（化工过程机械专业论文）新型螺旋挤压过滤机的研究.pdf

摘要 新型螺旋挤压过滤机的研究 摘要 螺旋挤压过滤机利用压差过滤原理对物料进行固液分离，具有结 构简单紧凑、连续操作、压榨力大、动力消耗小、脱水效果好、占地 面积小、安装简便、维护成本低等优点，广泛的运用于各个行业的固 液分离和脱水，特别是造纸、制糖、食品加工、农场废料利用转化、 塑料循环再利用等行业。 近年随着压榨理论研究的进展，高分子絮凝剂的出现以及机器本 身的革新，出现了一些新型螺旋挤压过滤机以及相关专利，克服了传 统螺旋挤压过滤中存在的问题，例如入料浓度要求较高，过滤机转速 较低，过滤时易发生堵塞等。本课题在传统螺旋挤压过滤机的基础上， 着重分析和研究新型螺旋挤压过滤机通过结构改进，对过滤性能的影 响情况。 首先，本文参考国内外过滤设备最新发展，归纳和比较近年来螺 旋挤压过滤机结构方面的革新。由于过滤行业的广泛性和复杂性，分 析何种机型和结构更适合的具体市场服务对象。 其次，分析了一种新型的动静环式螺旋挤压过滤机。通过a n s y s 有限元分析软件，建立其有限元模型，进行应力和应变分析，验证设 北京化丁大学硕：j ：学位论文 计结构在解决过滤堵塞问题上的优势。运用c f x 软件模拟动静环相 对运动，对其流场进行分析，得到动静环结构对过滤物料流速的影响 趋势。 最后，对于目前较常见的间断式螺旋挤压过滤机，由于螺旋叶片 被打断，工作时在压力作用下易发生变形甚至破坏。本文通过a n s y s 有限元分析软件建立间断式螺旋模型，比较不同螺棱厚度、螺旋角以 及压力下，间断式螺旋的危险截面及最大应力值，为提高间断螺旋叶 片的设计提供一定的参考。 关键词：螺旋挤压过滤机，有限元分析，流场分析，动静环网，间断 式螺旋 a b s t r a c t r e s e a r c ho fn e wt y p es c r e wp r e s sf i l t e r a b s t r a c t s c r e wp r e s sf i l t e ru s e st h ep r i n c i p l eo fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef i l t e r i n g f o rs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n i th a ss o m eg o o dq u a l i t i e s ，s u c ha ss i m p l ea n d c o m p a c ts t r u c t u r e ，c o n t i n u o u so p e r a t i o n ，g r e a ts q u e e z i n gf o r c e ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，g o o dd e h y d r a t i o ne f f e c t ，s m a l lf o o t p r i n t ，e a s y i n s t a l l a t i o n ，l o wm a i n t e n a n c ec o s t sa n ds oo n s c r e wp r e s sf i l t e rw i d e l y u s e di nv a r i o u si n d u s t r i e so fs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o na n dd e h y d r a t i o n ， e s p e c i a l l y i n p a p e r r n a k i n g ，s u g a rr e f i n i n g ，f o o dp r o c e s s i n g ，m a n u r e a p p l i c a t i o n s ，p l a s t i c sr e c y c l i n ge t c r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep r o g r e s so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，e m e r g e n c eo f h i g hp o l y m e rc o a g u l a n ta n di n n o v a t i o n so ft h em a c h i n ei t s e l f , t h e r eh a v e b e e ns o m en e wt y p e so fs c r e wp r e s sf i l t e ra sw e l la sr e l a t e dp a t e n t s i t o v e r c o m et h et r a d i t i o n a ls c r e we x t r u s i o nf i l t e r i n gp r o b l e m s ，s u c ha s h i g h e rf e e dc o n c e n t r a t i o n ，l o ws c