1 离心机的应用和选型概述

离心机与其它分离机械相比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有体积小、密封性好、连续运行、自动遥控等优点，因此被广泛应用于化工、石化、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船舶、环保、军工等各个领域。如湿法采煤的煤粉回收；石油开采的钻井泥浆净化回用；铀同位素的浓缩；污水处理的污泥浓缩和脱水；石油化工产品的精制；抗菌素、农药的提取；牛乳、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、动植物油、米糖油、淀粉等食品的制造；织品纤维脱水；润滑油、燃料油的提纯等都需使用离心机。可见，离心机已成为国民经济各部门广泛应用的分离设备。

2 适于不同工艺要求的离心机机型简介

在生产过程中，有脱水、澄清、浓缩、分级、分离等不同的工艺要求。脱水和澄清，其实质就是使悬浮液中固体和液体相互分离开来，脱水是去掉固相中的液相，澄清是去掉液相中的固相。浓缩是使液-液二相中的固相在溶液中的含量提高。分级是使悬浮液中不同粒径的颗粒，以某一粒径d_Kp为基准，分成大于d_Kp和小于d_Kp的二组颗粒组分。分离一般是指二种互不相溶的液相的分离，如果液-液相呈连续相，则分离仅与它们的比重差有关；如果一相连续，另一相分散——即另一相以液滴状态分散在连续相中，构成了乳浊液，在此情况下，要把液-液二相分离，则不仅与二相的比重差有关，而且与分散相的液滴直径大小有关。

2.1 脱水过程中涉及的物性参数、分离要求和设备选择

脱水过程是使悬浮液中的固相从液相中分离出来，且要求含的液相越少越好。

（1）物性参数

悬浮液的固相浓度；固相所含颗粒的大小、形状、性质——是刚体、晶体还是无定形菌丝体；固体的吸水性能，摩擦系数；悬浮液的温度，pH值，以及固-液二相比重差，粘度。

（2）经离心脱水后的物料要求

脱水后固体允许的含水率；固体是否允许被破碎；液相中允许的含固率等。

（3）考虑选型的离心机型

①固相浓度较高，固相颗粒是刚体或晶体，且粒径较大，则可选用离心过滤机。如果颗粒允许破碎，则可选用刮刀离心机；颗粒不允许被破碎，则可选用活塞推料或离心力卸料离心机。脱水性能除与物料本身的吸水性能有关外，还与离心机的分离因数、分离时间、滤网的孔径、孔隙率等参数，以及离心机的材质、溶液的pH值、颗粒特性和工艺要求等有关。

②固相浓度较低，颗粒粒径很细，或是无定型的菌丝体，如果选用离心过滤机，由于粒径太细，滤网跑料严重。滤网太细，则脱水性能下降，无定型的菌丝体和含油的固体颗粒会把滤网堵死，在此情况下，建议采用没有滤网的三足式沉降离心机或卧螺沉降离心机，并根据固相粒径大小，液固比重差，选择合适的分离因数，长径比，流量，转差和溢流半径。如果颗粒大小很不均匀，则可先用筛分把粗颗粒除去，然后再进离心机进一步脱水。

③悬浮液中固-液二相的比重差接近，颗粒粒径在0.05mm以上的，则可选用离心过滤机。

离心过滤机与沉降离心机的脱水机理不同，前者是通过过滤介质——滤网，使固液分离，能耗低，脱水率高；后者是利用固-液比重差不同而进行分离，一般情况下，能耗较过滤机高，脱水率比过滤机低。这些机型的选择还与处理量的大小有关，处理量大应考虑选用连续型机器。

2.2 澄清过程中涉及的物性参数，分离要求和设备选择

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）物性参数

澄清前液相中固相的含量，固相所含颗粒的大小，形状和性质，以及液相的温度，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湿量。

（3）考虑选择的离心机型

大量液相少量固相且固相粒径很小（10μm以下）或是无定型的菌丝体，可选用卧螺，碟片或管式离心机。如果固相含量＜1%，粒径＜5μm则可选用管式或碟片人工排渣离心机。如果固相含量≤3%，粒径＜5μm，则可选用碟片活塞排渣离心机。其中管式离心机的分离因数较高（≥10000），可分离粒径在0.5μm左右的较细小的颗粒，得到的澄清液清，但单机处理量小，分离后固渣紧贴在转鼓内壁上，较干。清渣时，需拆开机器，不能连续生产，为方便清渣，有的在转筒内壁衬有薄薄的塑料纸筒，出渣时把纸筒抽出即可。碟片人工排渣离心机分离因数也较高（≈10000），由于碟片组合，沉降面积大，沉降距离小，得到的澄清液也好，且处理量较管式离心机大，但分离出的固相也沉积在转鼓内壁上，需定期拆机清渣，因此也不能连续生产。

