CN1415422A - 转筒式离心分离机 - Google Patents

Abstract

转筒式离心分离机由前带皮带轮、后带漏斗、内设加速叶片的旋转筒和前有分流口、后有溢流进入开口、中间封阻、并通过内底盖支撑着刮片输送器的中心管轴两大部件构成。本机由于有叶片加速，料浆迅速达到机速，离心分离效果显著；转筒内部无阻力件，不会产生对沉淀不利的涡流；采用刮片输送器，避免了螺旋输送器因颗粒转速相对快慢不同、而发生推前推后的相反结果；中心管轴不转动，是转筒的支撑件，本身支撑在机架上，动力稳定性良好；它前部是料浆进入通道，封阻的后部是溢流排出通道，由于不旋转，与外管道连接无安全隐患；结构上优化到最简单程度、加工制造容易；本机设置有根据料浆浓度不同的控制调节方法，根据粒度不同，由本机导出了最低转速公式；应用范围将更广阔。

Description

转筒式离心分离机

由于旋转运动的离心加速值可达重力加速值的数千倍，充分利用这一性质在快速沉淀分离上是具有意义的。目前有水力旋流器，离心选矿机及各种甩干机。水力旋流器是利用水流自身的速度，是选矿厂常用的粒径分级设备，离心选矿机代替矿泥摇床，取得了好的效果，但它不能连续作业。值得一提的是，近来德国人赫伯特斯奇尔，喀尔菲尔德在美国申请了一项专利，它有一个转鼓，支撑在中心螺旋推进器上，通过差速器，使两者同向旋转，螺旋推进器小于转鼓速度，在转鼓内分离的溢流和沉淀物分别都从径向管进入螺旋推进器的轴部。再分别转成轴向同向流出转鼓外，溢流从轴的端口流出，为了分开出口位置，沉淀物未到端口就又成直角状转成径向排出。

此机可以连续作业，但存在下述弊病：

1、浆料仅仅是依靠转体壁和浆料的内摩擦带动而旋转的，远远不及用叶片加速效果好。

2、螺旋推进器与转鼓之间存在着速度差，哪怕只有12％的速差，就会产生涡流，这对颗粒沉淀是极为不利的。

3、转鼓内沉淀物的搬运件采用了螺旋形的输送器，即刮片为连续的一整条，弯成螺旋形。为了侧向搬运，刮片与转动方向的夹角不能太大，即螺距不能过大，于是螺旋圈数就增加了。这样一来支撑螺旋片的支撑件数量就很多，或者合在一起，也成为一个螺旋形连续支撑件，由于它们位于转鼓中部，于是都成了浆料旋转的阻力件，同样会产生涡流，对沉淀不利。

4、颗粒转速由慢到快，最终超过螺旋推进器的转速，两者速度相对快慢不同，颗粒会出现前进，后退两种截然相反的结果，当操作上使机械转速变化时也会出现这种情况，怎能武断地命名为推进器呢？这也是由于

输送器设成螺旋形造成的。

5、沉淀物排出道从径向转为轴向，又转为径向，不仅制造加工复杂，停机后干在里面阻塞通道，清除也是不方便的。

6、进料口、溢流出口和沉淀物出口都设在螺旋推进器的轴部，而轴是高速转动的，通过不转动连接件连接，一径锈蚀或破损卡死，就会造成设备或人身事故，是设计方案上存在的隐患，只有轴不转动才是最安全的。

为了消除以上的弊病，这里提出一种新的离心机，定名为“转筒式离心分离机”。它是由转筒和中心管轴两大部件构成，中心管轴穿过转筒两底中心，转筒通过轴承(17)支撑在中心管轴上，而中心管轴又直接支撑在机架(18)上，这样就将两大部件的位置关系确定了。

转筒(8)旋转的方法是在它的前端(见附图)底外有固定连接的皮带轮(7)，作用在皮带轮上的动力是带有转速控制器(16)的电动机(15)，因而可强化转速，也可选择转速。而中心管轴没有差速器装置和任何动力施加给它，所以它是不转动的。因此它的动力稳定性良好。

料浆由中心管轴前端的料浆入口(1)进入，通过中心管轴(2)在管轴封阻处，从分流口(3)进入转筒内的前端。加速是通过转筒前端内壁所设置的一对轴向转筒叶片(9)实现的。料浆在叶片作用下加速，并连续冲刷搬运颗粒移向沉淀区进行分离沉淀。而分离的溢流靠近中心管轴，从转筒内后端的管轴开口(4)进入管轴内，再从管轴后端的溢流排出口(6)排出。

转筒后端有两层盖，分别是内底盖和底盖：

一、内底盖(10)较厚，它比转筒的内半径约小1公分，形成环状间隙，中心空，紧套在中心管轴外，与管轴固定连接，因中心管轴不转动，所以它也不转动。它是沉淀输送件的支撑体。

