離心機旋流器配套分離法
離心機旋流器配套分離法是將離心機與旋流器串聯進行混合懸浮液的分離，採用離心機與水旋流器串聯分離方式是降低成本、提高生產效率的有效途徑。根據串聯分離設備基本原理可知,影響各分離組份粒徑的因素主要有旋流器底流口直徑、旋流入口壓力和離心機轉鼓轉速。
旋流分離
旋流分離的概述
旋流分離是一種高效、節能的分離技術,離心機旋流器配套分離法是旋流分離技術的關鍵設備之一。離心機旋流器配套分離法結構簡單,無運動部件,操作維護方便,分離分級性能優良,運行可靠,對不同工藝過程的適應性較強。它可以完成液體澄清、料漿濃縮、固粒分級、液體除氣與除砂、非互溶性液體的分離等多種作業,在工業上得到了廣泛的套用。近年來,小型離心機旋流器配套分離法(直徑≤50mm)在國內外受到關注,因其分離因數值高而特別適用於微細顆粒懸浮液的分離分級操作,分離的邊界粒度可達2～5μm,是一種新穎、高效的離心分離設備。
旋流分離的基本結構和工作原理
旋流器分離器是利用離心力場加速重相顆粒沉降和強化分離過程的分離設備。一般的旋流器分離器由進料管、柱錐旋流腔、溢流管和底流管組成,其內部流體的流動是一種特殊的三維橢圓形強旋轉剪下湍流運動。與離心機相比,旋流器分離器的器壁固定,是非運動型分離設備。受旋流腔內幾何結構的限制,其內部的流體以漸開線、切線或螺旋線的方式加壓進入後產生渦旋運動,這種渦旋運動由兩種基本的旋轉液流構成,即順螺旋線向下運動的外旋流和沿螺旋線向上運動的內旋流,它們的旋轉方向相同,但軸向運動方向相反。在強大的離心力場的作用下,外旋流攜帶大而重的物料由底流口排出,內旋流攜帶小而輕的物料由溢流口排出。旋流器分離器內流體運動的特殊性使其既具有離心分離作用又具有洗滌作用,離心分離作用是由離心力場決定的,洗滌作用則由旋流器分離器記憶體在的強大的流體剪下力場決定。剪下力的作用使得旋流器分離器在許多洗滌和分級場合有很廣泛的套用前景 。
離心機旋流器配套分離法的套用
澱粉加工業
在澱粉加工業中離心機旋流器配套分離法可完成澱粉的分離、洗滌、濃縮、精製、除石、去砂等多種作業,還可用來處理含澱粉的廢水。到20世紀80年代,離心機旋流器配套分離法在澱粉加工中的套用已經發展到幾乎整個分離洗滌工序都可由旋流分離來完成的階段。離心機旋流器配套分離法是一種離心分離設備,與原始的重力沉降設備相比,其離心加速度是重力加速度的幾千倍甚至幾萬倍,分離操作時間很短,並且澱粉的提取率和質量高。而與離心機相比,儘管離心機旋流器配套分離法的離心分離能力有限,但若選擇合適的結構和操作條件,完全可以滿足澱粉加工的需要。如果使用單級離心機旋流器配套分離法尚不能達到分離要求,則可以採用多級串聯或混聯旋流器組。對於纖維等與澱粉裹纏在一起而難於分離的成分而言,旋流分離更是具有無可比擬的優勢。在離心機旋流器配套分離法內流體的剪下力作用下,部分與纖維、皮渣、果膠等有機物結合在一起的澱粉被洗滌下來進入水中,最終形成澱粉、可溶性固形物、纖維、渣和水所組成的多相體系,再通過離心分離將這些物質按形狀、密度、粒度等因素分離開來。因此按傳統工藝,澱粉乳的分離工序都是由篩、離心機、離心機旋流器配套分離法等多種設備組合來完成,現代新工藝技術的主要發展趨勢則是採用改進的離心機旋流器配套分離法替代複雜的設備組合,從而達到簡化、高效、節能的目的。
澱粉顆粒的尺寸從幾微米到上百微米,均可採用小型離心機旋流器配套分離法進行分離,也就是通常所說的旋流管。依據澱粉的種類不同,常用的旋流管直徑有10mm、15mm和30mm。為了保證生產能力,每個旋流器可由數十個旋流管組裝而成,並採用多級旋流器串聯操作的方式來達到理想的分離效果。
目前常用的大規模澱粉生產線,其分離工序都採用了全旋流或部分旋流的工藝過程。目前,國內用於馬鈴薯澱粉加工的全旋流裝置主要是20世紀90年代從俄羅斯進口的。2000年中國農機院完成了“馬鈴薯澱粉全旋流關鍵技術與裝備”研究項目,成功地設計了具有技術自主權的全旋流系統裝置,填補了該項技術的國內空白。採用全旋流工藝可以減少設備的數量,縮小占地面積,降低設備投資和使用、維護費用,降低清水的消耗量。同時採用封閉操作,還解決了因蛋白質與空氣廣泛接觸生成大量難以消除的泡沫而降低生產效率和澱粉提取率的難題。
