本科生毕业设计（论文）
1．绪论
1.1 概述
1.1.1离心机的发展概况
离心分离是利用离心力对液—固、液—液—固、液—液等非均相混合物进行分离的过程。实现离心分离操作的机械称为离心机。离心机基本上属于后处理设备，主要应用于脱水、浓缩、分离、澄清及固体颗粒分级等工艺过程，从离心机的发展史来看，离心机是随着现代工业的不断进步和发展而产生的[1]。
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年为了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。50年代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，因此促使卧螺离心机、碟式分离机和三足式下部卸料离心机的进一步发展。特别是卧式螺旋卸料沉降离心机的发展尤为迅速。随着国民经济各行业的不断发展，各种类型的离心机也在不断地更新换代，而且各种新型离心机也在不断涌现[2]。 1.1.1.1国内技术现状
最初的卧式螺旋卸料离心机是由两对开式齿轮传动获得转鼓与螺旋之间的转速差，以输送沉渣的并被用于淀粉工业上。真正具有现代实用价值的第一台螺旋离心机是1954年制造的，该机首次使用了二级行星齿轮差速器。螺旋离心机出现之后，由于它具有突出的优点而得到了迅速发展，它在离心领域内一直占有特殊的地位[3]。
我国螺旋离心机发展较晚，但近年来发展速度较快。目前我国已能生产的卧螺离心机有WL-200、350、380、450、600、1000等规格。
我国离心分离行业尚属正在发展中，总体水平不高。随着社会进步，人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识。同时，通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收，促进了我国离心分离技术的迅速发展，主要体现在：
1) 已基本形成了一个科研、设计和制造的体系。 2) 成立了分离领域的学术组织。
3) 在基础理论与应用方面进行了研究。
4) 目前已能生产三足、上悬、活塞、螺旋、离心力卸料，振动、进动卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁滤等离心机；分离机则有碟式、室式及管式。上述产品不仅遍及全国且远销国外，且技术特性有所提高[4]。
5) 为满足特殊工艺要求(防污染、密闭、防爆等)，一些新型离心机亦先后问世。内旋转子过滤离心机的研制，立式密闭螺旋机及复合机等已投产。
6) 自控技术与CAD技术的应用。 7) 各种相关标准的制订。
8) 同国外著名离心机厂商的技术合作。
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1.1.1.2主要差距
尽管我国的离心分离设备有了很大进展，但从整体而言，与世界先进国家相比，差距甚大[5]。主要表现在：
1) 规格、品种少，系列化程度差。特别缺少集几种结构形式、集几种推动力于一体的复合式离心机。
2) 技术参数低。国外离心分离机械产品的参数普遍高于我国，并继续向高参数、大容量方向发展。以卧螺离心机为例，最近研制的机型为国内最大的，其转鼓直径亦仅720 mm。长径比最大为L/d=4，分离因数亦较低。而国外转鼓最大直径已达2.1 m，长径比L/d=6，处理能力大于200 m3/h，可用于二相或三相分离。还发展了双向挤压型、沉降、过滤复合机型。目前，较先进的机型都采用计算机控制，会随着物料特性和参数的变化自动调节其相应的工况[6]。
3) 产品进展缓慢。而国外，由于采用模块化的组合结构，特别是采用了大规模定制设计的新手段，故能满足用户的个性化需求，并加快了产品的更新换代速度。甚至还储备所谓“冷冻产品”，以随时适应市场竞争的需要。
4) 其它方面。在产品的可靠性、稳定性、自控技术、加工工艺、新材料的使用、配套产品的品质，以及理论研究等方面，均存在不少的差距。 1.1.1.2国外离心分离技术的进展
受新技术推动及相关产业发展的影响，国外离心分离技术的进展主要体现在以下几个方面：
1) 加强理论研究，选择最佳设计方案
瑞典Alfa-laval公司，在碟片流道研究中发现，碟片间隙横断面上的速度分布取决于一个无量纲数“λ”，而工业离心机的“λ”通常在5~28之间。随着“λ”值的增加，碟片的转速增加，薄层减少，可提高雷诺数并缓和涡流。通过对碟片间隔件和分布孔的巧妙设计，进料量可增加20%。此外，还对相分离技术进行了研究[7]。
近年来，研究人员为选择最佳方案，采用流场分离法、有限元模拟法、大梯度密度梯级法、反模态分析法等，对离心机的工作性能和关键零件进行研究，为设计优良性能的离心机提供了理论依据。并对带内洗涤的卧螺离心机中堰池深度以及卧螺离心机技术参数之间的关系等进行了最佳化研究。
