基于挤出理论的螺旋挤压脱水机机理研究优秀毕业论文.pdf

本 独立进 论文不 的研究 人完全 作 堂 于 的规定 京化工 件和磁 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 在土年解密后适用 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 垂叁 日期 互 f 么 2 导师签名 绁奎日期 护 二 学位论文数据集 中图分类号t q 0 2 8 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 l 0 0 10 2 0 1 1 0 6 6 0 密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名 李鑫学号 2 0 0 8 0 0 0 6 6 0 获学位专业名称化工过程机械 获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源 8 6 3 计划研究方向 脱水设备 论文题目基于挤出理论的螺旋挤压脱水机机理研究 关键词螺旋挤压 脱水 含水率 过程模拟 论文答辩日期 2 0 1 1 5 3 l 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张冰副研究员北京化工大学 橡胶塑料机械 评阅人l杨卫民教授北京化工大学机械设计及理论 评阅人2罗兵副教授北京化工大学化工过程机械 撇员会蛳 王奎升 教授 北京化工大学石油机械 答辩委员1何立东研究员北京化工大学 动力机械 答辩委员2杨卫民教授北京化工大学机械设计及理论 答辩委员3张亚军教授 北京化工大学机械设计及理论 答辩委员4张有忱教授北京化工大学机械设计及理论 答辩委员5周俊良教授北京化工大学工业设计 答辩委员6钱才富教授北京化工大学机械辅助工程 答辩委员7薛平研究员北京化工大学聚合物加工 注 一 论文类型 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 三 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 查询 四 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 基于挤出理论的螺旋挤压脱水机机理研究 摘要 随着化石燃料储量的日益减少 对作为化石燃料的替代品的生物 能源的研究逐渐增多 在制备生物燃料的过程中 通常需要对原材料 进行脱水操作 由于在此过程生物燃料原材料具有 高含水率 低粒 径 等特点 传统的脱水设备 如带式压滤机和筒式压滤机 很难达 到生物能源制备领域对脱水设备 低出口含水率 高出油率 的要求 针对这种情况 需要对脱水设备和脱水过程进行新的研究 本研究以含糖废水中培育的酵母菌混合液脱水压榨 制备生物柴 油为应用方向 针对酵母菌混合液的脱水效果和细胞破壁效果对螺旋 挤压脱水机进行了理论研究 从宏观和微观两个方面建立了在螺旋挤 压脱水机脱水过程中酵母菌混合液的物理模型 建立了螺旋挤压脱水 过程的数学模型 得到了酵母菌混合液物料初始含水率与其在螺旋挤 压脱水机中停留时间之间的关系 以及螺旋挤压脱水机机头压力与物 料初始含水率 出口含水率和产量的关系 并以上述关系为基础 提 出符合酵母菌混合液对脱水设备 低出口含水率 高剪切作用 要求 的螺旋挤压脱水机螺杆长度 螺杆构型和机筒结构等设计参数的设计 方法 并绘制综合反映螺杆转速 机头压力物料出口含水率和产量之 间关系的螺旋挤压脱水机生产特性图 用以预测酵母菌混合液在螺旋 挤压脱水机中的脱水效果 调整螺杆转速和机头压力等工艺操作参数 i 北京化t 大学硕 l 学位论文 同时 本研究利用上述设计方法研究设计了单螺杆 双螺杆螺旋挤 压脱水机 并以双螺杆螺旋挤压脱水机对酵母菌混合液进行脱水实验 研究 实验结果达到课题项目对酵母菌混合液脱水效果的要求 并以 实验结果验证了螺旋挤压脱水机生产特性图 关键词 螺旋挤压 脱水 含水率 过程模拟 i i m e c h a n i s i ms t u d yo fs c r e w s q e e z e r b a s e do n e x t r u dt h eo r y a b s t r a ct f o l l o w i n g 劬mr e d u c i n go ff o s s i l 如e l r e s e a r c ho nb i o e n e 理 yg e t s m u c hm o r et h a no t h e rd a s i n 也ep r o c e e do fp r 印a r a t i o nb i o m e l s d e w a t e r i n gp r o c e s s e sh a db e e nu s e d c h 牡a c t e r i s t i c 弱 h i g hm o i s t