二、底盖：它是与转筒相连接，并与转筒转速一致，周围开有不连续弧形开口的底盖(11)，开口宽约1cm。

在内底盖的边缘有轴向固定连接的刮片输送器(5)，它向前延伸到接近旋转筒叶片而止，由于内底盖不转动，它也不会转动。它处在紧贴旋转筒内壁的位置上，常在沉淀物掩盖之下，因此它不是浆料旋转的阻力件，不会形成涡流，避免了对沉淀不利的影响。它的刮片等距分布在刮片杆上，刮片的倾斜方向与转筒的旋转方向有固定关系，一径设置，使用时转筒不能反向旋转。由于刮片输送器是固定不转动的，速度为零，任何颗粒的旋转速度都大于它的速度，因而输送方向是固定不变的，都是按照设置方向，自前向后输送，避免了转动螺旋形输送器的弊病。

沉淀在转筒(8)内壁上的沉淀物，通过刮片输送器(5)，径内底盖(10)周围的间隙，再通过周围有不连续弧形开口的底盖(11)的弧形开口，排出到转筒外。转筒底盖外固定连接有漏斗(13)，一同旋转，它用来集中沉淀物，平衡转筒内部压力，集中的沉淀物从沉淀物出口(14)排出。由于漏斗起到平衡转筒内压的作用，漏斗壁在转筒底面上的径向投影长度必须小于(R-r)，R为转筒内半径，r为转筒内部管轴的外半径，其差值的大小，视料浆浓度而定。浓度低的，如水的净化，略小即可；浓度大的，其差值也大，目的是使压力差增大，沉淀物的排出速度和排出量也大一些，应制成不同机型，满足不同浓度用户的需要。

漏斗内有径向设置的一对阻挡片，因为高速旋转的沉淀物通过漏斗时半径缩小，角速度增大，通过阻挡片的阻挡降速，使沉淀物所携带的动量留下，达到节能效果。

转筒内分离的高速溢流，由切向转成径向从管轴开口(4)进入管轴内，为了加强流入力度，在管轴开口(4)的边缘设置有略成弧形的导流片(20)，导流片在管轴开口(4)边缘的位置和方向与转筒的转向设置有固定关系。

溢流排出口(6)附近接球阀(19)，球阀后面接溢流流量计(22)，料浆入口(1)附近的管轴上设置有料浆流量计(21)，后端的溢流量应与料浆流量和料浆体积浓度计算结果一致，当不一致时，通过操作球阀，使其达到一致。

为达到料浆中细粒的完全沉淀，当机器尺寸确定后，最低旋转速度是可以计算出来的。请见说明书附件：离心分离机最低转速与料浆细粒粒径关系(邓氏公式)推导过程及结果。此公式参数取自本机，也只能适用于本机。从公式中也可看出本机可用于不同粒级的分级和不同比重颗粒间的重选。

此外，在机身外有安全罩(12)。

本机能连续作业，又消除了前述现有离心分离机存在的六点弊病，特别是在叶片的作用下，料浆达到机速，离心分离效率大大加强，加之稳定性良好，结构优化到最简程度，制造加工容易，于是应用范围可更加广阔。

本机可用于化工、建料、水的处理利用、环保和矿业方面。用于矿山选厂中、接矿浆管后实现在选厂内闪速脱水，取代进入浓密机沉淀池和过滤机的现有工艺流程，减少占地，节省庞大设备和能源；用在尾砂脱水上，适应管道输送，使含细粒的尾砂充填采空区成为可能，实现最有效的岩移控制方案；也可代替旋流器，进行不同粒级的分离；重选中代替矿泥摇床和不能连续作业的离心选矿机；水的净化上通过本机，在进水管中滴入絮凝剂，能快速除去细粒而变清澈，适宜不设沉淀池的小型水处理厂。附件

          “转筒式离心分离机”中料浆固体颗粒

  粒径与最低转速之间的关系式(邓氏公式)推导过程及结果

离心机中的物质如果保持与旋转筒转速一致时，它的法向加速度a_n为物质所处半径r与角速度的平方的乘积，与每分钟转数n的关系式如下： $a_n={\mathrm{R\ω}}^2=R{\left(\frac{\mathrm{\πn}}{30}\right)}^2={\left(\frac{\mathrm{\π}}{30}\right)}^2{n}^{2}R---\left(1\right)$

