（流体机械及工程专业论文）定盘式加压过滤机的结构设计及数值模拟.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q 4 6 0 5 学科分类号4 7 0 3 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 4 0密级 非保密 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化l ：大学 作者姓名朱庆强学号2 0 0 9 0 0 0 7 4 0 获学位专业名称流体机械及工程获学位专业代码0 8 0 7 0 4 课题来源白选研究方向 计算机辅助工程 论文题目定盘式加压过滤机的结构没计及数值模拟 定盘式加压过滤机，结构设计和数值模拟，滤盘应力分析，进料 关键词 流道流场分析 论文答辩日期2 0 1 2 0 5 2 9+ 论文类型应州研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称i ：作单位学科专k 指导教师钱才富教授北京化l 人学化i ：过程机械 评阅人1 段成红 副教授 北京化工人! 学化丁过程机械 评阅人2戴凌汉高：亡北京化丁大学化工过程机械 答辩委员会主席蔡纪宁高i ：北京化工人学化i ：过程机械 全国锅炉压力容器 答辩委员1陈朝晖高1 ：化i ：过程机械 标准化技术委员会 答辩委员2何立东教授北京化i ：人学化l ：过程机械 答辩委员3陈平 副教授北京化j ：人学化l ：过样机械 答辩委员4张秋翔高l 北京化i ：人学化l ：过程机械 答辩委员5戴凌汉高l ：北京化r 人学化j ：过样机械 答辩委员6段成红 副教授北京化t 人学化i ：过程机械 注：一论文类型：1 基础研究 二中图分类号在中国图 2 应刚研究3 开发研究4 其它 5 资料分类法查询。 二学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 淘。 四论文编号由单位代码平i j 年份及学号的后四位组成。 摘要 定盘式加压过滤机的结构设计及数值模拟 摘要 加压过滤机是近几十年为处理难过滤物料而开发的一类固液分离装 备，广泛应用于矿业、冶金、食品、医药、化学工业和环保工程等领域。 近些年，结构和运行机理各不相同的加压过滤机陆续出现，定盘式加压过 滤机就是其中一种新型高效的加压过滤设备。本论文主要对此设备进行设 计及研究。 论文在详细介绍近些年国内出现的加压过滤机结构和工作原理的基 础上，对定盘式加压过滤机进行了结构设计。设计的结构包括滤盘、端板、 分隔器、气液管道、密封壳、刮刀系统、加压和密封壳驱动系统、卸料筒、 支腿和外壳等，其中支撑环和支承筋两种类型的滤盘是定盘式加压过滤机 的核心结构部件。论文还针对定盘式加压过滤机的特殊结构和性能专门设 计了一套独有的气液管道系统，绘制了一套设备的核心部分零件图。 论文对定盘式加压过滤机滤盘进行了应力分析，并对进料流道流场进 行了数值模拟。应力分析主要以直径5 0 0 m m 系列滤盘为例，应用a n s y s 有限元软件对支撑环和支承筋滤盘抵抗破坏和变形的能力进行研究，也对 7 0 0 m m 和1 0 0 0 m m 直径系列滤盘的结构进行了分析。同时，论文还研究 了支撑环滤盘支撑环间距等比增长以及支承筋滤盘支承筋宽度变化时，引 起的结构抵抗破坏和变形能力的变化。流场分析部分主要针对原始进料流 道和改进后的进料流道的流场进行模拟，研究其中的径向流速、压力以及 北京化工大学硕士学位论文 第二相的体积分数在流道中的分布情况，并对两种进料流道结构的模拟结 果进行对比分析，结果表明改进后的进料流道性能更佳。 关键词：定盘式加压过滤机，结构设计和数值模拟，滤盘应力分析，进 料流道流场分析 s t r u c t u r a ld e s i g na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fs t a t i c d i s cp r e s s u r ef i l t e r a b s t r a c t a sd e v e l o p e dt od e a lw i t hs o m es p e c i a lm e d i aw h i c ha r eg e n e r a l l yh a r d t ob es e p a r a t e d ，p r e s s u r ef i l t e ri sak i n do f s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t w h i c hc a nb ew i d e l yu s e di nm i n i n g ，m e t a l l u r g i c a l ，c h e m i c a l ，e n v i r o n m e n t a l ， f o o da n dp h a r m a c e u t i c a li n d u s t r i e s ，e t c r e c e n t l y ，s c i e n t i s t sh a v ed e v e l o p e d s o m ep r e s s u r ef i l t e r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n do p e r a t i o nm e c h a n i s m s a m o n gt h e m ，s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e ri st h en e wa n de f f e c t i v es o l i d - l i q u i d s e p a r a t i o ne q