碟式淀粉离心机“智”造及应用科学

  • 作者: 崔云洪
  • 时间: 2022-05-17 15:23:21
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写在前面

淀粉分离是玉米淀粉湿磨生产技术的核心。淀粉分离设备采用“碟片式喷咀离心机”(以下简称:碟式淀粉离心机)。碟式淀粉离心机有“上传动”与“下传动”两种机型。其中带“内置循环”的上传动碟式离心机,原产于美国-道尔奥利弗公司,现有瑞典-阿法拉法公司生产。该机型由于机械传动部分相对简单而易于“仿制”,现已实现了国产化(以下称:国产淀粉离心机)

本文对当今应用比较广泛的36(转鼓直径36英吋)国产离心机,进行设备造与应用科学的分析研讨。其中应用科学包括:应用工艺指标的科学设计与设定工艺指标的自动化控制

国产淀粉离心机的

1.1 上传动离心机的内置循环回流

1.1.1 内置循环回流的概念

离心机分离出来的重相(俗称:粗淀粉乳)由转鼓周边上的喷咀(俗称:分离喷嘴)喷出,经由蜗壳排出管排出机体。排出机体后的淀粉乳(分离机底流),一部分进入洗涤旋流器进行旋液分离精制(该部分称谓:0级洗涤淀粉乳);另一部分通过离心机机壳底部喷咀返回转鼓内部循环,该部分淀粉乳称:内置循环回流。机壳底部喷咀称:回流喷咀。

1.1.2 内置循环回流的原理

分离机底流的内置循环回流是由于转鼓旋转在底部形成的负压作用。

1.1.3 内置循环回流的作用

一是,由于回流物料喷管喷出的方向正冲着分离喷咀进口方向,从而降低了分离喷咀的堵塞几率。

二是,由于回流物料进入两相分离后的浓相区(碟片堆与转鼓内壁之间区域),相对提高了浓相区的静压力;浓相区静压力的升高,可推促轻相沿碟片上升从转鼓顶部排出(溢流);从而有利于提高两相分离效果。

1.1.4 内置循环回流量、分离喷嘴喷出量、分离机底流量,三者之间的数量关系

分离喷嘴喷出量=分离机底流量+内置循环回流量

其中:分离机底流量系分离机进、出物料衡算中的排出流量。即:进入多级洗涤精制旋流器首级的流量(称:0级淀粉乳的流量)

1.2 国产淀粉离心机的

1.2.1 上传动与下传动离心机转鼓结构的对比分析

上传动36型:直径36英吋(914.4 mm)、喷咀长度30mm(视为转鼓体壁厚)、喷咀数量30(视为转鼓体周边开孔数量),转速2,450~2,900rpm

下传动SDA260型:转鼓直径1,040mm、喷咀长度40mm(视为转鼓体壁厚)、喷咀数量20(视为转鼓体周边开孔数量),转速3,000~3,500rpm

通过以上对比可以看出:下传动260型离心机转鼓直径大、转鼓壁厚、开孔数量少,而转速高;所以分离因数较高。较高的分离因数,相对提高了分离效果。上传动36型离心机转鼓直径小、转鼓壁薄、开孔数量多,而转速低;所以分离因数较低。

1.2.2 国产离心机“转鼓”的改造

离心机的转鼓增加壁厚、减少开孔数量,喷咀数量减少,喷嘴孔径加大。通过转鼓壁厚的增加,增强机械强度,从而提高转速。通过转速的提高,从而获得较高的分离因素。改造转鼓后的国产离心机,在分离因素得到提高的同时,再加之内置循环回流的特点,分离效果将获得显著提高。同时,喷嘴孔径的加大,也可降低喷嘴的堵塞几率。

1.2.3 优化碟片母线夹角(碟型陡度)

碟片母线夹角(碟型陡角)与不同物料有关:两液相物料比重差愈小 (愈难分离),碟片母线夹角愈小(即:碟型愈陡);反之碟片母线夹角愈大(即:碟型愈坡)。针对不同的物料进行优化碟片母线夹角(碟型陡度)

