真空帶式過濾機(jī)生產(chǎn)能力的確定與參數(shù)選擇

本文以甕安礦選礦過程中產(chǎn)生的石灰漿為研究對(duì)象，驗(yàn)證了過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算方法。討論了水平真空帶式過濾機(jī)用于過濾過程的放大時(shí)，真空濾盤的長度、濾盤的行程、連度等參數(shù)對(duì)生產(chǎn)能力和操作費(fèi)用的影響。提出了設(shè)備放大時(shí)如何正確選擇參數(shù)的范圍。

液－固分離過程在化工生產(chǎn)中占有相當(dāng)重要的地位。我們曾討論了濾餅過濾過程中的生產(chǎn)能力計(jì)算^[1],Tiller^[2],Pwches^[3]等人研究了過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算方法。但是都很少涉及到正確決定過濾機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作參數(shù)的問題。本文以甕公安礦的在選礦過程在產(chǎn)生的石灰漿固－液分離為對(duì)象，驗(yàn)證了我們曾討論過的過濾機(jī)生產(chǎn)能力的計(jì)算方法。結(jié)合水平真空帶式過濾機(jī)的工作特點(diǎn)，討論了水平真空帶式過濾機(jī)在用于過濾過程放大時(shí)，真空濾盤的長度、真空濾盤的行和、濾帶的速度等參數(shù)對(duì)生產(chǎn)能力的影響。當(dāng)考慮了濾餅厚度對(duì)卸料和固體回收率的影響。濾帶速度對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和操作費(fèi)用的影響后，提出了一個(gè)放大時(shí)可供參考的真空濾盤長度、濾帶速度、真空濾盤的行程等參數(shù)的選擇范圍。

實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果

依照前文^[1] 提到的方法，確定甕安礦選礦過程中產(chǎn)生的石灰漿的過濾比阻力系數(shù)和過濾壓力間的關(guān)系為：^?

ɑ_ɑ0=2.80×10⁸P^0.62 m/kg (1) 式中

ɑ_ɑ0 濾餅平均比阻力系數(shù)，m/kg

P 過濾壓力，N/m²

圖1為logP～logɑ_ɑ0結(jié)果。

利用式［1］計(jì)算的比阻力系數(shù)和實(shí)驗(yàn)值的誤差列于表1，其計(jì)算平均誤差為－0.4％

表1 甕安礦選石灰漿的比阻力系數(shù)測定和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果

P=4.90×10⁴～2.94×10⁴N/m² s=0.47～0.52/固液

誤差＝（實(shí)測值－計(jì)算值）、實(shí)測值

生產(chǎn)能力計(jì)算式^[1]：

W=2Ppst/(1-ms)

式中

ρ 濾液的密度,kg/m³

s 料漿的含固率，固/液

μ 濾液的粘度，kg/m

t 過濾時(shí)間,s

m 濾餅的含液率，液/干固

在0.6m²的水平真空帶式過濾機(jī)上用三批甕安礦選礦產(chǎn)生的石灰漿進(jìn)行測試。用式（1）和式（2）計(jì)算各操作條件下的生產(chǎn)能力，其結(jié)果列于表2。結(jié)果表明，用本方法計(jì)算得到的過濾機(jī)生產(chǎn)能力的平均誤差為6.4％，最大誤差范圍為20.9％～－9.9％。可見使用本方法確定的過濾機(jī)生產(chǎn)能力可以用于工程放大，由于計(jì)算中忽略了濾布的阻力，所以計(jì)算值顯示出正誤差是合理的。

表2 0.6m²水平真空帶式過濾機(jī)用于甕安礦石灰漿過濾的生產(chǎn)能力測定

注：①盤長1.92m，返回時(shí)間2s.

②為了保證有足夠的濾餅吸干時(shí)間，此試驗(yàn)的吸干區(qū)長度為1.42，已不適宜操作。

③計(jì)算誤差＝（計(jì)算值－實(shí)驗(yàn)值）/計(jì)算值

主要參數(shù)對(duì)生產(chǎn)能力、操作費(fèi)用的影響

本文所討論的水平真空帶式過濾機(jī)是往復(fù)盤式過濾機(jī)，它是一種上加料的水平式連續(xù)真空過濾機(jī)。過濾機(jī)是連續(xù)工作是由真空濾盤在氣控系統(tǒng)下作往復(fù)前后運(yùn)動(dòng)和濾事在頭輪的驅(qū)動(dòng)下作連續(xù)向前的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，因此這種過濾機(jī)的真空濾盤每往復(fù)一次的時(shí)間由二部分組成：

T_C=T_F+T_D (3)

式中

T_C 真空濾盤往復(fù)一次所需的時(shí)間，s_?