u i p m e n t t h i st h e s i sw i l lb ec o n c e n t r a t e do nt h ed e s i g na n ds t u d y o ft h es t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r b a s e do nt h es t u d yo ft h es t r u c t u r e sa n dm e c h a n i s m so ft h ep r e s s u r i z e d f i l t e r s d e v e l o p e dr e c e n t l y ，as t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e ri ss t r u c t u r a ld e s i g n e d w h i c hi n c l u d e sf i l t e rp l a t e ，e n db o a r d s ，s p a c e r s ，g a s l i q u i dp i p es y s t e m ，s e a l i n g h o u s i n g ，s c r a p e rs y s t e m ，p r e s s u r e da n ds e a lh o u s i n gd r i v i n gs y s t e m ，c a k e d i s c h a r g i n gs y s t e m ，l e g sa n dh o u s i n gd e s i g n a m o n gt h e m ，s u p p o r t i n gr i n g a n ds u p p o r t i n gr i bf i l t e rp l a t e sa r ek e yc o m p o n e n t so fs t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r as e to fg a s - l i q u i dp i p es y s t e mw a ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h es t a t i cd i s c p r e s s u r ef i l t e ri no r d e rt ob em o r es u i t a b l ef o rt h es p a c ec h a n g eo ft h ef i l t e r p l a t e d r a w i n g sf o rt h ew h o l ef i l t e ra sw e l la si t sp a r t sa r ef i n i s h e d a l s oi nt h i st h e s i s ，s t r e s sa n df l u i df l o wa n a l y s e sw e r ep e r f o r m e d t h e s t r e s sa n a l y s i si sf o rt h ef i l t e r p l a t ew i t h ad i a m e t e ro f5 0 0m n ls e r i e s a t t e n t i o n sa r ec o n c e n t r a t e do nt h e c a p a b i l i t yo ft h es u p p o r t i n gr i n ga n d s u p p o r t i n gr i bf i l t e rp l a t e si nr e s i s t i n gd e f o r m a t i o no rs t r e n g t hf a i l u r ew i t ht h e e f f e c t so fs u p p o r t i n g r i n gs p a c i n ga n ds u p p o r t i n gr i bw i d t h a f t e rt h a t ， s t r e n g t ha n a l y s i sf o rt h e7 0 0 m ma n dl0 0 0 m ms e r i e sf i l t e rp l a t ew e r ea l s o c o n d u c t e d f u r t h e r m o r e ， t h ef l u i df l o wa n a l y s i si s m a i n l yf o rt h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o ni nt h e i n i t i a l l yd e s i g n e d f e e d i n g c h a n n e la n d i m p r o v e df e e d i n g c h a n n e l d i s t r i b u t i o n so fr a d i a lv e l o c i t y ，p r e s s u r ea n dv o l u m ef r a c t i o no ft h es e c o n d 北京化工大学硕士学位论文 p h a s em e d i u ma r eo b t a i n e d c o m p a r i n go ft h er e s u l t sf o rt h et w oc h a n n e l s s h o w st h a tt h ei m p r o v e df e e d i n gc