r e ws p e e d ，f i l t e rja m m i n ga n ds o o n t h i ss u b j e c ti sb a s e do nt h et r a d i t i o n a ls c r e wp r e s sf i l t e r , f o c u so n a n a y l s i sa n dr e s e a r c ho fn e ws c r e wp r e s sf i l t e rw h i c hi m p r o v e du p o nt h e s t r u c t u r e ，a n dh o wa b o u tf i l t e rp e r f o r m a n c eu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h o s e i m p r o v e m e n t s f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l er e f e r st ot h el a t e s td e v e l o p m e n t si nf i l t r a t i o n i l i 北京化丁大学硕f j 学位论文 e q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，s u m m a r i z e da n dc o m p a r e dt h es t r u c t u r a l i n n o v a t i o no fs c r e w p r e s s f i l t e ri nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo ft h e u n i v e r s a l i t ya n dc o m p l e x i t yo ff i l t e ri n d u s t r y ，a n a l y s i so fw h a tk i n do f m o d e la n ds t r u c t u r ei sm o r es u i t a b l ef o rs p e c i f i ct a r g e tm a r k e t s s e c o n d l y , t h es t u d ya n a l y s e dan e wt y p eo fs c r e wp r e s sf il t e rw i t h m o v i n g - f i x e ds c r e e n t h r o u g ht h e a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i si ss e tu p t ov e r i f yt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r ei ns o l v i n gt h ef i l t e r i n gp r o b l e mo nt h e a d v a n t a g e s o fb l o c k i n g u s i n gt h ec f xs o f t w a r et os i m u l a t et h e m o v i n g f i x e d s c r e e na n da n a l y s ei t sf l o w f i e l d ，t h et r e n do ft h a t m o v i n g - f i x e ds c r e e ni m p a c to nt h ev e l o c i t yo fm a t e r i a li sr e a c h e ds o m e c o n c u l o n s f i n a l l y , f o rt h ep r e s e n tt h ec o m m o ni n t e r r u p ts c r e wp r e s sf i l t e r ，t h e i n t e r r u p t e ds p i r a lb l a d e sp r o n e dt od e f o r m a t i o no re v e nd e s t r u c t i o nu n d e r w o r k i n gp r e s s u r e i nt h i sp a p e r , u s i n gt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r et os e tu pt h ei n t e r r u p ts c r e wm o d e l ，c o m p a r ed i f f e r e n tt h i c k n e s s o fl e a fb l a d e ，p i t c ha n g l ea n df i l t e r i n gp r e s s u r ef r o mt h er i s kc r o s s s e c t i o n a n dt h em a x i m