由于离心机中物质由半径r到R时，加速度也在变大，故加速度是半径的函数，对半径积分后被法向行程l(＝R-r)除，得平均加速度： $\stackrel{\‾}{a_n}=\frac{1}{R-r}{\∫}_r^R{\left(\frac{\mathrm{\π}}{30}\right)}^2{n}^2\mathrm{RdR}=\frac{1}{R-r}{\left(\frac{\mathrm{\π}}{30}\right)}^2{n}^2{\∫}_r^R\mathrm{RdR}$ $=\frac{1}{R-r}{\left(\frac{\mathrm{\π}}{30}\right)}^2{n}^2\frac{1}{2}{R}^2{|}_r^R$ $=\frac{1}{R-r}{\left(\frac{\mathrm{\π}}{30}\right)}^2{n}^2\frac{1}{2}(R^2-r^2)----\left(2\right)$ $=\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\π}}{30}\right)}^2{n}^2(R+r)$ $=0.0055n^2(R+r)$

离心机中的颗粒物质除受离心力作用外，还受到介质的浮力和阻力，由于颗粒粒直径一般都小于1mm，其阻力主要是粘性阻力，于是颗粒受力状态是： $F^{\′}=F-P-R_s=\mathrm{v\δ}\stackrel{\‾}{a_n}-\mathrm{v\Δ}\stackrel{\‾}{a_n}-3\mathrm{\π\ηdv}$ $=v(\mathrm{\δ}-\mathrm{\Δ})\stackrel{\‾}{a_n}-3\mathrm{\π\ηdv}---\left(3\right)$ 式中 ：F′------颗粒在介质中受到的力    Δ-------介质密度

   F------颗粒受到的离心力         

-------平均离心加速度

   P------介质受到的  力            d-------颗粒粒径

Rs-----介质的粘性阻力       η-------介质的动力粘滞系数

ν-------颗粒体积           ν-------颗粒与介质相对运动速度

δ-------颗粒密度

由(3)式看出，颗粒在介质中的加速度随颗粒密度δ及介质密度Δ变化，当δ＜Δ时，颗粒的加速度为负值，颗粒上浮；当δ＝Δ时，颗粒悬浮；当δ＞Δ时，加速度为正值，颗粒下沉。

可以将细小的颗粒看作球体，将 $v=\frac{{\mathrm{\πd}}^{\′}}{6}$ 代入上式，得： $F^{\′}=\frac{\mathrm{\π}{d}^{\′}}{6}(\mathrm{\δ}-\mathrm{\Δ})\stackrel{\‾}{a_n}-3\mathrm{\π\ηdv}---\left(4\right)$

颗粒在介质中，开始加速沉淀，粘性阻力随沉淀速度加快而增大，瞬间达到平衡，颗粒以末速v₀匀速沉淀，平衡方程： $\frac{\mathrm{\π}{d}^{\′}}{6}(\mathrm{\δ}-\mathrm{\Δ})\stackrel{\‾}{a^n}=3{\mathrm{\π\ηdv}}_0$ $v_0=\frac{(\mathrm{\δ}-\mathrm{\Δ})d^2\stackrel{\‾}{a_n}}{18\mathrm{\η}}---\left(5\right)$

从(5)式看出，颗粒沉淀的速度随颗粒密度，粒径及平均离心加速度的增大而增大。随介质密度及介质动力粘滞系数的增大而减小。

在一定介质中，Δ和η是定值。 也一定时，颗粒的沉淀速度只与颗粒的密度和粒径有关。当粒径相同时，密度大的沉淀速度快，因此离心机能将比重不同的颗粒分离；当密度相同时，粒径大的沉淀速度快，因此离心机能将不同粒径的颗粒分离。

将(5)式中匀速v₀用法向行程l和时间t来表达，并将d的单位由cm变为mm得： $\frac{l}{t}=\frac{(\mathrm{\δ}-\mathrm{\Δ})d^2\stackrel{\‾}{a_n}}{1800\mathrm{\η}}---\left(6\right)$

由(6)式变换形式得： $\stackrel{\‾}{a_n}{d}^2=\frac{1800\mathrm{\ηl}}{(\mathrm{\δ}-\mathrm{\Δ})t}=\frac{1800\mathrm{\ηlg}}{({\mathrm{\δ}}_g-{\mathrm{\Δ}}_g)t}=\frac{1800\mathrm{\ηlg}}{(\frac{{\mathrm{v\δ}}_g}{{\mathrm{vr}}_{\mathrm{\ω}0}}-\frac{{\mathrm{v\Δ}}_g}{{\mathrm{vr}}_{\mathrm{\ω}0}})r_{\mathrm{\ω}0}t}$ $=\frac{1800\mathrm{\ηlg}.}{(G_s-G_t)r_{\mathrm{\ω}0}t}---\left(7\right)$

