一种转碗离心分离装置及物料分离方法与流程

本技术涉及离心分离设备，尤其是涉及一种转碗离心分离装置及物料分离方法。

背景技术：

1、在生物制药、细胞培养、食品加工、化工及废水处理等领域，经常需要将悬浮液中的固相与液相进行分离。碟式离心分离装置通常通过在旋转部件内设置多层碟片，利用高速旋转产生的离心力使物料在碟片间隙内发生径向分层，以实现固液分离。

2、现有部分碟式离心分离装置中，物料在单个或有限数量的碟片间隙内沿基本单一的径向方向流动，受设备径向尺寸和碟片间距限制，有效分离路径和停留时间有限。对于固相颗粒尺寸较小、固液密度差较小或要求较高澄清精度的物料，物料可能尚未完成充分迁移即离开分离区域，影响液相澄清效果和固相浓缩程度。

3、另一方面，离心分离过程中形成的含固相浓缩物处于高速旋转区域。若采用周期性停机或间歇排料方式，会影响连续处理效率；若直接由旋转区域向静止管路排出，则需要兼顾旋转部件与静止管路之间的密封、压差和两相隔离，否则容易出现排料波动、泄漏或分离产物回混。

4、因此，如何在有限的碟片组尺寸内提高物料对多个分离流道的利用程度、延长有效分离路径，并使分离所得液相和含固相浓缩物能够稳定地由旋转区域向静止管路排出，是本领域需要进一步解决的难点。

技术实现思路

1、为了解决现有离心分离设备中有效分离路径受限、多个分离流道利用程度不足，以及含固相浓缩物由旋转区域向静止管路排出稳定性不足的问题，本技术提供一种转碗离心分离装置及物料分离方法。

2、第一方面，本技术提供一种转碗离心分离装置，包括转碗、进料组件和碟片组。

3、所述转碗可绕中心轴线转动并具有容纳腔；所述碟片组设置于所述容纳腔内并随所述转碗绕所述中心轴线旋转，所述碟片组包括沿所述中心轴线间隔排列的多个碟片，相邻两个所述碟片之间形成分离流道。

4、多个所述碟片包括沿所述中心轴线交替设置的第一碟片和第二碟片，所述第一碟片设有外侧过流口，所述第二碟片设有内侧过流口，所述外侧过流口在径向上位于所述内侧过流口的外侧；所述第一碟片的径向内侧与相邻碟片之间以及所述第二碟片的径向外侧与相邻碟片之间分别形成用于限制主流物料直接跨层通过的阻流配合；沿所述中心轴线方向，相邻分离流道之间供主流物料跨层流动的连通位置依次由所述外侧过流口和所述内侧过流口构成，以形成使待分离物料交替地沿径向向外和沿径向向内流动的串联分离流路。

5、所述进料组件具有与所述串联分离流路的入口连通的进料通道；所述容纳腔内设有位于所述碟片组径向内侧且与所述分离流道连通的上清液汇集区，以及位于所述碟片组径向外侧且与所述分离流道连通的沉淀物汇集区。

6、通过采用上述技术方案，第一碟片和第二碟片的相应阻流配合限制主流物料在非预定位置直接跨层流动，使相邻分离流道之间的主流跨层位置依次由外侧过流口和内侧过流口限定，从而使主流物料沿中心轴线方向依次经过多个相邻分离流道，并形成径向向外、径向向内交替的串联分离流路。在设备总体尺寸基本不变的情况下，能够提高多个分离流道的参与程度并延长主流物料的有效分离路径。

7、优选地，所述转碗具有碗体部和连接于所述碗体部下端的封闭底部，所述碟片组的下端与所述封闭底部沿中心轴线间隔设置并形成进料分配腔，所述进料通道的出口位于所述进料分配腔内，所述进料分配腔的径向外侧与所述串联分离流路的入口连通。

8、通过采用上述技术方案，待分离物料经进料通道进入进料分配腔后，在转碗旋转作用下向径向外侧分布，再进入碟片组的串联分离流路，有利于减小周向供料不均造成的局部负荷差异。

