翻袋式离心机

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1、翻袋式离心机介绍德国海因克尔(Heinkel) 公司研制的翻袋式离心机, 从工作原理及结构性能等方面讨论了该机的优越性以及在制药行业的应用前景。在1998 年11 月举办的北京国际制药设备展销会上, 德国海因克尔(Heinkel) 公司隆重推出一种新生代翻袋式离心机(图1) , 引起了国内厂家的极大兴趣。它是当今制药业、食品加工业、化学工业及原料加工业中的理想离心过滤设备。常规离心机只适用于分离和提纯那些使用切刮方法进行卸料的产品, 且在转鼓内必然会形成残余滤渣层而造成物料的较大损失或晶粒的破坏。而“翻袋式”则完全克服了上述缺点, 这是目前世界上使物料损失小、提纯度高、洗涤效果佳、产品余湿量小

2、的一种离心过滤设备, 特别适用于制药与化工行业, 可作为当今离心机行业发展新产品的首选项目。70 年代由于离心过滤设备的用户对其安全可靠性、经济效益、自动化及环境保护等方面不断提高的要求, 使普通的立式或卧式离心设备已经不能适应制药、化工及食品加工等行业的现代化生产。德国的海因克尔公司首先意识到这一点, 并着手开始研究和开发全新的离心过滤设备。他们将设计的重点从原先的填料、洗涤及离心过滤等工艺, 转移到如何使药料在不打开设备的情况下卸料的过程, 并在滤袋上不留任何残余药料。这就需要对离心设备进行全新的设计, 甚至传统的离心鼓的结构也应作相应的改进。世界上第一台翻袋式离心机就此诞生了。其转鼓结构

3、被创造性地分成轴向固定部分及轴向运动部分(图2)。这种结构使得滤袋在卸料过程中被翻转过来,物料在离心作用下被甩离滤袋并保证了滤袋上不留任何残余物料。这种独特的设计也首次使得在不用任何其他机械装置及人药接触的情况下卸料过程得以顺利实现。1工作原理在图2 (a) 中, 固定输入管(1) 用来输送悬浮液和蒸气, 从出口(2) 进入离心机转鼓内腔(3) , 传动轴(4) 由内轴和外轴组成, 且与输入管(1) 同轴。壳体( 5) 与传动轴外轴相连, 而内轴则与转鼓盖内盘(6) 相连, 转鼓盖外盘(7) 通过8 根连杆(8) 与传动轴(4) 连接。内外轴以同样速度旋转, 同时内轴可按(14) 的方向移出使

4、滤布外翻图2 (b) , 所需动力可靠液压或全机械(螺旋推进) 方式提供。此时滤布(9) 则在内盘(6) 的周边与壳体(5) 的周边展开成圆筒状, 传动轴转速减慢, 转鼓壁表面的物料沿箭头(15) 方向被离心甩出。以转鼓直径为450 mm 的翻袋离心机为例, 其一个工作周期可划分为以下8 个部分;(a) 在2000 r/m in 转速下装料60 s;(b) 在2300 r/m in 转速下甩干30 s;(c) 在2300 r/m in 转速下加入洗涤水, 持续10s;(d) 在2300 r/m in 转速下第二次甩干20 s;( e) 在2300 r/m in 转速下用加压蒸汽处理20s;(f

5、) 在2300 r/m in 转速下第三次甩干30 s;(g) 在15 s 内将转速降至1150 r/m in;(h) 在10 s 内滤布外翻卸料。因此, 在转鼓强度设计计算时, 需要着重考虑以下4 种工况。工况1: 转鼓闭合, 转鼓内为空载, 转速为2000 r/m in;工况2: 转鼓闭合, 转鼓满载(装载系数一般为018) , 转速为2300 r/m in;工况3: 转鼓闭合, 转鼓内只有干物料, 转速为1150 r/m in;工况4: 转鼓外翻, 转速为1150 r/m in;2性能特点1977 年, 翻袋离心机HF 系列经过近10 年的研究与开发终于正式投放市场, 其独特的设计受到广