碟片活塞排渣离心机分离因数在10000左右，可以分离粒径为0.5μm左右的颗粒，得到澄清液也好，分离出的固相沉积在转鼓的内壁上，当贮存至一定量后，机器能自动打开活塞进行排渣，因此可连续进行生产。活塞的排渣时间可根据悬浮液中的固相含量，机器的单位时间处理量以及转鼓贮渣的有效容积进行计算后确定。排渣方式分部分排渣和全部排渣二种，部分排渣时，机器供料不间断，仅瞬间打开活塞排渣，且固渣较干，但固渣在转鼓内可能未被排净，会造成机器的振动和液相浑浊，因此经一定周期部排后，需进行一次全部排渣，即全排。全排是指机器达到规定的排渣时间时，停止供料，活塞打开时间较长，使转鼓内的所有液体和固渣全部排放出来。这时得到的固渣含水率很高，液相损耗较大，也有在排渣前停止进料，注入自来水或其它回用水来置换分离的液相，以减少料液的损失。

2.3 浓缩过程中涉及的物性参数，分离要求和设备选择

浓缩过程是使悬浮液中的少量固相得到富集，如原来悬浮液中的固相含量为0.5%，通过分离浓缩使其增加到6～8%，这个过程就是浓缩过程。

（1）物性参数

浓缩前悬浮液中的固相含量，液-固比重差，粘度，固相性质和颗粒粒径分布范围，悬浮液pH值。

（2）浓缩要求

浓缩后的固相浓度及液相澄清度要求（即液相中允许的含固量）。

（3）考虑选择的离心机型

常用的分离设备有碟片喷嘴排渣离心机，卧螺离心机和旋液分离器等。

固-液比重差大的物料，可用旋液分离器，一般采用多级串并联流程，如淀粉生产中的浓缩，有色金属矿的浮选浓缩等等。固-液比重差较小的物料可用碟片喷嘴离心机或卧螺沉降离心机，碟片喷嘴离心机用于固相浓缩较为普遍，浓缩率的大小与悬浮液本身的浓度，固-液比重差，固相颗粒粒径的分布及喷嘴的孔径和离心机的转速有关。喷嘴孔径选择过大，液相随固相流失较大，固相浓缩率低；喷嘴孔径选择小了，则喷嘴易被物料堵塞，使机器产生振动。进料浓度太低时，可采用喷嘴排出液的部分回流，即排出液部分返回离心机进一步浓缩，使固相浓缩率提高。为了选择合适的喷嘴孔径，应对固相颗粒的粒径及分布进行测定。

卧螺沉降离心机的浓缩效果与机器的转速、转差、长径比及固-液相的比重差和处理量有关，城市污水处理厂的剩余活性污泥使用该机型可使二沉污泥的含固量从0.5%DS浓缩到8%DS左右，由于该种机器没有滤网和喷嘴，因此不会造成物料堵塞现象，一般情况下，卧螺离心机排出的固相含水率比碟片喷嘴离心机要低。

2.4 分级过程中涉及的物性参数，分离要求和分级离心机的选择

随着科学技术的发展，发现超细颗粒具有很大的用途。如：超细的高岭土可以做 道林纸上的涂料，海底电缆的塑料套管填料，火箭喷嘴的耐高温材料以及石化催化剂的载体。但超细颗粒（d≤2μm）用常用的筛分难以分离，而需采用湿法离心的方法加以分离，即把固相颗粒配成一定浓度的溶液（并加适量的分散剂），在一定的分离因数下，使大于某一粒径d_Kp的颗粒沉降，小于d_Kp的颗粒不沉降，从而在固液二相中分得大于d_Kp和小于d_Kp的二组颗粒。

（1）物性参数

分级前悬浮液中的固相含量，固相颗粒的粒径分布，固液二相比重差，粘度，pH值等。

（2）分级要求

要求分级的颗粒的分割粒径d_Kp，以及分级效率（即≤d_Kp颗粒的得率）。

（3）考虑选择的离心机型

目前常见的机型是卧螺离心机，根据固-液比重差，颗粒粒径和d_Kp，选择合适的分离因数和转差，使大于d_Kp的颗粒沉降下来，由小端以固相排出，小于d_Kp的颗粒保留在液相中，从大端溢流口中随液相排出，从而达到颗粒的分级。为了避免小于d_Kp的颗粒被大颗粒夹带沉降，必须调节合适的转速，转差和供料管插入离心机螺旋中的位置。

