臥螺沉降式離心機選型分析
一、前言
臥式螺旋沉降式離心機是采用離心沉降法來分離懸浮液的機器，它是將含細(xì)小顆粒（粒徑d≥5μm）的懸浮液，經(jīng)過固液分離，使懸浮液變?yōu)橄鄬Ω蓛舻囊后w和固體狀的泥渣，由于無濾布和濾網(wǎng)、單位產(chǎn)量的耗電量較少，單機生產(chǎn)能力大，適合工廠大型化與自動集中控制的要求，沒有操作周期，連續(xù)運行，連續(xù)進出料，操作簡便，母液含固量少，澄清度高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小和易于密閉等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)保、石油、化工、冶金、醫(yī)藥食品和輕工等領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要部件有轉(zhuǎn)鼓、螺旋輸送器、差速器、過載保護裝置和卸渣裝置。其工作原理為：在機殼內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器由兩個同心軸承相連接，主電動機通過V帶輪帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓通過左軸承處的空心軸與行星差速器的外殼相連接，行星差速器的輸出軸帶動螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓作同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速不一樣。懸浮液從右端的中心進料管連續(xù)送入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，在離心力的作用下轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成一環(huán)形液池，重相固體粒子離心沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面而形成沉渣，由于螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓的相對運動，沉渣被螺旋葉片推送到轉(zhuǎn)鼓的小端的干燥區(qū)，送出液面并從排渣孔甩出。在轉(zhuǎn)鼓的大端蓋上開設(shè)有若干溢流孔，液相便從此處流出，從而完成固液分離。
臥螺沉降式離心機選型和很多因素相關(guān)，如設(shè)計理念、物料理化特性參數(shù)和工藝路線等是選型過程中應(yīng)十分注意的問題。
二、設(shè)計理念
國內(nèi)外臥螺沉降式離心機的設(shè)計主要技術(shù)特點基本相同，但在技術(shù)細(xì)節(jié)上設(shè)計理念存在很大差異，主要表現(xiàn)在技術(shù)參數(shù)的選擇、材料的選擇、起動方式、驅(qū)動方式和差速器等方面有很大的不同。
(1)技術(shù)參數(shù)的選擇 轉(zhuǎn)鼓直徑和長徑比、分離因素和螺旋頭數(shù)是臥螺沉降式離心機主要技術(shù)參數(shù)。轉(zhuǎn)鼓直徑越大，生產(chǎn)能力也越大，但受材料強度和加工難度的限制，轉(zhuǎn)鼓直徑不能大到一定數(shù)值。同樣，長徑比大，生產(chǎn)能力也越大，對于易分離的物料，長徑比取1~2，對于難分離的物料，長徑比取3~4，所以盡量選用長徑比大的機器，可以增加沉降區(qū)長度和干燥區(qū)長度，既利于沉降，有利于減少濾餅的含濕量，但制造較難，成本增加。分離因素Fr=ω2R/g和轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速直接有關(guān)，它的選擇取決于懸浮液中固相顆粒的分離難易，轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速受到材料和軸承限制，所以在滿足使用要求時，盡可能采用較低轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，一般地，大直徑臥螺離心機分離因素都很低。螺旋頭數(shù)可以是單頭、雙頭和多頭，難分離的物料一般采用單頭螺旋；需要產(chǎn)量大又易分離的物料，多采用多頭，但母液含固量會增加，在污水處理行業(yè)，一般采用單頭螺旋。
