

隨著科學技術的發展，發現超細顆粒具有很大的用途。如：超細的高嶺土可以做 道林紙上的涂料，海底電纜的塑料套管填料，火箭噴嘴的耐高溫材料以及石化催化劑的載體。但超細顆粒（d≤2μm）用常用的篩分難以分離，而需采用濕法離心的方法加以分離，即把固相顆粒配成一定濃度的溶液（并加適量的分散劑），在一定的分離因數下，使大于某一粒徑d_Kp的顆粒沉降，小于d_Kp的顆粒不沉降，從而在固液二相中分得大于d_Kp和小于d_Kp的二組顆粒。

（1）物性參數

分級前懸浮液中的固相含量，固相顆粒的粒徑分布，固液二相比重差，粘度，pH值等。

（2）分級要求

要求分級的顆粒的分割粒徑d_Kp，以及分級效率（即≤d_Kp顆粒的得率）。

（3）考慮選擇的離心機型

目前常見的機型是臥螺離心機，根據固-液比重差，顆粒粒徑和d_Kp，選擇合適的分離因數和轉差，使大于d_Kp的顆粒沉降下來，由小端以固相排出，小于d_Kp的顆粒保留在液相中，從大端溢流口中隨液相排出，從而達到顆粒的分級。為了避免小于d_Kp的顆粒被大顆粒夾帶沉降，必須調節合適的轉速，轉差和供料管插入離心機螺旋中的位置。

對于處理量很小的顆粒分級，可選用三足式沉降離心機，調節合適的分離因數進行處理。

2.5 液-液、液-液-固分離過程中涉及的物性參數，分離要求和機型選擇

液-液，液-液-固分離是指二種或三種不相溶的相的分離，分離的原理是利用比重差。常見的有食物油的油-水分離，燃料油和潤滑油的油-水-固分離凈化等等。

（1）物性參數

液-液或液-液-固的各相組分含量，比重差，粘度，pH值以及乳化狀態。

（2）分離要求

液-液分離時，應確保一相純度，而另一相則應相應放松一些。液-液-固分離時，基本上與上述相同，但需按固體含量多少來考慮選用人工排渣還是自動排渣的機型。此外如果遇到乳濁液的分離，在工藝上是否允許添加破乳劑。

（3）考慮選擇的離心機型

液-液，液-液-固分離處理量小的可以考慮選用管式離心機，處理大的一般選用碟片人工排渣或活塞排渣離心機。由于液-液二相的含量不同（如輕相液多，重相液少或輕相液少，重相液多），在管式離心機和碟片離心機中均需通過重力環加以調節。在碟片式離心機中，輕、重液相的含量還與碟片中心孔位置的分布有關，因此在選擇該種離心機型時，二相的含量是十分重要的。

3 離心力場的基本特性

3.1 分離因數

離心機在運行過程中產生的離心加速度和重力加速度的比值，稱為該離心機的分離因數。

（1）分離因數是離心機分離能力的主要指標，分離因數愈大，物料所受的離心力亦大，分離效果就愈好。對于小顆粒，液相粘度大的難分離懸浮液，則需采用分離因數大的離心機加以分離。目前工業用離心機的分離因數值由數百到數十萬。

（2）分離因數與離心機的轉鼓半徑成正比，與轉鼓轉速的平方也成正比，因此提高轉鼓轉速比增大轉鼓半徑對分離因數的影響要大得多。分離因素的極限值取決于轉鼓材料的機械強度，一般超高速離心機的結構特點是小直徑，高轉速。

3.2 斯托克斯定律

顆粒的沉降速度與顆粒的直徑成平方關系，與顆粒和液體的密度差成正比，與液體粘度成反比。

在分離過程中，顆粒的沉降速度越大，分離效果就越顯著，斯托克斯定律表明了分離效果與物性參數的基本關系。

4 與離心機選型有關的物料特性

脫水、澄清、濃縮、分級、分離等分離過程的效率除與離心機的機型選擇有關外，還與分離物料的下列特性（即懸浮液的特性、固體顆粒特性、乳濁液特性等）有關。

4.1 懸浮液的特性

懸浮液是指液體和懸浮于其中的固體顆粒所組成的系統。根據固體顆粒的大小與濃度可分為：粗顆粒懸浮液，細顆粒懸浮液，高深度懸浮液和低濃度懸浮液。固體顆粒的粒度，懸浮液的濃度與濾渣或沉渣的厚度增長率，與離心機的處理能力有密切的關系，在設備選型中占有重要的地位。

懸浮液的粘度取決于液相粘度和懸浮液的濃度。

4.2 固體顆粒特性

固體顆粒特性一般指顆粒群中顆粒的主要物理性質，包括顆粒的大小、粒度分布、形狀、比重、表面性質等。它們與分離有著密切的關系：

（1）懸浮液或料漿中的固體顆粒，是由許多單個顆粒和聚集在一起的顆粒團組成的混合體。

（2）顆粒的大小和幾何形狀與周圍液體表現間相互作用有關，顆粒越小，表面積則越大，固-液間的表現效應就越顯著。

（3）有些顆粒由于結晶力或分子間的吸引力很強，顆粒與液體有明顯的界面，因此分離容易，如金屬粉末、砂粒及某些結晶鹽。有些顆粒如硅酸、粘土、氫氧化鋁、氫氧化鐵，顆粒與液體沒有明顯的界面，分離較困難。