u ms t r e s so fi n t e r r u p ts c r e w , i no r d e rt oi m p r o v et h e s t r e n g t ho f t h ei n t e r r u p ts c r e wt op r o v i d ear e f e r e n c e k e yw o r d s ：s c r e wp r e s sf i l t e r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f l o w f i e l da n a l y s i s ，m o v i n g f i x e ds c r e e n ，i n t e r r u p ts c r e w 符号说明 符号说明 卸渣浓度( 含固量) 临界转速，m i n 。1 流体通过过滤介质的压降，n 1 t i 2 与床层及流体物性有关的系数 过滤介质的渗透系数 流体粘度，p o j 过滤介质的空袭度 过滤介质比表面积 柯兹尼常数 颗粒物料的比表面积 流体密度，幻m 。3 雷诺数 摩擦系数 弹性模量， 摩尔质量，姆k m o l 。1 最大应力， 抗弯截面系数，m 3 螺杆轴内径，m 螺杆轴外径，m 螺旋叶片外径，m 螺旋叶片厚度，m 螺距，r n 过滤压力， x i i i 品虬印k 矽占&墨口 p r e m 缈面以b，h p 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：查盟日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：查鱼 导师签名：塑塑 日期： 型艺：兰：颦 日期： 圭哟：三2 第一章绪论 1 1 项目意义 第一章绪论 工业生产中，凡是用以分离固一液、液一液、气一液、气一固等非均相混合物的 机械统称为分离机械。过滤是从流体中分离固体颗粒的过程，过滤机在工业生产 过程中基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、澄清、净化及固体颗粒分 级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而发展起来的。现在已广泛用于化工、 石油化工、石油炼制、轻工、食品、医药、纺织、冶金、煤炭、船舶、国防工业 等各个领域n 1 。在许多生产过程种，过滤分离设备是关键设备之一，其科技水平 的高低直接影响到现代化工业生产的先进性。随着世界各国能源短缺、资源贫化、 水资源及环保问题的日益突出，如何节省能源，有效利用资源，重视水资源的科学 合理使用，加强环境保护，仍是当务之急；同时随着科学技术水平的不断提高，生 物化工新材料、精细化工、制药、食品等行业的迅速崛起，要求过滤与分离向高 纯度、高分离精度发展，这些现实都为当今过滤与分离技术的发展提供了极大的 机遇。 1 9 世纪中叶制造业的迅速发展和随后城市人口增加所致的环境保护问题促 使过滤机出现和发展。世界上最早出现的过滤机是压滤机、叶滤机和旋转过滤机。 近现代，过滤机更是以迅猛的速度发展，过滤技术在研究方面也取得了长足的进 步，而且随着研究的继续深入和发展，以及现代化学工业及与其相关领域的发展， 例如石油、煤气、选矿和塑料等行业的发展，也促进了新型过滤机和附属设备的 开发门1 。为了提高生产率、产品质量及拓宽应用范围，新型的过滤装置相继问世 h 1 。此外，世界工业面临如何节省能源，有效利用资源，加强环境保护，过滤和 分离机械正朝着高参数大型化、节能型和复合型、自动化和智能化的方向发展， 新型过滤介质和专用技术也发展迅速哺儿6 1 。 我国的过滤设备起步较晚，过滤设备的理论研究和制造与国外有一定的差 距，大于通用设备与国外的差距，所以要提高我国过滤分离行业的水平，当务之 急是发展过滤设备。而且我国水资源相对比较贫乏，且污染比较严重，废水综合 治理成为当务之急。针对我国水资源的紧缺、工业的高速发展、环境的恶化，开 发节能低耗，环保以及资源综合有效利用的水处理设备越来越迫切m 。 此外，虽然过滤机的结构、品种及其应用等方面发展迅速，理论研究落后于 实践却是个长期存在的问题。到目前为止，过滤理论存在着一些争论，这些争论 未能得到解决的根本原因在于过滤过程的实验工作存在困难，如对滤层孔隙所发 生的现象无法直接观察和测定，对悬浮颗粒的体积浓度无法精确测定，滤层内悬 浮颗粒的比沉积量随过滤间的变化无法精确的测定等，导致数学模型不能精确建 北京化下人学硕 ：学位论文 立。在预测机器的性能、选型以及设计计算等方面，往往仍要凭借经验，造成这 种现象的主要原因就是过滤分离过程的多样性和复杂性引。 1 2 过滤分离简介 过滤是从流体中分离固体颗粒的过程。基本原理是：在压强差的作用下，迫 使流固两项混合物通过多孔介质( 过滤介质) ，固体颗粒则截留于介质上，从而 达到流体与固体分离的目的“1 。 过滤最终目的有的是为了获得液体产品，有的是为了获得固体产品，有的二 者兼要，而有的则是为了将过滤分离所得的液体和固体分别作进一步的处理。就 一般而论，要求得到滤液为产品的过滤操作，比要求得到滤饼为产品的过滤操作 易于实现。一般说来，过滤比离心分离和喷雾干燥更经济，但所得到的固体产品 湿含量高；沉降和水利旋分比过滤更为简单易行，但分离效率又不及过滤。