CN103586141B - 离心分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分离浆体中不同密度的微细颗粒的离心设备。现有的对精细浆体按比重分选的离心设备的分选原理是利用浆体随离心转鼓旋转流动时的惯性作用，使得浆体与转鼓保持适当的相对运动，由此产生具有速度梯度的层流，利用层流内产生的拜格诺效应达到按比重分选的目的。这些装置的缺点是浆体相对运动的速度梯度不易控制，从而影响了分离效果。本发明公开了一种用离心分离装置，利用能够控制其作用强度的机械激励装置对离心场内的浆体物料施加动力激励，能够使浆体物料产生相对于离心装置具有适当速度梯度的层流，增强了拜格诺效应，从而达到精确分选的目的。

Description

离心分离装置

技术领域

本发明涉及一种用于分离浆体中不同密度的微细颗粒的离心设备。

背景技术

现已投入广泛商业应用的具有分离浆体中不同密度的微细颗粒的离心设备中有一种具有碗状转鼓的离心机，在加拿大专利CA1111809A1中首次公开，并在此后一系列专利或专利申请中，包括US4608040，US4846781，US5338284，US5462513，US5586965，US5601523，US6149572，US6796934，US2004013260，US20050026766，US20060135338，不断得到改进和完善，被称为Knelson离心分离机或Falcon离心分离机。这类分离设备的主要结构包括一个垂直的可以高速旋转的碗状转鼓和位于转鼓外周壁的一条或多条环状溜槽，一根给料管通向转鼓底部，转鼓底部设有可使物料加速旋转的叶轮，其中有的技术方案在溜槽内设置了可防止溜槽内的物料滞留沉积的液体喷射装置，有的技术方案设置了可以让重物料连续不断的排出的节流喷嘴。其工作原理是：待处理的浆体物料由位于机器中央的垂直给料管进入转鼓，在高达50-300G加强重力场作用下，矿物在向外上方运动的同时按照不同的密度沿转鼓内壁分层。在物料到达溜槽时，其中最重的部分富集在溜槽底部或通过一系列节流喷嘴不断地流出转鼓，进入重物料收集输出通道，其它较轻的成分从转鼓的上缘飞出， 进入轻物料收集输出通道。该类设备的颗粒分级遵从析离分层规律，即密度和粒度各不相同的颗粒的分层规律从下向上是按照较重的小颗粒、较重的大颗粒、较轻的小颗粒及较轻的大颗粒来分布的。由于薄层浆体物料在分层过程中相对于转鼓内壁或溜槽具有较高的运动速度，因此具有使得已分层的颗粒产生混杂的趋势，这种趋势在物料粒度较小时更加明显，因此，该设备用于脱除煤中灰份或硫分时，当粒度小于一定的限度时，分离效果迅速下降甚至完全失效。在已见诸报告的实践中，最小的有效分离粒度约为37μm，低于此粒度便不能进行有效分离。

中国专利申请201010123864.4公开了一种离心分离装置，其技术方案包括分离腔、进料口、至少一个带溜槽的重料出口和至少一个轻料出口，进料口与分离腔之间的进料通道处设置辐射状挡板或涡轮等物料加速装置，配合分离腔的不同形态构成物料差速旋转推进装置，该装置使得进入分离腔的浆体物料随分离腔旋转，保持旋转的速度与分离腔的旋转速度有适当的差别，并推动浆体物料最终经各物料出口排除腔外。该装置充分利用析离效应，可以在不增加离心加速度的条件下用于对更微细的浆体颗粒按其密度分层并实现有效分离。

该装置的不足之处在于，由于浆体物料在浓度较高时，即便在流动速度较快的情况下仍倾向于形成层流，并在分离腔的外壁形成沉积，致使高密度物料难以连续顺畅的排出分离腔。这种情况使得在设定分离作业参数时被迫采用较低的浆体浓度或较高的浆体与分离腔的差速，从而降低了工作效率和分离精度，抬高了分选粒度的下限。

