虽然分离技术种类繁多[1-4]:有机械的、化学的、电分离和热分离等(其中包括离心分离、过滤、超滤、反渗透、结晶和渗析等技术),但离心分离技术与其它技术相比,有下述几个方面的特点:(1)占地面积小;(2)停留时间短;(3)无需助滤剂;(4)系统密封好;(5)放大简单;(6)过程连续;(7)分离效率易于调节;(8)处理量大。故自1836年第一台三足式离心机在德国问世后,迄今分离技术有了很大的发展。各类离心机种类繁多,正在向高参数、系列化、专用机、多功能、新材料及自动化等方面发展,并已广泛用于化工、食品、轻工、医药、军工、造船、环保、生物工程等近三十个工业领域。
目前,随着计算机技术的发展,计算机辅助设计(ＣＡＤ)技术与模块化设计的普遍应用,全球市场竞争愈加激烈、多样化、个性化的客户需求为离心分离机械实施大规模定制奠定了基础,故大规模定制设计(ＤＦＭＣ)已成为设计方面的新动向。
1 国内技术现状及主要差距[5-13]
1.1 国内技术现状我国离心分离行业尚属正在发展中,总体水平不高。随着社会进步,人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识。同时,通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收,促进了我国离心分离技术的迅速发展,主要体现在:
(1)已基本形成了一个科研、设计和制造的体系。
(2)成立了分离领域的学术组织。
(3)在基础理论与应用方面进行了研究。
(4)目前已能生产三足、上悬、活塞、螺旋、离心力卸料,振动、进动卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁滤等离心机;分离机则有碟式、室式及管式。上述产品不仅遍及全国且远销国外,且技术特性较“九五”期间有所提高。
(5)为满足特殊工艺要求(防污染、密闭、防爆等),一些新型离心机亦先后问世。例如,笔者曾研制一种适合于ＧＭＰ的新型离心机,并获国家**。还有内旋转子过滤离心机的研制,立式密闭螺旋机及复合机等亦已投产。
(6)自控技术与ＣＡＤ技术的应用。
(7)各种相关标准的制订。
(8)同国外著名离心机厂商的技术合作。
1.2 主要差距
尽管我国的离心分离设备有了很大进展,但从整体而言,与世界先进国家相比,差距甚大。主要表现在:
(1)规格、品种少,系列化程度差。特别缺少集几种结构形式、集几种推动力于一体的复合式离心机。
(2)技术参数低。国外离心分离机械产品的参数普遍高于我国,并继续向高参数、大容量方向发展。以卧螺离心机为例,最近研制的机型为国内最大的,其转鼓直径亦仅720ｍｍ。长径比最大为Ｌ ｄ=4,分离因数亦较低。而国外转鼓最大直径已达2.1ｍ,长径比Ｌ/ｄ=6,处理能力大于200ｍ3/ｈ,可用于二相或三相分离。还发展了双向挤压型、沉降、过滤复合机型。目前,较先进的机型都采用计算机控制,会随着物料特性和参数的变化自动调节其相应的工况。
(3)产品进展缓慢。而国外,由于采用模块化的组合结构,特别是采用了大规模定制设计的新手段,故能满足用户的个性化需求,并加快了产品的更新换代速度。甚至还储备所谓“冷冻产品”,以随时适应市场竞争的需要。
(4)其它方面。在产品的可靠性、稳定性、自控技术、加工工艺、新材料的使用、配套产品的品质,以及理论研究等方面,均存在不少的差距。
2 国外离心分离技术的进展[14-26]
受新技术推动及相关产业发展的影响,国外离心分离技术的进展主要体现在以下几个方面:
2.1 加强理论研究,选择最佳设计方案