对于 细粒悬浮液或固体含量较少的悬浮液，不宜采用离心分离，最好采用加压过滤。 因此，在液固分离技术中，总是首先考虑过滤操作口1 。 工业上过滤过程一般分为以下几种类型： 1 、介质过滤。介质过滤时，由于微粒大于过滤介质的微孔，它们就被截留。 此时，过滤器起了一种筛网的作用。通常，在筛滤粗大颗粒时，人们才考虑这种 比较稀有的装置；但对于膜滤器和编织的金属织物，它们适用于截留细小的微粒。 2 、深层过滤。在介质表面不形成滤饼，固相粒子被留于介质内部的孔隙。 深层过滤通常应用于料浆浓度极稀( 体积浓度低于0 1 ) 、固体粒子粒径极细 的场合。 3 、滤饼过滤。指在过滤介质表面生成一层多孔的渣层，颗粒尺寸多为小于 介质的孔径，而是以搭架的方式先形成初始层，其后的悬浮固体沉积在初始层上 而形成具有一定厚度的滤饼。此滤饼层的过滤阻力远较过滤介质大，对过滤速率 起决定行的影响。由于粒径较孔径小，初始层未形成以前，有可能少许细微颗粒 随液体穿过介质而进入滤液中，使初始阶段滤液澄清度稍差。滤饼形成，过滤过 程一直继续到滤饼两侧的压降超过经济或技术允许的最大值，或填满有效的间 隙，通常被认为过滤堵塞。这种过滤方法广泛的应用于加工工业，并且特别适用 于过滤浓缩的悬浮体和回收大量的固体。 如上所述，实际的过滤过程是复合式的一若干或全部的过滤机理同时或相继 发生。例如，在介质过滤时，很重要的初始沉积层出现在介质的表面，形成滤饼， 接着开始滤饼过滤；而深层过滤时，介质中的微孑l 不断缩小，直至出现介质过滤 以及接着滤饼过滤儿比。 2 第一章绪论 过滤分离技术在国民经济各部门中应用很广。从人民日常生活，资源、能源 的开发利用，国防尖端。到保护环境，防止公害等方面，都离不开过滤分离技术。 1 3 过滤设备简介 1 3 1 过滤机分类 过滤机按操作机理的不同可分为三类：重力过滤机、加压过滤机和真空过滤 机口1 。每种操作机理的过滤机又可细分。常见机型分类如图l l 所示： t 力过蕾机一e 兰量兰兰兰机 滤机一| 一言蓑薹 压叶滤机一二耋：妻耋 平板蔓 孔过童机 契星 鼓互 搪机 转压墟机 一辊帮式 榨脱水过蠢机一i 一曩挺式 i v 型盘式 图卜1 过滤机分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no ff i l t e r s 过滤机按结构分为以下十类：转鼓过滤机( 代号g ) 、圆盘过滤机( 代号p ) 、 3 压 加 水t 努转叶旋 压 一 一 一 一 一 一 一 一 机 饥 蠢 矗 过 过 压 压 加 加 敢 绒 何 连 一 ，r1i 机滤 过医 加 式 式 式式料式料式料科鲰辩卸辩给给 刀卸农卸部帮一一一一一一 一 格 倍垂直 耍 有 虎盘盘翌盘广，t_。l枷舢l|姗 垂机 垂 挺奠移麓 契澎 蚊 直平平平 努m 转 唾咏咏咏 c 姗 机 空 空 真 真 式 式 一 一 饥鼻 北京化t 大学硕 ：学位论文 转台过滤机( 代号z ) 、翻斗过滤机( 代号f ) 、带式过滤机( 代号d ) 、叶滤机( 代 号e ) 、筒式过滤机( 代号t ) 、板框压滤机( 代号b ) 、厢式压滤机( 代号x ) 、动态 压滤机( 代号n ) 。 1 3 2 过滤介质 过滤介质的主要作用是用最少的能量消耗将固体颗粒从流动的液体中分离 出来。成功的过滤操作很大程度上取决于选择合适的过滤介质。过滤介质材料的 范围很宽，有织造过滤织物，聚合材料制造的编制非编制滤布、金属丝布、金属 缝隙过滤元件、金属烧结纤维、陶瓷和浸渍纤维等，其他过滤介质有深层砂滤器 和助滤剂及膜介质等。 过滤介质的技术特性包括：截留能力、渗透性、抗堵塞能力。其中以前两个 特性最为重要。当过滤介质的制作和组装固定也考虑在内时，密封性、化学和生 物学方面的稳定性、强度、磨损、阻力等因素在设备使用中都要予以考虑。 常用过滤介质有：滤布( 其材质有棉、毛、丝、麻等天然纤维) 、滤网( 能 够拉丝的金属和合金都可作为金属丝滤网的材质) 、非织造纤维介质( 材料如： 滤纸、过滤衬垫、毛毡、非织造滤布等) 、刚性多孔介质( 将陶瓷、塑料及金属 等粉末烧结而成) o ”。 过滤器介质的选用具有多样性，主要在于过滤问题的复杂性。过滤工况条件 中考虑的问题有流体的腐蚀性强弱、粘度的高低、悬浮液微粒尺寸、形成滤饼的 过滤性和压缩性、固体粒子的密度等因素。选用合适的滤布或者过滤介质有如下 优点：得到纯净滤液，没有因渗漏或穿透过滤介质引起颗粒的损失；容易卸除滤 饼；经济的过滤时间；不因过滤介质突然或逐渐地堵塞、延展和起褶皱等因素引 起过滤介质作用恶化；滤布使用寿命足够长，通过对过滤介质的反冲洗可使其再 生。 目前较为常见的是金属滤网。其具有耐磨性、耐高温和耐腐蚀性，使用寿命 长等优良特性。金属滤网一般有孔板网与编织网两种，按照材质，可分低碳钢、 不锈钢、合金钢板等。如果会属孔板网是冲压孔板网、电蚀孔板网或电铸孔板网， 则孔板厚度有限，使用寿命较短；若由激光打孔生产筛网，则其生产成本很高 c l i 】【1 3 】 0 本文介绍了种新型滤网动静环结构，它包括多个动环和多个静环。动、 静环交替叠放构成大致水平延伸的阵列，组成滤筒。静环片与动环片相互间隔， 具有一定过滤间隙。静环由拉杆固定，动环在偏心轴的作用下做偏心圆周运动， 静环和动环之间产生有规律的错动。滤浆在压差作用下从该过滤间隙脱水n 4 1 。