6、泛赞誉, 其优点也在化工业、制药业、食品加工业及原料加工业的使用过程中得到进一步的认可。1990 年以后, 海因克尔公司又推出了第二代翻袋式离心机, 现已成为在技术与性能上都是世界第一的固液分离设备。相对于第一代HF 标准系列, 第二代HF 系列又有了新的突破, 其先进性如下。(1) 加压式离心在离心脱水的同时, 对加工区域(转鼓) 加压以降低产品的湿度, 可以明显提高经济效益。提供了在加压区域加压至016M Pa 的条件下对产品进行洗涤的可能性。新一代HF 系列只是对加工区域加压, 这样使所有至今生产的标准HF 系列都可以改进成加压式离心。加压式离心的主要优点有:(a) 超过离心法能达到的脱

7、水极限, 使被加工药品达到更低的湿度(见表1) ;(b) 有效地加工可塑性产品, 如赛璐璐等;(c) 缩短工艺流程时间以提高产量;(d) 蒸汽洗涤, 消毒除菌;(e) 可同时利用干燥气体进一步干燥;(f) 集脱水和烘干于一体的性能节省了普通加工工艺中的进一步干燥的工艺(如烘干工艺) 并节省了能源。(2) 无液压装置现代化制药过程对环境的清洁及无菌有很高的要求, 故液压装置往往会造成严重的后果。如由于设备装置不密封或导管的破裂将使大批产品造成严重的污染。新一代的HF 系列已经取消了所有的液压装置。翻袋和卸料过程中的轴向运动被机械装置替代。如果由于操作失误在转鼓高速运转的同时启动了卸料工艺, 当转

8、鼓的转速超过危险值时, 计算机将自动地锁定转鼓的轴向运动以避免意外事故。3安全指标与运用范围HF 系列的标准安全装置有以下特点:(1) 防爆气体保护(2) 轴承温度及振动监测(3) 机壳锁定监测(4) 双重的转速监测及过载监测(5) 在过高转速下自动锁定转鼓的轴向运动, 禁止卸料(6) 特殊设计的轴承使蒸汽不能接触轴承以提高轴承寿命对于不同用户在选购离心过滤设备以前所提出的以下要求, 第二代HF 系列是符合这些要求的唯一选择。(1) 绝对密封的加工过程;(2) 无人看管的全自动操作;(3) 可通过循环系统来降低防爆气体的用量;(4) 卸料时保证晶粒不破碎;(5) 物料在转鼓内分布均匀以减少离心

9、过滤设备在运转时的振动, 可以保证离心机放在高层建筑中运转;(6) 保证最佳洗涤效果, 相对于普通离心过滤设备的洗涤过程, HF 系列可以节约90% 的洗涤剂用量;(7) 保证卸料后在滤袋上不留任何残余物料;(8) 只需对设备进行简单地清洗, 即可生产其他产品, 其纯度可以达到很高的要求;(9) 自动控制填料, 并通过计算机测量转鼓内物料的质量, 还可计算出产品的湿度;( 10) 可以加工常规固液分离设备不能加工的产品, 例如难以过滤的产品或易爆及可塑性产品。翻袋式离心机有一特殊的固相物料排出机构即滤袋翻转机构,滤袋翻转机构是翻袋式离心机最重要的部件之一。为改善翻袋式离心机的性能,通过对现有2

10、 种滤袋翻转机构的特点分析,研究设计了1 种新型的翻袋机构,减少了转动零件的数量,提高了可靠性,降低了机器成本。关键词: 过滤离心机; 滤袋翻转机构; 结构设计过滤式离心机是1 种在石油化工、化工、制药及食品工业中广泛应用的过滤设备。在过滤式离心机的发展过程中,人们对滤渣的卸出方法极为重视,很多离心机以滤渣的卸出方式命名,如刮刀离心机、活塞推料离心机和螺旋卸料离心机等。翻袋式离心机是1 种新型过滤式离心机,它有一特殊的固相物料排出机构即滤袋翻转机构。离心机中的转鼓内有一滤袋,排渣时,滤袋翻转机构将滤袋翻转,滤袋的内表面变为外表面,使固相物料在离心力作用下脱离滤袋。与刮刀离心机、活塞推料离心机和

11、螺旋卸料离心机等相比,翻袋式离心机的过滤表面残留物少,从而过滤阻力较小。翻袋式离心机具有余湿量小、洗涤效果佳及操作弹性大等优点,在石油化工、化工及制药等行业中有着广阔的应用前景。为在我国发展翻袋式离心机,作者研究了现有的2 种滤袋翻转机构,并提出了1 种新的结构。1 操作原理翻袋式离心机的转鼓分为固定部分和可以进行轴向运动的部分,见图1。其中转鼓盖、转鼓盖连杆、滤布固定板、内轴和滤袋为可以轴向运动部分。进料管用来输送悬浮液,转鼓盖在装料或离心过滤过程中封闭转鼓,见图1a 。转鼓盖由转鼓盖连杆与滤布固定板相连,滤布固定板由内轴牵拉。转鼓与外轴相连并由电机带动旋转。内轴与外轴可相对滑动,在固相排出