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司,在碟片流道研究中发现,碟片间隙横断面上的速度分布取决于一个无量纲数“λ”,而工业离心机的“λ”通常在5～28之间。随着“λ”值的增加,碟片的转速增加,薄层减少,可提高雷诺数并缓和涡流。通过对碟片间隔件和分布孔的巧妙设计,进料量可增加20%。此外,还对相分离技术进行了研究。
近年来,研究人员为选择最佳方案,采用流场分离法、有限元模拟法、大梯度密度梯级法、反模态分析法等,对离心机的工作性能和关键零件进行研究,为设计优良性能的离心机提供了理论依据。并对带内洗涤的卧螺离心机中堰池深度以及卧螺离心机技术参数之间的关系等进行了最佳化研究。
2.2 技术参数的提高和新机型的问世
为提高产品的纯度,及满足能源和环保的要求,高参数已成为国外机型的发展特点。由于生物工程需要分离极细的颗粒,如细菌、酶及胰岛素等,故最新碟式机已可处理0.1μｍ微粒,且分离因数可达15000。如德国Ｗｅｓｔｆａｌｉａ公司的ＣＳＡ160机型和瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司的ＢＴＡＸ510机型均属此例。
随着工艺要求的提高,新机型不断问世。美国Ｄｏｒｒ Ｏｌｉｖｅｒ公司的ＢＨ 46型碟式机,转鼓内径已达1.2ｍ,转鼓重量为4.5ｔ,用2个功率为220ｋＷ的电机驱动,最大生产能力为450ｍ3/ｈ,当量沉降面积已达250,000ｍ2,为碟式机之最。
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司用于生物技术的ＢＴＵＸ510型碟式机,具有自动调节的涡流喷嘴。利用喷嘴进料黏度和浓度的关系,可提供恒定的固相浓度,与进料速度和固体含量的变化无关。
而具有10000分离因数的卧螺离心机,可从某种程度上弥补管式分离机的不足。ＢＴＮＸ3560 Ａ机型的特点是先进的旋转动态设计:主轴承改为弹性安装,可延长寿命,降低机器噪音与振动。
德国Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司最新研制的ＳＺ型活塞机,尺寸虽小,却更能有效进行固相分离。还有德国Ｆｌｏｔｔｗｅｇ公司用于处理难分离物料的双锥体卧螺离心机等。
2.3 新材料的应用
为了提高分离机械的性能、强度、刚度、耐磨性和抗腐蚀性,一批新型材料不断涌现。如,工程塑料、硬质合金以及性能优良的耐磨耐蚀不锈钢材料。
法国曾研制一种用硬质陶瓷制成的转子,英国也曾研制由合成树脂构成的连续纤维复合材料转子。
但在碟式机中,由于需要高强度和一定的耐腐性能,双相组织的不锈钢广泛采用。最近,俄国研制成功一种双相钢04Ｘ25Ｈ5Ｍ2(即04Ｃｒ25Ｎｉ5Ｍｏ2),有足够的强度和塑性。德国的Ｗｉｓｃｈｎｏｕｓｋｉｉ等研制的分离机转鼓新材料,具有强度高、塑性和耐腐蚀性好的特点。
为弥补耐蚀和强度之间的矛盾,一些先进的制造商普遍采用了转鼓的自增强技术。
2.4 其它方面进展
(1)强化动态监测和自动化。随着自动控制和传感技术的发展,许多先进的自控手段被引入,并对离心机运行中的各项参数,如温度、流量、速度、振幅和噪音等进行全方位的监测,并通过传感器将收集信息输入计算机,经系统处理后,可及时了解各种参数的变化以采取相应的措施。由此出现了无人操作的碟式分离机。
(2)各种组合机和专用机的开发。Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司在碟式分离机上组合螺旋输送器形成复合碟式机;Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司的柱锥复合活塞机、虹吸刮刀离心机;Ｓｈａｒｐｉｅｓ公司的沉降过滤复合螺旋离心机等。此外,还有为满足特殊工艺要求的专用机,如:满足食品和生物医药行业的ＦＤＡ(ＧＭＰ)之机型。