下 4 第一章绪论 文将会对动静环式螺旋挤压过滤机进行具体的介绍和分析，并针对动静环这种特 殊形式展开理论和模拟分析，说明其优点及应用前景。 1 4 螺旋挤压式过滤机概述 41 螺旋挤压式过滤机现状 螺旋挤压过滤机很早就用于榨油和鱼内磨碎后的压榨脱水近年随着压榨理 论研究的进展，高分子絮凝刺的出现以及机器本身的革新，使该机的应用更加广 泛，成功的用于污泥脱水以及合成橡胶等聚合物的脱水等部门“”。 螺旋挤压过滤机机构比较简单，由圆筒形的壳体和在其内旋转的螺旋组成。 圆筒壳体上有捧液小孔，或者剖分筒体上装有排液的条同构成壳体。螺旋挤压过 滤机的比较典型的整体结构如图l - 2 所示： 图卜2 典犁螺旋挤压式过滤机整体结构 f i gl zs t r u c t u r eo f t y p i c a ls c r e wp r e s sf i l t e r 日本由于资源、地理位置的限制，对资源的利用比较重视日本的 n 0 1 1 i t a k e 公司( 前身是生产各种搅拌设备) ，t o f i k e m y 公司，r n a b e 公 司，日本i s h i g a k i 的i s g k 系列，f k c 公司，在世界很多国家拥有专利，客户 来自全球各地。其中i s g k 现在归日本环境部直属。 此外，德国的f a n 公司生产的适用于农场的系列机型在全球也有一定影 响力o ”。德国其他著名公司如c o l u m b u s ，挪威的s t o r d ，美国的l y c o m f g ， v i n c e n t ，印度的i n t e p , m e s h 也都生产了有自己各自优势的螺旋挤压式过滤 北京化丁大学硕t 学位论文 机。 1 4 2 螺旋挤压式过滤机的性能特点 过滤机的种类和品种规格型号繁多，结构和性能各异，而工业中需分离过滤 的物料种类和性质更是千差万别。因此，不能简单定义某种过滤机的优劣，而应 该针对单位时间内处理量、固相含湿量或液相含固量、设备价格、质量和可靠性、 维修和运转费用等各项因素进行比较。 螺旋挤压过滤机和其他机型相比，在很多方面具有明显的优点n 8 们幢町胁m 羽乜3 1 【2 4 】 l 、高性能，低能耗。螺旋挤压过滤机的电机和其他辅助驱动设备相对于其 他设备类型需要更少的能耗。 2 、低价格，低运转花费。相对于离心过滤机高昂制造、运行、维修成本， 螺旋挤压过滤机具有非常大的优势，其全年的维护和运转花费相对其他机型也要 低。 3 、连续操作，压榨力大。螺旋挤压过滤机可实现连续作业，尤其是近年来 在自清洗方面的研究，很大程度上解决了滤网堵塞问题。 4 、重量轻，结构简单，使得设备易于操作和维护，不需要在每次日常运转 后清除设备内的饼渣。 5 、转速很低，基本没有噪音或者震动。轴的转速通常只有0 1 - 2 转分。因 此没有噪音或者震动，不需要其他额外设备就能够有一个良好的作业环境。 6 、不用滤布，而采用耐磨损无需保养的不锈钢筛网。因为滤网的材料类型， 它们不需要被频繁的更换，这就使得维护更加简单。 7 、大部分设备是封闭的。使得机器运转时有一个良好的工作环境。 8 、由于清洗设备只需要很少量的水，所有只有少量废水产生。只需要少量 的水，在设备运作完成后，只需要5 一l o 分钟的时间来清洗设备。由于9 5 的悬 浮固体被收集，所以污水量很少。 9 、滤饼的含湿量和处理量都可以校正。通过调节螺旋旋转的速度，滤饼的 含湿量和处理量可以自由的校正。 1 5 前景展望 连续过滤机在环保行业有着广阔的应用前景。随着改革开放的深入和现代化 建设的推进，中国政府越来越重视环境保护工作，特别是近年来，不断加大对环 6 第一章绪论 保的资金投入，加强政策引导，尤其是在污水处理方面。近二十年来，通过借、 贷款项目，一些水厂、污水处理厂较多出现了不同类别的一些构造新颖、结构轻 巧、节能低耗的新型先进设备，使水工业设备行业的制造和研究者注意到它除了 设备本身的机械功能齐全、运行可靠之外，还能充分符合新工艺的开发，满足工 艺高水准的要求，并能改变原工艺中一些边界条件的限制。这些设备不仅从运动 机理及机械结构上较同类设备有了一些质的变化，而且在一定意义上给工艺的创 新与变革提供了可能和保证。统计显示，1 9 9 8 - - 2 0 0 2 年，中国在环境保护和生 态建设方面的投入达到5 8 0 0 亿元。但是由于我国的过滤机起步较晚，目前的水 工业设备与国外的差距大于水工艺与国外的差距，水工业专用设备的理论研究和 制造与国外的差距又大于通用设备与国外的差距，所以要提高我国水工业产业化 的水平，关键是抓好水工业设备，特别是高水平的水工业专用机械设备，这是我 国水工业设备产业的当务之急 本课题的研究目的就是通过开展对螺旋挤压式过滤机的理论研究，特别是针 对螺旋挤压过滤机的创新结构，追踪国际最新技术、专利，为国内螺旋挤压式过 滤机的设计开发和实际应用提供有价值的参考。本课题的研究具有一定经济价值 和社会价值。 1 6 论文研究的方法 1 6 1 有限元数值分析方法简介 对于许多工程分析问题，人们已经总结了他们遵循的基本方程( 常微分方 程或偏微分方程) 和相应的定解条件，但能用解析法求出精确解的只是少数方程 性质比较简单，且几何形状相当规则的问题，而对于物体的几何形状较复杂或者 问题的某些特征是非线性的问题则很少有解析解。这类问题的解决途径通常有两 种。一是将方程和几何边界进行简化假设，从而得到问题在简化状态下的解答。 