发明内容

本发明公开了与上述离心分离装置分离原理相似，将驱动浆体物料与分离腔相对运动的方式由利用物料惯性驱动改为由机械装置驱动，以期精确地控制浆体物料与分离腔的相对运动。

具体来说，这种用于按比重分选浆体物料内不同颗粒成分的离心分离装置，包括离心装置，所述的离心装置旋转产生离心力场，浆体物料置于所述的离心力场内或连续通过所述的离心力场，还包括机械激励装置，所述的机械激励装置对离心场内的浆体物料施加能够控制强度的动力激励，能够使浆体物料产生相对于离心装置具有适当速度梯度的层流。

离心力场中具有适当速度梯度的浆体层流运动产生最大的拜格诺效应，使得浆体物料的颗粒按不同比重和粒度产生析离分层效果。浆体流速过快，容易产生湍流，破坏分层，浆体流速过慢，则容易产生沉淀。

其中，将物料置于离心力场中的技术方案，其作业方式为间断式，装置结构较为简单，适合应用在小型的实验室装置上。具体技术方案是在摆平转子离心机的离心杯内设置一个可以在离心过程中对杯内物料进行旋转搅拌的叶片来实现。其中的摆平转子离心机即离心装置，叶片装置即机械激励装置。

物料连续通过离心力场的技术方案，其作业方式连续，在生产应用中更具有实用价值。

物料连续通过离心力场的技术方案：

该离心分离装置中的离心装置包括转鼓、进料口、重料出口、轻 料出口，转鼓在动力驱动下能够绕其自身的中轴线旋转，一端或两端开放，也可以两端均封闭，在其绕中轴线旋转时能够容纳浆体在其内侧作旋转运动，进料口位于转鼓内侧，用于向转鼓内输送待分离浆体物料，重料和轻料出口分别位于转鼓的外侧和相对内侧，或分别位于转鼓的两端，机械激励装置为设置在转鼓内侧与浆体物料接触并绕转鼓中轴线相对转鼓旋转的带有叶片的类圆鼓状装置，类圆鼓状装置称为内鼓，转鼓也称为外鼓。

根据分离过程中轻、重物料的运动方向，可以将进料口设置在转鼓的一端，轻、重料出口设置在另一端，这样分离过程中轻、重物料向同一个方向运动；也可以将进料口设置在转鼓的中间，轻、重料出口分别设置在两端，这样分离过程中轻、重物料向相反的两个方向运动，从而使得分离效果更加显著，分离比例易于控制。

所述的轻物料是指包含了较多比重较轻的颗粒的浆体，同理，重物料是指包含了较多比重较重的颗粒的浆体。轻物料和重物料是在同一个分离过程中相对而言的，有时还把所含颗粒比重居于两者之间或含有轻、重比重颗粒比例相当的浆体称为中物料。轻物料、重物料及中物料在工业上有时也被分别简称为轻料、重料和中料。

本发明还可在转鼓上设置重物料抗附着装置，避免重物料在分层后附壁积存，造成连续作业中断。

在转鼓上设置重物料抗附着装置，可以采用机械推送装置，如螺旋推送装置，其结构与现有的卧螺式离心机的螺旋推送装置相似。

抗附着装置也可以采用震动装置。所述的震动装置可以采用针对转鼓施加作用的机械震动装置，也可以采用针对浆体物料施加作用的 超声波震动装置。

所述的超声波振动装置可以将超声波发射器设置在转鼓内侧并浸入浆体物料，向外对浆体物料发射超声波，浆体物料的震动可以阻止浆体颗粒在转鼓外壁上的附着。

所述的针对转鼓的机械震动装置可以采用敲击装置，也可以采用高频震荡装置。

所述的敲击装置是在转鼓旋转过程中主动或被动地在转鼓的圆周方向或中心轴方向敲击转鼓，使得转鼓与物料之间产生相对加速度的装置。敲击装置本身没有动力，而是靠转鼓的动力来起作用的称之为被动敲击装置，敲击装置本身具有动力的称之为主动敲击装置。