h a n n e li sb e t t e rt h a nt h ei n i t i a l l yd e s i g n e d o n e k e yw o r d s ：s t a t i c d i s c p r e s s u r ef i l t e r , s t r u c t u r a ld e s i g n a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，f i l t e rp l a t es t r e s sa n a l y s i s ，f e e d i n gc h a n n e lf l o wf i e l da n a l y s i s v 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 本课题研究的背景1 1 2 定盘式加压过滤机的国内现状及应用领域1 1 3 课题的研究内容2 1 4 课题的研究方法3 1 4 1 有限单元法简介3 1 4 2a n s y s 软件简介一3 1 4 3f l u e n t 软件简介3 1 5 本课题的研究意义4 第二章加压过滤机的发展概况5 2 1 圆盘式加压过滤机5 2 1 1 圆盘式加压过滤机的结构5 2 1 2 圆盘式加压过滤机的工作原理6 2 1 3 圆盘式加压过滤机主要技术特点7 2 2 转鼓式加压过滤机7 2 2 1 转鼓式加压过滤机的结构7 2 2 2 转鼓加压过滤机的工作原理8 2 2 3 加压转鼓过滤机的技术特点9 2 3 筒式加压过滤机1 0 2 3 1 筒式加压过滤机的结构1 0 2 3 2 筒式加压过滤机的工作原理1 0 2 3 3 筒式加压过滤机的适用范围和技术特点1 1 2 4 定盘式加压过滤机1 2 2 4 1 定盘式加压过滤机的结构1 2 2 4 2 定盘式加压过滤机的工作原理1 3 2 4 3 定盘式加压过滤机的技术特点1 4 2 5 定盘式式加压过滤机与其它加压过滤机的比较1 5 v 北京化工大学硕士学位论文 第三章定盘式加压过滤机的结构设计19 3 1 定盘式加压过滤机整体设计1 9 3 2 定盘式加压过滤机核心零部件结构设计2 1 3 2 1 滤盘2 1 3 2 2 端板2 5 3 2 3 分隔器2 7 3 2 4 气、液管道2 7 3 2 5 密封壳2 9 3 3 运动结构设计3 0 3 3 1 刮刀系统3 0 3 3 2 加压驱动系统3 2 3 3 3 密封壳驱动系统3 3 3 4 其它结构设计3 3 3 4 1 卸料筒设计3 3 3 4 2 支腿结构设计3 4 3 4 3 外壳设计3 5 3 5 定盘式加压过滤机的系列化3 7 第四章滤盘结构研究及a n s y s 应力分析。3 9 4 1 单元介绍及评定方法简介3 9 4 1 1 单元介绍3 9 4 1 2 应力评定方法3 9 4 2 支撑环滤盘结构a n s y s 力学分析4 0 4 2 1 有限元模型建立4 1 4 2 2 网格划分4 3 4 2 3 施加载荷4 5 4 2 4 有限元计算结果4 7 4 3 支撑筋滤盘结构a n s y s 力学分析4 9 4 3 1 有限元模型建立4 9 4 3 2 网格划分5 0 4 3 3 载荷施加5 1 4 3 4 有限元计算结果5 1 v l 目录 4 4 两种结构的比较研究5 4 4 4 1 抵抗应力破坏能力的研究。5 4 4 4 2 抵抗变形能力的研究。5 6 4 4 3 其它性能的比较5 8 4 5 其它直径系列滤盘结构研究5 8 4 5 17 0 0 m m 直径系列滤盘结构研究5 8 4 5 21 0 0 0 m m 直径系列滤盘结构研究6 1 4 5 37 0 0 m m 和10 0 0 m m 直径系列滤盘结构对比研究6 3 4 6 支撑环间距影响的研究6 5 4 7 支撑筋宽度影响的研究6 8 4 8 本章小结6 9 第五章进料通道f l u e n t 流场分析7 1 5 1 基本物理模型7 1 5 1 1 连续性与动量守恒方程7 1 5 1 2 多相流模型7 2 5 2 数值模拟7 2 5 2 1 建立模型7 2 5 2 2 戈0 分网格7 3 5 2 3 边界条件及数值计算设置7 5 5 2 4 计算结果后处理7 6 5 3 流场分析结果讨论8 0 5 3 1 速度分布状况比较8 0 5 3 2 压力分布情况比较8 0 5 3 3 体积分率分布情况比较8 l 5 3 4 本章小结8 1 第六章结论和展望8 3 6 1 结论8 3 6 2 展望8 4 参考文献8 5 北京化工大学硕士学位论文 致谢。8 7 研究成果及发表的学术论文8 9 作者和导师简介9 1 c o n t e n t s c o n e n t s c h a p t e r1o v e r v i e w 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d so f t h es t u d y 1 1 2r e s e a r c hs t a t u sa n da p p l i c a t i o nf i e l d so f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 1 3t h ec o n t e n t so f s t u d y 2 1 4t h em e t h o d so fs t u d y 3 1 4 1i n t r o d u c t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 3 1 4 2i n t r o d u c t i o no f a n s y ss o f t w a r e 3 1 4 3i n t r o d u c t i o no ff l u e n