豆奶生产用卧式螺旋沉降离心机的参数设计

【摘 要】卧式螺旋沉降离心机是豆奶生产中的关键设备之一，离心机的技术参数的选择对豆奶的分离效果起着至关重要的作用。根据豆奶分离的特点，设计卧式螺旋离心机的转鼓和螺旋输送器的结构参数，对离心机操作参数进行了设定：转鼓转速为 ５８００ ｒ／ｍｉｎ，差转速为 １０ ｒ／ｍｉｎ。得到的豆奶产品含渣量低，出奶量高，分离效果好。
　　关键词：豆奶；卧螺离心机；参数设计
　　中图分类号：  ＴＨ１２，  ＴＰ３１ 文献标识码：Ａ
　　１ 引言
　　豆奶被人们称为“绿色牛奶”，在保健方面很有优势，其具有丰富的植物蛋白，均衡的营养且不含胆固醇而逐渐被人们接受和喜爱，豆奶中含有较丰富的矿物质和维生素，另外，豆奶中还含有磷脂和皂苷及其它微量营养和保健成分，常饮豆奶对保持血管软化、延缓人体衰老等都有好处。专家预测，豆奶将成为 ２１世纪人类无可争议的选择，其市场前景相当广阔。
　　豆奶的质量与生产工艺关系密切，豆奶的生产工艺流程为：大豆去杂→清洗、浸泡→脱皮→磨浆提取→分离过滤→调制→高温杀菌→真空脱臭→均质→冷却→灌装→杀菌→冷藏。在生产过程中，分离过滤这步操作对蛋白质和其他可溶性固形物回收影响较大，豆奶与豆渣的分离效果直接影响豆奶的品质。分离设备是关键设备之一，现在豆奶生产中通常采用离心机进行分离，目前国内外豆奶生产的设备主要是卧式螺旋沉降离心机（简称卧螺离心机），通过豆奶与豆渣的重力区别来进行分离，分离效果很好。
　　卧螺离心机是我们工业生产中经常用到的分离机械，广泛应用于石油、化工、医药、食品、纺织、煤炭等部门。在近二十多年的发展中，卧螺离心机在结构、性能、参数上变化很大，分离质量、生产能力也比以前大大提高。它具有能够自动、连续操作，无虑网和虑布；结构紧凑、易于密封；单机生产能力大，分离质量比较高，操作费用低等特点。因此，用于豆奶的固－ 液分离最为理想，它是植物蛋白行业进行大豆蛋白制取工序中的关键设备，承担蛋白液与豆渣、凝乳与乳清液的分离。离心机高效、可靠的性能是保产品质量、产量、回收率的有效保证。
　　２ 卧式螺旋沉降离心机的工作原理及结构参数的选取
　　卧螺离心机主要由转鼓、螺旋输送器、差速器组成，其它包括机壳、机座、卸渣装置、过载保护装置等。卧螺离心机的工作原理，如图 １ 所示。经过磨浆提取之后的豆奶原料由进料管进入螺旋输送器的加料隔仓中，通过进料孔进入转鼓内，转鼓与螺旋输送器同方向运转，并且通过差速器产生一个转速差，由于悬浮液中固相粒子密度比液相密度重，转鼓高速旋转产生的离心力不同，在离心力的作用下，豆奶原料中密度重的固相粒子沉降在转鼓内壁上，而形成沉渣（既豆渣），由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓小端脱水区，自大端向小端排渣孔移动，从排渣孔甩出。在转鼓得大端盖上设置溢流孔，豆奶沿转鼓轴向流动至溢流孔处溢出鼓外，经机壳的排液室排出。
    以 ＬＷ１７０ 型卧螺离心机为例，进行转鼓和螺旋输送器的结构设计。
              