u r e l o w d 只l o wv i s c o s i t y m a k et m d i t i o n a ld e w a t e r i n ge 1 u i p m e n t sc a nn o tb e u s e d 勰t h i ss i t u a t i o n an e wt y p eo fd e w a t e d n ge q u i p m e n ts h o u l db e r e s e a r c h e d y e a s td e w a t 耐n gi np r 印撕n go f b i o 如e l sa saa p p l i c a t i o nf i l e d c e l l d i s m p t i o na n dd e w a t 耐n gs e q u e lh a db e e nr e s e a r c h e d m a c r o v i e w m i c r 0 一v i e wo fp h y s i c a lm o d e la n dr e l a t i o nb e 附e e ni n i t i a lm o i s t u r ea n d r e s i d e n t i a lt i i n eh a db e e nb u i l t t h er e l a t i o n sb e t w e e ni n i t i a lm o i s t l l r e d i e p r e s s u r e d i em o i s t u r eh a db e e nb u i l t b a u s e do nt l l o s er e l a t i o n s ad e s i g n p 血c i p a lh a sb e e nb u i l t a n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c m 印h a db e e nb u l t a sac r i t i c a lw a yo f p r e d i c t i n go p e r a t i n gc o n d i t i o na 1 1 da d j u s t i n go fs c r e w s q u e e z e ro p e r a t i o np a r a m e t e r s b a s e do nm e o r e t i c a l r e s e a r c ho fs c r e w s q u e e z e r n e wt y p e so f s i n g l e t w i ns c r e ws q u e e z e rh a db e e nd e s i g n e d d e w a t e r i n gp r o c e s so fy e a s t l i l 北京化工人学硕士学位论文 h a db e e nr e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a l l y i t sr e s u l t ss h o wt h a tr e s e a r c h c o n c l u s i o n sf i tt h ed e m a n do f p r e c t i nt h e m e a n t i m e 0 p e r a t i n g c h 撒忙t 耐s t i c m 印h a db e e nv 嘶f i e d k e yw o r d s s c r e w s q u e e z e d e w a t e r i n g m o i s t u r e i m i t a t i o np r o c e s s i v 目录 目录 第一章绪论 1 1 1 研究背景和项目意义 1 1 2 过滤理论介绍 2 1 3 过滤设备介绍 7 1 4 现有过滤设备对项目要求的适应性及本文的研究目的 l l 第二章螺旋挤压脱水机脱水的物理和数学模型 1 3 2 1 螺旋挤压脱水机脱水过程的物理模型 l3 2 2 达西定律 18 2 2 1 定律推导 1 8 2 2 2 达西定律应用条件 1 9 2 3 多孔介质的性质 2 0 2 3 1 多孔介质的孔隙率 2 0 2 3 2 多孔介质渗透系数与孔隙率的关系 2 l 2 4 螺旋挤压脱水过程的数学模型 2 2 2 4 1 充满段长度 2 3 2 4 2 物料正常输送条件 2 4 2 4 3 物理坐标 时间坐标的关系 2 4 2 4 4 螺槽中物料的含水率分布 2 6 2 4 5 物料含水率分布迭代式 2 7 2 5 小结 3 0 第三章螺旋挤压脱水过程的模拟与分析 3 l 3 1 脱水过程输入参数对数学模型精度的影响 3 1 3 1 1 迭代过程的计算输入参数 3 l 3 1 2 迭代试算 3 4 3 1 3 不同停留时间的影响 