3 大规模定制设计(ＤＦＭＣ)[27 32]
设计被认为是成品形式、成本、可靠性和市场接受程度的重要因素。通常80%的制造成本、50%的品质、50%的定单提前期和80%的商业复杂性取决于产品和过程的设计。
设计规范(通常包括机械、电气与软件等各方面)由用户需求和操作规范所决定。因此,如何很好地满足用户的需求,将是设计人员首要考虑的问题。
大规模定制(ｍａｓｓｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ,ＭＣ)的概念最早出现于20世纪80年代晚期,由Ｄａｖｉｓ首先预见:即大规模定制是一种通过过程的高度敏捷、柔性和集成以提供给每一个客户个性化设计的产品和服务的能力。
由于设计在产品生命周期中的重要性,面向大规模定制的设计已成为设计方面的新动向。
大规模定制设计(ＤＦＭＣ)(Ｔｓｅｎｇ和Ｊｉａｏ,1996)在产品早期的设计阶段就考虑范围经济和规模经济。ＤＦＭＣ的重点在于把当前个别产品的设计提升到产品族的设计。在产品族设计中,模块化技术的使用无疑是至关重要的。
(1)模块化产品族设计的多视图产品族体系可定义为不同作用域之间的映射关系,如图1所示。
模块化技术是一种系统化方法,不仅应用于产品的设计阶段,且贯穿于产品的制造、组织和许多其它阶段,即模块化技术的实施必须贯穿于产品的全生命周期,以充分保证大量生产的最终产品能满足特定客户的个性化需求。
(2)模块化产品族体系的组成
模块化设计是一种通过采用相似模块来产生复杂产品的设计技术。构建模块化产品族体系的元素有三种,即公共基(是一组用作基本核心单元的模块,称之为产品平台)、差异使能(由不同产品所必需的一组不同的功能模块)和配置机制(定义了不同模块间的配置规则)。
(3)模块化的不同层次
在模块化产品族体系中,自顶向下存在着三种不同的层次。即系统层、模块层和组件层。
4 结语
综上所述,大规模定制设计加速了变异产品的引进,并减少了新产品的成本。然而为确保低成本的规模经济,大规模定制设计及其应用还有更长的路要走:世界离心机行业正在进一步探索和研究,深信国内将会向国际水平不断努力。
目前,随着计算机技术的发展,计算机辅助设计(ＣＡＤ)技术与模块化设计的普遍应用,全球市场竞争愈加激烈、多样化、个性化的客户需求为离心分离机械实施大规模定制奠定了基础,故大规模定制设计(ＤＦＭＣ)已成为设计方面的新动向。
1 国内技术现状及主要差距[5-13]
1.1 国内技术现状我国离心分离行业尚属正在发展中,总体水平不高。随着社会进步,人们对环保、能源以及装备对品质的影响有了新的认识。同时,通过国外技术交流和合作以及成套项目的引进、消化与吸收,促进了我国离心分离技术的迅速发展,主要体现在:
(1)已基本形成了一个科研、设计和制造的体系。
(2)成立了分离领域的学术组织。
(3)在基础理论与应用方面进行了研究。
(4)目前已能生产三足、上悬、活塞、螺旋、离心力卸料,振动、进动卸料、刮刀及虹吸刮刀、翻袋及旁滤等离心机;分离机则有碟式、室式及管式。上述产品不仅遍及全国且远销国外,且技术特性较“九五”期间有所提高。
(5)为满足特殊工艺要求(防污染、密闭、防爆等),一些新型离心机亦先后问世。例如,笔者曾研制一种适合于ＧＭＰ的新型离心机,并获国家**。还有内旋转子过滤离心机的研制,立式密闭螺旋机及复合机等亦已投产。
(6)自控技术与ＣＡＤ技术的应用。
(7)各种相关标准的制订。