1.2.4 优化碟片材质、间隙隔条形状及其与碟片焊接方法

相邻两碟片的间隙大小(碟片隔条厚度)与处理物料特性(如,粒度大小、液相浓度、比重差---)有关。针对不同的物料,采用不同厚度的碟片隔条。如,主分离的碟片隔条厚度最大(约为2.2mm),麸质浓缩碟片隔条厚度最小(约为1.8mm),预()浓碟片隔条厚度介于两者之间。

碟片材质应选用耐腐蚀表面平整、厚度均匀精度高、耐腐蚀的优质不锈钢薄板。间隙隔条宽度尽量窄且四周无棱角。隔条与碟片焊接采用无缝隙对焊,尽量保持物料流动通畅。

1.2.5 碟片数量的合理配置

碟片配置数量随处理量的增加而增多。碟片数量=处理量÷相邻碟片间容室体积,其中处理量:离心机进料量,相邻碟片间容室体积碟片(锥型台)表面积×两碟片间隙隔条厚度。

1.2.6 采用渐缩弯流道节能喷咀

传统的喷咀内腔为大、小突变斜插型物料流道。该流道由于存在物料流动死角而产生涡流,从而增加了物料流动压力损失。物料流动压力损失,增加了物料从喷嘴喷出的动能损耗,从而增加了离心机运行电耗。

将传统的大、小突变斜插流道改变为渐缩弯圆滑流道,降低物料喷出的压力损失而减少物料喷出的动能消耗,相对降低离心机的电能消耗。

1.2.7 国产分离喷咀通量的标定

在离心机造中,必须对国产分离喷咀以清水为基准的各种喷嘴孔径通量以及内置回流喷咀喷咀口径及其流量范围进行测定。并有制造者将测定的数据,编入《分离机使用说明书》,以供离心机用户在实际应用中选择。

碟式离心机应用工艺指标的科学设计

(提示:淀粉离心机应用工艺指标的科学设计不仅限于国产离心机)

2.1 淀粉分离工艺设计原理

2.1.1 系统分析原理

玉米淀粉湿磨生产分离是一个粗淀粉乳离心沉降分离(碟片喷咀分离)与粗淀粉乳旋流洗涤精制(旋液分离)组成的分离系统。系统流程:淀粉与麸质分离(主分离)重相(粗淀粉乳)进入旋流器机组进行洗涤精制,洗涤旋流器首级溢流返回主分离进料进行再分离,精制淀粉乳从末级底流排出。依次往复循环,构成一个完整的淀粉分离系统。

2.1.2 物料平衡原理---淀粉分离系统的物料平衡关系式

原浆淀粉干物量=精制淀粉乳干物量(麸质含淀粉忽略不计)

分离机进料干物量=分离机底流干物量

主分离底流干物量=0级洗涤干物量=首级溢流干物量+末级精制淀粉乳干物量

首级溢流干物量=精制淀粉乳干物量×回流量(%)÷[1-回流量(%)]

精制淀粉乳干物量=0级洗涤干物量×[1-回流量(%)]

0级洗涤干物量=首级溢流干物量÷回流量(%)

主分离进料干物量=原浆干物量(未预浓部分)+预浓缩底流干物量+首级溢流干物量

进料浓度×进料流量=出料浓度×底流流量

精制淀粉乳淀粉干物量=原料玉米淀粉量×淀粉抽提率(%)

提示:淀粉抽提率(%)是玉米淀粉湿磨生产技术的一项重要指标。

原料玉米淀粉量=原料玉米量×玉米淀粉含量(%)

2.1.3 合理的浓缩比

浓缩比:即离心机出料浓度与进料浓度的比值。合理的浓缩比是碟式离心机发挥分离(浓缩)作用的重要条件。合理的浓缩比应根据待分离物料的特性(如,浓度、固相粒度大小、两相比重差---)以及两相分离指标要求,进行科学选择设计。工艺设计中各类离心机浓缩比的推荐值:主分离2~2.5,预()浓缩2.5~3.0,麸质浓缩6~8