但是这种方法只是在有限的情况下才是可行的，因为过多的简化可能导致误差很 大甚至错误的解答。因此人们多年来发展了另一种求解途径和方法数值解 法。 数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前在工程技术 领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界单元法、离散单元法和有限差 分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。 有限单元法的基本思想是将求解的域划分为一系列单元，单元之间仅靠节 点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由 7 北京化f t 大学硕十学位论文 于单元的形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式。从而 使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。随着单元数目的增 加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高， 解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精 确解3 。 近三十年来，有限单元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展，已 经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定 问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材 料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。数值模拟技术 通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。到8 0 年代初期，国际上较大型的面 向工程的通用程序已达上百种，由于这些通用程序使用方便、计算精度高，其计 算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。以a n s y s 为代表的工程 数值模拟软件，不断吸取计算方法和计算机技术的最新发展，将数值模拟方法、 计算机图形学和优化技术相结合，己成为解决现代工程学问题必不可少的有力工 具2 6 1 。 1 6 2a n s y s 有限元软件简介 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声场和耦合场于一体的大型通用有限 元分析软件，第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证。随着a n s y s 的发展与版本的不断 升级，该程序又添加了许多特殊的强大功能，这些功能使a n s y s 在解决各种领 域的多方面复杂问题中更加迅速有效。 a n s y s 软件主要包括三个部分t 前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场 的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来， 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 a n s y s 软件是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 、美 国宇航局( n a s a ) 、中国铁路机车车辆工业总公司、全国压力容器标准化技术 委员会( c n s c p v ) 等近二十种专业技术协会认可的标准分析软件，已成为国际 公认的工程仿真及校验工具。1 9 9 5 年1 0 月，该软件已通过全国压力容器标准化 第一章绪论 技术委员会的测试，并被认可为按压力容器分析设计标准( j b 4 7 3 2 1 9 9 5 ) 进行 压力容器分析设计的有限元分析软件乜引。截至到2 0 0 8 年1 2 月份止，a n s y s 的 最新版本是a n s y s1 1 0 。 1 6 3c f x 分析软件简介 c f x 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件，由英国 a e at e c h n o l o g y 公司开发。2 0 0 3 年，c f x 加入了全球最大的c a e 仿真软件 a n s y s 的大家庭中。c f x 的用户将会得到包括从固体力学、流体力学、传热学、 电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整体解决方案。 c f x 是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个c f d 传统瓶径问题上均 获得重大突破的商业c f d 软件。和大多数c f d 软件不同的是，c f x 用了基于有 限元的有限体积法，在保证了在有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元 法的数值精确性。