离心机分离效果不理想的原因分析及对策

离心机分离效果不理想的原因分析及对策
   
某公司腈纶厂回收车间现有离心机两台，均为卧式螺旋卸料沉降离心机，其中一台是1998年开工时随整套设备由日本引进的，另一台于2001年5月由日本进口，均为日本TANABE公司生产，主要技术依靠西德 FIoffwegwerk公司的生产技术。

回收车间在整个腈纶厂的主要作用是对硫氰酸钠系统中进行除杂、提浓，最后将浓度达５６％的硫氰酸钠溶液送往聚合车间以供配制纺丝原液。在整个腈纶装置的物料循环中，硫酸钠和硫氰酸钠一起在其中流转，近９０％的硫酸钠在结晶分离这一步实现与硫氰酸钠的分离，硫酸钠的平衡都要靠离心机的分离作用来实现，所以在整个回收装置中，离心机起着至关重要的作用，就如同人的肾脏一样，排除杂质，保证血液的清洁流转，离心机的分离效果好坏，直接影响着全车间甚至全厂的平稳生产和长周期运行。

硫酸钠在结晶工序中进行分离的原理是这样的：因为硫酸钠在硫氰酸钠溶液中溶解度很低，易生成晶体，故将提浓后的硫氰酸钠液经过沉降槽停留沉降，使硫酸钠晶粒在沉降槽底部逐渐长大（硫酸钠含量约为１３％～１５％），离心机的作用就是将底部溶液中的硫酸钠晶体分离出去（其中仅有一小部分被输送到蒸发车间做晶种），分离出的固相经溶解罐溶解，送入污水处理工序由树脂进行置换并吸附其中的硫氰酸钠，废液外排。若离心机的分离效果不好，固相分离物中硫氰酸钠含量过高，超出污水树脂的吸附能力，并且环保要求外排污水中硫氰酸钠含量不得大于200 ppm，车间不得不将含高浓度硫酸钠的硫氰酸钠倒入系统重新提浓回收，久而久之，硫酸钠含量会在系统内越积越高，最后导致蒸发、结晶两大系统的生产波动，从而影响腈纶装置的正常生产运行。

由以上分离原理可知，在回收装置中，离心机分离效果注重的是固相的干燥度，即分离出的固相中含有的硫氰酸钠越少则分离效果越好，下面，就从离心机的工作原理开始，对离心机分离效果不理想的原因进行分析并寻找相应的解决方案。

工作原理：卧式螺旋卸料离心机在回收装置用于悬浮液的固相浓缩，为柱－锥组合型，由两个独立回转的转子组成，一个为圆柱－圆锥型无孔转鼓，一个为带有螺旋叶片的螺旋，二者同轴水平地套装在一起。离心机的转筒为逆时针旋转，转鼓与其内的螺旋同心同向旋转，转鼓速度稍快于螺旋。当悬浮液由进料管导入螺旋内腔，经分配口进入转鼓的沉降区（圆柱型部分），在离心力作用下，比重较大的固相物沉积在转鼓内壁，被螺旋叶片推出沉降区，通过干燥区由转鼓小端排出，被澄清的分离液沿螺旋叶片通道流向转鼓的大端由溢流孔排出，悬浮液的固、液两项由此得到分离。详见下图。 
                           

转鼓内进行的是沉降分离，螺旋的功能是分配由进料管导入的悬浮液，并把积聚在转鼓内壁的固相物送到转鼓小端的固体排出口。螺旋筒内设有一个悬浮液分配腔，四个悬浮液分配孔，并通过花键轴从齿轮箱获得动力。下面根据上图所示，对离心机分离未达到预期效果的原因进行分析并寻找相应的对策：
１、转速：一般说来，转鼓转速越高，则脱水效果越好，因为转鼓及螺旋内的物料在高速下旋转，作用于固体颗粒上的沉降力能达到其重力的数千倍，可保证固体从悬浮液中完全分离。离心机的转鼓绕其轴作等速旋转，设转鼓半径为Ｒ ，转速为ｎ（ｒ／ｍ），则转鼓的回转角速度ω与 ｎ 的关系为：
       ω＝π ｎ／３０； １／ｓ．　　　　（１）
转鼓的圆周速度　
      ｖ＝ Ｒ ω； ｍ／ｓ． 　　　　　　（２）
向心加速度为
      ａｎ ＝ －Ｒ ω； ｍ／ｓ２．　　　（３）
    若转鼓内装有质量为 ｍ 的物料，旋转时将产生一个离心力 Ｆ 为：
     Ｆ ＝－ ｍａｎ ＝ ｍＲ ω２； Ｎ 　（４）
    被分离的物料在离心力场中所受的离心力与其重力之比值，被称为分离因数 Ｆ ｒ：
    Ｆ ＝Ｆ ／Ｇ ＝ｍＲ ω２／ｍｇ ＝Ｒ ω２／ｇ Ｎ ；　（５）