2.1.4 内置回流量的选择

内置回流量的选择是上传动离心机应用工艺科学设计中的一项重要参数。

              36型离心机内置循环回流喷咀口径与流量范围(推荐值)

      

2.1.5 分离浓度指标与浓缩比以及喷嘴口径选择是工艺设计的一项主要任务

2.2 各类离心机浓度指标与浓缩比以及喷嘴口径选择的科学设计

2.2.1 主分离

2.2.1.1 浓度与浓缩比设定指标:底流浓度16~18°Bé,浓缩比 2~2.5,进料浓度=底流浓度/浓缩比

2.2.1.2 喷嘴口径选择方法与步骤

第一步:计算喷嘴的喷出体积流量=0级干物量÷底流浓度(g/l)+内置回流量

其中:0级干物量=精制淀粉乳淀粉干物量÷(1-洗涤精制回流量%)

式中:精制淀粉乳淀粉干物量计算

方法一:以淀粉产量指标为工艺计算口径

精制淀粉乳淀粉干物量=设计淀粉产量指标

方法二:以玉米加工量为工艺计算口径

精制淀粉乳淀粉干物量=玉米加工量×淀粉收率%×(1-淀粉水分%)

洗涤精制回流量%=首级溢流干物量÷0级干物量×100%(推荐值:25%)

首级溢流干物量=0级干物量-精制淀粉乳淀粉干物量

底流浓度(g/l)设计指标:16~18°Bé(推荐值)

提示:底流浓度设计过高,往往导致溢流含淀粉较多。底流浓度设计值:不超20°Bé

第二步:依据离心机说明书选择内置回流量(推荐:选择回流量范围下限)

提示内置回流量包括外加洗涤水量。两者的混合浓度与进料浓度相当。加洗涤水量利用浓度配伍计算(十字交叉配伍计算法)

第三步折算清水流量:喷嘴喷出清水流量=喷咀喷出的淀粉乳流量×修正系数(使用说明书标注)

第四步:依据使用说明书以清水为基准的不同规格的喷嘴通量进行喷嘴孔径选择以及不同口径数量的配置。

2.2.2 预浓缩

2.2.2.1 浓度与浓缩比设定指标:进料浓度原浆浓度,底流浓度=原浆浓度×浓缩比(2.5~3.0)或:底流浓度=主分离进料浓度(原浆完全预浓缩时)

提示:原浆浓度与纤维洗涤水用量有关:洗涤水用量多,纤维洗涤效果好,原浆浓度低。洗涤水用量少,纤维淀粉含量高,原浆浓度相对也高。纤维洗涤水用量一般依原浆浓度4~6°Bé来控制。

2.2.2.2 喷嘴孔径选择方法与步骤

第一步:计算底流流量

方法一:原浆完全浓缩时,底流浓度取主分离进料浓度,即:

底流浓度=主分离进料浓度=主分离底流浓度÷浓缩比

其中:主分离底流浓度取:16--18°Bé浓缩比取:2~2.5

此时,底流流量=原浆流量×原浆浓度÷底流浓度

方法二:部分原浆浓缩时,底流浓度=原浆浓度×浓缩比(2.5~3.0)

此时,底流流量=原浆进料流量×原浆浓度÷底流浓度

    第二步:依据离心机说明书选择内置回流量(推荐:选择回流量范围下限)

第三步:折算清水流量:清水流量=喷咀喷出的淀粉乳流量×修正系数(使用说明书标注)

第四步:依据使用说明书以清水为基准的不同规格的喷嘴通量进行喷嘴孔径选择以及不同口径数量的配置。

2.2.3 中间浓缩(简称:中浓)

2.2.3.1 浓度与浓缩比设定指标:进料浓度旋流器首级溢流浓度(3.0—4.5°Bé)