    ２．１ 转鼓
    转鼓是离心机中的核心元件，转鼓主要包括大小端盖、转鼓筒体等。转鼓筒体为柱锥形，能大大增加液池的容量，提高澄清效果；转鼓最大内径 Ｄ＝１７０ｍｍ，壁厚为 ９ｍｍ，转鼓锥段长度 Ｌ＝１３７ｍｍ，径向开有 ８ 个排渣孔，径向排渣孔尾部很容易被固体沉渣冲刷而腐蚀，因此可以在出渣孔处装有衬套，通过更换衬套的方式来延长转鼓的使用寿命。
    转鼓半锥角 α越大，豆渣受离心力挤压越大，螺旋推力的扭矩越大，叶片磨损越大，脱水区长度就较短，脱水时间短，沉渣含水率升高。如果半锥角小，脱水区长度长，脱水时间长，沉渣的含水率就低，但其有效沉降面积减小，降低离心机的使用性能，因此取 α＝９°。合理设计离心机转鼓不仅能保证离心机正常、安全地运行，而且使离心机有理想的技术经济指标。
                  
    ２．２ 螺旋输送器
    螺旋输运器是卧螺离心机的主要部件，能够连续的把沉渣输送到排渣孔排出机外。它由螺旋叶片、内筒、加料隔仓和左右轴径等组成，如图３所示。螺旋叶片为连续式的，表面堆焊硬质合金，螺旋叶片采用单头螺旋，可以减小转鼓内壁面的磨损。螺旋叶片的螺旋升角 β增大，其磨损性减轻，因此取β＝８°。卧螺离心机的进料孔设在转鼓柱锥段交界处附近，这样可以保证液相有足够的沉降距离，分离效果好。螺旋内筒的两端分别与左右轴径相连，轴径支承在大小端盖内腔里的轴承上，连接采用止口配合，以保证组合后的同轴度要求，螺旋枢纽的驱动通过花键轴与差速器的输出轴连接。
                 
    ３ 卧式螺旋沉降离心机在分离豆奶中的操作参数的设定
    ３．１ 转鼓转速
    被分离的物料在离心力场中所受的离心力和它所受的重力的比值称为分离因数 Ｆｒ，则：
              
     由此可看出，分离因数亦即离心加速度与重力加速度的比值。它是表示离心机分离能力的主要指标，Ｆｒ 越大，分离效果就越好，由式（１）可看出，提高 ｒ 时，Ｆｒ 增长较平缓，提高 ω时，Ｆｒ增长较快，因此通过提高转鼓的转速来提高转鼓的分离因数，分离因数的大小受转鼓的机械强度的制约，在转鼓直径一定的条件下，分离因数越高，转鼓转速越大，这样就增大了离心机的负
荷、功率消耗、机械磨损和振动等，降低了离心机的使用寿命。ＬＷ１７０ 型卧螺离心机转鼓转速 ｎ＝５８００ｒ／ｍｉｎ，Ｆｒ＝３２００，经试用后豆奶的含固量≤０．１％，分离效果良好。
    ３．２ 差转速
    差速差直接影响排渣能力、沉渣含湿量和滤液质量。提高速差，有利于提高排渣能力，但沉渣脱水时间缩短，脱水后沉渣含湿量大，同时螺旋对澄清区液池的扰动大，滤液质量相对差一些。降低差转速，沉渣脱水时间增长，脱水后沉渣含湿量就降低，同时螺旋对澄清区物料的扰动也越小， 滤液质量也相对好些，但会增大螺旋推料的负荷，同时，排渣量减小会造成离心机内沉渣不能及时排出而引起堵塞现象，因此应根据物料性质、处理量大小、处理要求及离心机结构参数来确定速差大小。一般认为沉渣在脱水区的脱水时间应控制在 ４～６ｓ之间，沉渣脱水有一段较佳的沉降时间，以后即达到恒渣阶段，再延长停留时间并无多大脱水作用。豆奶原料其粒度小、浓度低、，所以在分离过程中，要想得到好的沉降效果，应该增加沉降时间，降低差转速。
               
     过低的差转速会增大螺旋转矩，使转鼓与螺旋输送器的磨损增大；而差转速越高，沉渣的出渣量越大，因此采用差转速Δｎ＝１０ｒ／ｍｉｎ，经过试验，得到固形物含量低的豆奶和液体含量低的豆渣。
    ４ 结束语
    设计的卧螺离心机占地面积小，转鼓直径较小，转速较高；螺旋输送器的旋转方向与转鼓的方向一致，并且转速低于转鼓转速 １０ｒ／ｍ，得到了较高的出奶率，同时保证了豆奶的质量，卧螺离心机是一种高效的分离设备，在豆奶生产中可以得到很好的应用。