工业生产中,离心萃取机主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒分级等工艺过程,它是依附于各工业部门的发展而出现的工业萃取设备。
18世纪产业革命后,随着纺织工业的迅速发展,1836年出现了棉布脱水机;1877年为适应乳酪加工工业的需要,发明了用于分离牛奶的分离机;进入20世纪之后,随着石油综合利用的发展,要求把水、固体杂质、焦油状物料等除去,以便使重油当作燃料油使用,研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分离机;到60年代发展成完善的离心机系列产品。随着近代环境保护、三废治理发展的需要,对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高,在其基础上又延伸出不同种类的离心机,其中有卧式离心机、碟式分离机、实验离心机、卸料离心机、吊带离心机和三足离心机等。作为新型的离心萃取机也是离心机演变进化的产物,在油水分离(原油、重油、柴油等),制药(乙酸乙酯、二氯甲烷、正丁醇、氯仿等)及湿法冶金(提取镍、钴、铜、铌、稀土等稀有元素)生产的分离设中,离心萃取机己成为关键设备之一。
离心萃取机作为离心机的一个分支,工业离心机最早诞生于19世纪的欧洲,而我国真正具有现代实用价值的第一台离心机是1954年制造的,由于它独具连续操作、处理量大、单位产量耗电量较少、适应性强等特点而得到了迅速发展。在四十多年的发展中,结构、性能、参数变化很大,分离质量、生产能力不断提高,应用范围更加广泛,在离心机领域中一直占有重要地位。
我国从20世纪初,开始进行对离心萃取机的研发生产工作。随着现代工业文明的发展和人类对环境以及可持续发展战略的重视,分离效果好,振动小、噪声低成为离心机能否被市场接受的重要条件。这就需要离心机具有良好的动态特性。通常,动态特性包括临界转速、不平衡响应和稳定性等内容。离心萃取机的参数选择及优化是提高离心萃取机动态特性的首要环节。
为提高离心机的性能,人们对离心机常见问题进行攻关,对主要部件进行有限元分析,取得了一定的成果。主要有:北京化工大学硕士顾威通过对离心机进行结构静力学分析,得出螺旋输送器在各种载荷工况下的应力场和位移场,并参照压力容器的分析设计法校核了螺旋输送器的应力强度,考察了螺旋叶片的径向位移。为结构优化设计奠定了基础。
中国航空工业高级工程师蔡显新,提出采用壳单元与环单元祸合的方法对带分流叶片整体离心叶轮进行弹塑性分析。叶片采用壳单元模拟,轮体来用轴对称环单元模拟,在叶轮和轮体的交界处近似地满足双协调条件:还推导了有关计算公式,并对三个算例进行了计算。结果表明,此方法精度高,省时性好。
天一萃取公司,创新研制出CWL新型高效节能离心萃取机,具有分相性好,处理能力大,噪音小及使用寿命长等优点。其生产的离心萃取机针对处理含酚废水工艺,经试运转证明,此项工艺处理含酚废水效果显著,可有效地回收废水中的酚,且分离液对污水处理装置无明显冲击,消除了废水二次污染的问题。
离心萃取机转鼓组结构复杂,受力与物料有关,变化大,采用传统的解析法,建立转鼓组多刚体系统,以牛顿一欧拉方程或者拉格朗日方程为代表的分析力学方法的动力学方程和约束方程,析找出影响动态特性的参数应结构的固有频率与振型。
建立一定自由度下的振动方程通过数值分以获得相来减小振动的研究方法是不理想的。由于螺旋一转鼓组是刚体和柔性组成的多体系统,工作时还受有由物料进入产生的力,约束也复杂。建立和求解方程都困难,只能进行理想化处理,所得结果不能真实反映离心机的工作特性。而且由于影响技术参数的因素较多,对影响离心分离效果的复杂性一一计算有很大困难。因此,在选择各参数时,很难满足分离效果好、低噪声这一要求;根据定性分析凭经验选取参数,然后依赖实验室的小试或中试结果进行模拟放大。这种以经验、试凑、静态、定性为特点的方法以及“设计一样机一试验一修改”不断循环的优化过程既麻烦,又浪费成本。
转鼓组动态特性的研究既要考虑它的刚体运动,还要考虑它的柔体运动。单独的多体动力学分析和有限元分析都不易解决此类问题。随着高性能计算机和大型应用软件的发展,将有限元与多体系统仿真结合在一起用来解决转鼓组的动力学问题,是离心机研究的创新方法。