式中：Gs--------颗粒比重； $G_s=\frac{{\mathrm{v\δ}}_R}{{\mathrm{vr}}_{\mathrm{\ω}0}}$

      Gt---------介质比重； $G_t=\frac{{\mathrm{v\Δ}}_g}{{\mathrm{vr}}_{\mathrm{\ω}0}}$

      r_ω0--------4℃时水的比重，其值等于1。

将 $\stackrel{\‾}{a_n}=0.0055(R+r)n^2$ 代入〔7〕式，l＝R-r得： $0.0055(R+r)n^2{d}^2=\frac{1800\mathrm{g\η}(R-r)}{(G_s-G_t)r_{\mathrm{\ω}0}t}$ $n^2{d}^2=\frac{1800\mathrm{g\η}(R-r)}{0.0055(G_s-G_t)r_{\mathrm{\ω}0}t(R+r)}---\left(8\right)$

公式(8)即离心机的转速与粒径关系的一般公式，从我们需要沉淀颗粒最小粒径，可计算求得离心机的转速。

如果使用的介质是水，温度通常是20℃时，水的比重为c_tw20＝0.9299水的动力粘滞系数为η₂₀＝1.0718×10^-5g s/cm²，颗粒比重一般为2.7时，得出介质为水的一般公式： $n^2{d}^2=\frac{1800\×980\×1.0718\×{10}^5(R-r)}{0.0055\×(2.7-0.9299)\×1\×t(R+r)}=\frac{1942(R-r)}{t(R+r)}---\left(9\right)$ 式中：n------每分钟旋转筒转动的次数。r/mm

  d-------粒径。mm

  R------旋转筒的半径。cm

  r------料浆进入旋转筒的进口所处半径，cm

  t-------料浆在旋转筒内停留的时间，s

t可通过料浆在旋转筒内轴向运动速度求得，由于料浆沿轴向从进料管进入旋转筒，直到分离后液体排出，轴向上的运动速度与横截面面积成反比，进料管的半径r₀是设备固定值，进料速度ν一定时，不仅可以计算设备处理能力，还能用作料浆在旋转筒内停时间的计算参数，料浆在旋转筒内进出口之间的路程为s₀，料浆的体积比浓度为k，则t可通过下式求得： $(1-k)\mathrm{\π}{r}_0^2\mathrm{vt}=\mathrm{\π}(R^2-r^2)S_0$ $t=\frac{(R^2-r^2)S_0}{(1-k)r_0^{2}v}---\left(10\right)$

设料浆的密度为Δ，旋转筒内料浆对筒壁的压强p为： $p=\frac{F}{S}=\frac{m\stackrel{\‾}{a_n}}{S}=\frac{\mathrm{v\Δ}\stackrel{\‾}{a_n}}{S}=\frac{(R-r)\mathrm{S\Δ}\stackrel{\‾}{a_n}}{S}$ $=(R-r)\mathrm{\Δ}\×0.0055n^2(R+r)$ $=0.0055\mathrm{\Δ}{n}^2(R^2-r^2)k_g\mathrm{fl}{\mathrm{cm}}^2---\left(11\right)$

Claims (8)

1、一台“转筒式离心分离机”，它由前带皮带轮(7)、后带漏斗(13)、内设叶片(9)的旋转筒(8)和前有分流口(3)、后有溢流进入开口(4)、中间封阻、并通过内底盖(10)支撑着刮片输送器(5)的中心管轴(2)两大部件构成。料浆从中心管轴前端料浆入口(1)进入，再从分流口(3)进入转筒(8)内，在叶片(9)的作用下加速分离，溢流重新由管轴开口(4)回到管轴内，从后端溢流排出口(6)排出；分离的沉淀物处在转筒内壁，在刮片输送器(5)的作用下后移到筒底，在转筒内压下通过底盖(11)周围不连续弧形开口出到筒外，经漏斗(13)集中排出。本机特征在于：有一个圆柱形的旋转筒(8)；有旋转筒叶片(9)；中心管轴(2)是不转动的；刮片输送器(5)是通过紧套在管轴外的内底盖(10)固定支撑在中心管轴(2)上的；转筒后端有固定连接的漏斗(13)。

2、按权项1中所述的中心管轴(2)，其特证在于：在分流口(3)和溢流进入的管轴开口(4)之间管内有封阻部分。

3、按权项2中所述的管轴开口(4)，其特证在于：它的边缘设置有略弯成弧形的导流片(20)。

4、按权项1中所述的中心管轴(2)，其特证在于：接近后端有球阀(19)，它控制管轴后端的溢流流量计(22)数值，使其管轴前端料浆流量计(21)读数与料浆体积浓度所计算出的溢流量一致。

5、按权项1中所述的漏斗(13)，其特征在于；漏斗壁在转筒底面上的径向投影长度必须小于(R-r)(R.r的意思详见说明书)，制造出不同程度差值，供不同料浆浓度的用户选用。

6、按权项1中所述的漏斗(13)，其特征在于：内壁有一对径向阻挡片。

7、使用“转筒式离心分离机”在选厂内直接脱水，取代浓密机沉淀池和过滤机的现行工艺流程。

8、用粒径与转速关系式(邓氏公式)来确定所需最低转速。

Images