此外，還有轉(zhuǎn)鼓的半錐角和溢流口內(nèi)徑都是在設(shè)計離心機時需要考慮的技術(shù)參數(shù)。半錐角對固體流量的性能具有重要影響，由于離心力的作用，當(dāng)顆粒到達(dá)轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁并被螺旋向前輸送的同時也具有向后流動的趨勢，而向后流動的速度與螺旋斜角有關(guān)，最后體現(xiàn)在錐角上。兩者對固體顆粒的輸送性能產(chǎn)生直接的影響，即隨著回流速度的增加則固體輸送速度下降。溢流口內(nèi)徑和液層厚度有關(guān)，液體在機內(nèi)停留時間的增加則液層的厚度也增加，其結(jié)果是澄清效率提高，但同時機內(nèi)的干燥區(qū)間縮短會使離開液面的固體含水量也增大，即脫水效果反而有所降低。因此，液層厚度的調(diào)節(jié)會直接影響到沉降速度、流量以及固體排出量。臥螺離心機還需要根據(jù)使用經(jīng)驗和試驗結(jié)果進行分析研究，才能確定機器的類型和結(jié)構(gòu)。
(2)材料的選擇 材料的強度性體現(xiàn)在離心機的轉(zhuǎn)速上，它也直接對體積流量和質(zhì)量流量產(chǎn)生影響，此外離心機的腐蝕也與其材料結(jié)構(gòu)有關(guān)。轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器通常用不銹鋼鑄造和焊接，或用高強度的不銹鋼和鈦鋼制造，也可用玻璃鋼制造。目前國內(nèi)與國外設(shè)備中，主要部件都采用不銹鋼制造，尤其是轉(zhuǎn)鼓與螺旋部分全部采用不銹鋼，只有少數(shù)國外廠家可針對不同的處理對象及介質(zhì)的要求，采用合適的材質(zhì)。如對于污水處理和無腐蝕性場合，采用高強度碳鋼防腐，避免了過度設(shè)計，大大降低了制造成本，通過10余年的實踐證明，在污水處理中采用碳鋼防腐的材質(zhì)是完全可行的。在外殼方面更是盡量考慮節(jié)省材料，降低成本，如采用玻璃鋼外殼。轉(zhuǎn)鼓和螺旋的材料選擇時要考慮到耐磨性，為了有效保護轉(zhuǎn)鼓，在排渣孔設(shè)置耐磨套，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面設(shè)置筋條或在內(nèi)表面拉槽；螺旋輸送器的葉片易受到物料的嚴(yán)重磨損，為了減少或避免葉片的磨損，對螺旋葉片外緣進行碳化鎢熱噴涂處理，焊接合金塊。
(3)起動方式 國內(nèi)外離心機廠家在離心機起動方面有不同的考慮，國外機器多帶有液力偶合器，而國內(nèi)機器由于制造技術(shù)原因大多是直接起動。液力偶合器有兩種作用：一是具有使電動機輕載起動功能，能改善電動機的起動能力，確保電動機沉重負(fù)載輕快起動，降低電動機起動電流，實現(xiàn)軟加速，降低對電網(wǎng)的沖擊；二是具有過載保護功能，能有效地保護電動機和離心機在起動和超載時不受損壞，降低機器故障率，延長零部件和整機使用壽命。液力偶合器的充油量應(yīng)有一個最佳值。如充油量太滿，會造成起動電流長時間過高，引起停機。如果液力偶合器內(nèi)工作液較少，則液力偶合器滑差增大，傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩會減少，使輸入轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于輸出轉(zhuǎn)速，而且液力偶合器溫度會升高。另外，工作液的選擇也比較重要，工作液密度越高，傳遞能力越強。工作液黏度越高，傳遞特性越不利。液力偶合器一般安裝有兩個易熔塞，在易熔塞的中心有一軟焊，在一定的溫度下會熔化。在離心機過載情況下，液力偶合器中的工作液會過熱，達(dá)到設(shè)定值時，易熔塞熔化，工作液噴出，功率的傳遞即被中斷，離心機聯(lián)鎖跳車。