底流浓度=进料浓度×浓缩比;浓缩比:2.5~3.0

2.2.3.2 喷嘴口径的选择方法与步骤   

第一步:计算中浓底流量:底流量=进料流量×进料浓度÷底流浓度

其中:进料流量=回流干物量÷浓度

    式中:回流干物量=0级干物量×回流量%(一般指标25%)

第二步:依据离心机说明书选择内置回流量(推荐:选择回流量范围下限)

第三步:折算清水流量:清水流量=喷咀喷出的淀粉乳流量×修正系数(使用说明书标注)

第四步:依据使用说明书以清水为基准的不同规格的喷嘴通量进行喷嘴孔径选择以及不同口径数量的配置

2.2.4 麸质浓缩喷嘴口径的选择方法与步骤   

第一步:计算麸质干物量

方法一:以玉米加工量为工艺计算口径

麸质干物量=玉米加工量×麸质干物收率(%)

方法二:以麸质干物产量为工艺计算口径

麸质干物量=工艺设计产量指标

第二步:计算浓麸质浆体积流量

浓麸质浆体积流量=麸质干物量÷浓麸质浓度(g/l)

其中,浓麸质浓度设定指标:100~120g/l(推荐值)

第三步:计算喷咀喷出量=浓麸质产品体积量+内置循环量+浓麸质外置循环量

其中:浓麸质外置循环量:需要进行稀麸质浓度、设定的进料浓度与底流浓度三相浓度配伍计算。

内置循环量:依据离心机说明书选择内置回流量。推荐:选择回流量范围下限

第四步:依据使用说明书以清水为基准的不同规格的喷嘴通量进行孔径选择以及不同口径数量的配置

提示:由于麸质浓缩物与清水折算系数尚未查得以及浓麸质与清水比重差异不大,所以可视为浓麸质产品体积量与清水量相同。

碟式离心机应用工艺设定指标的自动化控制

碟式离心机应用工艺设定指标的自动化控制内容包括:离心机底流浓度自控、原浆浓度自控、主分离进料浓度自动配置、麸质浓缩底流浓度自控与进料浓度自动配置等五个方面。

3.1 淀粉乳浓度检测方法

3.1.1 波美比重法

用波美比重计检测淀粉乳浓度(°Bé)是一种传统简单的检测方法。在实际生产中,一线操作工根据目测的数据,手动调节相关物料阀门,以控制淀粉乳°Bé达到设定的°Bé指标。该检测方法是一种粗放的手动检测与控制方法。

3.1.2 密度传感器法

用密度传感器在线检测淀粉乳实时密度(kg/M3),将淀粉乳实时密度视为淀粉乳比重(相对密度--无因次),采用淀粉乳浓度换算表进行浓度换算,然后得到工艺设计物料衡算中的淀粉乳浓度(g/l)

目前业内常用的淀粉乳浓度换算表有:60°F(15.56℃/15.56℃)淀粉乳浓度换算表,与100°F(38℃)淀粉乳浓度换算表

提示:以淀粉乳实时密度(kg/M3)视为淀粉乳比重(相对密度--无因次),采用淀粉乳浓度换算表进行浓度换算,存在换算误差!

3.1.3 生物传感器法

用生物传感器对淀粉乳浓度(g/l)进行实时在线检测,可直接得到工艺设计物料衡算中的淀粉乳浓度(g/l)

提示:在线检测淀粉乳浓度(g/l)的生物传感器需要进行科技研发。

注:山东省科学院生物技术研究所发明的生物传感器(葡萄糖计%),可作为淀粉乳浓度(g/l)传感器的研发基础。

3.2 离心机底流浓度在线检测与调节控制

3.2.1 在线检测与调节控制的意义

离心机底流浓度是淀粉分离系统的一项重要指标。但由于高速物料对喷嘴的磨损,致使喷嘴口径逐渐变大,工艺设定的底流浓度降低而流量增大。喷嘴磨损导致的底流浓度变化,不但影响了淀粉分离系统的物料平衡,乃至影响到整个生产系统的正常运行。