小麥澱粉的傳統分離方法是採用落後的敞開式半機械化工藝,即間歇式馬丁法。利用離心分離的原理進行小麥谷朊粉和澱粉的分離是一種全新的工藝。其中一種稱為拉西奧工藝,即先用臥螺離心機得到粗澱粉乳,再用7級旋流器逆流洗滌系統精製澱粉乳,儘可能除去粗澱粉乳中的谷朊粉,同時採用3級旋流器系統洗滌溢流,回收澱粉。該工藝與傳統方法相比,具有提取率高、能耗低、產品質量高等特點,在國外已相當成熟,但我國直到20世紀90年代才開始引進上述工藝設備進行小麥谷朊粉與澱粉的工業化試生產。另一種工藝則是用9級旋流器逆流洗滌系統製得粗澱粉乳,過篩除去麩皮後,再用3級旋流器濃縮得到精製澱粉乳。與傳統方法相比,該工藝具有用水量少、生產效率和產品質量高等優點。
製糖業
食用砂糖在最終加工成成品之前,應儘可能除去糖汁中的不溶性雜質,以提高糖的質量和商業價值。因此糖汁澄清在製糖過程中顯得尤為重要。傳統的糖汁澄清方法是採用過濾器(如板框過濾機)過濾,使用這種裝置勞動強度大,運行成本高,而且有助濾劑滲漏污染產品的危險。高速轉筒離心機作為過濾器的替代品已在許多國家使用,這種離心機轉速超過4500r/min。與壓濾裝置相比,離心機對物料的適應能力強,自動化程度高,且無污染。然而糖液在進入離心機之前除了必須用離心機旋流器配套分離法進行預處理外,還須定期清洗高速轉筒離心機離心轉筒表面的草酸鹽層。另外,耗電量高及噪聲大也是其難以克服的缺點。用旋流管代替離心機也能達到理想的澄清效果。除澄清液中不溶物的濃度稍高外,澄清液的渾濁度仍保持在正常範圍,並且其安裝和運行費用要低得多。
乳製品生產
很多飲用乳製品都要經過均質處理,將大團的脂肪球破碎和細化,這樣乳脂肪就會均勻地分散在牛奶中,而不會浮在表面形成脂肪層。此外,均質處理還用來防止乳脂肪從奶油、奶粉和冰淇淋中析出。若將離心機旋流器配套分離法與均質機配套使用,在均質前用離心機旋流器配套分離法將大團的脂肪球分離出去,單獨進行均質處理,這樣不但可以提高均質效率,同時離心機旋流器配套分離法內強大的剪下和湍流運動,還會起到破碎脂肪球、進行均質的作用。
植物油生產
要將油料中的油充分提出,有時僅靠壓榨是不行的,通常要用溶劑萃取法進一步使油料中的油轉移出來。油充分溶出後要將油渣從油和溶劑構成的混合物中分離出來,這一作業傳統上是由過濾器來完成。因為離心機自帶馬達和運動部件,而提取油用的溶劑通常又是易燃性化學溶劑,所以使用離心機存在安全隱患,除非採取附加的防爆措施。離心機旋流器配套分離法因本身不含運動部件而不存在安全問題,它完全能夠完成這一分離作業。
有些植物油在分離完成並使油中的溶劑揮發後,還需進一步精煉才可食用。可以加入苛性鹼水溶液在40～85℃下對油進行處理,然後再用離心機旋流器配套分離法將這些水溶性的乳狀液分離出去 。
飲料加工
以葡萄為原料加工葡萄酒或葡萄汁等飲品時,必須解決酒石酸結晶沉澱的問題。目前,最先進的方法是向酒中接種結晶核,使酒石酸迅速結晶沉澱,進而過濾除去。同時為了降低成本,還要儘可能使晶種能夠循環利用。離心機旋流器配套分離法則可用於晶種的回收,而且在將晶種分離出來的同時,其內部強大的剪下力還能充分清洗晶種。啤酒加工過程中存在很多分離工序,例如麥汁中蛋白類沉澱物的澄清、發酵液中酵母和蛋白類沉澱物的澄清等。儘管酵母和其他絮凝物都有柔性,容易引起過濾介質阻塞並使過濾床層有很強的抗壓縮性,然而最常用的發酵液澄清裝置仍然是過濾器。當酵母細胞體積分數較大時,通常在過濾前用離心機預澄清。
目前,國外已經設計出剪下力較小、適用於酵母分離的小型離心機旋流器配套分離法,它可與過濾器聯合使用,並替代離心機在過濾前對發酵液進行預澄清,這樣可以減輕過濾器的負荷,縮短分離時間,提高澄清液的產量,降低成本。近期,國內外一些學者正在從事用離心機旋流器配套分離法回收啤酒過濾後的廢硅藻土的研究,實驗採用直徑15mm的旋流管,單級的回收效率可達66%,這樣可以進一步降低過濾器的操作費用,而且在一定程度上解決了環境污染問題。
