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卧螺离心机在淀粉固液分离生产中的应用

2017-2-11 13:49:44      点击:

卧螺离心机在淀粉固液分离生产中的应用

卧螺离心机的全称是卧式螺旋推料沉降离心机(Thehorizontaldecantercentrifuge)。它是常见的沉降式离心机,结构紧凑,体积小,自动连续作业,处理量大,广泛应用于化工、石油、食品、制药,环保等领域,能够完成固相脱水,液相澄清,-液、液-固相间的分离,按密度分级等分离过程。

卧螺离心机主要由转鼓、螺旋推进器、差速器3部分组成,其他还包括机壳、机座、驱动装置等。卧螺离心机的分离原理在多种学术资料和部分生产商的产品手册上都有介绍。笔者也曾撰文进行过比较详细的说明[1]

淀粉固液分离生产中广泛使用的是逆流型柱锥体重力排液两相卧螺离心机,重力排液卧螺离心机也称为倾析式卧螺离心机。差速器以机械式居多,近年来液压马达也有应用。虽然从理论上并流型卧螺离心机可以提高分离效率,但由于缺乏足够的实践证据,所以至今世界上90%的卧螺离心机仍然是逆流型[2]。混合型的机型出现得更晚一些。三相卧螺离心机的转速更高,制造工艺更为复杂,可以将待分离混合物根据各组分密度的不同一次性分离成符合工艺要求的3部分。这是继两相卧螺离心机之后市场上出现的新型卧螺离

心机。近年来国外先进的小麦淀粉固液分离生产工艺已经开始应用三相卧螺离心机进行淀粉固液分离和蛋白质的分离。双锥体卧螺离心机适用于物料难以沉降分离的场合,淀粉固液分离生产上的应用比较少见,不过已经有将其用于淀粉固液分离废水澄清的报道[2]

卧螺离心机的分类

转鼓的结构形式

圆锥体柱锥体

双锥体圆柱体带有滤网的带有碟片的

离心机的分离特性两相卧螺离心机三相卧螺离心机轻相流的流场型式逆流型

并流型

混合型轻相流的排出方式

重力排液压力排液

差速器的结构形式机械式圆弧摆线针轮差速器

渐开线圆柱齿轮差速器

谐波齿轮传动差速器

液压式(液压马达)电磁式卧螺离心机的用途脱水

澄清(浓缩)

分级

2󰀁卧螺离心机的分类

卧螺离心机可以适应粘度和浓度不断变化的物料,包括含有固体颗粒甚至是比较坚硬的颗粒,对颗粒的破坏也很小。卧螺离心机可以处理的混合物其所含固体颗粒的粒径范围也比较广,1~10󰀁103󰀁m之间。物料的浓度在5%~40%之间都是可以的[3],但是要视具体的物料而定。过于稀薄而且难以沉降的物料应该考虑采用碟片离心机或其他方法先进行浓缩。对于含有5󰀁m以下不定形颗粒的浆液,必要时需要考虑添加合适的凝絮剂[2]

1󰀁2󰀁卧螺离心机的性能参数

卧螺离心机的性能参数主要有:转鼓直径、转鼓转速、分

离因素、差转速、长径比等。一般生产厂家会给出以上全部参数或者部分参数。有些厂家还会给出转鼓和螺旋推进器的形状、调速方式、产量等。同样的机型,要处理的物料不同,应用场合不同,机器的产量也是不同的。

转鼓直径是衡量卧螺离心机生产能力的重要参数,转鼓直径越大,产量越大。但限于制造的难度和经济的原因,直径不能做得过大。目前多数卧螺离心机的转鼓直径小于520mm

转鼓转速、分离因素、差转速、长径比都是衡量卧螺离心机的分离能力的重要参数,而且是相互影响的,在选型时应该通盘考虑。转鼓转速越高,分离能力越高,但是限于机械制造和运行经济性的原因,转鼓直径较大的卧螺离心机,转速相对为低,一般转鼓直径在350mm以上的机型,转鼓转速都在4000r/min以下,小于350mm的机型,转鼓转速可以做得很高,达到6000~7000r/min甚至10000r/min,不过产量相对来说都比较小。1󰀁1󰀁1󰀁差转速

转鼓转速和螺旋推进器转速的差就是差转速,一般在0~100r/min之间,对于采用液压马达的机型,其数值在30r/min以下。差转速既反映卧螺离心机的分离能力,也反映其生产能力。用于脱水时,差转速是卧螺离心机的生产能力的决定因素之一。新型高浓缩型卧螺离心机可以使最终脱水物料的含水量低到35%左右。1󰀁1󰀁2󰀁长径比