3 6 3 1 4 初始含水率的影响 3 9 v 北京化工大学硕士学位论文 3 1 5 不同螺杆转速的影响 4 0 3 1 6 小结 4 1 3 2 螺旋挤压脱水机设计 4 2 3 2 1 螺杆长度设计 4 2 3 2 2 螺杆构型设计 4 4 3 2 3 小结 4 5 3 3 螺旋挤压脱水机生产特性图 4 5 3 4 螺旋挤压脱水机生产特性图的使用 5 3 3 4 1 以特性图为基础预测物料出口含水率及产量 5 3 3 4 2 以物料出口含水率和产量为目标调整螺杆转速和机头压力 5 5 3 4 小结 5 8 第四章螺旋挤压脱水机的实验分析 5 9 4 1 实验装置 一5 9 4 1 1 双螺杆螺旋挤压脱水机 5 9 4 1 2 单螺杆螺旋挤压脱水机 6 0 4 2 挤压脱水实验分析 6 2 4 2 1 螺杆转速的影响 6 2 4 2 2 机筒温度的影响 6 6 4 2 3 物料正常输送特性曲线的验证 6 9 4 3 小结 7 1 第五章结论与展望 7 3 5 1 论文的主要结论 7 3 5 2 对本课题研究的展望 7 4 参考文献 7 5 致谢 7 9 研究成果及发表的学术论文 8 l 作者与导师简介 8 3 v i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t i o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d s i 班f i c 觚c eo fs t u d y 1 1 2s i m a t i o no fs 叫yi nf i l t e rm e o r r 2 1 3f i l t e r i n ge q u j p m e n t 7 1 4s u i t a b i l i 哆o ff i l t e 血ge q u i p m e n ti i lp r o j e c td e m 锄d 1 1 c h a p t e r2p h y s i c m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs c r e ws q u e 铊r r 1 3 2 1p h y s i cm o d e lo fs c r e ws q u e e z r 13 2 2d 眦y sl a w 18 2 2 1d e d i 硎0 no fd a r c y sl a w l8 2 2 2d i s c 啵s 髓o f d a r c y sl a w 1 9 2 3c h a r a c t 耐s t i co f p o r 0 1 1 sm e d i u m 2 0 2 3 1p o r o s i t yo f p o r o u sm e d i 啪 一2 0 2 3 2r e l a t i o nb e t e e i lp o r o s 毋 p 锄e a b i l i 锣 2 l 2 4m a t h 锄a t i c a lm o d e lo fs c 硼7 l s q u e e z e r 2 2 2 4 1l e n g t ho f f i l l e ds c r e ws e c t i o n 2 3 2 4 2m a t e f i a ln o n i l a lt 1 m l s p o r t i l l gc o n d i t i o n 2 4 2 4 3r e l a t i o np h 归c a l t i i n ec o o r d i n a t e 2 4 2 4 4m o i s t i l i ed i s 乜司b u 廿o ni ns c r l c h a n n c l 2 6 2 4 5n e 瑚血o no f m o i s t i l r ed i s t r i b u t i o n 2 7 2 5c o n c h 骆i o n s 3 0 c h a p t e r3i m i t a t i o n a n a l y s i so fs c r e we x t r a c t i o np r o c e s s 3 1 3 1e 腩c to f i n p u tp a r a l n e t e r so f i t e r a t i o n 3 1 3 1 1i n p u tp 猢e t e r so f i t e r a t i o nc a l c u l a t i n gp r o c e s s 3 1 3 1 2n e i a t i o nt i i a l 3 4 3 1 3e f f e c to f v a r i o u sr e s i d e n t i a lt i m e 3 6 3 1 4e f f e c to f v a r i o u si n i t i a lm o i s t u r e 3 9 v l i 北京化 t 大学硕 i j 学位论文 3 1 5e 腧c to