影響虹吸式自動卸料離心機離心效率的因素

張振香

（上海杜邦農(nóng)化有限公司)

0 前言

臥式虹吸式自動卸料離心機是一種在精細化工行業(yè)廣泛使用的高效離心設(shè)備。離心過程是精細化工生產(chǎn)中重要的工藝過程之一。離心機的高效率運行對于提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力具有重要的意義。離心機處理的物料一般為漿料，通過離心力的作用可將其中的固體和母液分離開來，分別得到固體或液體的產(chǎn)品。對于離心設(shè)備，通常人們只關(guān)注設(shè)備本身而忽略了離心機處理的物料對離心機離心效率的影響。在實際生產(chǎn)過程中，物料、濾布性能和離心操作參數(shù)等很多因素均會對離心效率產(chǎn)生影響。生產(chǎn)過程中還會遇到離心振動、鏟網(wǎng)頻繁等許多干擾因素。本文將對上述因素作詳細的討論，并對如何提高離心效率給出建設(shè)性的建議。

1 影響離心效率的因素

1.1 物料的影響

1.1.1 漿料中晶體的結(jié)晶形式

以幾種農(nóng)藥產(chǎn)品為例來說明產(chǎn)品晶體形狀不同對離心機性能的影響。噻吩磺隆和苯磺隆的SEM（掃描電子顯微鏡）晶體結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

圖1 噻吩磺隆產(chǎn)品結(jié)晶

圖2 苯磺隆產(chǎn)品結(jié)晶

由圖1、圖2電鏡照片可見，這兩種晶體的晶型完全不同，噻吩磺隆的晶體是片狀的，苯磺隆的晶體是條狀的。這兩種產(chǎn)品在同一臺臥式虹吸式帶反沖洗自動卸料離心機 （D1250 mm）上處理時的情況差別很大。噻吩磺隆在離心10批左右物料后，離心機最后甩干時間明顯延長，從900 s左右延長到1200 s左右。而對于苯磺隆，離心機的工作狀態(tài)就要穩(wěn)定得多，在40～60批物料內(nèi)，離心機最后甩干時間可以維持在900 s左右。在同一臺離心設(shè)備上，這兩種產(chǎn)品的離心效率相差20%以上。兩種產(chǎn)品的離心效率差別如此大，主要原因是這兩種物料本身的晶型大不相同。噻吩磺隆為片狀晶體結(jié)構(gòu)，在濾布上形成濾餅層時，不同大小的顆粒層層堆疊在一起，母液流通的空隙被片狀晶體阻擋，透水率較低。而苯磺隆為柱狀晶體結(jié)構(gòu)，在濾布上形成濾餅層時，不同晶體交錯堆疊會形成孔道，母液可以通過交錯的孔道穿過濾層，透水率較高，離心時固體和液體更容易分離。因此，產(chǎn)品本身晶體形狀不同對離心效率的影響很大。

1.1.2 結(jié)晶顆粒的大小和顆粒度的分布

產(chǎn)品的晶體形狀不同對離心機離心效率的影響很大。產(chǎn)品的晶型是由其分子結(jié)構(gòu)決定的，是無法改變的。對于同一種產(chǎn)品，其顆粒大小及其分布也會對離心機性能產(chǎn)生很大的影響，小顆粒過多將影響母液透過濾層的速率，降低離心效率。因此在生產(chǎn)過程中通過一些工藝條件的調(diào)節(jié)可以改變或影響產(chǎn)品的晶體形狀，包括產(chǎn)品顆粒的大小和顆粒度的分布，從而影響離心機的離心效率。

噻吩磺隆生產(chǎn)過程是一種按批次進行的、半連續(xù)的生產(chǎn)過程。為了減少溶劑的單耗，在生產(chǎn)過程中會進行溶劑套用，將前面批次的母液和離心濾液用到后面批次的反應(yīng)過程中。為了了解溶劑套用對產(chǎn)品結(jié)晶顆粒的影響，我們對溶劑連續(xù)套用的多批產(chǎn)品的粒徑分布進行了分析，分析結(jié)果如圖3所示。圖3中第39批為用新鮮溶劑和干晶種進行反應(yīng)得到的產(chǎn)品，第40、43、45批是繼第39批之后，采取溶劑連續(xù)套用所得到的不同批次產(chǎn)品。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在溶劑套用過程中部分產(chǎn)品的顆粒會變大，但同時產(chǎn)品中的小顆粒也會越來越多，大顆粒比例會逐漸減小。在實際生產(chǎn)中，隨著產(chǎn)品中小顆粒的增多，濾餅的透水性會變差，離心分離會變得越來越困難。

