單臺多級離心萃取機的研制及振動控制

朱碧肖，方 毅，陳崔龍，鄧 超，張德友

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

溶劑萃取是一種常用的化工單元操作，利用溶質在兩種互不相溶（或微溶）液相中溶解度或分配系數的不同，使其從一種液相轉移到另一種液相中［1-3］，達到傳質分離目的。與萃取槽、萃取塔、分液罐等依靠重力進行兩相分離的傳統設備相比，離心萃取機因在兩相物系的混合傳質和澄清分離方面具有較大優勢［4-6］，廣泛應用于稀土、濕法冶金、石油化工、生物制藥等行業。為提高萃取效率，工業應用中一般利用幾臺或幾十臺單級離心萃取機，通過外部管線串聯形成多級系統，實現多個理論級的萃取。如李勇賓［7］以鎳皂后P204有機相為萃取劑，采用11級逆流萃取，金屬Mn，Cu，Zn的萃取率皆可達到99.9%以上；陳武超等［8］采用5級離心萃取技術回收三元鋰電池中的鎳鈷錳，萃取率達到99.5%；王飛虎等［9］采用4級離心萃取，使煤氣化高濃度含酚廢水中酚類濃度由3 175.2 mg/L降低至10.7 mg/L。

隨著經濟技術發展，新興材料需求量激增，如化工、生物、醫藥等領域的活性物質、發酵液、蛋白質等萃取，該類物料敏感度高，對相接觸時間有嚴格要求；如核工業領域，萃取的物料累積量如果達到一個峰值，會造成核幾何臨界安全和溶劑輻照損傷［10-11］。以上敏感物系既要求萃取級數多，又要嚴格控制物料存留量、相接觸時間等工藝參數，現有單級離心萃取機以及利用單級串聯形成多級系統的方式不能滿足以上需求。

本文利用相系分級接觸機理，在單臺設備內集成多個內轉子，研制出單臺多級離心萃取機，一臺設備內實現4～8個理論級萃取，降低了整機物料存留量，縮短了相接觸時間，滿足敏感物系多級萃取要求。

1 結構及原理

1.1 結構

如圖1所示，單臺多級離心萃取機在機殼上部設有輕、重兩相進口，其中輕相進口位于設備軸心；筒體側壁設有輕、重兩相出口，其中輕相出口位于上方，重相出口位于下方。設備結構主要由機架、傳動部件、機殼部件、轉子部件和軸套部件等組成。

圖1 單臺多級離心萃取機結構示意Fig.1 Structural diagram of a single multi-stage centrifugal extractor

機架承受機殼部件、轉子部件、傳動部件等重量，大多設計成框架鋼結構件，機架強度需考慮動載荷影響，動載荷系數參照立式離心脫水機，一般選負荷后整機重量的2倍［12］。

傳動部件是單臺多級離心萃取機的動力源，主要由電機、聯軸器、軸承座、軸承等組成。電機一般采用立式、直聯安裝，通過聯軸器與轉子部件的主軸配合連接，轉速可根據工藝需要由外設變頻器進行調節。

機殼部件主要承擔了兩相的進料、兩相出液的收集，同時起到保護轉子部件的作用。

軸套部件集中了進料管、攪拌盤等，與旋轉的轉子部件形成相對運動。

轉子部件是單臺多級離心萃取機的核心，由多個單級內轉子、外部轉筒、中心座等同軸構成，懸臂安裝于主軸上端，是實現兩相混合傳質與澄清分離的場所。

1.2 工作原理

如圖2所示，單級內轉子結構上可分成混合室和澄清室，軸套部件的攪拌盤伸入混合室內，高速旋轉的內轉子與靜止的攪拌盤形成相對運動，將上一級流入的重相與下一級流入的輕相打散、混合，形成紊流態，實現傳質，最后混合液由混合室上部的流道進入澄清室。澄清室位于內轉子的最外部，混合相因具有密度差，密度大的重相在離心力作用下流向內轉子鼓壁，由重相出口流入下一級內轉子；密度小的輕相流向軸心，由輕相出口流入上一級內轉子，從而完成1個理論級的萃取。

圖2 單級內轉子結構及兩相流動路線Fig.2 Single-stage internal rotor structure diagram and two-phase flow path