12、阶段,内轴带动转鼓盖、转鼓盖连杆、滤布固定板和滤布移出转鼓,滤布的内表面变成了外表面,在高速旋转状态下将沉积物甩出(图1b) 。2 几种翻袋机构比较转鼓盖的打开和关闭来自内轴与外轴的相对运动。牵动内轴的方式不同,就会产生不同的滤袋翻转机构。滤袋翻转机构决定着转鼓在脱水状态时能否密封和在排渣状态时滤袋能否翻转并顺利排渣,因此是此机型发展的关键部件。2.1 油缸驱动式滤袋翻转机构1 油缸驱动式滤袋翻转机构是翻袋式离心机最早的结构,带动滤袋翻转的内轴与油缸的活塞杆成为一体并与活塞相连,油缸与转鼓同速转动,以控制液压油的进出方向来控制滤袋的翻出或返回。此种结构的缺点: 旋转的油缸与静止的供油装置动态接

13、触,容易漏油,污染环境。活塞杆出入油缸容易污染所分离的产品和环境。旋转的油缸有较大的转动惯量,会降低轴的临界转速。油缸驱动式滤袋翻转机构近年来已被逐步淘汰。但我国有些离心机制造厂商仍在计划生产使用油缸驱动式滤袋翻转机构的翻袋式离心机,原因是有关专利刚刚过期,生产此种结构的离心机有合法性。此种作法的弊端是降低了产品的竞争能力。2.2 海因科尔机械驱动式滤袋翻转机构2 德国海因科尔公司自1994 年以来,逐步用机械驱动式滤袋翻转机构取代油缸驱动式滤袋翻转机构,此种机械驱动式滤袋翻转机构见图2。电机通过带轮驱动外轴,另一个电机通过带轮驱动螺纹轴。当驱动外轴的电机速度大于驱动螺纹轴电机的速度时,螺纹轴

14、会相对滑动螺母旋转。滑动螺母由于导向圆筒和导向键的限制作用不能旋转,故只能使螺纹轴作轴向运动并拉动内轴做轴向运动。在内轴的拉动下转鼓盖密封转鼓,使转鼓处于关闭状态,此时可以进行装料或离心过滤过程。相反,当螺纹轴电机的速度大于外轴电机的速度时,转鼓盖离开转鼓,离心机处于卸料状态。在图2 中,皮带轮1 右面的所有零件除支座外,均为高速旋转件,这些零件在加料、过滤和洗涤等工况时与转鼓同速。为控制内轴的进退,不但要准确地控制螺纹轴电机及外轴电机各自的速度,还要控制它们的相对速度。此结构的问题是旋转件多,影响轴的振动性能,增加了制造难度和机器成本,且控制难度大。2.3 隔离式机械滤袋翻转机构我们在深入地

15、研究了上述2 种机构后3 ,4 ,设计了隔离式机械滤袋翻转机构,见图35 。此种机构的特点是旋转件数量大幅减少。在图3 中,与外轴固定的带轮1 与导向圆筒之间的轴承使得导向圆筒不再随外轴一同转动。滑动螺母与内轴之间的轴承使得滑动螺母和螺纹轴等零件也不再随内轴一同转动。轴承可传递轴向力,但隔离了前后零件之间的转动。螺纹轴在带轮的带动下顺时针或逆时针旋转,从而带动内轴在外轴内滑动。此结构的特点:内轴的进退与外轴的转速无关,使机构更易控制。旋转件减少,降低了制造难度并提高机器的可靠性。转轴长度缩短,使轴的振动性能得到改善。3 结语通过分析已有的2 种滤袋翻转机构,提出了1种新的机构。该机构具有旋转零件少、容易控制以及制造成本低等优点。此外,新机构还缩短了转轴的长度,使轴系的刚度增加,提高了临界转速,使机器运转更加平稳。因此种结构与外国专利无关,有理由成为我国离心机制造厂商生产此种离心机的首选结构。