对于处理量很小的颗粒分级，可选用三足式沉降离心机，调节合适的分离因数进行处理。

2.5 液-液、液-液-固分离过程中涉及的物性参数，分离要求和机型选择

液-液，液-液-固分离是指二种或三种不相溶的相的分离，分离的原理是利用比重差。常见的有食物油的油-水分离，燃料油和润滑油的油-水-固分离净化等等。

（1）物性参数

液-液或液-液-固的各相组分含量，比重差，粘度，pH值以及乳化状态。

（2）分离要求

液-液分离时，应确保一相纯度，而另一相则应相应放松一些。液-液-固分离时，基本上与上述相同，但需按固体含量多少来考虑选用人工排渣还是自动排渣的机型。此外如果遇到乳浊液的分离，在工艺上是否允许添加破乳剂。

（3）考虑选择的离心机型

液-液，液-液-固分离处理量小的可以考虑选用管式离心机，处理大的一般选用碟片人工排渣或活塞排渣离心机。由于液-液二相的含量不同（如轻相液多，重相液少或轻相液少，重相液多），在管式离心机和碟片离心机中均需通过重力环加以调节。在碟片式离心机中，轻、重液相的含量还与碟片中心孔位置的分布有关，因此在选择该种离心机型时，二相的含量是十分重要的。

3 离心力场的基本特性

3.1 分离因数

离心机在运行过程中产生的离心加速度和重力加速度的比值，称为该离心机的分离因数。

（1）分离因数是离心机分离能力的主要指标，分离因数愈大，物料所受的离心力亦大，分离效果就愈好。对于小颗粒，液相粘度大的难分离悬浮液，则需采用分离因数大的离心机加以分离。目前工业用离心机的分离因数值由数百到数十万。

（2）分离因数与离心机的转鼓半径成正比，与转鼓转速的平方也成正比，因此提高转鼓转速比增大转鼓半径对分离因数的影响要大得多。分离因素的极限值取决于转鼓材料的机械强度，一般超高速离心机的结构特点是小直径，高转速。

3.2 斯托克斯定律

颗粒的沉降速度与颗粒的直径成平方关系，与颗粒和液体的密度差成正比，与液体粘度成反比。

在分离过程中，颗粒的沉降速度越大，分离效果就越显著，斯托克斯定律表明了分离效果与物性参数的基本关系。

4 与离心机选型有关的物料特性

脱水、澄清、浓缩、分级、分离等分离过程的效率除与离心机的机型选择有关外，还与分离物料的下列特性（即悬浮液的特性、固体颗粒特性、乳浊液特性等）有关。

4.1 悬浮液的特性

悬浮液是指液体和悬浮于其中的固体颗粒所组成的系统。根据固体颗粒的大小与浓度可分为：粗颗粒悬浮液，细颗粒悬浮液，高深度悬浮液和低浓度悬浮液。固体颗粒的粒度，悬浮液的浓度与滤渣或沉渣的厚度增长率，与离心机的处理能力有密切的关系，在设备选型中占有重要的地位。

悬浮液的粘度取决于液相粘度和悬浮液的浓度。

4.2 固体颗粒特性

固体颗粒特性一般指颗粒群中颗粒的主要物理性质，包括颗粒的大小、粒度分布、形状、比重、表面性质等。它们与分离有着密切的关系：

（1）悬浮液或料浆中的固体颗粒，是由许多单个颗粒和聚集在一起的颗粒团组成的混合体。

（2）颗粒的大小和几何形状与周围液体表现间相互作用有关，颗粒越小，表面积则越大，固-液间的表现效应就越显著。

（3）有些颗粒由于结晶力或分子间的吸引力很强，颗粒与液体有明显的界面，因此分离容易，如金属粉末、砂粒及某些结晶盐。有些颗粒如硅酸、粘土、氢氧化铝、氢氧化铁，颗粒与液体没有明显的界面，分离较困难。