圖3 半連續(xù)生產(chǎn)過程中噻吩磺隆的粒度分布

1.1.3 底層濾餅厚度和性質(zhì)

自動卸料離心機每次卸料后會在離心機濾布上留下一層厚度約10 mm的濾餅層。該濾餅層的厚度和性質(zhì)會對離心效率產(chǎn)生很大的影響。底層濾餅層的厚度是由離心機卸料刀最低限位和轉(zhuǎn)鼓間的相對位置決定的。底層濾餅的厚度可以在生產(chǎn)前以空車運行來測試。當(dāng)厚度過厚時 （大于15 mm），可以通過改變卸料刀的最低限位來調(diào)整。

如果底層濾餅太厚，會增加離心過程中的阻力，降低生產(chǎn)效率。一般底層濾餅厚度控制在8～12 mm。如果濾餅層太薄，也會存在安全隱患。在離心機運行過程中，會因為漿料不均勻、有異物、濾布破損等許多原因產(chǎn)生震動。在離心機震動時，會產(chǎn)生上下或左右位移不均。當(dāng)濾餅層過薄時，離心機卸料刀在進刀過程中可能會與濾網(wǎng)產(chǎn)生剮蹭，導(dǎo)致離心機震動加劇，甚至可能造成設(shè)備損壞和安全事故。

圖4 產(chǎn)品漿料和離心機底層濾餅粒徑分布的關(guān)系

在噻吩磺隆生產(chǎn)過程中，我們對離心機的底層濾餅進行了粒徑分布分析，并且與正常的產(chǎn)品粒徑分布進行了對照 （見圖4）。由圖4可見，正常產(chǎn)品的粒徑明顯偏大，平均粒徑在50 μm左右。底層濾餅中存在大量的小粒徑顆粒，平均粒徑僅為20 μm左右。在離心過程中，底層濾餅受離心力作用的時間比正常產(chǎn)品長十幾倍，并且還多次受到卸料刀的擠壓。此外，小顆粒本身的滲透性也比大顆粒要強很多。在以上幾方面因素的影響下，底層濾餅中小顆粒會越來越多，大顆粒會越來越少，整體平均粒徑變小，這就是隨著離心時間的延長和離心批次的增加，離心效率越來越差的主要原因之一。

不同產(chǎn)品的底層濾餅的性質(zhì)差別也很大，底層濾餅有的很硬，也有的比較松軟，這主要是由物料本身的性質(zhì)決定的。如果底層濾餅較硬，不利于母液通過，就需要較頻繁地清理底層濾層。即使濾餅層較軟，但如果濾餅內(nèi)晶體顆粒過小，也需要清理底層濾餅。底層濾餅清除后，重新開始離心，于是在濾布表面就重新形成新的顆粒較大的或較松軟的濾餅層，這樣就可以明顯地提高離心機的離心效率。實際生產(chǎn)過程中，往往將新鮮溶劑與干晶種進行反應(yīng)，以這樣得到的漿料來作為鏟網(wǎng)或換網(wǎng)后的第一批離心物料，因為這時形成的產(chǎn)品晶體大顆粒比率高，形成的底層濾餅透水性好，可以為后續(xù)的離心操作打下好的基礎(chǔ)。