转鼓长度(包括圆锥部分的长度)和转鼓直径的比值,没有单位。长径比的数值在2~5之间,其数值可以作为衡量卧螺离心机分离能力的参考,对于非柱锥型的卧螺离心机,一般不给出长径比数值。1󰀁1󰀁3󰀁分离因数

理想状态下转鼓内的粒子受到的最大离心力和重力的比值,是一个无单位的量。理想状态是指转鼓内的粒子是一个质子,只受到重力和离心力的作用。分离因数是衡量卧螺离心机分离能力的主要参数,产品说明书一般都会给出这个参数,柱锥型卧螺离心机的分离因数可以根据如下公式计算

Fc=RN2/900

式中,Fc为分离因数,无单位;R为转鼓半径,m,N为转

鼓转速,r/min

转鼓直径在350mm以上的卧螺离心机的分离因数数值一般都在4000以下,对于较小的机型,其数值则可以到10000左右。需要指出的是,分离因数不是卧螺离心机分离能力的唯一决定性参数,而是理想条件下计算出的理论值,所以分离因数相同的不同卧螺离心机在不同的实际应用中会有很大差别。

2󰀁卧螺离心机在淀粉固液分离生产中的应用2󰀁1󰀁概述

使用卧螺离心机进行分离作业的前提条件是:

(1)必须在液体中进行。

(2)待分离物料的各组分之间必须存在密度差,密度的差别越大,分离越容易。

(3)待分离固体物料的微粒在液体中能够形成悬浮液,越理想的悬浮液越容易分离。

淀粉固液分离不溶于冷水,植物蛋白质多数不溶于冷水,因此以水为辅助介质使待分离物料形成悬浮液,采用卧螺离心机可以分离密度不同的淀粉固液分离和蛋白质或者分离不同密度的淀粉固液分离组分(-固分离),也可以将不溶于水的淀粉固液分离、蛋白质等从悬浮液中分离出来(-固分离),具体来说有3个方面:2󰀁1󰀁1󰀁浓缩

淀粉固液分离生产中产生的废水所含固体颗粒较小,粘度大,用过滤的方法效率很低甚至难以奏效。对于浓度大于5%的废水可以直接使用卧螺离心机进行浓缩和脱水,回收其中的干物质。如果浓度过低,可以和碟片离心机配合使用。先使用碟片离心机进行预浓缩,然后使用卧螺离心机进行浓缩脱水。新型双锥体卧螺离心机的分离因数可以达到7000~10000[2],已经和碟片离心机持平,也可以替代碟片离心机完成难以分离沉降的任务。

卧螺离心机具有较长的转鼓,能够处理高浓度的物料,可以连续操作,重相固形物含量高(19%~23%

[2]

),物料中

可以含有较大的颗粒(5mm乃至更大),相对于碟片离心机只能适应低浓度物料、物料颗粒不能大于1mm(否则喷嘴容易堵塞)、重相固形物含量低(12%~14%[2])、每2~3d必须冲洗1次的缺点,优势明显。2󰀁1󰀁2󰀁脱水

机械方法脱水的效率要比采用蒸发(热、冷冻等)的方法的效率高5~10倍。如果浓浆所含固体的颗粒细小,粘度也就比较大,采用过滤脱水的方法不但效率低,固体含水量也比较高。麸质回收(玉米淀粉固液分离,俗称黄浆)B淀粉固液分离脱水(小麦淀粉固液分离)都可以采用卧螺离心机实现,但固体含水量都在60%以上。

采用新型卧螺离心机对小麦A淀粉固液分离浆脱水,可以使含固量达到54%[2]。卧螺离心机可以连续作业,不需要冲洗,产量大。而真空过滤器虽然可以使含固量达到60%,但即使是比较先进的间歇式冲洗机型也需要2h冲洗1,而冲洗会降低淀粉固液分离的得率,真空过滤器的筛面也容易破损。2󰀁1󰀁3󰀁分离

在现代化的淀粉固液分离生产工艺中,卧螺离心机作为高效可连续作业的分离设备已经被广泛采用了,尤其是在小麦淀粉固液分离生产工艺中,包括最新的三相卧螺离心机和双锥体卧螺离心机都已经被采用[2]2󰀁2󰀁具体应用