多個單級內轉子立式疊加安裝，分別形成輕重相級間流道，輕相自下而上流動，重相自上而下流動，從而實現輕重兩相的多級逆流萃取。

相較于單臺單級離心萃取機通過外部管線實現多級串聯逆流萃取，單臺多級離心萃取機級間流量近似為零，降低了物料存留量，兩相接觸時間隨之縮短。

2 振動控制

單臺多級離心萃取機依靠旋轉的轉子部件和靜止的軸套部件之間的相對運動，實現輕重兩相的混合傳質，攪拌盤與混合室之間，進料管與單級內轉子之間的間隙較小，為保證設備運轉時不發生碰擦，對設備運轉時的最大位移值有要求。

單臺多級離心萃取機運行時，轉子部件高速轉動，設備振源主要來自懸臂結構轉子部件偏擺、轉子圓度誤差、轉子部件不平衡量、裝配誤差以及兩相進料的載荷沖擊等［13］。振動同時會降低設備可靠性，還會對周圍環境產生影響，因此需要嚴格控制［14］。

MCTL364型單臺多級離心萃取機設計時，主要從兩個方面對振動進行控制：（1）提高旋轉件加工和裝配精度，控制轉子動平衡精度不低于6.3級；（2）采用積極隔振的技術，隔離設備振動與基礎間的聯系。

2.1 轉子動平衡

為實現較高的動平衡精度，內轉子結構上設計為柱錐結合的薄壁件，并采用整體成型制造技術，避免焊接變形、應力釋放等帶來形變，造成裝配后轉子部件整體不平衡量變大。外部轉筒采用整體鍛件加工，控制徑向圓跳動量不大于0.001D，其中D為外部轉筒的內徑［15］。

單級內轉子裝配后，首先分別進行動平衡檢測，減少單級內轉子的不平衡量。根據每級內轉子的剩余不平衡量和相位角，將相鄰兩層內轉子的不平衡量方位相對裝配，最大限度的減少各級內轉子不平衡余量的疊加影響。

各單級內轉子與外部轉筒等零部件組裝后，再進行轉子部件整體動平衡，許用剩余不平衡量的計算公式如下：

式中，Uper為許用剩余不平衡量，g·mm；G為動平衡精度，mm/s，G=6.3 mm/s；∑mi為轉子部件總質量，kg；ω為工作轉速的角速度，rad/s。

式中，n為單臺多級離心萃取機的轉速，r/min，n=2 900 r/min。

式中，my為許用配重質量，g；∑mi為轉子部件總質量，g；

式中，Uper，x為第x較正面殘留重徑積，g·mm；bx為第x較正面殘留質量，g；Rx為第x較正面去重處半徑，mm。

對轉子部件整體進行動平衡，相關數據見表1。

表1 轉子部件整體動平衡相關數據Tab.1 Data related to overall dynamic balance of rotor components

由表1可以看出，Uper，1+Uper，2＜Uper，a1+a2＜my，轉子部件動平衡判定合格。

2.2 隔振技術

單臺多級離心萃取機的振動隔離為主動隔振，目的是隔離或降低傳遞給基礎的不平衡慣性力，尤其是減少共振發生機率［16］。MCTL364型多級離心萃取機在機殼部件底部均布4個彈性阻尼隔振器，并安裝于機架支腿上方，有效隔離萃取機振動。彈性阻尼隔振器如圖3所示，主要由彈性元件（彈簧）、阻尼液、電加熱套、殼體等組成。

圖3 彈性阻尼隔振器原理Fig.3 Schematic diagram of elastic damping vibration isolator

單臺多級離心萃取機產生的激振頻率f為：

每個隔振器內置4個彈簧，則每個彈簧的工作承載力F1和最大承載力F2分別為：

式中，G1為單臺多級離心萃取機負載時的整機重量，N，G1=3 100 N；S為彈簧的數量，S=16；k為單臺多級離心萃取機的動載荷系數，k=2。

代入數據計算得到，f=48.3 Hz，F1=193.75 N和F2=387.5 N。

所需要的彈簧剛度K計算式為：

式中，s為彈簧的變形量，mm。

代入數據計算得到，K=19.375 N/mm。查GB/T 2089—2009［17］中表2，選取規格YA 4×30×55，其中最大工作負荷為509 N，最大工作變形量為24 mm，剛度K為21 N/mm。

