[科普中国]-离心机旋流器配套分离法

离心机旋流器配套分离法

离心机旋流器配套分离法是将离心机与旋流器串联进行混合悬浮液的分离，采用离心机与水旋流器串联分离方式是降低成本、提高生产效率的有效途径。根据串联分离设备基本原理可知,影响各分离组份粒径的因素主要有旋流器底流口直径、旋流入口压力和离心机转鼓转速。

旋流分离旋流分离的概述旋流分离是一种高效、节能的分离技术,离心机旋流器配套分离法是旋流分离技术的关键设备之一。离心机旋流器配套分离法结构简单,无运动部件,操作维护方便,分离分级性能优良,运行可靠,对不同工艺过程的适应性较强。它可以完成液体澄清、料浆浓缩、固粒分级、液体除气与除砂、非互溶性液体的分离等多种作业,在工业上得到了广泛的应用。近年来,小型离心机旋流器配套分离法(直径≤50mm)在国内外受到关注,因其分离因数值高而特别适用于微细颗粒悬浮液的分离分级操作,分离的边界粒度可达2～5μm,是一种新颖、高效的离心分离设备。

旋流分离的基本结构和工作原理旋流器分离器是利用离心力场加速重相颗粒沉降和强化分离过程的分离设备。一般的旋流器分离器由进料管、柱锥旋流腔、溢流管和底流管组成,其内部流体的流动是一种特殊的三维椭圆形强旋转剪切湍流运动。与离心机相比,旋流器分离器的器壁固定,是非运动型分离设备。受旋流腔内几何结构的限制,其内部的流体以渐开线、切线或螺旋线的方式加压进入后产生涡旋运动,这种涡旋运动由两种基本的旋转液流构成,即顺螺旋线向下运动的外旋流和沿螺旋线向上运动的内旋流,它们的旋转方向相同,但轴向运动方向相反。在强大的离心力场的作用下,外旋流携带大而重的物料由底流口排出,内旋流携带小而轻的物料由溢流口排出。旋流器分离器内流体运动的特殊性使其既具有离心分离作用又具有洗涤作用,离心分离作用是由离心力场决定的,洗涤作用则由旋流器分离器内存在的强大的流体剪切力场决定。剪切力的作用使得旋流器分离器在许多洗涤和分级场合有很广泛的应用前景1。

离心机旋流器配套分离法的应用淀粉加工业在淀粉加工业中离心机旋流器配套分离法可完成淀粉的分离、洗涤、浓缩、精制、除石、去砂等多种作业,还可用来处理含淀粉的废水。到20世纪80年代,离心机旋流器配套分离法在淀粉加工中的应用已经发展到几乎整个分离洗涤工序都可由旋流分离来完成的阶段。离心机旋流器配套分离法是一种离心分离设备,与原始的重力沉降设备相比,其离心加速度是重力加速度的几千倍甚至几万倍,分离操作时间很短,并且淀粉的提取率和质量高。而与离心机相比,尽管离心机旋流器配套分离法的离心分离能力有限,但若选择合适的结构和操作条件,完全可以满足淀粉加工的需要。如果使用单级离心机旋流器配套分离法尚不能达到分离要求,则可以采用多级串联或混联旋流器组。对于纤维等与淀粉裹缠在一起而难于分离的成分而言,旋流分离更是具有无可比拟的优势。在离心机旋流器配套分离法内流体的剪切力作用下,部分与纤维、皮渣、果胶等有机物结合在一起的淀粉被洗涤下来进入水中,最终形成淀粉、可溶性固形物、纤维、渣和水所组成的多相体系,再通过离心分离将这些物质按形状、密度、粒度等因素分离开来。因此按传统工艺,淀粉乳的分离工序都是由筛、离心机、离心机旋流器配套分离法等多种设备组合来完成,现代新工艺技术的主要发展趋势则是采用改进的离心机旋流器配套分离法替代复杂的设备组合,从而达到简化、高效、节能的目的。

淀粉颗粒的尺寸从几微米到上百微米,均可采用小型离心机旋流器配套分离法进行分离,也就是通常所说的旋流管。依据淀粉的种类不同,常用的旋流管直径有10mm、15mm和30mm。为了保证生产能力,每个旋流器可由数十个旋流管组装而成,并采用多级旋流器串联操作的方式来达到理想的分离效果。

目前常用的大规模淀粉生产线,其分离工序都采用了全旋流或部分旋流的工艺过程。目前,国内用于马铃薯淀粉加工的全旋流装置主要是20世纪90年代从俄罗斯进口的。2000年中国农机院完成了“马铃薯淀粉全旋流关键技术与装备”研究项目,成功地设计了具有技术自主权的全旋流系统装置,填补了该项技术的国内空白。采用全旋流工艺可以减少设备的数量,缩小占地面积,降低设备投资和使用、维护费用,降低清水的消耗量。同时采用封闭操作,还解决了因蛋白质与空气广泛接触生成大量难以消除的泡沫而降低生产效率和淀粉提取率的难题。