c f x 是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业 化软件，这种求解技术避免了传统算法需要“假设压力项一求解一修正压力项” 的反复迭代过程，而同时求解动量方程和连续方程，加上其采用的多网格技术， c f x 的计算速度和稳定性较传统方法提高了1 2 个数量级。 诞生于工业应用背景中的c f x 一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、 强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领 着c f d 技术的不断发展。经过近3 0 年的发展，c f x 拥有包括流体流动、传热、 辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题的丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、 凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体 等大批复杂现象的实用模型。目前，c f x 的应用已经遍及航空航天、旋转机械、 能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保 等领域2 利。 1 7 论文研究的主要内容 本课题立足于新型螺旋挤压过滤机的分析研究，论文的主要内容有： ( 1 ) 参考国内外过滤设备最新发展，归纳和比较近年来螺旋挤压过滤机结构方 面的革新。 ( 2 ) 分析了一种新型的动静环式螺旋挤压过滤机。通过a n s y s 有限元分析软 件，建立其有限元模型，进行应力和应变分析，验证设计结构在解决过滤堵塞问 题上的优势。运用c f x 软件模拟动静环相对运动，对其流场进行分析，得到动 9 北京化丁人学硕士学位论文 静环结构对过滤物料流速的影响趋势。 ( 3 ) 对于目前较常见的自j 断式螺旋挤压过滤机，由于螺旋叶片被打断，工作时 在压力作用下易发生变形甚至破坏。本文通过a n s y s 有限元分析软件建立间断 式螺旋模型，确定间断式螺旋的危险截面及最大应力值，并比较不同螺棱厚度及 工作压力下，最大应力值的变化情况，为间断螺旋叶片的强度设计提供定参考。 l o 第一二章螺旋挤压过滤机的进展和应用 第二章螺旋挤压过滤机的进展及应用 2 1 螺旋挤压过滤机存在的问题 螺旋挤压过滤机结构相对简单，压榨力较大，脱水效果好，动力消耗低。但 螺旋挤压过滤机存在以下需要解决的问题： 首先，螺旋挤压过滤机进行脱水可以分为过滤阶段和压实阶段，如果螺旋在 高的转速下运行，挤压时间短，压力较低，卸渣的含湿量高。通过实验测定( 用 朝鲜高岭土和标准硅藻土的混合物，混合比例4 ：1 ) ，如图2 - 1 所示，对某种物 料不同的进料浓度，都对应有一个临界转速n c ，小于该转速卸渣浓度( 含固量) s d 就高，脱水效果好。为了保证出料的含固量，一般螺杆的转速很低，大致为 0 0 5 - - - l ，m i n ，无法提高产量。 硒“努) 图2 - 1 卸渣浓度与转速关系曲线 f i g 2 1t h er e l a t i o nc u r v ew i t hd u m p i n gs l a gc o n c e n t r a t i o na n ds c r e ws p e e d 其次，在处理粘度较大带有颗粒的物料，特别是纤维物料时，进料浓度稍大 又会发生堵塞，一般需中断过滤操作，更换过滤元件或取出清洗，既费时又费事， 影响处理效率。而且由于金属滤网间隙很小，冲洗时比较困难用水量很大。 再次，螺旋挤压过滤对入料浓度有一定要求，入料必须经过沉降或浓缩等处 理达到定浓度时，才能送入过滤机中进行处理。田纳西大学联合美国v i n c e n t 螺旋挤压过滤机公司通过实验得出了k p 一6 l 机型分离性能的实验数据m 1 。结果表 明入料含固量至少要大于0 4 9 6 ，且干料的俘获率随入料浓度的降低而降低。 由于过滤领域的广泛性和复杂性，螺旋挤压过滤机除存在上述三方面的主要 缺陷外，在处理具体物料时还会遇到其他问题。近年来，出现了一些新结构新技 术，使得螺旋挤压过滤机很大程度上实现了自清洗、高效率，螺旋挤压过滤机也 更广泛的应用到工业生产的各个领域剐删3 1 1 3 2 儿3 3 m 3 1 矧3 7 1 。 北京化t 人学碗i 学位论女 22 螺旋挤压过滤机的进展 221 间断螺旋和阻断齿 如图2 - 2 所示 图2 - 2 问断螺旋和阻断齿 r i g2 - 2 i n t e r r u p ts c r e wa n d r e s i s t o r t e e t h 当轴体旋转的时候，螺旋面与物料产生接触力。螺旋面接触力分解为周向分 力和轴向分力。在轴向分力的作用下，螺旋面推动物料沿着轴向方向运动，由入 口推向出口。在每一间断处，由于不存在螺旋面，物料便会堆积，直到满足一定 压力，才会被连续不断的进料推入下一个螺旋段。当物料输送至出口时，由出口 闯调节背压的大小，控制滤饼的含湿量。 连续式螺旋过滤只有在恒定进料速率以及恒定进料浓度的情况下，过滤效果 才比较好，一旦进科浓度或者进料速率降低，过滤效果就会变差。