(8)同国外著名离心机厂商的技术合作。
1.2 主要差距
尽管我国的离心分离设备有了很大进展,但从整体而言,与世界先进国家相比,差距甚大。主要表现在:
(1)规格、品种少,系列化程度差。特别缺少集几种结构形式、集几种推动力于一体的复合式离心机。
(2)技术参数低。国外离心分离机械产品的参数普遍高于我国,并继续向高参数、大容量方向发展。以卧螺离心机为例,最近研制的机型为国内最大的,其转鼓直径亦仅720ｍｍ。长径比最大为Ｌ ｄ=4,分离因数亦较低。而国外转鼓最大直径已达2.1ｍ,长径比Ｌ/ｄ=6,处理能力大于200ｍ3/ｈ,可用于二相或三相分离。还发展了双向挤压型、沉降、过滤复合机型。目前,较先进的机型都采用计算机控制,会随着物料特性和参数的变化自动调节其相应的工况。
(3)产品进展缓慢。而国外,由于采用模块化的组合结构,特别是采用了大规模定制设计的新手段,故能满足用户的个性化需求,并加快了产品的更新换代速度。甚至还储备所谓“冷冻产品”,以随时适应市场竞争的需要。
(4)其它方面。在产品的可靠性、稳定性、自控技术、加工工艺、新材料的使用、配套产品的品质,以及理论研究等方面,均存在不少的差距。
2 国外离心分离技术的进展[14-26]
受新技术推动及相关产业发展的影响,国外离心分离技术的进展主要体现在以下几个方面:
2.1 加强理论研究,选择最佳设计方案
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司,在碟片流道研究中发现,碟片间隙横断面上的速度分布取决于一个无量纲数“λ”,而工业离心机的“λ”通常在5～28之间。随着“λ”值的增加,碟片的转速增加,薄层减少,可提高雷诺数并缓和涡流。通过对碟片间隔件和分布孔的巧妙设计,进料量可增加20%。此外,还对相分离技术进行了研究。
近年来,研究人员为选择最佳方案,采用流场分离法、有限元模拟法、大梯度密度梯级法、反模态分析法等,对离心机的工作性能和关键零件进行研究,为设计优良性能的离心机提供了理论依据。并对带内洗涤的卧螺离心机中堰池深度以及卧螺离心机技术参数之间的关系等进行了最佳化研究。
2.2 技术参数的提高和新机型的问世
为提高产品的纯度,及满足能源和环保的要求,高参数已成为国外机型的发展特点。由于生物工程需要分离极细的颗粒,如细菌、酶及胰岛素等,故最新碟式机已可处理0.1μｍ微粒,且分离因数可达15000。如德国Ｗｅｓｔｆａｌｉａ公司的ＣＳＡ160机型和瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司的ＢＴＡＸ510机型均属此例。
随着工艺要求的提高,新机型不断问世。美国Ｄｏｒｒ Ｏｌｉｖｅｒ公司的ＢＨ 46型碟式机,转鼓内径已达1.2ｍ,转鼓重量为4.5ｔ,用2个功率为220ｋＷ的电机驱动,最大生产能力为450ｍ3/ｈ,当量沉降面积已达250,000ｍ2,为碟式机之最。
瑞典Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司用于生物技术的ＢＴＵＸ510型碟式机,具有自动调节的涡流喷嘴。利用喷嘴进料黏度和浓度的关系,可提供恒定的固相浓度,与进料速度和固体含量的变化无关。
而具有10000分离因数的卧螺离心机,可从某种程度上弥补管式分离机的不足。ＢＴＮＸ3560 Ａ机型的特点是先进的旋转动态设计:主轴承改为弹性安装,可延长寿命,降低机器噪音与振动。
德国Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司最新研制的ＳＺ型活塞机,尺寸虽小,却更能有效进行固相分离。还有德国Ｆｌｏｔｔｗｅｇ公司用于处理难分离物料的双锥体卧螺离心机等。