所述的被动敲击装置可以具体为在转鼓的外周设置一个或一个以上的突起，在机架上设置一个或一个以上具有弹性复位装置的重锤，这样当转鼓的突起每次经过重锤时产生一次敲击。被动敲击装置敲击的频率由突起和重锤的数目以及转鼓的转速共同决定。

主动敲击装置本身具有动力，可以按需要的频率对转鼓实施敲击。主动敲击装置以在中心轴方向施加敲击更具有优越性。

所述的针对转鼓的高频震荡装置，振动方向可以在转鼓中心轴方向上，也可以在转鼓的旋转圆周方向上。振动方向在转鼓中心轴方向上的机械结构可以参考莫兹利(Mozley)离心机。只是莫兹利离心机的震荡频率较低，主要作用不是用来阻止重物料沉淀附壁。

机械震动装置本身对浆体颗粒按比重分层具有加强作用。

为了增强析离分层效果，可以在设置高频震荡装置的转鼓的内壁上设置走向与浆体流动方向大致垂直的沟槽或罗纹。其工作原理可以 参考选矿摇床的工作原理。

下面结合附图及实施例进一步说明本发明的具体技术方案：

附图说明

图1.间断作业的小型离心分离装置的主要结构立体外观示意图

图2.间断作业的小型离心分离装置带旋转激励装置离心杯的立体剖开示意图

图3.直板叶片离心分离装置的中央剖面示意图，用箭头表示出该装置工作时物料的分离过程及运动方向

图4.直板叶片离心分离装置的立体外观示意图

图5.直板叶片离心分离装置内鼓及叶片的立体外观示意图

图6.双螺旋叶片离心分离装置的中央剖面示意图，用箭头表示出该装置工作时物料的运动方向

图7.双螺旋叶片离心分离装置的立体外观示意图

图8.双螺旋叶片离心分离装置内鼓及叶片的立体外观示意图

图9.双螺旋叶片离心分离装置轻料排出口立体剖开示意图

图10.带有重物料抗附着装置及轻、重物料强制排出装置的离心分离装置的中央剖面示意图，用箭头表示出该装置工作时物料的运动方向

图11.带有重物料抗附着装置及轻、重物料强制排出装置的离心分离装置的立体剖开结构示意图

图12.带有重物料抗附着装置及轻、重物料强制排出装置的离心分离装置的立体外观示意图

图13.带有重物料抗附着装置及轻、重物料强制排出装置的离心分离装置震动鼓的立体外观示意图

图14.带有重物料抗附着装置及轻、重物料强制排出装置的离心分离装置内鼓的立体外观示意图

图15.带有重物料抗附着装置及轻、重物料强制排出装置的离心分离装置震动鼓震动驱动部分横截面剖开立体外观示意图

实施例 1，间断作业的小型离心分离装置。

具体技术方案是在现有的摆平转子离心机01的离心杯011内设置一个可以在离心过程中对杯内物料进行旋转搅拌的旋转激励装置02。旋转激励装置可以用一个由直流电机021驱动的平板搅拌叶片022固定在离心杯杯口，在离心机中轴上设置一副滑环碳刷023，直流电机的两相电源线的中的一相与离心机直接连接，另一相通过滑环碳刷与调压直流电源连接，直流电源的另一相与离心机连接。平板搅拌叶片边缘与离心杯杯壁间留有较大间隙。

工作时将浆体物料置于离心杯中，安装好搅拌叶片，先让搅拌叶片转动起来，使浆体物料均匀混合，然后开动离心机，待离心机达到一定转速并保持一段时间，让浆体物料充分分层，停止搅拌叶片转动，然后降低离心机转速直至停止，取出离心杯，手工分离已分层的浆体物料。

