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離心機旋流器配套分離法是將離心機與旋流器串聯(lián)進行混合懸浮液的分離，采用離心機與水旋流器串聯(lián)分離方式是降低成本、提高生產(chǎn)效率的有效途徑。根據(jù)串聯(lián)分離設備基本原理可知,影響各分離組份粒徑的因素主要有旋流器底流口直徑、旋流入口壓力和離心機轉鼓轉速。

旋流分離是一種高效、節(jié)能的分離技術,離心機旋流器配套分離法是旋流分離技術的關鍵設備之一。離心機旋流器配套分離法結構簡單,無運動部件,操作維護方便,分離分級性能優(yōu)良,運行可靠,對不同工藝過程的適應性較強。它可以完成液體澄清、料漿濃縮、固粒分級、液體除氣與除砂、非互溶性液體的分離等多種作業(yè),在工業(yè)上得到了廣泛的應用。近年來,小型離心機旋流器配套分離法(直徑≤50mm)在國內外受到關注,因其分離因數(shù)值高而特別適用于微細顆粒懸浮液的分離分級操作,分離的邊界粒度可達2～5μm,是一種新穎、高效的離心分離設備。

旋流器分離器是利用離心力場加速重相顆粒沉降和強化分離過程的分離設備。一般的旋流器分離器由進料管、柱錐旋流腔、溢流管和底流管組成,其內部流體的流動是一種特殊的三維橢圓形強旋轉剪切湍流運動。與離心機相比,旋流器分離器的器壁固定,是非運動型分離設備。受旋流腔內幾何結構的限制,其內部的流體以漸開線、切線或螺旋線的方式加壓進入后產(chǎn)生渦旋運動,這種渦旋運動由兩種基本的旋轉液流構成,即順螺旋線向下運動的外旋流和沿螺旋線向上運動的內旋流,它們的旋轉方向相同,但軸向運動方向相反。在強大的離心力場的作用下,外旋流攜帶大而重的物料由底流口排出,內旋流攜帶小而輕的物料由溢流口排出。旋流器分離器內流體運動的特殊性使其既具有離心分離作用又具有洗滌作用,離心分離作用是由離心力場決定的,洗滌作用則由旋流器分離器內存在的強大的流體剪切力場決定。剪切力的作用使得旋流器分離器在許多洗滌和分級場合有很廣泛的應用前景^[1] 。

在淀粉加工業(yè)中離心機旋流器配套分離法可完成淀粉的分離、洗滌、濃縮、精制、除石、去砂等多種作業(yè),還可用來處理含淀粉的廢水。到20世紀80年代,離心機旋流器配套分離法在淀粉加工中的應用已經(jīng)發(fā)展到幾乎整個分離洗滌工序都可由旋流分離來完成的階段。離心機旋流器配套分離法是一種離心分離設備,與原始的重力沉降設備相比,其離心加速度是重力加速度的幾千倍甚至幾萬倍,分離操作時間很短,并且淀粉的提取率和質量高。而與離心機相比,盡管離心機旋流器配套分離法的離心分離能力有限,但若選擇合適的結構和操作條件,可以滿足淀粉加工的需要。如果使用單級離心機旋流器配套分離法尚不能達到分離要求,則可以采用多級串聯(lián)或混聯(lián)旋流器組。對于纖維等與淀粉裹纏在一起而難于分離的成分而言,旋流分離更是具有的優(yōu)勢。在離心機旋流器配套分離法內流體的剪切力作用下,部分與纖維、皮渣、果膠等有機物結合在一起的淀粉被洗滌下來進入水中,最終形成淀粉、可溶性固形物、纖維、渣和水所組成的多相體系,再通過離心分離將這些物質按形狀、密度、粒度等因素分離開來。因此按傳統(tǒng)工藝,淀粉乳的分離工序都是由篩、離心機、離心機旋流器配套分離法等多種設備組合來完成,現(xiàn)代新工藝技術的主要發(fā)展趨勢則是采用改進的離心機旋流器配套分離法替代復雜的設備組合,從而達到簡化、高效、節(jié)能的目的。

淀粉顆粒的尺寸從幾微米到上百微米,均可采用小型離心機旋流器配套分離法進行分離,也就是通常所說的旋流管。依據(jù)淀粉的種類不同,常用的旋流管直徑有10mm、15mm和30mm。為了保證生產(chǎn)能力,每個旋流器可由數(shù)十個旋流管組裝而成,并采用多級旋流器串聯(lián)操作的方式來達到理想的分離效果。

目前常用的大規(guī)模淀粉生產(chǎn)線,其分離工序都采用了全旋流或部分旋流的工藝過程。目前,國內用于馬鈴薯淀粉加工的全旋流裝置主要是20世紀90年代從俄羅斯進口的。2000年中國農(nóng)機院完成了“馬鈴薯淀粉全旋流關鍵技術與裝備”研究項目,成功地設計了具有技術自主權的全旋流系統(tǒng)裝置,該項技術的。采用全旋流工藝可以減少設備的數(shù)量,縮小占地面積,降低設備投資和使用、維護費用,降低清水的消耗量。同時采用封閉操作,還解決了因蛋白質與空氣廣泛接觸生成大量難以消除的泡沫而降低生產(chǎn)效率和淀粉提取率的難題。