2.3 新材料的应用
为了提高分离机械的性能、强度、刚度、耐磨性和抗腐蚀性,一批新型材料不断涌现。如,工程塑料、硬质合金以及性能优良的耐磨耐蚀不锈钢材料。
法国曾研制一种用硬质陶瓷制成的转子,英国也曾研制由合成树脂构成的连续纤维复合材料转子。
但在碟式机中,由于需要高强度和一定的耐腐性能,双相组织的不锈钢广泛采用。最近,俄国研制成功一种双相钢04Ｘ25Ｈ5Ｍ2(即04Ｃｒ25Ｎｉ5Ｍｏ2),有足够的强度和塑性。德国的Ｗｉｓｃｈｎｏｕｓｋｉｉ等研制的分离机转鼓新材料,具有强度高、塑性和耐腐蚀性好的特点。
为弥补耐蚀和强度之间的矛盾,一些先进的制造商普遍采用了转鼓的自增强技术。
2.4 其它方面进展
(1)强化动态监测和自动化。随着自动控制和传感技术的发展,许多先进的自控手段被引入,并对离心机运行中的各项参数,如温度、流量、速度、振幅和噪音等进行全方位的监测,并通过传感器将收集信息输入计算机,经系统处理后,可及时了解各种参数的变化以采取相应的措施。由此出现了无人操作的碟式分离机。
(2)各种组合机和专用机的开发。Ａｌｆａ ｌａｖａｌ公司在碟式分离机上组合螺旋输送器形成复合碟式机;Ｋｒａｕｓｓ Ｍａｆｆｅｉ公司的柱锥复合活塞机、虹吸刮刀离心机;Ｓｈａｒｐｉｅｓ公司的沉降过滤复合螺旋离心机等。此外,还有为满足特殊工艺要求的专用机,如:满足食品和生物医药行业的ＦＤＡ(ＧＭＰ)之机型。
3 大规模定制设计(ＤＦＭＣ)[27 32]
设计被认为是成品形式、成本、可靠性和市场接受程度的重要因素。通常80%的制造成本、50%的品质、50%的定单提前期和80%的商业复杂性取决于产品和过程的设计。
设计规范(通常包括机械、电气与软件等各方面)由用户需求和操作规范所决定。因此,如何很好地满足用户的需求,将是设计人员首要考虑的问题。
大规模定制(ｍａｓｓｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ,ＭＣ)的概念最早出现于20世纪80年代晚期,由Ｄａｖｉｓ首先预见:即大规模定制是一种通过过程的高度敏捷、柔性和集成以提供给每一个客户个性化设计的产品和服务的能力。
由于设计在产品生命周期中的重要性,面向大规模定制的设计已成为设计方面的新动向。
大规模定制设计(ＤＦＭＣ)(Ｔｓｅｎｇ和Ｊｉａｏ,1996)在产品早期的设计阶段就考虑范围经济和规模经济。ＤＦＭＣ的重点在于把当前个别产品的设计提升到产品族的设计。在产品族设计中,模块化技术的使用无疑是至关重要的。
(1)模块化产品族设计的多视图产品族体系可定义为不同作用域之间的映射关系,如图1所示。
模块化技术是一种系统化方法,不仅应用于产品的设计阶段,且贯穿于产品的制造、组织和许多其它阶段,即模块化技术的实施必须贯穿于产品的全生命周期,以充分保证大量生产的最终产品能满足特定客户的个性化需求。
(2)模块化产品族体系的组成
模块化设计是一种通过采用相似模块来产生复杂产品的设计技术。构建模块化产品族体系的元素有三种,即公共基(是一组用作基本核心单元的模块,称之为产品平台)、差异使能(由不同产品所必需的一组不同的功能模块)和配置机制(定义了不同模块间的配置规则)。
(3)模块化的不同层次
在模块化产品族体系中,自顶向下存在着三种不同的层次。即系统层、模块层和组件层。
4 结语
综上所述,大规模定制设计加速了变异产品的引进,并减少了新产品的成本。然而为确保低成本的规模经济,大规模定制设计及其应用还有更长的路要走:世界离心机行业正在进一步探索和研究,深信国内将会向国际水平不断努力。