2) 技术参数的提高和新机型的问世 为提高产品的纯度，及满足能源和环保的要求，高参数已成为国外机型的发展特点。由于生物工程需要分离极细的颗粒，如细菌、酶及胰岛素等，故最新碟式机已可处理0.1μm微粒，且分离因数可达5000。如德国Westfalia公司的CSA160机型和瑞典Alfa-laval公司的BTAX510机型均属此例。随着工艺要求的提高，新机型不断问世。美国Dorr-Oliver公司的BH-46型碟式机，转鼓内径已达1.2 m，转鼓重量为4.5 t，用2个功率为220 kW的电机驱动，最大生产能力为450 m3/h，当量沉降面积已达250，000 m2，为碟式机之最[8]。
瑞典Alfa-laval公司用于生物技术的BTUX510型碟式机，具有自动调节的涡流喷嘴。
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利用喷嘴进料黏度和浓度的关系，可提供恒定的固相浓度，与进料速度和固体含量的变化无关。
而具有10000分离因数的卧螺离心机，可从某种程度上弥补管式分离机的不足。BTNX3560-A机型的特点是先进的旋转动态设计：主轴承改为弹性安装，可延长寿命，降低机器噪音与振动。德国Krauss-Maffei公司最新研制的SZ型活塞机，尺寸虽小，却更能有效进行固相分离。还有德国Flottweg公司用于处理难分离物料的双锥体卧螺离心机等[9]。
3)新材料的应用
为了提高分离机械的性能、强度、刚度、耐磨性和抗腐蚀性，一批新型材料不断涌现。如，工程塑料、硬质合金以及性能优良的耐磨耐蚀不锈钢材料[10]。
法国曾研制一种用硬质陶瓷制成的转子，英国也曾研制由合成树脂构成的连续纤维复合材料转子。
但在碟式机中，由于需要高强度和一定的耐腐性能，双相组织的不锈钢广泛采用。最近，俄国研制成功一种双相钢04X25H5M2(即04Cr25Ni5Mo2)，有足够的强度和塑性。德国的Wischnouskii等研制的分离机转鼓新材料，具有强度高、塑性和耐腐蚀性好的特点。为弥补耐蚀和强度之间的矛盾，一些先进的制造商普遍采用了转鼓的自增强技术。 1.1.1.3发展趋势
1) 强化动态监测和自动化。随着自动控制和传感技术的发展，许多先进的自控手段被引入，并对离心机运行中的各项参数，如温度、流量、速度、振幅和噪音等进行全方位的监测，并通过传感器将收集信息输入计算机，经系统处理后，可及时了解各种参数的变化以采取相应的措施。由此出现了无人操作的碟式分离机[11]。
2) 各种组合机和专用机的开发。Alfa-laval公司在碟式分离机上组合螺旋输送器形成复合碟式机；Krauss-Maffei公司的柱锥复合活塞机、虹吸刮刀离心机；Sharpies公司的沉降过滤复合螺旋离心机等。此外为提高离心机的分离性能和寻求最佳操作工况，Westfalia公司的碟式分离机品种之多已是世界之最。设计方面的进展：随着计算机技术的发展，CAD 技术与模块化设计已普遍使用。目前，全球市场竞争的愈加激烈，制造业面临着提高客户价值的巨大挑战。20 世纪90 年代以来，“大规模定制”在制造业逐步兴起。即“以近似于大批量生产的效率生产商品和提供服务以满足客户的个性化需要”。由于设计在产品生命周期中的重要性，面向大规模定制的设计(DFMC)已成为设计方面的新动向[12]。
1.1.2离心机的分离过程及分类
离心分离根据操作原理可区分为两类不同的过程——离心过滤和离心沉降。而其相应的机种可区分为过滤式离心机和沉降式离心机。
离心过滤过程从广义的概念上来说，可理解为包括加料、过滤、洗涤、甩干和卸渣等五个步骤。如果就狭义的概念而言，可分为两个物理阶段：生成滤渣和压紧滤渣。第一个阶段与普通过滤原理在原则上相近似，但其推动力不同；而第二阶段与普通过滤的规律根本不同。离心沉降过程也可分为两个物理阶段:固体颗粒的沉降和形成密集的沉渣
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层。前者遵从固体在流体中相对运动的规律，而后者则遵从土壤力学的基本规律。离心沉降过程本身又可分为离心沉降和离心分离。在离心过滤和离心沉降分离固体颗粒过程中都具有“压缩”现象，这一现象很值得重视。在离心过滤过程中，这种压缩效应使滤渣孔隙缩减，变得不易渗透，从而阻碍了脱水；在离心沉降过程中，这种压缩效应减小了沉渣的空隙，反而有助于降低沉渣的含湿量[13]。
离心机种类繁多，可按分离原理、操作目的、操作方法、结构形式、分离因数、卸料方式等分类，见下图[14]
图1.1离心机的分类
1.1.3离心机的特点及应用范围
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