ts o f t w a r e 3 1 5s i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y 4 c h a p t e r2d e v e l o p m e n to fp r e s s u r ef i l t e r 5 2 1d i s cp r e s s u r ef i l t e r 5 2 1 1s t r u c t u r eo f d i s cp r e s s u r ef i l t e r 5 2 1 2w o r k i n g p r i n c i p l eo f d i s cp r e s s u r ef i l t e r 6 2 1 3t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f d i s cp r e s s u r ef i l t e r 一7 2 2r o t a r yp r e s s u r ef i l t e r 7 2 2 1s t r u c t u r eo f r o t a r yp r e s s u r ef i l t e r 7 2 2 2w o r k i n g p r i n c i p l eo f r o t a r yp r e s s u r ef i l t e r 8 2 2 3t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f r o t a r yp r e s s u r ef i l t e r 9 2 3c a r t r i d g ep r e s s u r ef i l t e r 1 0 2 3 1s t r u c t u r eo f c a r t r i d g ep r e s s u r ef i l t e r 1 0 2 3 2w o r k i n gp r i n c i p l eo f c a r t r i d g ep r e s s u r ef i l t e r 1 0 2 3 3t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f c a r t r i d g ep r e s s u r ef i l t e r 1 1 2 4s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 2 2 4 1s t r u c t u r eo f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 2 2 4 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fs t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 3 2 4 3t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 4 2 5t e c h n i c a lc o m p a r i s o no f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e rw i t ho t h e rf i l t e r 1 5 ! ! 塞垡三奎兰堡主兰垡笙奎 一 c h a p t e r3s t r u c t u r ed e s i g no f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 9 3 1o v e r a l ld e s i g no fs t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 1 9 3 2s t r u c t u r ed e s i g no f k e yp a r t so f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 2 1 3 2 1f i l t e rp l a t e 2 1 3 2 2e n dp l a t e 2 5 3 2 3s p a c e r s ”2 7 3 2 4g a s 1 i q u i dp i p es y s t e m ”2 7 3 2 5s e a lh o u s i n g 2 9 3 3s t r u c t u r ed e s i g no f m o v i n gp a r t s 3 0 3 3 1s c r a p e r 3 0 3 3 2p r e s s u r e dd r i v i n gs y s t e m 3 2 3 3 3s e a lh o u s i n gd r i v i n gs y s t e m 3 3 3 4s t r u c t u r ed e s i g no fo t h e rp a r t s 3 3 3 4 1c a k ed i s c h a r g i n gs y s t e m 3 3 3 4 2l e g s 3 4 3 4 3h o u s i n g 3 5 3 5s e r i a l i z a t i o no f s t a t i cd i s cp r e s s u r ef i l t e r 3 7 c h a p t e r4s t r u c t u r a ls t u d ya n d s t r e s sa n a l y s i so ff i l t e rp l a t e 3 9 4 1h l t r o d u c t i o nt oe l e m e r i t sa