1.1.4 漿料中母液性質(zhì)的影響

漿料中母液的表面張力和黏度情況也會明顯影響離心機的離心效率。在精細化工生產(chǎn)中，為減少溶劑單耗經(jīng)常會進行母液和濾液的循環(huán)套用。在套用過程中，母液中的雜質(zhì)和異物會累積得越來越多。母液過多地套用，不但會影響母液的物理性質(zhì)，如表面張力、黏度等，也會影響產(chǎn)品結(jié)晶，產(chǎn)品結(jié)晶過程會變得越來越困難，晶體會變得越來越小，這也會對產(chǎn)品離心性能產(chǎn)生負面影響。因此在考慮溶劑套用時，也需考慮套用對離心效率和產(chǎn)品質(zhì)量的負面影響。雖然溶劑套用可以降低溶劑費用，但生產(chǎn)能力可能受到負面影響。生產(chǎn)過程中主要看哪一項因素是關(guān)鍵的控制因素，從而來決定生產(chǎn)策略。

1.2 離心設(shè)備相關(guān)因素的影響

1.2.1 離心機轉(zhuǎn)速和離心機轉(zhuǎn)鼔直徑的影響

離心力的大小與離心機轉(zhuǎn)速的平方成正比，與離心機的直徑成正比，因此在離心機設(shè)備強度允許的條件下，提高離心機轉(zhuǎn)速可以明顯改善離心分離效果。在選擇離心機前，可以在小型高速離心機上對物料進行測試，先確定離心分離因數(shù)Fr的數(shù)值，然后再綜合考慮生產(chǎn)能力和成本等因素，確定離心機的直徑和轉(zhuǎn)速。離心機的驅(qū)動可以采用變頻電機。因為離心分離過程分為多個單元過程，包括進料、洗滌、甩干、卸料等，每個單元過程需要的轉(zhuǎn)速可能不同，因此配置一臺變頻電機，將為后續(xù)操作提供靈活性。

離心分離因數(shù)公式如下[1]：

Fr=ω2r/g

式中 ω——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

r——旋轉(zhuǎn)體離旋轉(zhuǎn)軸的距離，m；

g——重力加速度，m/s2。

1.2.2 離心機濾布的影響

精細化工生產(chǎn)中普遍采用聚丙烯材質(zhì)的離心機濾布。離心濾布根據(jù)編制纖維的不同分為單絲、復(fù)絲和短復(fù)絲等多種。與單絲濾布相比，復(fù)絲和短復(fù)絲濾布往往具有較致密的特性。根據(jù)編制方式的不同，濾布可分為平紋、緞紋和斜紋等多種。根據(jù)濾布層數(shù)的不同，可分為單層濾布和雙層濾布。與單層濾布相比，雙層濾布增加了一層支撐網(wǎng)，可以大大改善織物的耐磨性能和抗拉強度。在選擇濾布時主要考慮的參數(shù)有濾布孔徑和透氣率等。所選擇濾布的孔徑可以等于或略大于產(chǎn)品的平均粒徑。透氣率也是一個非常重要的參數(shù)，磺酰脲類產(chǎn)品使用的濾布的透氣率一般應(yīng)選 100～200 L/（m2·s）。 對于同類濾布，一般孔徑較大時，透氣率也較高，但不同濾布之間則沒有這種必然規(guī)律。相同孔徑的濾布，如果編制方式不同，透氣率會相差很大。一般孔徑大、透氣率也高的濾布，母液透過速率高；但當(dāng)濾布孔徑過大時，將增加產(chǎn)品逃逸損失的風(fēng)險，因此在選擇濾布時需綜合考慮這兩方面因素。雖然離心濾布的選擇對于離心過程很重要，但離心濾布的阻力并不是離心過程的主要阻力，離心過程的主要阻力來自于離心物料的底層濾餅和濾餅層本身。

1.2.3 離心機反沖洗效果的影響

虹吸式自動離心機大部分都具有反沖洗功能。在每次離心結(jié)束并鏟網(wǎng)后，反沖洗高位槽內(nèi)的液體首先進入離心機的虹吸室。反沖洗溶劑的量應(yīng)大于虹吸室的容積并可以浸潤離心機濾布上的剩余底層濾餅。反沖洗液的作用方向和離心時濾餅受到的作用力 （向濾網(wǎng)方向壓緊）方向相反，反向作用于剩余濾餅層使其松動，這就使得在下次離心時濾液可以更容易通過，從而起到提高離心效率的作用。反沖洗可以在每次離心前進行，這對提高離心效率作用明顯。一種殺蟲劑的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)證明，離心機增加反沖洗功能可以提高離心效率10%以上。