实时在线检测底流浓度(g/l),低于设定浓度的淀粉乳返回进料(称:外置回流)。所以,设置外置回流是底流浓度自动调节控制的主要手段。

3.2.2 在线检测与调节控制方案

方案一:密度传感器法

依据工艺设计物料衡算设定浓度(g/l)对离心机(主分离、预浓缩、中间浓缩)底流浓度进行实时在线检测;用温度传感器在线检测实时温度。将以上检测数据以及淀粉乳浓度换算表温度修正表一并输入计算机,用PLC反馈调节离心机底流外置回流自动阀,提高进料浓度与流量;由此实现工艺设计中设定的底流浓度(g/l)指标。

提示:由于以淀粉乳实时密度视为淀粉乳比重(相对密度--无因次),采用淀粉乳浓度换算表进行浓度换算,由于换算中的误差而导致此法自动控制的精确度较差。

方案二:生物传感器法

依据离心机底流浓度(g/l)设定指标,用淀粉乳浓度传感器在线检测淀粉乳浓度(g/l),反馈调节离心机底流外置回流自动阀,提高进料浓度与流量;由此实现工艺设计物料衡算中设定的淀粉乳浓度(g/l)指标。

提示:该法存在淀粉乳浓度(g/l)传感器的研发问题?

3.3 原浆浓度在线检测与调节控制

3.3.1 在线检测与调节控制的意义

原浆(纤维筛分得到的淀粉与麸质混合的稀淀粉乳)是玉米湿磨与淀粉分离联系的桥梁。原浆浓度的高低不仅关系到对纤维筛分设备的评价以及纤维洗涤质量,而且影响到淀粉与麸质的分离(主分离)效果。

原浆浓度在线检测与调节控制主要在于:以在线检测原浆浓度反馈调节纤维洗涤水用量,实现原浆浓度自动化调节控制。

3.3.2 原浆浓度在线检测与调节控制方法

依据工艺设计物料衡算设定的原浆浓度,用密度传感器或生物传感器,实时在线检测原浆浓度,反馈调节纤维洗涤水自动阀,对洗涤水的用量进行自动控制。

3.4 主分离进料浓度自动化配置

3.4.1 主分离进料浓度配置的意义

根据淀粉乳比重(相对密度)随浓度的提高而提高以及淀粉乳与麸质水的比重差越大,两者越容易分离的沉降分离原理,适当提高主分离的进料浓度则有利于淀粉与麸质的分离。

主分离进料一般有原浆、预浓缩底流、中间浓缩底流、外置回流,四部分或其中的几部分进行浓度配伍。

3.4.2 主分离进料浓度配伍方法(十字交叉计算法)

将各个参与混合的物料浓度参数、配伍浓度指标以及十字交叉配伍计算法一并输入计算机,由PLC进行自动配伍。

附:浓度配伍十字交叉计算法

公式1  (配置浓度%-低浓度%)/(高浓度%-配置浓度%)=高浓度体积量/低浓度体积量

公式2  (配置浓度%-低浓度%)/(高浓度%-低浓度%)=高浓度体积量/配置体积量

公式3  (高浓度%-配置浓度%)/(高浓度%-低浓度%)=低浓度体积量/配置体积量

公式高浓度体积量+低浓度体积量=配置浓度体积量

3.5 浓麸质浓度(g/l)在线检测与调节控制

3.5.1 在线检测与调节控制的意义

麸质浓缩底流简称---浓麸质。由于分离喷嘴的磨损,浓麸质浓度会逐渐降低。浓麸质浓度的降低,将带来过滤(脱水)过程的固液分离的困难(湿麸质含水分过高与滤液不清)。湿麸质含水分过高,将增加干燥热耗。滤液不清,不但降低麸质产品收率,而且影响生产系统对浓麸质浓缩滤液(工艺过程水)的循环利用。