f v 撕o u ss c r e ws p e e d 4 0 3 1 6c o n c l u s i o n s 4 1 3 2d e s i g l l i n go f s c r e ws q u e e z e r 4 2 3 2 1d e s i g n i n go fs c r e wl e l l g m 一4 2 3 2 2d e s i 班i n go fs c r e wt h r e a d 4 4 3 2 3c o n c l u s i o n s 4 5 3 3c h a r a c t 面s t i c m 印o fs c r e ws q u e e z e r 4 5 3 4a p p l i c a t i o no f o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i 争m a p 5 3 3 4 1p r e d i c t i n g0 p 利i n gc o n d i t i o nb a s e do no p e r a t i n gc h 麟耐耐s t i 争m 印 5 3 3 4 2a d j u s n l l e n to fs c r e ws q u e e z e f0 p e r a t i o np a r 蹦l e t e r sb a s e d0 nq e r a t i n g c h 钺衙耐s t i c m 印 5 5 3 4c o n c l u s i o n s 5 8 c h a p t e r4e x p e r i m 钮t e x p e r i m 蚰ta n a l y z e o fs c r e ws q u e 睨e r 5 9 4 1e x p 甜m e i l t a le q u i p m e n t 5 9 4 1 1t w i n s c r e ws q u e e z e r 5 9 4 1 2s i n 酉e s c r e ws q u e e z e r 6 0 4 2e x p e r i m e n t 觚a 1 r z e 6 2 4 2 1e f 蚤烈o fs c r e ws p e c d 6 2 4 2 2e j j f e c to f b 踟 e l 细n l 翮 a 加r e 6 6 4 2 3v 嘶f i c a t i o no f m a t 嘶a 1n o m a lt i 硼 s p o n i n gc h a r a c t e r i s t i c c u r v c 6 9 4 3c o n c i u s i o n s 7 1 c h a p t e r5c o n c l u s i o n s s u g g e s t i o n s 7 3 5 1m mc o n c l u s i o i l s 7 3 5 2s u g g e s t i 0 i l s 7 4 r e f e r e n c e s 7 5 a c k n o l e d g e m e n t s 7 9 c o n t e n t so fp u b l i s h e dp a p e r so rp a t e n t s 8 l b i o g r a p h y 8 3 v i i i 符号说明 符号说明 渗流面积 朋 压榨系数 螺杆直径 m 物料固体颗粒粒径 掰 孔隙率 螺槽深度 m 微元体宽度 朋 滤饼厚度 加 压力 凡 螺杆转速 印珊 总产量 m 压力流流量 m 3 拖曳流流量 m 3 物料停留时间 s 物料平均停留时间 s 滤液单位时间流过渗流面积的体积 m j 7 螺槽宽度 朋 粘度常量 压密时间 j 滤饼体积 掰j 滤液粘度 口 j 螺旋升角 o 渗透系数 物料含水率 物料固体颗粒真密度 堙 朋 物料内滤液真密度 肛m 3 7 含水物料粘度 砌 j 物料运动速度 所 s 初始含水率 l x 彳e d e日 三p 万q 函9 r 一 矿形 口 缈 矽r s 风见咿y 北京化工大学硕 卜学位论文 x 第一章绪论 1 1 研究背景和项目意义 第一章绪论 过滤分离设备是一种应用量大的通用机械 它在化工 轻工 医药 纺织 冶金 食品 石油 矿山 生物工程 能源 饮料 上下水处理及工业废水处理 等众多领域都有广泛的应用 其科技水平的高低直接影响到现代化工业生产的先 进性 l 随着世界各国能源短缺 资源贫化 水资源及环保问题的r 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 过滤机最早出现在十九世纪欧洲工业革命时期 最早在实践中得到应用的是 压滤机 叶滤机和旋转过滤机 2 目前过滤机正在向 大型化 高参数 智能化和 多功能化 等方面发展 对过滤机机理和性能的研究和功能的开发将对未来过滤机 的发展提供广阔的空间 本课题依托国家 8 6 3 项目 年处理l5 0 万吨味精废水排放关键技术开发 项目编号 2 0 0 9 a