1.2.4 離心機虹吸管位置

離心過程中濾液匯集到虹吸室內(nèi)，通過虹吸管可將虹吸室內(nèi)的液體排到離心機外。在離心過程中虹吸管的位置應(yīng)從最高位逐漸深入，保持在中間位，待離心結(jié)束前才進到最低的位置。每次離心循環(huán)結(jié)束后，退回最高位。虹吸管位置對產(chǎn)品中的溶劑排出有一定影響。當(dāng)虹吸管在低位時，有利于在濾餅和虹吸室間形成一定真空，對產(chǎn)品甩干有幫助。當(dāng)虹吸管在高位時，虹吸室內(nèi)液體可以浸潤到濾餅，這對提高洗滌效果有幫助[2]。

1.2.5 離心參數(shù)的設(shè)定

虹吸式自動卸料離心機的離心過程主要包括以下步驟：反沖洗，進漿料，甩干，洗滌，甩干，卸料。在這一系列的過程中，影響離心效率的參數(shù)主要包括下述幾項。

（1）進料次數(shù)和進料量

進料次數(shù)和每次進料量主要根據(jù)進離心機后的漿料是否會從離心機轉(zhuǎn)鼓的前端溢流來判斷。如果發(fā)現(xiàn)有明顯的溢流現(xiàn)象，說明進料速度過快或連續(xù)進料時間過長，因而應(yīng)減慢進料速度，并增加進料次數(shù)。每次進料后先進行一定時間的甩干，然后再補充進料。這樣，經(jīng)過強化脫水作用，可以避免溢料。

（2）離心洗滌比

離心洗滌比的確定，主要由濾餅中雜質(zhì)情況決定。如果產(chǎn)品中的雜質(zhì)本身只是附著在產(chǎn)品晶體表面，或部分析出在產(chǎn)品晶體表面，但析出物比較容易溶解在溶劑中，那么這些雜質(zhì)在洗滌時表現(xiàn)出來的特性就是可以被溶劑洗滌除去。有的雜質(zhì)在產(chǎn)品結(jié)晶時以溶劑不能溶解的固體形式存在于晶體表面或析出時夾雜在產(chǎn)品的晶體中，這種雜質(zhì)通常不能通過洗滌方法來除去。對于可以通過洗滌除去的雜質(zhì)，可以根據(jù)雜質(zhì)的目標(biāo)指標(biāo)水平和洗滌效率來決定洗滌比，但對于后一種雜質(zhì)增加洗滌比往往效果不明顯。對于不易洗滌除去的雜質(zhì)，如果要控制雜質(zhì)水平，應(yīng)該從反應(yīng)過程或通過提高原料的質(zhì)量去解決。如果是溶劑套用的生產(chǎn)過程，應(yīng)確保洗滌充分，以確保洗滌效率和產(chǎn)品質(zhì)量。洗滌過程的濾液也可以套用到反應(yīng)過程中，這不會增加生產(chǎn)的成本。

（3）每次甩干時間

在每次離心循環(huán)過程中，至少會有兩至四次的甩干過程。甩干時間設(shè)定過短會影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致雜質(zhì)水平偏高，也會導(dǎo)致產(chǎn)品濾餅中的溶劑含量過高。若物料濕黏，會導(dǎo)致物料輸送方面的問題。一般農(nóng)藥產(chǎn)品濾餅的含濕率正常水平在8%～12%。在生產(chǎn)中，人們往往重視最后一次甩干時間的設(shè)定而忽視前面幾次甩干時間設(shè)定，這種做法是不正確的。因為在洗滌前如果濾餅中母液含量過高，那么在洗滌溶劑噴淋到濾餅表面時就會產(chǎn)生母液與洗滌溶劑返混的現(xiàn)象，洗滌起不到應(yīng)有的作用，洗滌效果會不理想，產(chǎn)品中雜質(zhì)可能會偏高。因此在確定甩干時間時，每一次甩干時間的設(shè)定都需重視，使每一步都起到應(yīng)有的作用，從而提高整體洗滌效率。中間的甩干時間可以通過從洗滌開始到最后一次甩干結(jié)束收集到的濾液量和用于洗滌的溶劑量的比例來確定，該比例應(yīng)該小于2.0，如果超過2.0,應(yīng)延長洗滌前的幾次甩干時間。最后甩干時間可以通過觀察離心甩干過程中的排液情況或通過產(chǎn)品濾餅中的含濕率來確定，含濕量高時應(yīng)延長甩干時間。