3.5.2 在线检测与调节控制方法

浓麸质浓度(g/l)实时在线检测,反馈调节外置回流自动阀门,通过提高进料浓度与流量,自动调节控制浓麸质浓度达到设定指标。

提示:浓麸质浓度(g/l)实时在线检测控制需要研发:一是,用密度传感器进行浓麸质密度(g/l)与浓麸质干物质浓度(g/l)的标定,找出两者线性关系,然后输入计算机进行自动化控制。二是,研发浓麸质浓度(g/l)生物传感器进行反馈调节控制。

3.6 麸质浓缩进料浓度自动化配置

3.6.1 进料浓度配置的意义

在实际生产运行中,由于各种因素(譬如,主分离进料浓度过低或洗涤水用量过大---)往往导致稀麸质水(主分离溢流)干物浓度较低(一般会低于12g/l)。同时由于系统考虑浓麸质处理(脱水与干燥)的因素,所以浓麸质干物浓度指标一般设定都比较高(100~120g/l)。在进料浓度低的工况下,若获得较高的底流浓度,根据喷嘴口径选择规律,则会选择较小的浓缩喷嘴口径。如果选择小口径喷嘴,不但增加喷嘴的堵塞几率,而且容易导致浓缩溢流含粉(俗称:跑粉)。所以,在工艺设计中通过提高进料浓度而选择较低的浓缩比很有必要!如果提高进料浓度,则需要对麸质浓缩进料浓度进行配伍。

3.6.2 麸质浓缩进料浓度自动配置方法

在为达到底流设定浓度配置 外置回流的同时,另增加外置回流量而提高进料浓度,达到设定的底流浓度。

以浓麸质浓度(g/l)设定指标进行实时在线检测,反馈调节外置回流阀,自动控制进料浓度。

将稀麸质、浓麸质、进料浓度设定参数以及十字交叉配伍计算法一并输入计算机,由PLC进行自动配伍。

写后之语

淀粉离心沉降分离系统包括:淀粉与麸质分离(主分离)、原浆预浓缩、淀粉乳洗涤精制溢流浓缩(中间浓缩)与麸质水(主分离溢流)浓缩。主分离质量关系到淀粉收率与麸质产品的蛋白质含量;预()浓底流浓度关系到主分离进料;麸质浓缩底流关系到麸质产品的脱水与干燥;浓缩溢流关系到整个生产系统工艺过程水的循环利用。主分离又是淀粉离心沉降分离系统的中心。

碟式离心机是淀粉离心沉降分离的关键设备。碟式离心机性能的优良是保证淀粉分离质量的基础;应用工艺指标的科学设计是发挥离心机优良性能的主要条件;离心机应用工艺的自动化操作又是实现工艺科学设定指标的有利保障。

国产离心机实现由仿制智造的转变,需要分离应用工艺指标的科学设计;科学设定指标的自动化调节控制,需要工业自动化专业技术的支持!

国产离心机造、工艺科学设计、应用操作自动化是一个技术创新系统。尤其是生产操作自动化是目前湿磨淀粉生产的一个课题,也是一个亟待解决题!

技术创新是一个技术与资本紧密结合的资本运营过程。以技术创新驱动玉米淀粉行业高质量持续发展,需要设备造、工艺科学设计、生产控制自动化以及创新资金等多方面的共同发力!

本文内容仅供业内同仁研讨玉米淀粉湿磨分离参考。并请提出宝贵意见。谢谢!

附:上传动碟式离心机喷咀选用需要的有关图表(5)

一、上传动分离机喷嘴孔径参数表

摘自:进口分离机使用说明书

二、上传动分离机内置回流喷咀口径及其流量范围对照图

摘自:进口分离机使用说明书

三、 36型上传动分离机在不同转速下的以清水为基准的喷嘴通量图

摘自:进口分离机使用说明书

四、 淀粉乳38℃(100°F)时,°Bé(g/l)换算

来自:进口分离机售后服务工程师咨询记录

五、 碟式离心机底流浓缩物排放系数(依水为基准的修正值)

摘自:下传动进口分离机使用说明书