[科普中国]-分离机械

基本概念

物质的分离操作是将混合物中不同物理、化学等属性的物质，根据其颗粒大小、相、密度、溶解性、沸点等表现出的不同特点而将物质分开的一种操作过程。进行物质分离操作的机械设备称为分离机械。分离机械主要应用于化工、制药、轻工、石油、冶金、煤炭、染料、食品、酿造、造纸和环保部门。

不同物性物质的分离方法不同，分离一般采用过滤、蒸馏、重结晶、萃取、离心及吸附等方法。1

常见分离机离心分离机离心分离机主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同，又互不相溶的液体分开（例如从牛奶中分离出奶油）；它也可用于排除湿固体中的液体，例如用洗衣机甩干湿衣服；特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气体混合物，例如浓缩、分离气态六氟化铀；利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点，有的沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。离心分离机大量应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等部门。

离心分离机有一个绕本身轴线高速旋转的圆筒，称为转鼓，通常由电动机驱动。悬浮液（或乳浊液）加入转鼓后，被迅速带动与转鼓同速旋转，在离心力作用下各组分分离，并分别排出。通常，转鼓转速越高，分离效果也越好。离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。①离心过滤：悬浮液在离心力场下产生的离心压力，作用在过滤介质（滤网或滤布）上，使液体通过过滤介质成为滤液；而固体颗粒被截留在过滤介质表面，形成滤渣，从而实现液-固分离。过滤型转鼓圆周壁上有孔，在内壁衬以过滤介质。②离心沉降：利用悬浮液（或乳浊液）密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理，实现液-固（或液-液）分离。沉降型转鼓圆周壁无孔。图3为4种典型的沉降型转鼓。悬浮液（或乳浊液）加入转鼓后，固体颗粒（或密度较大的液体）向转鼓壁沉降，形成沉渣（或重分离液）。密度较小的液体向转鼓中心方向聚集，流至溢流口排出，成为分离液（或轻分离液）。转鼓均为间歇排渣，适用于含固体颗粒粒度较小、浓度较低的悬浮液或乳浊液分离；图3b的转鼓用螺旋连续排渣，可分离固体颗粒浓度较高的悬浮液。在具有多层圆锥形碟片的转鼓中，液体被碟片分成若干薄层，缩短了沉降分离的距离，使分离加快，改善了分离效果。当要进行分离的固、液混合物从进料口进入高速旋转的转筒内，在离心力的作用下，混合物通过滤网实现过滤，液体分离物经过排液管排出，固体分离物留在转筒内，待转筒内的固体分离物达到设备所规定的要求时，停止进料，对固体分离物进行清洗，同时将洗涤液排出。清洗达到要求后，离心分离机进行低速运转，固体分离物排出装置（刮刀）在交流伺服电动机的驱动下动作，将固体分离物排出，完成一次工作过程。2

过滤机过滤机是利用多孔性过滤机实现固液分离的设备。过滤器应用于化工、石油、制药、轻工、食品、选矿、煤炭和水处理等部门。过滤机是一种新型的过滤系统，结构新颖、体积小、操作简便灵活、高效、密闭工作、是适用性强的多用途过滤设备。中国古代即已应用过滤技术于生产，公元前200年已有植物纤维制作的纸。公元105年蔡伦改进了造纸法。他在造纸过程中将植物纤维纸浆荡于致密的细竹帘上。水经竹帘缝隙滤过，一薄层湿纸浆留于竹帘面上，干后即成纸张。

用过滤介质把容器分隔为上、下腔即构成简单的过滤器。悬浮液加入上腔，在压力作用下通过过滤介质进入下腔成为滤液，固体颗粒被截留在过滤介质表面形成滤渣（或称滤饼）。过滤过程中过滤介质表面积存的滤渣层逐渐加厚，液体通过滤渣层的阻力随之增高，过滤速度减小。当滤室充满滤渣或过滤速度太小时，停止过滤，清除滤渣，使过滤介质再生，以完成一次过滤循环。液体通过滤渣层和过滤介质必须克服阻力，因此在过滤介质的两侧必须有压力差，这是实现过滤的推动力。增大压力差可以加速过滤，但受压后变形的颗粒在大压力差时易堵塞过滤介质孔隙，过滤反而减慢。中国产业链众多，行业的生产集中度低、高端产品相配套的研发能力低、压滤机行业制造技术水平低等现象仍然存在，进出口贸易逆差不断扩大。来几年将是压滤机行业的高速震荡期，这种高速震荡带来的直接后果是导致品牌阵营中两极分化的趋势扩大。预计今后几年真正能够在市场上存活的企业绝对不有这么多。但压滤机行业的这种高速震荡将带来巨大的机会，震荡的结果将会使市场运作更加理性。高端电动的压滤机国产化之路异常“坎坷”。基础件已经成为制约我国压滤机制造业向高端化发展的短板，十二五期间政府将继续加大对压滤机高端装备零部件的国产化力度随着市场发展的不断走向高端化产品悬浮液过滤有滤渣层过滤、深层过滤和筛滤 3种方式。①滤渣层过滤：过滤初期过滤介质只能截留大的固体颗粒，小颗粒随滤液穿过过滤介质。在形成初始滤渣层后，滤渣层对过滤起主要作用，这时大、小颗粒均被截留，例如板框压滤机的过滤。②深层过滤：过滤介质较厚，悬浮液中含固体颗粒较少，且颗粒小于过滤介质的孔道。过滤时，颗粒进入后被吸附在孔道内，例如多孔塑料管过滤器、砂滤器的过滤。③筛滤：过滤截留的固体颗粒都大于过滤介质的孔隙，过滤介质内部不吸附固体颗粒，例如转筒式过滤筛滤去污水中的粗粒杂质。在实际的过滤过程中，三种方式常常是同时或相继出现。1