T_F 有效過濾時(shí)間，s

T_D?無效工作時(shí)間（非工作時(shí)間），s;一般為1.5～3s。

單位時(shí)間中往復(fù)次數(shù)會(huì)影響有效工作時(shí)間。過濾物料在真空濾盤上的停留時(shí)間和濾

帶的速度有下列關(guān)系：

T=L/u s (4)

式中

T 物料的過濾時(shí)間，s

L 真空濾盤的長度，m

U 濾帶的速度，m/s

可見濾布的速度和真空濾盤的長度確定了物料的過濾的時(shí)間，因此當(dāng)需要過濾的物料特性確定后，首先要正確地選擇真空濾盤的長度、濾帶的速度和真空濾盤的行程等參數(shù)。

根據(jù)濾餅過濾過程中過濾機(jī)的生產(chǎn)能力計(jì)算式（2），可以得到單位時(shí)間內(nèi)濾餅的產(chǎn)率為：

w/t=2Pps/(1-ms)μ （5）

圖2為一定操作條件下過濾時(shí)間和濾餅產(chǎn)量與產(chǎn)率之間的關(guān)系。由圖可見，縮短過濾時(shí)間，即提高濾帶速度的、和減小真空濾盤的長度可以顯著地提高過濾機(jī)的生產(chǎn)能力。下面將分別討論真空濾盤長度、濾帶速度、真空濾盤行程對(duì)過濾機(jī)生產(chǎn)能力和操作費(fèi)用的影響。

圖2過濾時(shí)間和濾餅產(chǎn)量及產(chǎn)率的關(guān)系

① 真空濾盤的行程

由式（3）可知，當(dāng)其它條件不變時(shí)，增加真空濾盤的行程和加快真空濾盤的返回速度都可以提高水平真空帶式過濾機(jī)的有效工作時(shí)間，介是當(dāng)濾盤行程太長和返回速度太高時(shí)，會(huì)使它的運(yùn)動(dòng)慣量和機(jī)械振動(dòng)增加，同時(shí)帶來聯(lián)接真空濾盤和集液管間的橡膠置上的困難，造成過濾機(jī)總體布置上的不全理，幫在設(shè)計(jì)中，一般中小型的真空濾盤行程為0.500～0.600m。對(duì)于過濾面積為數(shù)十平方米的設(shè)備，真空濾盤行程以1.000m為好。

② 濾帶速度和生產(chǎn)能力間的關(guān)系

為了提高過濾機(jī)的生產(chǎn)能力，可以采用提高濾帶速度、縮短過濾時(shí)間的方法，但對(duì)于水平真空帶式過濾機(jī)來講，隨著濾帶速度的提高，真空濾盤在單位時(shí)間內(nèi)返回的次數(shù)增加無效工作時(shí)間所占比例上升。在實(shí)際操作中，生產(chǎn)能力并不與濾帶速度的平方根成正比，而是隨著濾帶速度的增加，生產(chǎn)能力的提高逐漸綏慢增加，最終達(dá)到某一極限值。超過此濾帶速度后，過濾機(jī)的生產(chǎn)能力反而有所下降。表3列出試驗(yàn)中的石灰漿在真空度下（～5.33×10⁴N/m²）進(jìn)行過濾時(shí)，干濾餅的生產(chǎn)能力與濾帶速度間的關(guān)系。由表可見，對(duì)這種物料，當(dāng)濾帶速度達(dá)0.042m/s時(shí)，生產(chǎn)能力反而開始下降。

表3 0.6m2水平真空帶式過濾機(jī)生產(chǎn)能力和濾帶速度的關(guān)系

注：真空濾盤長度1.920米，返回時(shí)間：2秒，可能由進(jìn)料含率誤差引起。

如上所述，隨著濾帶速度的提高，過濾機(jī)生產(chǎn)能力一般是增加的。但是隨著濾帶速度的提高，過濾時(shí)間隨之下降，每次循環(huán)中單位過濾面積上的濾餅量將減少，所以濾餅的厚度總是隨著濾帶速度變薄的。表3示出不同濾帶速度與濾濾餅厚度間的關(guān)系。顯然，隨著濾餅厚度的減小將帶來卸料的困難和影響固體物料的回收率。因此Tiller^[4]等人認(rèn)為帶式過濾機(jī)的濾餅厚度應(yīng)大于（3～4）×10^－3m。根據(jù)我們的操作結(jié)果，確認(rèn)水平真空帶式過濾機(jī)的最小濾餅厚度應(yīng)控制在大于(2.5～3)10^－3m范圍內(nèi)。