（4） 最終檢驗

離心參數(shù)設(shè)定是否合理，最終的檢驗標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品質(zhì)量。如果產(chǎn)品中雜質(zhì)水平均控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，離心單位時間生產(chǎn)的產(chǎn)品量大，洗滌溶劑單耗低，那么離心參數(shù)的設(shè)定就是最合理的。

2 提高離心性能的措施

根據(jù)以上討論的結(jié)果及具體生產(chǎn)經(jīng)驗，可以從物料和設(shè)備等多方面考慮，采用以下措施提高離心機工作效率。

2.1 物料方面

（1）對于主要在反應(yīng)過程中形成晶體的產(chǎn)品，可以使用產(chǎn)品來做晶種，同時可以使用新鮮溶劑來進行反應(yīng)，以提高產(chǎn)品結(jié)晶的顆粒度。

（2）對于主要在冷卻過程中生成晶體的產(chǎn)品，應(yīng)采用緩慢的降溫速率和較慢的攪拌速率，以使產(chǎn)品顆粒粒徑增大。

（3）在生產(chǎn)過程中避免過度攪拌，避免用泵對漿料打循環(huán)，盡量縮短泵輸送時間，以減少對產(chǎn)品晶體的破壞。

（4）離心前應(yīng)確定底層濾餅的厚度在合適的范圍內(nèi)8～12 mm。

（5）控制好離心機底層濾餅的清理頻率，及時清理底層濾餅。

2.2 離心設(shè)備方面

（1）為離心分離的各個過程設(shè)定合適的轉(zhuǎn)速，在甩干階段離心轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)定在離心機的最高轉(zhuǎn)速值上以提高離心效率；在卸料階段應(yīng)減低轉(zhuǎn)速，以保護卸料刀并控制卸料速度。

（2）選擇孔徑與產(chǎn)品平均粒徑相當(dāng)、透氣率為100～200 L/(m2·s)的離心濾布。

（3）確定好反沖洗溶劑的量，反沖洗溶劑的量應(yīng)不小于虹吸室容積和底層濾餅體積之和。

（4）離心過程中避免震動。震動時離心機內(nèi)物料會分布不均，會對離心洗滌效果和離心甩干效果產(chǎn)生負面影響。

（5）合理設(shè)定離心過程的各個參數(shù)，達到最佳離心效果和效率，具體見本文第1.2.5條的討論。

（6）在離心正式開始前，通過空運轉(zhuǎn)來檢查、確認虹吸管的設(shè)定位置，確保在每個離心步驟中虹吸管均處于正確的位置，具體見本文第1.2.4條的討論。

3 結(jié)語

本文的很多數(shù)據(jù)和經(jīng)驗是在臥式虹吸式自動卸料離心機對除草劑農(nóng)藥的生產(chǎn)過程中得到的，但對于其他的離心設(shè)備及其離心分離過程，很多討論也具有普遍的參考意義。

離心操作雖然是精細化工的常規(guī)工藝過程，其工作原理也不是很復(fù)雜，但在實際生產(chǎn)過程中，針對不同的產(chǎn)品要把離心效率調(diào)整到最佳狀態(tài)，卻是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題。只有在實際生產(chǎn)過程中不斷收集數(shù)據(jù)，積累經(jīng)驗，進行系統(tǒng)分析和多次實驗，才可能真正達到目的。

[1]吳德榮.化工工藝設(shè)計手冊 （上冊） [M].第4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]高敏，趙成軍.臥式虹吸刮刀卸料離心機的虹吸原理[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2006，26（2）：36-37.