实施例 2，直板叶片离心分离装置。

具体方案，其离心装置包括外鼓11、内鼓12、差速传动装置13、进料管14，外鼓为圆台形空心圆鼓，侧面近下底面处和下底面分别设置带溜槽111的重料出口112和轻物料出口113，作为机械激励装置的内鼓为与外鼓形状相似的圆台，侧面设置数条直板形叶片121。外鼓、内鼓直径较小的一端称为顶端，直径较大的一端为底端。差速传动装置与现有的卧螺式离心机的相应部分结构相同，其功能是在外接动力的驱动下按设定的差速驱动外鼓和排料螺旋差速旋转。该装置的内鼓相当于卧螺式离心机的排料螺旋。直板形叶片与外鼓保持一定间隙，进料口122位于内鼓侧面近顶端处。沿内鼓中心线从一端伸入内鼓的进料管14结构与卧螺式离心机的相应结构相似，固定在机架上，不与内鼓和外鼓一起转动。内鼓和外鼓之间的腔隙为分离腔15，分离腔依内鼓和外鼓两端的称谓也分为顶端和底端。

工作时原料浆体通过进料口进入分离腔顶端，沿分离腔呈螺旋形向分离腔底端运动，过程中浆体颗粒按比重不同分层，形成重物料层和轻物料层，重物料进入溜槽并经重物料排料口排出，轻物料向底端并向内侧运动，经轻物料排出口排出。

实施例 3，双螺旋叶片离心分离装置。

该装置的包括外鼓21、内鼓22、激励螺旋221、重料排出螺旋222和差速传动装置23。外鼓为离心装置，由一段直筒和一段底面与直筒匹配的圆锥构成空腔。内鼓和激励螺旋为机械激励装置。内鼓与外鼓形状相似，由内鼓、和外鼓共同围成分离腔24。内鼓、外鼓的直筒部分和圆锥部分分别称为直段和锥段，内鼓、外鼓的直段与锥段交界处称为肩部，直段的另一端称为底部。内鼓直段的中间位置设置了 进料口223，内鼓直段近锥部设置了冲洗水进口224。沿内鼓中心线从一端伸入内鼓的进料管25，冲洗水输入管251结构可以设置为进料管的同心管结构，进料管在内，冲洗水输入管在外，分别开口在内鼓的进料口和冲洗水进口处。进料管固定在机架上，不与内鼓和外鼓一起转动。冲洗水进口224可以设置为简单的孔状，更好的设计为突向分离腔的开有多个细孔的盲管状，这样可以减小冲洗水对以沉淀充物料的冲击。重料排出螺旋直段叶片开孔，在保持螺旋强度的前提下开尽量开大，使得开孔外缘到叶片外缘的尺寸不超过叶片宽度的三分之一，通过开孔设置反向扭曲的激励螺旋，激励螺旋的螺距为重料排出螺旋螺距的数倍，甚至激励螺旋的螺距可以为无穷大，即激励螺旋实际为直板。激励螺旋尽量靠近开孔外缘，并取不超过开孔高度一半的宽度，即激励螺旋的宽度不超过重料排出螺旋叶片宽度的三分之一。激励螺旋的作用除了驱动浆体物料相对于外鼓鼓流动并产生具有速度梯度的层流，从而产生拜格诺效应，使的浆体颗粒按比重分层以外，激励螺旋相对外鼓转动使得轻料向分离腔底端加速运动。位于直段底部的挡液板210设置数个管状轻物料排出口2101，轻物料排出口内部开口21011在挡液板近外鼓侧面处，外部开口21012在近内鼓处。轻物料排出口利用连通器的原理高效率地排出到达直段底部的沉降至近外鼓侧面处的轻物料，称为连通器排料管。在外鼓锥段近锥尖处设置重料排出口211。

该装置还可以理解为是在在现有卧螺式离心机的基础上改进而成的，物料推送螺旋开孔，并在开孔内设置反向扭曲的激励螺旋，轻料排出口由经挡液板内缘溢出改为由设置在挡液板内的连通器排料 管喷出。