水平真空帶式過濾機(jī)的真空盤是由滾輪支承在導(dǎo)軌上前后運(yùn)動(dòng)的，所以帶動(dòng)濾布和真空盤前進(jìn)所消耗的功率是有限的，一臺(tái)5m²水平真空帶式過濾機(jī)主電機(jī)的功率為2.2kw。它的操作費(fèi)用集中在真空耗氣和壓縮空氣的能耗上，這二項(xiàng)消耗與單位時(shí)間內(nèi)真空盤的往復(fù)次數(shù)有關(guān)，由于真空盤的往復(fù)次數(shù)隨著濾帶速度的提高幾乎成線性地增加，故它的壓縮空氣和真空耗量也隨著上升。圖3所示為一臺(tái)5m²的水平真空帶式過濾機(jī)壓縮空氣和真空耗氣量與濾帶速度之間的關(guān)系。另外，濾帶速度的提高將影響濾布、卸料刮刀、導(dǎo)軌、返回氣缸、真空切換閥等部件的使用壽命，所以目前的設(shè)計(jì)都把濾帶速度限制在0.1m/s以內(nèi)。

③ 真空濾盤長度的影響

前已述及提高濾帶速度縮短過濾時(shí)間可以提高水平真空帶式過濾機(jī)的生產(chǎn)能力，但隨著濾帶速度的提高也會(huì)帶來不少問題，所以應(yīng)考慮用短的真空濾盤來達(dá)到縮短過濾時(shí)間的目的。對(duì)于物料的過濾比阻力系數(shù)小、含固率高、濾餅易于開裂的情況，使用短的真空濾盤是合適的。但若物料過濾比阻力系數(shù)較高（如ɑ_av>10¹¹kg/m）且含固率較低時(shí)，為了保證形成一定厚度的濾餅，顯然需要一定的過濾時(shí)間，若使用過短的濾盤，由式（4）可知，濾帶會(huì)速度太慢，那么濾餅在最后吸干區(qū)停留時(shí)間延長，從而導(dǎo)致過濾機(jī)的生產(chǎn)能力下降。另外，由于考慮到水平真空帶式過濾機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，它的一部分吸干區(qū)在吸濾過程中沒有得到充分利用，因而在行程一定的情況下，縮短真空濾盤長度會(huì)使這一部分所占的過濾面積比例上升，引起生產(chǎn)能力下降。所以水平真空帶式過濾機(jī)的真空濾盤長度應(yīng)當(dāng)根據(jù)物料的特點(diǎn)，真空濾盤的行程等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試算與比較才能確定。

圖3 真空耗氣量與壓縮空氣耗量和濾帶速度的關(guān)系

圖4為不同的真空濾盤長度和濾帶速度對(duì)生產(chǎn)能力的影響，圖中粗實(shí)線部分是考慮了濾餅的卸料和固體的回收率后適宜的操作范圍。再根據(jù)單位時(shí)間的處理能力和操作費(fèi)用就可以比較合理地確定水平真空帶式過濾機(jī)的各個(gè)參數(shù)。

圖4 不同濾盤長度和濾帶速度與濾餅產(chǎn)率的關(guān)系

結(jié)論

1.試驗(yàn)結(jié)果表明，利用實(shí)驗(yàn)室測定的濾餅比阻力系數(shù)計(jì)算過濾機(jī)生產(chǎn)能力的方法是合適的。當(dāng)比阻力系數(shù)大于10¹¹m/kg時(shí)，計(jì)算式忽略濾布的阻力所引起的誤差是在允許的范圍內(nèi)。

2.在根據(jù)不同的過濾物料特點(diǎn)，確定合適的水平真空帶式過濾機(jī)基本參數(shù)時(shí)（包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)），可以用實(shí)驗(yàn)測定P～ɑ_ɑv關(guān)系式，以及用式⑵～⑸試算不同的真空濾盤長度、濾帶速度、濾盤行和的生產(chǎn)能力，結(jié)合卸料可能性和固體回收率的要求，由設(shè)備投資費(fèi)用的和操作費(fèi)用、維修費(fèi)用的比較得到較適宜的結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作條件。

3.對(duì)于易過濾，本文方法由于忽略過濾介質(zhì)阻力，會(huì)引起很大的誤差，所以是不合適的。本文所述不能完全用于濾餅需要洗滌的過程。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 姚公弼，“液－固分離應(yīng)用基礎(chǔ)研究試驗(yàn)小結(jié)(1)——餅過濾基本特性參數(shù)的測定和在過濾機(jī)生產(chǎn)能力計(jì)算上的應(yīng)用”

[2] F. M. Tiller,A.Aiciatore and M. Shrate “Filtra-tion-prinsiple and practice ”

Par I, Chapter 5 “Filtration in the Chemical Process Industry” ,NewYord (1977).

[3] Derek, B. Purchas,“Cake Fitter TestingAnd Sizing:A Standardised Procedure?”

Filtration and Separation ,9, [2], 161 (1972).

[4] F. M. Tiller and H. Risbud,“Batch Continuous Processes for Cake Filfration”,Chem .Eng. , 81 ,[9] ,127 (1974).

[5] 姚公弼等，“甕安選礦石灰漿過濾特性和在0.6m²水平真空帶式過濾機(jī)上處理能力的測定”（內(nèi)部資料），(1981)。