9、优选地，每一所述碟片均包括锥形片体以及分别形成于所述锥形片体径向内侧、径向外侧的内周部和外周部，所述第一碟片的所述内周部与相邻碟片形成密封阻流配合，所述第二碟片的所述外周部与相邻碟片形成限制主流物料直接跨层通过的阻流配合；各所述分离流道的径向内侧设有与所述上清液汇集区连通的液相分离支路出口，径向外侧设有与所述沉淀物汇集区连通的固相分离支路出口，所述液相分离支路出口和所述固相分离支路出口分别用于将在所述分离流道内迁移至相应径向侧的液相和含固相浓缩物从所述串联分离流路中分流至对应汇集区。

10、通过采用上述技术方案，第一碟片内周部和第二碟片外周部的阻流配合与内、外侧过流口共同限定主流物料的跨层位置；液相分离支路出口和固相分离支路出口分别设置在分离流道的不同径向侧，用于将已经在离心力场作用下迁移至对应径向区域的液相和含固相浓缩物分流至相应汇集区，未由分相支路分出的主流物料继续沿串联分离流路进入后续分离流道，从而兼顾多级串联分离与分离产物的逐步汇出。

11、优选地，相邻两个所述锥形片体之间设有绕中心轴线间隔分布的多个间隔定位件，每一所述间隔定位件的两端分别与相邻两个所述锥形片体抵接，以限定对应分离流道沿中心轴线方向的高度。

12、通过采用上述技术方案，间隔定位件使相邻碟片之间保持相对稳定的间距，有利于维持各分离流道的流通截面和分离状态。

13、优选地，所述外侧过流口包括绕中心轴线间隔分布并贯穿所述第一碟片的多个外侧通孔，所述外侧通孔设有用于降低换向过流阻力的平滑导流结构，所述平滑导流结构包括设置于所述外侧通孔的孔壁与所述第一碟片表面之间的圆弧过渡部，或由沿物料流动方向截面渐变的导流孔段构成。

14、通过采用上述技术方案，平滑导流结构减小主流物料在外侧过流口处换向、跨层时的局部流动阻力和剧烈扰动，有利于降低能量损失。

15、优选地，所述内侧过流口包括绕中心轴线间隔分布并贯穿所述第二碟片的多个内侧通孔，所述第二碟片设有连接于所述内侧通孔的边缘并朝向物料流入侧的相邻分离流道倾斜设置的导流件。

16、通过采用上述技术方案，导流件对经内侧通孔换向的物料进行引导，使物料更平顺地进入下一分离流道。

17、优选地，还包括上清液排出组件，所述上清液排出组件包括相对转碗静止设置的上清液引流管，以及设置于所述上清液引流管与所述转碗之间的上清液旋转密封组件，所述上清液引流管与所述上清液汇集区连通；所述上清液旋转密封组件包括随所述转碗旋转的第一旋转密封件和随所述上清液引流管保持静止的第一静止密封件，所述第一旋转密封件与所述第一静止密封件旋转密封配合。

18、通过采用上述技术方案，上清液汇集区内的液相能够通过旋转密封界面过渡到静止的上清液引流管，便于与外部静止管路连接并连续引出。

19、优选地，还包括沉淀物排出组件和排料压差驱动组件；所述沉淀物排出组件包括随所述转碗旋转的旋转输送段、相对转碗静止设置的沉淀物排出管，以及设置于所述旋转输送段与所述沉淀物排出管之间的沉淀物旋转密封组件，所述旋转输送段的入口与所述沉淀物汇集区连通、出口通过所述沉淀物旋转密封组件与所述沉淀物排出管连通；所述排料压差驱动组件与所述沉淀物排出管连通，用于使所述沉淀物排出管侧的压力低于所述沉淀物汇集区的压力，以驱动含固相浓缩物由所述沉淀物汇集区经所述旋转输送段进入所述沉淀物排出管。

20、通过采用上述技术方案，排料压差驱动组件在沉淀物汇集区与沉淀物排出管之间建立排料压力差，使含固相浓缩物能够由转碗径向外侧的旋转区域经旋转输送段向中心侧输送，并经旋转密封界面进入静止的沉淀物排出管，实现连续排料。