分离因数是表示离心机分离能力的主要指标，Ｆｒ越大物料受的沉降力越大，分离效果越好，因此，对固体颗粒小、液体粘度大的和难分离的悬浮液或乳浊液，要采用分离因数大（转速高或直径较大）的离心机。同时，我们从式（５）可知，用提高转速的办法比增加转鼓直径的方法更为直接有效（修改转鼓直径要修改一系列与之有关的配件尺寸）；又因为分离因数的提高是有限度的，Ｆｒ的极限值取决于转鼓材料的强度和密度，所以提高转速的方法在实际的应用中相对更容易操作一些。但是，提高转速也有它的不利之处，离心速度过高，会使得固相出料过于坚硬而堵塞住螺旋，影响离心机的运转，从而不得不停下离心机进行水洗以清除结块的硫酸钠。离心机转鼓的速度可通过调节皮带轮的大小来实现，在实际的操作中，要对料液的特性和转鼓的直径及材质等各个方面周全考虑，精确地计算出转鼓的转速及相应的皮带轮尺寸，才可进行转速的调整。

２、排放时间：排放时间实际上是通过调整溢流堰的高度来调整液池深度。由图中可知，当液池的深度变大，则澄清液在螺旋内停留时间较长，澄清液会更清，但澄清液也会窜入固相中而使固相中母液含量升高；反之，若液池的深度小，减少液池深度相当于液相较容易从转鼓内溢流出来，而固相在转鼓内被沉降的时间延长，则固相出料时间被延长，有利于减少固相出料中母液的含量 。在TANABE离心机中，澄清液的溢流半径是可调的，溢流档板的结构设计考虑了合理的调节范围，便于调节、拆装。液池深度的调节是通过在转鼓大端盖上的溢流口设置来实现的，可将用定位螺钉定位的溢流档板作径向移动，从而改变液池的深度，这种调节方式需将离心机停车处理。

如果在某些情况下，改变速度对固相出料没有明显的影响时，就可以考虑调节液池深度来改变出料的状态，通常情况下，这一方法较为有效，且简单易于操作。需要特别注意的是，所有溢流挡板必须调整在相同的方位，否则将会导致不平衡。

３、转速差：如原理图所示，螺旋与转鼓同心同向旋转，但二者间有一个转速差。若以ｎｂ表示转鼓的绝对转速，以ｎｓ表示螺旋的绝对转速，△ ｎ 表示二者的差转速，
    则△ｎ＝ｎｓ－ｎｂ
    我们已经知道，转鼓的转速快于螺旋，即 ｎｓ＞ ｎb，属负差转速，而转速差的含义是差转速与转鼓转速之比：
    转差率 ａ＝（△ ｎ／ｎｂ）× １００％　
    回收装置结晶分离追求的是固相的干燥度，采用此类负转差率，有利于沉渣的输送，并且可以减少由减速器传送的功率。可通过改变转鼓与螺旋的差转速来实现负转差率，即改变转子上皮带轮的尺寸来改变转差率，此方法在生产实际中操作性也较强。
    另外，皮带老化或皮带松紧不均，也有可能导致转速差发生变化而导致固相出料发生变化，这也是在分析离心机固相出料时要注意的一点。