2󰀁2󰀁1󰀁在玉米淀粉固液分离生产中的应用(麸质回收)

麸质回收是从黄浆中回收麸质蛋白粉的过程。麸质水俗称黄浆,是玉米淀粉固液分离精制过程中产生的废水。固形物主要有玉米蛋白质、碳水化合物、色素和油脂等。浓度一般在1%~2%左右。离心分离法是进行麸质回收的常用而且高

效的方法。采用碟片离心机和卧螺离心机的组合比采用碟片离心机和真空过滤器的组合具有更高的效率,因为卧螺离心机在正常生产过程中可以连续生产而不需要冲洗。采用最新技术的卧螺离心机,干物质浓度和真空过滤器已经相差无几。具体的相关工艺图如图3所示。括号中的百分数是固形物的质量分数(百分比浓度)

3󰀁卧螺离心机在玉米淀粉固液分离生产中的应用

浓缩后的麸质水最好调整一下酸度和温度,浓麸质液的pH=4.5~5.5,温度为45󰀁左右时的沉降效果有明显的峰值[4]。采用分离因数较大的机型有利于干物质(重相)浓度的提高。

2󰀁2󰀁2󰀁在薯类淀粉固液分离生产中的应用(细胞液分离)

马铃薯、甘薯、木薯具有十分相似的结构,因此淀粉固液分离生产的基本过程是一致的[4]。细胞液是水溶性蛋白质、氨基酸、维生素等物质的混合物。干物质含量在4.5%~7%之间,与薯类淀粉固液分离一同存在于根茎细胞中,薯块粉碎时一同与淀粉固液分离释放出来。薯块粉碎后先分离出细胞液可以降低后续工艺中泡沫的产生,降低水的消耗和废水的产生,提高淀粉固液分离的质量。分离出的细胞液浓缩干燥后可以用作优质的饲料等。分离细胞液可以使用曲筛、锥形离心筛、卧螺离心机。现代化的生产工艺中卧螺离心机的应用比较广泛。

4󰀁卧螺离心机在薯类淀粉固液分离生产中的应用图4所示为马铃薯生产工艺图片断,是一个细胞液分离和浓缩的工艺过程。细胞液的成分与原料的具体种类、生产工艺有关,但差别不大。加热分离出来的细胞液是为了使其中的蛋白质受热凝固,便于后续工艺进行分离。

3、图4中的数椐资料主要来源见参考文献[4]~[6]2󰀁2󰀁3󰀁在小麦淀粉固液分离生产中的应用

卧螺离心机在小麦淀粉固液分离生产中的广泛应用比较晚,但发展迅速。国外先进的离心分离工艺采用卧螺离心机进行A

粉和面粉中的其他成分的分离、A淀粉固液分离和B淀粉固液分离的分离、B淀粉固液分离的脱水以及废水的处理。比较先进的改良的马丁法也开始将卧螺离心机应用到淀粉固液分离的脱水工序中[2]。三相卧螺离心机、双锥体卧螺离心机在生产中的应用使生产线的规模、效率、连续化操作的程度、产品的得率都有了新的进展[2,4]

5󰀁卧螺离心机在小麦淀粉固液分离生产中的应用图5所示为小麦淀粉固液分离生产工艺图片段,图中显示了三相卧螺离心机和双锥体卧螺离心机在B淀粉固液分离回收、浓缩、脱水工序的应用实例[2]。这种新颖的工艺提高了商品淀粉固液分离的得率,减少了新鲜水的消耗量和最终废水的产生。图5在原资料的基础上作了一些改动以便说明问题。图中的双锥体卧螺离心机的分离因数最大可以达到10000[2]。但笔者认为工艺指标的提高是各种新工艺、新方法、新设备应用的综合结果。三相卧螺离心机固然简化了工艺路线,但投资成本的提高在实际设计中也应该加以考虑。

5中从三相卧螺离心机排出的次重相悬浮液的浓度如果不低于5%,可以考虑用一台双锥体卧螺离心机代替图4中的碟片离心机和两相卧螺离心机。只要合理设计湿面筋筛分工序,该工序排出的B淀粉固液分离浆液的浓度不难大于5%,用分离因数达到7000~10000的双锥体卧螺离心机应该能够满足需要。三相卧螺法小麦淀粉固液分离生产工艺的新鲜水消耗量可以降低到每1t面粉2~3t[4],但笔者认为在国内的应用尚需要实践的检验。