21、优选地，所述转碗包括转碗外芯和转碗内芯，所述旋转输送段包括沿所述转碗外芯由所述沉淀物汇集区延伸至所述转碗内芯的沉淀物输送通路、由所述转碗内芯的外周侧向中心侧延伸并绕中心轴线间隔分布的多个传输流道，以及位于所述转碗内芯中心侧并与多个所述传输流道连通的旋转排料汇集腔，所述旋转排料汇集腔通过所述沉淀物旋转密封组件与所述沉淀物排出管连通；所述排料压差驱动组件包括入口与所述沉淀物排出管连通的抽吸泵；所述沉淀物排出管套设于所述上清液引流管的径向外侧并在二者之间形成环形排料通道，所述上清液引流管与所述沉淀物排出管之间设有静态隔离密封件；所述沉淀物汇集区的底部还设有随所述转碗旋转的弧形导流结构，所述弧形导流结构包括绕所述中心轴线间隔分布的多个弯曲叶片，相邻所述弯曲叶片之间形成将含固相浓缩物向所述沉淀物输送通路入口引导的流体通道。

22、通过采用上述技术方案，含固相浓缩物依次经沉淀物输送通路、传输流道和旋转排料汇集腔由外周侧向中心侧输送，上清液与含固相浓缩物在中心区域通过彼此隔离的静止通道分别引出，结构集中且有利于降低回混。弧形导流结构随转碗同步旋转，可对沉淀物汇集区底部的含固相浓缩物形成周向携带和朝向排料入口的导流作用，减小局部滞留。

23、第二方面，本技术提供一种物料分离方法，采用上述所述的转碗离心分离装置，包括以下步骤：

24、驱动所述转碗和所述碟片组绕所述中心轴线同步旋转；

25、通过所述进料通道向所述碟片组供给待分离物料，并在进料侧与分离产物排出侧之间形成使主流物料沿串联分离流路连续推进的流动压差，使所述待分离物料在一个所述分离流道内沿径向向外流动并经所述外侧过流口进入相邻的所述分离流道，再在相邻的所述分离流道内沿径向向内流动并经所述内侧过流口进入下一所述分离流道，以沿所述中心轴线方向依次流经多个所述分离流道；

26、在所述待分离物料流经多个所述分离流道的过程中，使其中的液相向所述碟片组的径向内侧迁移并从所述串联分离流路分流进入所述上清液汇集区，使含固相浓缩物向所述碟片组的径向外侧迁移并从所述串联分离流路分流进入所述沉淀物汇集区；

27、通过所述上清液引流管排出所述上清液汇集区内的液相；以及

28、在所述沉淀物汇集区与所述沉淀物排出管之间形成排料压力差，使含固相浓缩物经所述旋转输送段进入所述沉淀物排出管并排出。

29、通过采用上述技术方案，串联分离流路提高多个分离流道的参与程度；进料端与排出端之间形成的总流动压差为主流物料沿串联流路持续推进提供驱动力，使局部流道即使存在径向向内的流动段，物料仍可在受限的主流跨层通路中依次向后流动；液相和含固相浓缩物在迁移到相应径向侧后通过分相支路连续汇出，从而实现连续固液分离。

30、综上所述，本技术至少具有以下有益技术效果：

31、1. 通过交替设置的外侧过流口、内侧过流口以及相应阻流配合限定主流物料的跨层位置，使多个分离流道串联形成径向往复、轴向逐层推进的流路，提高碟片组内多个分离流道的利用程度并延长有效分离路径。

32、2. 将液相分离支路出口和固相分离支路出口设置在分离流道的不同径向侧，使在离心力场中完成径向迁移的不同分离产物从主流路径分流进入相应汇集区，有利于降低已分离两相再次回混。

33、3. 通过旋转输送段、旋转密封组件和排料压差驱动组件的配合，使含固相浓缩物能够由旋转区域向静止排料管连续输送，并与上清液排出路径相互隔离，提高连续排料的稳定性。