(4)驅(qū)動方式 在驅(qū)動方式上，國內(nèi)外有較大的差異，國外機型有多種不同的驅(qū)動方式，而國內(nèi)離心機驅(qū)動方式通常較為單一，采用最多的驅(qū)動方式為雙電動機結(jié)構(gòu)。單電動機驅(qū)動形式：即一臺電動機通過主皮帶輪驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓，次級皮帶驅(qū)動差速器的軸，從而產(chǎn)生差轉(zhuǎn)速，調(diào)整差速時需要停機進行，屬于簡單驅(qū)動方式；或差速器輸入軸固定，轉(zhuǎn)鼓由單電動機驅(qū)動；雙電動機驅(qū)動形式：即一臺電動機通過皮帶直接驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，另一臺電動機通過差速器驅(qū)動螺旋。而進口設(shè)備中往往可提供除常用的雙電動機系統(tǒng)驅(qū)動方式外，還有多種驅(qū)動方式的選擇，常用驅(qū)動方式是采用液壓驅(qū)動，即轉(zhuǎn)鼓及螺旋分別由獨立的液壓系統(tǒng)驅(qū)動，具有其他驅(qū)動方式所不可比擬的優(yōu)點：更大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、更為簡便的速差控制方式以及更低的速差。這種驅(qū)動方式的缺點是設(shè)備成本較高，對液壓系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)要求極高，由于液壓聯(lián)接點較多，存在泄漏的機會也較多。因此這種驅(qū)動方式對液壓元件的質(zhì)量和可靠性均有嚴(yán)格的要求。
螺旋與轉(zhuǎn)鼓繞同軸向旋轉(zhuǎn)，但兩者之間有一個轉(zhuǎn)速差。若以nb表示轉(zhuǎn)鼓的絕對轉(zhuǎn)速，以ns表示螺旋的絕對轉(zhuǎn)速，Δ=nb -ns，若螺旋超前轉(zhuǎn)鼓，即為正差轉(zhuǎn)速，反之螺旋滯后轉(zhuǎn)鼓，為負(fù)差轉(zhuǎn)速。采用正差轉(zhuǎn)速，有利于沉降分離，采用負(fù)差轉(zhuǎn)速時，有利于沉渣的輸送，而且可以減少由差速器傳遞的功率，所以，現(xiàn)代螺旋沉降離心機多采用負(fù)差低轉(zhuǎn)速的右旋螺旋。不同驅(qū)動方式最終會導(dǎo)致不同的差速，差速是影響濾餅含濕量的關(guān)鍵因素，低差速可產(chǎn)生更干的濾餅，對螺旋的磨損也相應(yīng)減少，從而可大大延長螺旋的使用壽命。另外增大差速不僅增加固體流量，而且還增大機器澄清區(qū)內(nèi)的攪動，從而使澄清效率下降，這時就必須將體積流量降低。增大差速還會減少固體顆粒在機器內(nèi)的停留時間、增大排出固體的含水量。國產(chǎn)設(shè)備的差速一般最低值都在數(shù)轉(zhuǎn)/分鐘，僅有少數(shù)廠家可達(dá)0.5r/min，而國外的最低差速可達(dá)到0.2r/min，相差10余倍，即濾餅的停留時間可增加十余倍。
(5)差速器 在臥螺離心機運轉(zhuǎn)過程中，濾餅在轉(zhuǎn)鼓表面的移動全靠差速器產(chǎn)生的螺旋對轉(zhuǎn)鼓的相對運動來實現(xiàn)，由于臥螺離心機的轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間速差小而轉(zhuǎn)矩大，產(chǎn)量越大，螺旋輸送器所受轉(zhuǎn)矩愈大，如圖2所示。
由于差速器轉(zhuǎn)速高，需傳遞的轉(zhuǎn)矩大，潤滑條件又差，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值時，對差速器壽命影響很大，故對各零件在組裝過程中的間隙調(diào)整要求特別高，公差要求非常精密，間隙太大或太小均不利于差速器的運行。一般差速器采用周轉(zhuǎn)輪系結(jié)構(gòu)，常采用行星擺線針輪、
漸開線齒輪差速器優(yōu)點是體積小，重量輕和傳動比大，效率高達(dá)90%～99%以及承載能力大等。國內(nèi)及國外離心機所采用的差速器結(jié)構(gòu)形式基本相同，一般多為雙級2K—H、3K及K—H—V等形式行星漸開線齒輪差速器，或采用行星擺線針輪及漸開線齒輪差速器的組合形式。離心機生產(chǎn)廠家往往需要專門設(shè)計及加工，國內(nèi)很多廠家進行過差速器的國產(chǎn)化嘗試，部分廠家的機械加工精度以及某些性能基本達(dá)到國際水平，但從整體來看，尤其是在裝配精度和裝配經(jīng)驗上仍存在一定差距，加之主要部件選用材質(zhì)不當(dāng)或受材料質(zhì)量的制約，往往造成差速器達(dá)不到設(shè)計要求，效率較低和壽命短。因此國產(chǎn)差速器的關(guān)鍵不僅取決于制造質(zhì)量，更重要的是裝配質(zhì)量和材料的選擇。