工作时自进料口进入分离腔的浆体物料在离心力的作用下，比重较大的颗粒向外鼓下沉并在重料排出螺旋的推动下向锥段移动，同时激励螺旋带动携带比重较小颗粒的中间浆体相对于外鼓呈螺旋方向向外鼓底部轻料排出口运动。作为补偿运动，位于分离腔内侧的稀薄浆体向锥段运动，并与中间浆体形成局部循环流。分离腔内浆体物料的总体运动趋势是比重较大的颗粒向锥段运动并最终从重料排出口以固体或半固体状态排出，比重较轻的颗粒向外鼓底部运动并从轻料排出口以浆体状态排出，含有极轻颗粒的内侧稀薄浆体向锥段运动并进入中间浆体形成循环。

实施例 4，带有重物料抗附着装置及轻重物料强制排出装置的离心分离装置。

该装置包括外鼓31、内鼓32、震动鼓33、激励螺旋321、重料排出螺旋322、轻料排出螺旋323和动力传导装置34。由内鼓、震动鼓和外鼓的两端部分共同围成分离腔35。激励螺旋、重料排出螺旋、轻料排出螺旋均固定在内鼓上。重料排出螺旋和轻料排出螺旋扭曲方向相反，与外鼓接触配合或小间隙配合。重料排出螺旋和轻料排出螺旋的结构与原理与现有的卧螺式离心机的锥段结构相同。激励螺旋扭曲方向与轻料排出螺旋相同，激励螺旋与震动鼓之间留有较大的间隙，与内鼓之间以开孔或以连接件间接连接的形式也留有较大间隙。比如，可以设置成激励螺旋位于内鼓和外鼓之间的居中位置，宽度约为内鼓和外鼓之间距离的三分之一。外鼓两端为底面相对的圆锥状，在两端近锥尖处分别设置重料排出口311和轻料排出口312，震动鼓为 圆台状，近重料排出口一侧的直径较大，为底端，另一端位顶端。震动鼓通过密封圈36与外鼓的两端部分连接形成分离腔连续的外侧壁。激励螺旋的作用除了驱动浆体物料相对于震动鼓流动并产生具有适当速度梯度的层流，从而产生拜格诺效应，使的浆体颗粒按比重分层以外，激励螺旋相对震动鼓转动使得轻料克服离心力向圆台形震动鼓的顶端运动。震动鼓内侧壁设置扭曲方向与激励螺旋相同，但螺距较激励螺旋略小的螺旋线形沟槽。螺旋线形沟槽螺距略小的用意是使得由激励螺旋旋转产生的相对震动鼓的浆体流动方向与螺旋线形沟槽尽可能垂直。外鼓的中间部分位于震动鼓外侧，分别与外鼓的两端部分固定连接形成一个整体。外鼓的中间部分开有数个修理窗313，用于拆卸外鼓与内鼓之间的部件。内鼓形状两端为锥形，中间为原台形，中间部分设置了进料口324，重料排出端圆锥近底部设置了冲洗水进口325。沿内鼓中心线从一端伸入内鼓的进料管37，冲洗水输入管371结构可以设置为进料管的同心管结构，进料管在内，冲洗水输入管在外，分别开口在内鼓的进料口和冲洗水进口处。进料管固定在机架上，不与内鼓和外鼓一起转动。震动鼓与外鼓两端部分之间设置与内外鼓的共同旋转中心线为中心线的两副滑动配合连接326，使得震动鼓与外鼓可以相对转动。外鼓的中间部分与震动鼓之间设置数对突起的连接件319和339，每对连接件之间设置一个可以产生同步振动的震动器38，使得震动鼓可以相对外鼓产生沿旋转圆周方向的旋转振动。震动器通过设置在转鼓中轴上的导电滑环装置从固定机架获得驱动电力。导电滑环装置在当前的机电设备中是成熟技术，这里不再详述。市售的震动器分机械式和压电陶瓷式，均可以配置使用。