４、螺旋输送器：输送器是一个主要部件，它的结构、材料和参数直接关系到离心机的分离效果、生产能力及使用寿命。螺旋输送器主要由螺旋叶片、螺旋筒体、进料室组成。
    ①螺旋叶片：回收装置的螺旋叶片为连续整体螺旋叶片，螺旋缠绕方向为右旋，叶片垂直于转鼓母线，等螺距排列。由于螺旋叶片直接与固相沉渣接触，固相沉渣与叶片有对运动，若叶片在日常的使用中发生磨损，磨损后输送沉渣能力下降，使沉渣的湿含量增加。在日常的检维修工作中，要注意加强对螺旋叶片的检查，维修人员只注重各转动部件的检查而忽视螺旋叶片的情形也是时有发生的，若离心机螺旋有开焊、裂纹或严重磨损时，应及时进行补焊，螺旋推料面补焊处应打磨光滑，并对螺旋进行动平衡校正，补焊面积较大时，还需焊后作消除应力热处理，操作难度较大，故在日常的使用时，着重加强对螺旋的保护就显得更为重要。
    ②螺旋筒体：螺旋筒体也是锥－柱组合型，筒体内腔即为进料腔，在进料腔内有四个进料分配孔。
    ③进料位置：在生产中，加料点离溶液出口越近，很小的粒子越没有机会沉积下来而随离心液一起排出。溶液中的硫酸钠晶体有时会比较细碎，厂家在生产离心机时重点考虑到这一点，将常规中设置在螺旋小端的加料点经过精密计算，设定在螺旋的柱体中部及后部，这就相当于将干燥区延长，固相料液所受离心分离的时间也相应延长，保证了固相出料的干燥度。我车间离心机出料孔位置是不可调节的，故不能通过调节出料位置或加料管来改善固相干燥度。
    ④工艺条件：离心机的生产能力取决于固、液相密度差及沉降区长度，固、液两相密度差越相近，也就是进料的浆液粘度越大，则分离沉降就越难以进行。在实际的生产当中，工艺条件影响离心机分离效果的因素主要有三个：进料温度、进料速率、异常工艺条件。
     ａ．进料温度：浆液的温度，可以直接影响母液的粘度，通常来说，溶液温度越高，则粘度越低，固相上的液膜就越簿，细小粒子越容易沉降，毛细孔中所含液体越少，对于追求固相干燥度的离心机来说分离效果就会越好。
     ｂ．进料速率：有时，过大的进料量会导致不好的分离效果，主要是因为粒子在转筒中的沉降时间不够。达到离心机设计的分离条件的前提是：固相粒子沉降到转鼓壁上时间必须小于颗粒在转鼓内的停留时间，也就是说，必须保证待分离浆液在转鼓内的有效停留时间，使得固相粒子有足够的时间沉降出来。在我们的实际经验中，一样的物料，进料量为1m3/h 时，分离效果不好，但当进料量为0.5m3/h时，分离效果就非常理想，原因就在这里。
    ｃ．异常工艺条件：主要是指进料浆液中晶体含量不足或晶体不结晶而呈絮状，这对离心机来说，得到理想的分离效果是非常困难的。回收装置曾经经历过一次这样的事件，整个硫氰酸钠系统中由于外部原因积聚了较多的甲酸钠，造成硫酸钠在硫氰酸钠溶液中产生晶粒，加入晶种后仍呈现比较散碎的情况，离心机的任何一种参数调整对这种状况都是无能为力的，加给离心机物料的物理特性与分离效果有着直接联系。
    对于较难分离的物料，一个好的办法是经常对离心机进行清洗，用高于料液温度的热水或冷凝液来对离心机冲洗，可以替换较粘的母液，也能将堵塞在螺旋中较硬的固相出料置换出。正常时离心机每天清洗两次，但是当生产异常尤其是料液较为异常而又无法停下离心机时，相对于离心机而言，根据需要随时进行清洗也不失为一个好的处理方法。

由上述可见，离心机对回收装置而言，是一台非常重要的设备，在日常的使用维护中，有一些经验还需进一步挖掘总结，相信对于勤奋而智慧的劳动者来说，离心机的分离效果应该能够达到可以控制、易于调节的程度，最大限度地发挥设备本身的技术优势，更好地为生产服务。