n ds t r e s se v a l u a t i o nm e t h o d 3 9 4 1 1e 1 e m e n t s 3 9 4 1 2s t r e s se v a l u a t i o nm e t h o d 3 9 4 2s t r e s sa n a l y s i so f t h ef i l t e rp l a t ew i t hs u p p o r t i n gr i n g s 4 0 4 2 1f i n i t ee l e m e n tm o d e l 4 1 4 2 2m e s h i 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m e t e rf i l t e rp l a t e s 6 3 4 6s t u d yo f t h ee f f e c to f t h es u p p o r t i n gr i n gs p a c i n g 6 5 4 7s t u d yo f t h ee f f e c to f t h es u p p o r t i n gr i bw i d t h 6 8 4 8s u m m a r y 6 9 c h a p t e r5f l o wf i e l da n a l y s i si nt h ef e e d i n gc h a n n e l 7 1 5 1b a s i cp h y s i c a lm o d e l 7l 5 1 1c o n t i n u o u sa n dm o m e n te q u a t i o n s 7 1 5 1 2m u l t i p h a s ef l o wm o d e l 7 2 5 2n u m e r i c a la n a l y s i s 7 2 5 2 1m o d e l i n g 7 2 5 2 2m e s h i n g 7 3 5 2 3b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns e t t i n g s 7 5 5 2 4c a l c u l a t i o nr e s u l t s 7 6 5 3f l o wf i e l da n a l y s i sr e s u l t sd i s c u s s i o n 8 ( ) 5 3 1v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ns i t u a t i o nc o m p a r i s o n 8 ( ) 5 3 2p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ns i t u a t i o nc o m p a r i s o n 8 0 5 3 3v o l u m ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o ns i t u a t i o nc o m p a r i s o n 81 5 3 4s u m m a r y 81 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 8 3 6 1c o n c l u s i o n s 8 3 6 2s u g g e s t i o n s 8 4 r e f e r e n c e s 8 5 a k n o w l e d g e m e n t s 8 7 北京化t 人学坝i j 学位论义 l i s to fp u b l i s h e dp a p e r so rp a t e n t s 8 9 b i o g r a p h i e so f t h ea u t h o ra n ds u p e r v i s o r 9 1 符号说明 符号说明 滤板开孔率 过滤孔圆弧端曲率半径，m i l l 过滤孔直边长度，n l l l l 一次总体薄膜应力强度，m p a 一次局部薄膜应力强度，m p a 一次薄膜总体或局部应力强度加一次弯曲应力强度， m p a 一次3 n - 次弯曲应力强度，m p a 峰值应力强度，m p a 一次总体薄膜应力，m p a 一次局部薄膜应力，m p a 一次弯曲应力，m p a 二次弯曲应力，m p a 设计应力强度，m p a 载荷组合系数，在无地震和风载时取1 0 第一主应力，m p a 第三主应力，l k , i p a 最大切应力，m p a 最大切应力屈服极限，m p a 强度极限，m p a 屈服极限，m p a 弹性模量，m p a 泊松比，对于钢材一般取0 3 导热系数，w m m 密度，k g m 3 控制面 控制体 单位质量流体在x 方向的质量力，n k g 单位质量流体在y 方向的质量力，n k g 单位质量流体在z 方向的质量力，n k g x 九d l 是 黾r qk吼、 风e 鞋 伍 p a v k 嘞 北京化工大学硕士学位论文 p i j ( i - x ，y ，z ： j = x ，y ，z 且 i j ) p q - - - - _ 饧 名 & - - _ v d r , p 流体内应力张量的分量，p a 两相流中的第二相 两相流中的主相 相对速度也称为滑移速度，m s 两相流中第二相的速度，m s 两相流中的主相的速度，m s 第二相p 的体积分数，1 0 0 第二相p 的密度，k g m 3 混合相的速度，m s 第二相p 的漂移速度，m s x l v 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 水资源是一种宝贵的战略性自然资源，关系到人类的物质生活质量和