工作时自进料口进入分离腔的浆体物料在离心力的作用下，比重较大的颗粒向震动鼓下沉并在离心力的作用下向重料排出口方向移动，同时激励螺旋带动携带比重较轻颗粒的中间浆体相对于与震动鼓呈螺旋状向轻料排出口方向运动，作为补偿运动，位于分离腔内侧的稀薄浆体向重料排出口方向运动，并与中间浆体形成局部循环流。离开震动鼓的重料在重料排出螺旋的推动下脱水并以固态或半固态自重料排出口排出分离腔。离开震动鼓的轻料在轻料排出螺旋和水流的共同的推动下以浆体状态自轻料排出口排出分离腔。

震动鼓使得外鼓产生的沿旋转圆周方向的旋转振动还具有增强浆体颗粒按比重分层效果的作用。为了进一步增强这种作用，还可以将震动器38设置为可以产生包含不通震荡频率的复合振动的复合频率震荡器，其中的高频震荡主要用来防止重物料贴附，低频震荡用来增强浆体颗粒按比重分层效果的作用。

Claims (10)

1.一种用于按比重分选浆体物料内不同颗粒成分的离心分离装置，包括离心装置，所述的离心装置旋转产生离心力场，浆体物料置于所述的离心力场内或连续通过所述的离心力场，其特征是还包括机械激励装置，所述的机械激励装置对离心场内的浆体物料施加能够控制强度的动力激励，使浆体物料产生相对于离心装置具有适当速度梯度的层流，进而产生最大的拜格诺效应。

2.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是所述的离心装置为摆平转子离心机，所述的机械激励装置为能够在离心过程中对杯内物料进行旋转搅拌的叶片装置。

3.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是所述的离心装置包括转鼓、进料口、重料出口、轻料出口，转鼓在动力驱动下能够绕其自身的中轴线旋转，并能够容纳浆体在其内侧作旋转运动，进料口位于转鼓内侧，重料出口和轻料出口分别位于转鼓的同一端的外侧和相对内侧，或分别位于转鼓的两端，机械激励装置为设置在转鼓内侧与浆体物料接触并绕转鼓中轴线相对转鼓旋转的带有叶片的类圆鼓状装置，类圆鼓状装置称为内鼓，转鼓也称为外鼓。

4.如权利要求3所述的离心分离装置，其特征是所述的外鼓为圆台形空心圆鼓，外鼓侧面近下底面处设置带溜槽的重料出口，下底面设置轻料出口，内鼓为与外鼓形状相似的圆台，侧面设置直板形叶片，叶片与外鼓之间留有间隙，进料口位于内鼓侧面近顶端处。

5.如权利要求3所述的离心分离装置，其特征是所述的转鼓内或转鼓上设置重物料抗附着装置。

6.如权利要求5所述的离心分离装置，其特征是所述的重料抗附着装置为重料排出螺旋，机械激励装置为设置在重料排出螺旋开孔内反向扭曲的激励螺旋，轻料排出口为设置在挡液板内的连通器排料管。

7.如权利要求5所述的离心分离装置，其特征是所述的重物料抗附着装置由设置为圆台形的震动鼓及能够使所述的震动鼓在旋转圆周方向上振动的高频震荡装置组成。

8.如权利要求7所述的离心分离装置，其特征是该装置的机械激励装置为带激励螺旋的内鼓，所述的激励螺旋与震动鼓之间留有较大的间隙，与内鼓之间以开孔或以连接件间接连接的形式也留有较大间隙，激励螺旋能够使得轻料克服离心力向圆台形震动鼓的顶端运动。

9.如权利要求8所述的离心分离装置，其特征是该装置包括重料排出螺旋和轻料排出螺旋，所述得重料排出螺旋扭曲方向与激励螺旋相反，轻料排出螺旋与激励螺旋相同。

10.如权利要求8所述的离心分离装置，其特征是在所述震动鼓内侧壁设置扭曲方向与激励螺旋相同，但螺距较激励螺旋略小的螺旋线形沟槽。