小麦淀粉的传统分离方法是采用落后的敞开式半机械化工艺,即间歇式马丁法。利用离心分离的原理进行小麦谷朊粉和淀粉的分离是一种全新的工艺。其中一种称为拉西奥工艺,即先用卧螺离心机得到粗淀粉乳,再用7级旋流器逆流洗涤系统精制淀粉乳,尽可能除去粗淀粉乳中的谷朊粉,同时采用3级旋流器系统洗涤溢流,回收淀粉。该工艺与传统方法相比,具有提取率高、能耗低、产品质量高等特点,在国外已相当成熟,但我国直到20世纪90年代才开始引进上述工艺设备进行小麦谷朊粉与淀粉的工业化试生产。另一种工艺则是用9级旋流器逆流洗涤系统制得粗淀粉乳,过筛除去麸皮后,再用3级旋流器浓缩得到精制淀粉乳。与传统方法相比,该工艺具有用水量少、生产效率和产品质量高等优点。

制糖业食用砂糖在最终加工成成品之前,应尽可能除去糖汁中的不溶性杂质,以提高糖的质量和商业价值。因此糖汁澄清在制糖过程中显得尤为重要。传统的糖汁澄清方法是采用过滤器(如板框过滤机)过滤,使用这种装置劳动强度大,运行成本高,而且有助滤剂渗漏污染产品的危险。高速转筒离心机作为过滤器的替代品已在许多国家使用,这种离心机转速超过4500r/min。与压滤装置相比,离心机对物料的适应能力强,自动化程度高,且无污染。然而糖液在进入离心机之前除了必须用离心机旋流器配套分离法进行预处理外,还须定期清洗高速转筒离心机离心转筒表面的草酸盐层。另外,耗电量高及噪声大也是其难以克服的缺点。用旋流管代替离心机也能达到理想的澄清效果。除澄清液中不溶物的浓度稍高外,澄清液的浑浊度仍保持在正常范围,并且其安装和运行费用要低得多。

乳制品生产很多饮用乳制品都要经过均质处理,将大团的脂肪球破碎和细化,这样乳脂肪就会均匀地分散在牛奶中,而不会浮在表面形成脂肪层。此外,均质处理还用来防止乳脂肪从奶油、奶粉和冰淇淋中析出。若将离心机旋流器配套分离法与均质机配套使用,在均质前用离心机旋流器配套分离法将大团的脂肪球分离出去,单独进行均质处理,这样不但可以提高均质效率,同时离心机旋流器配套分离法内强大的剪切和湍流运动,还会起到破碎脂肪球、进行均质的作用。

植物油生产要将油料中的油充分提出,有时仅靠压榨是不行的,通常要用溶剂萃取法进一步使油料中的油转移出来。油充分溶出后要将油渣从油和溶剂构成的混合物中分离出来,这一作业传统上是由过滤器来完成。因为离心机自带马达和运动部件,而提取油用的溶剂通常又是易燃性化学溶剂,所以使用离心机存在安全隐患,除非采取附加的防爆措施。离心机旋流器配套分离法因本身不含运动部件而不存在安全问题,它完全能够完成这一分离作业。

有些植物油在分离完成并使油中的溶剂挥发后,还需进一步精炼才可食用。可以加入苛性碱水溶液在40～85℃下对油进行处理,然后再用离心机旋流器配套分离法将这些水溶性的乳状液分离出去2。

饮料加工以葡萄为原料加工葡萄酒或葡萄汁等饮品时,必须解决酒石酸结晶沉淀的问题。目前,最先进的方法是向酒中接种结晶核,使酒石酸迅速结晶沉淀,进而过滤除去。同时为了降低成本,还要尽可能使晶种能够循环利用。离心机旋流器配套分离法则可用于晶种的回收,而且在将晶种分离出来的同时,其内部强大的剪切力还能充分清洗晶种。啤酒加工过程中存在很多分离工序,例如麦汁中蛋白类沉淀物的澄清、发酵液中酵母和蛋白类沉淀物的澄清等。尽管酵母和其他絮凝物都有柔性,容易引起过滤介质阻塞并使过滤床层有很强的抗压缩性,然而最常用的发酵液澄清装置仍然是过滤器。当酵母细胞体积分数较大时,通常在过滤前用离心机预澄清。

目前,国外已经设计出剪切力较小、适用于酵母分离的小型离心机旋流器配套分离法,它可与过滤器联合使用,并替代离心机在过滤前对发酵液进行预澄清,这样可以减轻过滤器的负荷,缩短分离时间,提高澄清液的产量,降低成本。近期,国内外一些学者正在从事用离心机旋流器配套分离法回收啤酒过滤后的废硅藻土的研究,实验采用直径15mm的旋流管,单级的回收效率可达66%,这样可以进一步降低过滤器的操作费用,而且在一定程度上解决了环境污染问题。