又或者进料浓 度增加时，过滤就可能会发生堵塞。为了抵消这种情况，需要的压力很高，而且 要频繁的变更螺杆转速，非常麻烦。相比之下，打断式螺旋过滤机就不存在这样 的问题。当进料浓度降低，压缩过滤依然很有效率。不管进料浓度如何，物料在 向前输送的过程中，都要在间断处停留，直到有足够浓度时才会继续向前。这种 自适应的特性保证了出料滤饼的品质，而且能够适应不同的螺杆转速。间断式螺 旋挤压机与连续螺旋挤压过滤机相比，多数情况下能够更有效地降低滤饼的含湿 量，因此广泛的运用于各个行业的固液分离和脱水，特别是污水脱水、浓缩，鱼 肉加工，啤酒制造等方面。 此外，另一个主要的改进就是阻断齿的发明。打断式螺旋挤压机内网悬挂多 第二常螺旋挤压过滤机的进展和应用 个阻断齿，阻断齿位置是无螺旋面。物料到阻断齿位置时候，就会停止前进并且 被堆积起来，产生反向挤压力，随着物料的堆积，压力的增大，物料就会强迫 被推动前进，这样物料浓度被进一步的提高。这种自动修正性阻断齿能有救的阻 止含湿量较高的物料直接排放出卸料口，不需要配备可变速电机就能够舞阻人们 期望的结果：更高效的过滤，更均匀的滤饼。而且阻断齿进一步起到了增加搅动， 减小物料同轴旋转的趋势。鱼肉、桔皮的脱水加工中，通过在阻断齿钻孔开通道， 然后直接将流体注射入过滤机内的物料中，过滤效果更好。 随着技术的不断进步，打断式螺旋的应用不仅仅局限在处理黏糊状的物料， 其特点在处理加工诸如苜蓿、玉米、造纸原料等纤维物料时，经济、高效的优点 表现无疑。 优点：具有相对比较高的转速( 目前间断式螺旋挤压过滤机的转速可达到 1 5 2 5 r r a i n 4 ) ，能够适应变化的进料浓度和进料速率，处理粘稠物料及其他难 处理物料。同时，安装阻断齿后，有效的减少了物料与滤网的相对速度，减小了 滤网的磨损。而且阻断齿还增加了挤压机内的搅动进一步的减小了物料与螺旋 同步旋转的趋势。打断式螺旋结构可以最大限度的减小物料和网体的同步运转， 处理光滑物料的时候仍然具有比较高的效率。 222 滤网冲洗系统 滤网冲洗系统通常用高压水泵与过滤机安装在一起，泵上加计时器并且到 达水位时开启电磁阀，另有一个电磁开关驱动空气汽缸，带动喷嘴来回冲刷滤网。 配各功率5 h p 的泵便可将水压提高到i s m p a ，清洗时更有效率如图2 - 3 所示： 目2 - 3 滤月渖磊j 百i f i g2 3s c r e e nf l u s hs y s t e m 北京化t 人学硕士学位论文 冲洗时一般要用到三种液体：水、腐蚀剂和酸。将这三种液体按顺序冲洗滤 网，能冲洗掉滤网上粘附着的化学物质，最后在用清水冲洗一遍。冲洗的喷嘴分 为固定式和滑动式。固定式喷嘴延滤网长度方向有四个集管，为别位于右上、左 上、右下和左下方，喷液圆锥型的喷雾形态保证整个滤网清洗。滑动式喷嘴就是 由汽缸带动，由一个喷嘴喷射液体，来回移动冲刷滤网。喷雾为扇形，冲刷效果 更好。 优点：清洗时不需要对过滤机进行拆卸，也不需要另行的清洗设备，有电磁 开关控制喷嘴来回往复清洗滤网，实现连续生产。 2 2 3p l c 控制 在过滤鱼、虾等废料时发现这样一种情况，过滤开始时，入料经过挤压，滤 出液从滤网流出。但几分钟之后流动就停止了，滤饼也不会从卸料口排出。主要 原因是物料无法被压缩增稠，卸料锥不能被顶开。 为了克服这个问题，在控制卸料锥的汽缸上安装了计时器和电磁阀，设定好 计时周期，每隔一段时问由计时器发出脉冲驱动电磁阀，然后控制开启卸料锥。 此外，有的造纸厂在螺旋挤压过滤机的进料器上安装了p l c 装置，当进料到一 定程度，卸料锥就会打开倾倒滤饼。 优点：螺旋挤压过滤机在处理这种间断流动时造成堵塞，很可能因为滤饼不 能排出而使得压力过大，滤网和螺旋都会遭到破坏。使用p l c 装置定时开启卸 料锥排出滤饼，虽然影响产量但是能很好的避免因堵塞产生的问题。 2 2 4 流体射入 目前间断式螺旋挤压过滤机的螺旋一般被分为3 7 个压缩段，每两段间都有 间隙，间隙处设有阻断齿。阻断齿固定在滤网( 一般为对开式结构) 外部，伸入 打断螺旋的间隙。设计阻断齿的目的是为了阻止物料随螺杆同轴旋转，起到搅动 的作用。此外，通过在阻断齿上钻孔形成通道，可以用泵将液体从外部注射入过 滤机内。如图2 - 4 所示： 1 4 第= 螵旌挤过滤机的进展和 月 图24 流体射入 f i g2 - 4 f l u i d i n j e c t i o n 在污泥脱水处理中，注入高温蒸汽，使得污泥温度达到5 0 8 0 e 。降低污 泥中水分的粘度，促使其迅速脱水。由于打断式螺旋的设计，过滤机停止工作后， 机身内尤其是间断处会残留一部分物料。通过阻断齿上的开孔通道用泵将水或 者苛性碱涪液注射进去，用以冲刷清洗，避免了需要打开过滤机进行冲洗的过程。 此外，过滤机工作时通过阻断齿注射液体，可以显著提高脱水率，经研究发现 ( p r e s s i 雌n e w s # 1 2 9 0 f j u l y ，2 0 0 2 ) ，处理柑橘类作物生产废水时，脱水率可 以提高4 。 通常情况下，用以注射的液体主要起清洗作用，但有时也将溶耕注射到过滤 机内。这样是为了更好的获取原料中的可溶性物质，例如过滤椰肉时通过射入热 水，可以将椰肉中的溶解固体更充分的析出，椰乳产量高而且能更好的保留其风 味。 225 高产量( 低压缩) 螺杆 1 9 9 5 年v i n c e n t 公司开