三、物料理化特性參數(shù)
生產(chǎn)過程中物料的理化特性參數(shù)在臥螺沉降式離心機選型中必須仔細(xì)而又慎重，因物料理化特性考慮不全面影響機器性能不在少數(shù)。諸如有些機器常常發(fā)生扭振造成主軸承振動過大或過載保護裝置動作就是這方面的表現(xiàn)。物料的理化特性參數(shù)有顆粒的大小、形狀、性質(zhì)、固液相密度差和黏度等。當(dāng)離心機結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，離心機生產(chǎn)能力取決于物料的物理性能與化工操作條件根據(jù)下式可以判斷：
在分離過程中，顆粒沉降速度VR越大，分離效果越顯著；顆粒直徑愈小，沉降速度愈慢，愈難分離，離心母液中的含固量也相應(yīng)增加，反之，顆粒直徑愈大，沉降速度愈快，越易分離，離心母液含固量越少，如圖3所示。固液相密度差的增大，顆粒沉降速度VR越大，分離效果越顯著，濾餅含濕量越少，如圖4所示。懸浮液黏度取決于液相黏度和懸浮液的濃度，黏度越小，顆粒沉降速度VR越大，分離效果越顯著；由下式判斷：
四、工藝路線
臥螺沉降式離心機的分離要求是根據(jù)企業(yè)工藝路線狀況而定，受進料口懸浮液壓力、溫度、懸浮液濃度和均勻性、轉(zhuǎn)鼓液池深度制約和影響。
（1）進料壓力對分離要求的影響 在很多生產(chǎn)工藝中，一般利用高位槽的物料位差進入離心機，進料壓力始終變化。進料壓力的變化導(dǎo)致進料的不均勻性，對于過濾式離心機還能適應(yīng)，但對臥螺沉降式離心機則不利。特別是當(dāng)進料的壓力突然增大和遙控閥門的滯后，大量的物料進入機器，就會造成進料管扭斷和螺旋輸送器內(nèi)腔發(fā)生堵塞，機器產(chǎn)生不平衡，主軸承振動加大，處理不及時機器就會嚴(yán)重受損。所以在國內(nèi)外大型化裝置中，已摒棄這一傳統(tǒng)進料工藝而改為泵進料定量輸送工藝。
（2）進料溫度對分離要求的影響 物料溫度的提高可以降低懸浮液的黏度μ，黏度μ的降低可以增加顆粒沉降速度VR，從式（1）可以看出，可以提高離心機的分離量。但溫度過高，會對機器的軸承和密封造成影響，增加螺旋輸送器的阻力，所以進料溫度要適宜。
（3）進料濃度和均勻性對分離要求的影響 由于懸浮液中的固液很容易發(fā)生分層，料槽物料的濃度不均勻，盡管在料槽中增設(shè)攪拌裝置，但在料槽底部或出料快結(jié)束時，物料濃度變稠，也容易使機器產(chǎn)生不平衡力，在進料管和螺旋輸送器內(nèi)發(fā)生沉淀堵塞，造成進料管扭斷和機器嚴(yán)重?fù)p壞，所以，經(jīng)常在離心機入口管線上加補充水，料槽攪拌裝置設(shè)計力求保證物料均勻，輸送泵能力要保證一定的物料回流至料槽。
（4）轉(zhuǎn)鼓的液池深度對分離要求的影響 調(diào)節(jié)離心母液出口的堰板，可調(diào)節(jié)液池的深度h。池越深，脫水區(qū)的長度越短，產(chǎn)品含濕量越大，母液含固量愈小，反之，產(chǎn)品含濕量減少，母液中含固量增加。在一定分離因素下，不同的機器有不同的脫水區(qū)的長度，濾餅的含濕量和母液含固量能根據(jù)轉(zhuǎn)鼓的液池深度達(dá)到最佳工藝要求，工程技術(shù)人員可根據(jù)后處理生產(chǎn)狀況進行合理選擇轉(zhuǎn)鼓的液池深度。
五、結(jié)束語
在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，離心機的選型關(guān)系到工程項目成功與否，選用了合理的機型，從而使能耗降低，控制簡單，產(chǎn)品質(zhì)量之高；選用機型不當(dāng)，使生產(chǎn)不能繼續(xù)，造成極大的經(jīng)濟損失。在近幾十年的發(fā)展中，臥螺沉降離心機在結(jié)構(gòu)、性能和參數(shù)上發(fā)生了很大的變化，分離質(zhì)量、生產(chǎn)能力也比以前有了較大的提高，應(yīng)用的范圍也在不斷地擴大。特別是國內(nèi)工礦企業(yè)都面臨著節(jié)能減排的巨大壓力，在企業(yè)污水處理方面，污泥脫水是一個關(guān)鍵技術(shù)，而臥螺沉降離心機正是具有自動、高效、密閉和連續(xù)等諸多優(yōu)點，在這個技術(shù)關(guān)鍵中起著舉足輕重的作用。