（4）顆?？煞譃閳杂埠蛙洿喽N類型，堅硬的顆粒比較穩定，軟脆的顆粒在輸送、攪拌、混合、凝聚等過程中可能會引起破碎而降低顆粒度，從而影響固液分離效果。

4.3 乳濁液特性

乳濁液是由液體和懸浮于其中的一種或數種其它液體所組成的系統。換言之，乳濁液是一個多相系統，其中至少有一種液體以液珠的形式，均勻地分散于一個不和它互溶的液體之中。以液珠形式存在的液體稱為分散相（內相或非連續相）；另一相稱為連續相（外相或非分散相）。乳濁液的液珠直徑一般大于0.1μm。乳濁液的穩定性低，當懸浮液珠達一定大小時，組成它的兩相會較快地分層。懸浮液珠的“臨界”大小約等于0.4～0.5μm，當懸浮液珠小于此值時，乳濁液顯得穩定，組成它的兩相不會分層。此種體系皆有一個較低穩定度，這個穩定度可因有表面活性劑或固體粉末之存在而大大增加。

乳濁液可根據組分是連續相或是非連續相而分為兩種截然不同的類型，例如油和水所成的乳濁液可以是油內水外，也可以是油外水內，一般常用O/W或W/O表示這兩種類型（/右邊是外相）。此處的油是廣義的，凡不與水混合者皆謂之油。

乳濁液與懸浮液的區別是，乳濁液內由于濃度的變化可能發生兩相的轉換，即分散相變成連續相，而連續相成為分散相。乳濁液的內摩擦或粘度和懸浮液一樣，因濃度的不同而改變，而在兩相發生轉換的濃度下，乳濁液的粘度較大。

描述乳濁液的物理性質主要包括液珠的大小及其分布、濃度、粘度、布朗運動及電現象等等，其中液珠粒度分布測定與時間的關系常常是研究乳濁液穩定時的一項重要數據。

5 物料的預處理

從斯托克斯定律知道，顆粒的沉降速度與顆粒的直徑成平方關系，與顆粒和液體的密度差成正比，與液體粘度成反比，為使分離操作變得容易進行，對于一些分離難度較大的物料，沒法通過物理和化學的方法，使顆粒直徑增大，液體粘度減小和固液密度差增大。另外，為了提高設備的處理能力和降低物料對設備的磨損，也應采用相應的增濃，預濃縮與防磨損的措施。

5.1 用化學或物理的方法將懸浮液中的顆粒增大

化學預處理主要是凝聚法，絮凝法，物理預處理為結晶，溫度調節，陳化，冷凍和引入摻合劑以改變懸浮液的性質。

5.2 通過溫度調節，改善分離液的粘度和密度

（1）如礦物油和水的分離，二者在通常情況下密度均接近于1，但礦物油的密度隨著溫度的升高呈明顯下降的趨勢。因此可通過加溫來加大礦物油和水的密度差。再如糖蜜加水稀釋，既可加大密度差，又可減少粘度。

（2）很多油品在室溫下粘度較高，但加熱后粘度明顯下降。

5. 3 增稠和預濃縮處理

若懸浮液的濃度很低，直接選用離心機，因處理量大，則選用機型大，投資高，運行費也高。如果通過增稠和預濃縮，使懸浮液的濃度提高，處理量減小后，再選用離心機，這樣選的機型就小，投資減小，運行費也減小。

常見的預濃縮方法有：重力沉降，篩分和旋液分離器等等。當然在具體應用時還需根據工藝要求，經濟分析綜合考慮。

5.4 防磨損處理

有些物料在分離過程中對離心機的磨損較大，根據研究分析和試驗結果，建議在進離心機前，先把物料中較大的顆粒除去，對改善離心機轉鼓的磨損有很好的效果。

6 各種離心機型對物料的適應范圍

離心機的型式和規格有許多種，按分離原理分為離心過濾機，沉降離心機。在離心過濾機中，按卸料形式不同又可分為：三足式人工排渣離心機、三足式刮刀卸料離心機、活塞推料離心機、離心力卸料離心機、進動卸料離心機等等。沉降離心機中有：臥螺沉降離心機，立螺沉降離心機、碟片人工排渣離心機、碟片噴嘴排渣離心機、碟片活塞排渣離心機以及管式離心機等等。每種機型中還有大小不同的規格系列。在這些離心機型中，它們的分離因數有高低，對物料的固體濃度有不同的適應要求，對固體顆粒的大小、性質也有不同的適應性，分離后的固相含水率，液相澄清度也各有差異。因此在已知物料分離要求的情況下，如何選擇合適的離心機是十分重要的，為此介紹各種離心機型的物料適用范圍表如下：

注：●表示可以采用