小麥淀粉的傳統(tǒng)分離方法是采用落后的敞開式半機械化工藝,即間歇式馬丁法。利用離心分離的原理進行小麥谷朊粉和淀粉的分離是一種全新的工藝。其中一種稱為拉西奧工藝,即先用臥螺離心機得到粗淀粉乳,再用7級旋流器逆流洗滌系統(tǒng)精制淀粉乳,盡可能除去粗淀粉乳中的谷朊粉,同時采用3級旋流器系統(tǒng)洗滌溢流,回收淀粉。該工藝與傳統(tǒng)方法相比,具有提取率高、能耗低、產(chǎn)品質量高等特點,在國外已相當成熟,但我國直到20世紀90年代才開始引進上述工藝設備進行小麥谷朊粉與淀粉的工業(yè)化試生產(chǎn)。另一種工藝則是用9級旋流器逆流洗滌系統(tǒng)制得粗淀粉乳,過篩除去麩皮后,再用3級旋流器濃縮得到精制淀粉乳。與傳統(tǒng)方法相比,該工藝具有用水量少、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量高等優(yōu)點。

食用砂糖在最終加工成成品之前,應盡可能除去糖汁中的不溶性雜質,以提高糖的質量和商業(yè)價值。因此糖汁澄清在制糖過程中顯得尤為重要。傳統(tǒng)的糖汁澄清方法是采用過濾器(如板框過濾機)過濾,使用這種裝置勞動強度大,運行成本高,而且有助濾劑滲漏污染產(chǎn)品的危險。高速轉筒離心機作為過濾器的替代品已在許多國家使用,這種離心機轉速超過4500r/min。與壓濾裝置相比,離心機對物料的適應能力強,自動化程度高,且無污染。然而糖液在進入離心機之前除了必須用離心機旋流器配套分離法進行預處理外,還須定期清洗高速轉筒離心機離心轉筒表面的草酸鹽層。另外,耗電量高及噪聲大也是其難以克服的缺點。用旋流管代替離心機也能達到理想的澄清效果。除澄清液中不溶物的濃度稍高外,澄清液的渾濁度仍保持在正常范圍,并且其安裝和運行費用要低得多。

很多飲用乳制品都要經(jīng)過均質處理,將大團的脂肪球破碎和細化,這樣乳脂肪就會均勻地分散在牛奶中,而不會浮在表面形成脂肪層。此外,均質處理還用來防止乳脂肪從奶油、奶粉和冰淇淋中析出。若將離心機旋流器配套分離法與均質機配套使用,在均質前用離心機旋流器配套分離法將大團的脂肪球分離出去,單獨進行均質處理,這樣不但可以提高均質效率,同時離心機旋流器配套分離法內強大的剪切和湍流運動,還會起到破碎脂肪球、進行均質的作用。

要將油料中的油充分提出,有時僅靠壓榨是不行的,通常要用溶劑萃取法進一步使油料中的油轉移出來。油充分溶出后要將油渣從油和溶劑構成的混合物中分離出來,這一作業(yè)傳統(tǒng)上是由過濾器來完成。因為離心機自帶馬達和運動部件,而提取油用的溶劑通常又是易燃性化學溶劑,所以使用離心機存在安全隱患,除非采取附加的防爆措施。離心機旋流器配套分離法因本身不含運動部件而不存在安全問題,它能夠完成這一分離作業(yè)。

有些植物油在分離完成并使油中的溶劑揮發(fā)后,還需進一步精煉才可食用。可以加入苛性堿水溶液在40～85℃下對油進行處理,然后再用離心機旋流器配套分離法將這些水溶性的乳狀液分離出去^[2] 。

以葡萄為原料加工葡萄酒或葡萄汁等飲品時,必須解決酒石酸結晶沉淀的問題。目前,的方法是向酒中接種結晶核,使酒石酸迅速結晶沉淀,進而過濾除去。同時為了降低成本,還要盡可能使晶種能夠循環(huán)利用。離心機旋流器配套分離法則可用于晶種的回收,而且在將晶種分離出來的同時,其內部強大的剪切力還能充分清洗晶種。啤酒加工過程中存在很多分離工序,例如麥汁中蛋白類沉淀物的澄清、發(fā)酵液中酵母和蛋白類沉淀物的澄清等。盡管酵母和其他絮凝物都有柔性,容易引起過濾介質阻塞并使過濾床層有很強的抗壓縮性,然而的發(fā)酵液澄清裝置仍然是過濾器。當酵母細胞體積分數(shù)較大時,通常在過濾前用離心機預澄清。

目前,國外已經(jīng)設計出剪切力較小、適用于酵母分離的小型離心機旋流器配套分離法,它可與過濾器聯(lián)合使用,并替代離心機在過濾前對發(fā)酵液進行預澄清,這樣可以減輕過濾器的負荷,縮短分離時間,提高澄清液的產(chǎn)量,降低成本。近期,國內外一些學者正在從事用離心機旋流器配套分離法回收啤酒過濾后的廢硅藻土的研究,實驗采用直徑15mm的旋流管,單級的回收效率可達66%,這樣可以進一步降低過濾器的操作費用,而且在一定程度上解決了環(huán)境污染問題。