过滤与分离机械的创新进展随着国际新形势逐渐复杂化和环保行业以及全球能源的快速进步，药剂、食品、冶金、化工、核工以及国防等行业的要求日渐高纯净化、高品位化，同时伴随着全球化经济低碳化，全世界各个国家对分离与过滤机械工业的重视度和关注度逐渐增加。目前市场，市场贸易，资本公众化以及企业联合化、信息流通和先进技术一体化的格局已经成为发达国家在分离与过滤行业中的一个重要举措。

1、国外分离与过滤机械发展历程

1965年在英国，20个国家一起联盟成立了国际过滤学会，此后的多年间各国进行了越来越多的国际性行业交流。1974年到2013年总计举办了11届世界过滤大会，这是全球级别最高的分离与过滤行业会议。随后，世界过滤组织于1990年法国创办，很多国家以此为契机在当地创立了各类分离与过滤学会与协会，同时创立了以各国为头衔的专业性期刊或杂志，世界分离与过滤技术得到了快速而有效的发展。近些年，国外分离与过滤机械行业有了快速的进步和发展。2011年全球该行业的总产值约2500亿美元，里面亚洲产值就高达800多亿美元，其中膜类产值约占25%左右；美国2012年单单膜类产品产值就高达25多亿美元。

2、国外分离与过滤机械发展现状

1）分离与过滤机械的产品主要类型

分离与过滤机械包含在化工过程与控制机械及设备的范畴里。目前国内外的分离与过滤种类特别多，主要的设备和机械有物质分离机械有筛与电磁选分设备、膜分离设备、干燥设备、气溶胶分离设备、离子交换设备、离心分离器、萃取器、吸收设备、精馏设备等。国内外当前对于分离与过滤设备的划分类型还没有一个统一的参照标准，都是根据自己的情况来定位的。到了二十一世纪，大部分经济发达国家都比较喜欢按照设备的工作原理来划分机械类型，其中按照推动力的相同性分叫做“类”，根据整机的结构分成为“型”，根据主要特征分成为“式”。

2）主要分离与过滤机械产品发展史

早在十八世纪，我国第一次使用布袋来过滤豆浆，第一次使用离心力原理来分离蜂蜜。从这之后的几百年中，世界各国分离与过滤技术都没有得到很好的发展和创新，直至十九世纪板框压滤机才被首次发明出来，到了二十世纪，机械产品的开发才出现了较快的发展势头，并且一举发明了超导分离、纳米过滤、全自动化作业、机器人操作等高科技机械产品。

3、国外分离与过滤机械发展势头

当今世界，高新技术迅猛发展，这种强大的发展趋势也给分离与过滤机械产品的创新和发展注入了新力量和源泉，超音速铀分离、超导分离、激光分离、超声波过滤、纳米超滤、仿真自滤等高科技项目不断推新，其整个行业发展势头与相关产业的进步起头并进，主要表现可总结为以下几个方面：

1）高参数趋势

第一是大规格趋势：因为资源以及能源开发、三废治理、环保等工业逐渐朝着大型化的方向发展，就需要有大型号大规模的分离与过滤设备提供支持，比如Φ3000离心分离机以及2000m2压滤机等。第二是高速率趋势：当前各企业的管理者都比较重生产效率问题，为了满足企业对特殊材料的分离任务并保障设备的工作质量和效率，就必须有高速运转且高速过滤的设备作为后盾，比如音速铀浓缩离心分离机以及高速率旋叶压滤机等，并且它们都采用了针状轴承整机以及磁力全速动平衡技术。第三是高精度趋势：目前全球精细化工、医药生物等行业的发展速度越来越快，为了提高此类产品的纯度质量，就要有更加精细的设备，比如高精度精密膜分离器、千级铀扩散膜滤机组、十字流动态过滤机等。第四是高压力趋势：节能是当前世界关注的重点课题，为了尽可能大的减少产品的含液量，以达到降低干燥产品过程中的能耗，设备的压力就应该逐渐增大，比如加压叶滤机等。

2）节能多功能趋势

随着医药生物工程技术水平的不断发展，贵重制品的污染以及节约现在已经得到了相关人士的持续关注，为了实现这一目标，就要设计出节能减排共更能、干燥功能、过滤功能和集反应功能共有的一体化设备，像具备压榨功能的多功能加压过滤机以及水平带式过滤机等。

3）智能化趋势

为了适应特殊场合的需求并且提高机械的生产效率和质量，我们必须采用全自动化高水平且能够连续作业的专业设备，逐渐朝着机器人操作以及电脑控制的方向发展，像控无人操作碟型分离机或者水平带型过滤机等。

4）材料新型化趋势

未来设备的机械性能一定会逐渐提高，这就需要抗腐蚀性能、耐磨性、刚度、强度优异等新材料的支持，例如新型合成树脂、橡胶、硬质合金SiO2、陶瓷、工程塑料复合而成的新型材料，除此之外还需要零件表面镀镍磷技术以及喷涂、衬包、镶嵌、粘结新工艺的支持。在分离效率及精度方面也将得到很好的发展，这就对过滤分离机械的过滤介质，其心脏材料有了严格的要求。比如烧结网、滤布等。3