（4）颗粒可分为坚硬和软脆二种类型，坚硬的颗粒比较稳定，软脆的颗粒在输送、搅拌、混合、凝聚等过程中可能会引起破碎而降低颗粒度，从而影响固液分离效果。

4.3 乳浊液特性

乳浊液是由液体和悬浮于其中的一种或数种其它液体所组成的系统。换言之，乳浊液是一个多相系统，其中至少有一种液体以液珠的形式，均匀地分散于一个不和它互溶的液体之中。以液珠形式存在的液体称为分散相（内相或非连续相）；另一相称为连续相（外相或非分散相）。乳浊液的液珠直径一般大于0.1μm。乳浊液的稳定性低，当悬浮液珠达一定大小时，组成它的两相会较快地分层。悬浮液珠的“临界”大小约等于0.4～0.5μm，当悬浮液珠小于此值时，乳浊液显得稳定，组成它的两相不会分层。此种体系皆有一个较低稳定度，这个稳定度可因有表面活性剂或固体粉末之存在而大大增加。

乳浊液可根据组分是连续相或是非连续相而分为两种截然不同的类型，例如油和水所成的乳浊液可以是油内水外，也可以是油外水内，一般常用O/W或W/O表示这两种类型（/右边是外相）。此处的油是广义的，凡不与水混合者皆谓之油。

乳浊液与悬浮液的区别是，乳浊液内由于浓度的变化可能发生两相的转换，即分散相变成连续相，而连续相成为分散相。乳浊液的内摩擦或粘度和悬浮液一样，因浓度的不同而改变，而在两相发生转换的浓度下，乳浊液的粘度较大。

描述乳浊液的物理性质主要包括液珠的大小及其分布、浓度、粘度、布朗运动及电现象等等，其中液珠粒度分布测定与时间的关系常常是研究乳浊液稳定时的一项重要数据。

5 物料的预处理

从斯托克斯定律知道，颗粒的沉降速度与颗粒的直径成平方关系，与颗粒和液体的密度差成正比，与液体粘度成反比，为使分离操作变得容易进行，对于一些分离难度较大的物料，没法通过物理和化学的方法，使颗粒直径增大，液体粘度减小和固液密度差增大。另外，为了提高设备的处理能力和降低物料对设备的磨损，也应采用相应的增浓，预浓缩与防磨损的措施。

5.1 用化学或物理的方法将悬浮液中的颗粒增大

化学预处理主要是凝聚法，絮凝法，物理预处理为结晶，温度调节，陈化，冷冻和引入掺合剂以改变悬浮液的性质。

5.2 通过温度调节，改善分离液的粘度和密度

（1）如矿物油和水的分离，二者在通常情况下密度均接近于1，但矿物油的密度随着温度的升高呈明显下降的趋势。因此可通过加温来加大矿物油和水的密度差。再如糖蜜加水稀释，既可加大密度差，又可减少粘度。

（2）很多油品在室温下粘度较高，但加热后粘度明显下降。

5. 3 增稠和预浓缩处理

若悬浮液的浓度很低，直接选用离心机，因处理量大，则选用机型大，投资高，运行费也高。如果通过增稠和预浓缩，使悬浮液的浓度提高，处理量减小后，再选用离心机，这样选的机型就小，投资减小，运行费也减小。

常见的预浓缩方法有：重力沉降，筛分和旋液分离器等等。当然在具体应用时还需根据工艺要求，经济分析综合考虑。

5.4 防磨损处理

有些物料在分离过程中对离心机的磨损较大，根据研究分析和试验结果，建议在进离心机前，先把物料中较大的颗粒除去，对改善离心机转鼓的磨损有很好的效果。

6 各种离心机型对物料的适应范围

离心机的型式和规格有许多种，按分离原理分为离心过滤机，沉降离心机。在离心过滤机中，按卸料形式不同又可分为：三足式人工排渣离心机、三足式刮刀卸料离心机、活塞推料离心机、离心力卸料离心机、进动卸料离心机等等。沉降离心机中有：卧螺沉降离心机，立螺沉降离心机、碟片人工排渣离心机、碟片喷嘴排渣离心机、碟片活塞排渣离心机以及管式离心机等等。每种机型中还有大小不同的规格系列。在这些离心机型中，它们的分离因数有高低，对物料的固体浓度有不同的适应要求，对固体颗粒的大小、性质也有不同的适应性，分离后的固相含水率，液相澄清度也各有差异。因此在已知物料分离要求的情况下，如何选择合适的离心机是十分重要的，为此介绍各种离心机型的物料适用范围表如下：

注：●表示可以采用