減振器豎向固有頻率f0計算式為：

式中，g為重力加速度，mm/s2，g=9 800 mm/s2；G0為單臺隔振器最大載荷，N，G0=1 550 N

代入數據計算得到，f0=1.83 Hz。

隔振器的振動傳遞率T計算式為：

式中，η為隔振器的隔振效率。

代入數據計算得到，T=0.001 4和η=99.86%＞80%，滿足隔振要求。

二甲基硅油的黏溫系數較小，適合用作阻尼液，且隨著溫度的升高，其黏度逐漸降低，阻尼液黏度受溫度影響較大［18］。選擇25 ℃工作溫度下，黏度為1×10-3m2/s的硅油為阻尼液［19］，阻尼液的作用是使系統保持穩定，并使系統在受到干擾時不共振，受到干擾后能很快趨于穩定。考慮冬季和夏季溫差較大，為此設置電加熱套，保證阻尼液工作溫度恒定，以確保減振效果。

3 振動檢測系統

3.1 系統設計

MCTL364型單臺多級離心萃取機振動檢測系統如圖4所示。因轉子部件整體呈懸臂狀態，懸臂端振幅最大［20］，為此在殼體上部設置1只振動速度傳感器，并且在轉子上端處設置2只電渦流傳感器（1#和2#），正交90°布置，分別檢測此處X和Y方向振動位移；在主軸的下軸承處設置2只電渦流傳感器（3#和4#），正交90°布置，分別檢測此處X和Y方向振動。

圖4 單臺多級離心萃取機振動檢測系統Fig.4 Vibration detection system for a single multi-stage centrifugal extractor

通過以上傳感器設置，測得轉子位移信號和振動速度信號，經數據傳輸，最后由數據處理系統進行分析。

3.2 空運轉測試

振動檢測系統對MCTL364型多級離心萃取機的振動情況進行監測，首先進行空運轉測試，分別記錄1 500，2 000，2 500，2 900 r/min轉速下各傳感器檢測到的數值。

3.3 負荷運轉測試

以水為媒介進行負荷運轉測試，分別記錄1 500，2 000，2 500，2 900 r/min轉速下各傳感器檢測到的數值。

由圖5，6可知，在空運轉及負荷運轉情況下，MCTL364型多級離心萃取機振動值隨轉速提高而緩慢增加，在轉速達到2 500 r/min額定轉速時，振動基本維持穩定，空運轉時最大振動速度小于4.0 mm/s，負荷運轉時最大振動速度小于6.0 mm/s，均符合標準要求。各測點位移值隨轉速提高而增大，空運轉時，轉子上端偏擺位移在額定轉速時的最大值小于0.05 mm；負荷運轉時，轉子上端偏擺位移在額定轉速時的最大值小于0.5 mm，均在設計值為0.5～1.5 mm的可控范圍內；下軸承處位移值基本沒有變化，軸承座等傳動部件可靠性得到驗證。

圖5 空運轉數據Fig.5 No-load operation data

圖6 負荷運轉數據Fig.6 Load operation data

圖7 有機酸提取工藝流程Fig.7 Organic acid extraction process flow

4 應用

生物發酵行業溶劑法提取有機酸，如相接觸時間過長，易形成第三相絮狀物，導致萃取夾帶或過程中止。工程應用中，物料流量為1 m3/h，萃取劑與物料流比為1：1，以8臺CTX250單級離心萃取機串聯系統和2臺MCTL364多級離心萃取機串聯系統進行試驗對比，連續運行30天。結果顯示，8臺CTX250單級串聯系統平均8～10天需停機清洗萃取段第三相沉降物，2臺MCTL364多級串聯系統運行穩定。其萃取收率分別為97.8%和97.7%，基本一致。另外，多級串聯系統萃取段設備占地面積大大縮減。

新能源汽車飛速發展與鋰礦資源緊缺的矛盾日益體現。全世界均把目光投向鹽湖鹵水，離心溶劑法是獲得高純度鋰資源的有效手段［21］。本項目相關技術可用于鹽湖提鋰，制備電池級碳酸鋰，為新能源動力電池正極材料提供足量原材料，支撐我國西部鹽湖資源的開發和利用。

5 結論

新興產業中敏感物料對萃取系統的存留量、相接觸時間要求嚴苛，分級接觸機理的單臺多級離心萃取機是解決該問題的可行技術和發展趨勢。本文詳述了設備結構和工作原理，并提出了多級轉子動平衡控制技術和振動檢測系統設計。試驗數據證明，設計的振動控制技術和檢測系統可靠，MCTL364型多級離心萃取機性能穩定，檢測結果優于國家標準。應用實踐表明，MCTL364型多級離心萃取機能有效降低相接觸時間，為敏感型新材料制備、鹽湖提鋰等領域提供了新的技術途徑。