a 0 3 3 0 2 针对高含水率酵母菌混合液实现将初始含水率为9 0 脱水至5 1 5 并在脱水脱水过程中通过混炼及压力变化实现细胞破壁的目的 对 酵母菌混合液脱水干燥和细胞破壁工艺进行了理论研究 为实现这一研究目标 在系统的调研了各种脱水设备及理论后 基于橡塑材料成型加工的挤出理论及装 备 本文提出将挤出机改造为脱水设备 并利用其对物料的高挤压作用和高剪切 作用处理酵母茵混合液的设想 同时针对酵母菌混合液的物性指标 基于挤出理 论和脱水的基本原理 对酵母菌混合液在螺旋挤压脱水机中含水率与脱水机机头 压力 螺杆转速之间的关系进行研究 本文的研究目的是利用过滤领域基本原理和挤出理论已经成熟的研究方法 建立螺旋挤压脱水机中酵母茵混合液含水率与停留时间和机头压力之间的关系 并以此建立一套用于设计螺旋挤压脱水机螺杆长度 螺杆构型和排水口位置的方 法 同时建立一种用于预测酵母菌混合液脱水出口含水率及产量和调整螺杆转速 及机头压力等工艺参数的方法 本文的研究结果在更好实现节能减排 提高废水 处理效率以及橡塑机设计理论与生物化工的结合等方面有重要意义 北京化下人学硕i j 学位论文 1 2 过滤理论介绍 过滤过程分为滤饼过滤 介质过滤和深层过滤三种 在工业中应用最为广泛 的是滤饼过滤过程 本文所研究的压榨过滤是滤饼过滤的一种特殊形式 从工艺过程而言 滤饼过滤是将悬浮在液体或者气体中的固体颗粒分离出来 的一种工艺过程 其基本原理是在压力的作用下 悬浮液中的流体透过过滤介质 固体颗粒被过滤介质截流 从而实现液体和固体的分离 从理论上来说 滤饼过滤过程的实质是悬浮液中的液体在多孔介质内部的通 道内作渗流流动的过程 5 如图1 1 所示 固液混合物称为物料或者料浆 a 被 截留的固体物质被称为滤饼 b 通过多孔介质以及滤饼的液体称为滤液 多孔 介质通常被称为过滤介质 c 当固液混合物通过过滤介质时 固体颗粒被截留 在过滤介质表面并形成一层滤饼 压榨脱水过程从工艺过程角度而言 也是一种 过滤过程 压榨脱水主要以过滤后的滤饼作为加工物料 对滤饼进行进一步脱水 图1 1 过滤过程 a 物料b 滤饼c 过滤介质 f i g1 1f i l t e r i n gp r o c e s s a s l u n y b f i l t 盯c a k e c f i l t 丽n gm e d i u m 在对滤饼过滤的研究中 日本的白户纹平等人对滤饼内部的流体流动和固体 颗粒流速的变化进行了研究 并在实验的基础上提出了解决过滤问题的研究方法 并进一步发展了既适用于牛顿流体又适用于非牛顿流体的一般过滤理论 6 目前国 内外学者对过滤过程的研究主要集中在对滤饼和滤饼结构等方面 罗茜 徐新阳 7 等人研究了滤饼表面层过滤的特性和固体颗粒沉降的密切关系 徐新阳 8 贝0 利用分 形几何理论对滤饼内部结构进行了分析 w a k 锄a i l 9 提出了利用计算机模拟滤饼的 形成过程 赵扬 1 0 在其博士学位论文中对过滤过程中滤饼的微观结构进行了分析 除了滤饼过滤之外 过滤过程还有以下两类 l i 1 介质过滤 2 第一章绪论 物料利用介质过滤过程进行过滤时 由于悬浮液中固体微粒粒径大于过滤介 质的微孔 固体颗粒就会被截留 此时过滤器起到了一种筛网的作用 通常只有 悬浮液中固体颗粒粒径较大时才会采用介质过滤装置 但是对于膜滤器和使用金 属织物作为介质的介质过滤装置 也适用于截留粒径细小的固体微粒 2 深层过滤 深层过滤过程在过滤介质表面不形成滤饼 固体粒子在过滤介质的微孔内被 截留 深层过滤通常应用于料浆浓度极稀 低于o 1 或者固体粒子粒径极细的 场合 经过一段时间的发展 目前普通滤饼过滤理论已经基本成熟 与理论相结合 的的过滤设备也比较丰富 然而国内外对作为滤饼过滤特殊形式的压榨脱水理论 的研究却不够充分 下面就简单介绍一下压榨脱水过程及其研究现状 压榨脱水是 利用机械压缩 将包融在滤布中的泥浆或者粘稠固液混合物分离 成固体和液体的操作 1 2 是一种高度脱液的固液分离技术 经过多年的发展与改 进 压榨脱水技术被广泛应用于化工 冶金 矿山 能源 染料 颜料 无机化 工 石油化工 生物化工 制药 食品 环保与污水处理等领域 在污水的脱水 浓缩 食品加工以及矿渣脱水的领域其应用十分广泛 i3 1 同过滤过程一样 压榨 脱水过程也是固液两相系统中分离出液体的操作过程 压榨脱水与其他的过滤方 式不同之处在于 在压榨脱水过程中 压力由阻留面壁的运动施加而不是泵输送 进入固定室时施加的 1 0 在压榨脱水过程中滤饼的压力由外载荷施加 也可以由 加压泵迫使悬浮液中的固体物质进入滤室时对滤饼施加压力 生产实践表明 对 于一些可压缩性高的物料 增大过滤压力常常无法进一步降低滤饼的含水率 此 时使用压榨脱水可有效的降低滤饼水分 6 压榨脱水可以作为过滤的后处理 对于 一些通过增大过滤压力仍然不能降低含水率的物料 通过压榨可以提供更为优良 的脱水效果 1 4 1 也可以通过一定方式对物料进行直接压滤 即对料浆直接进行压 榨脱水 参照土壤力学原理说明压榨脱水原型1 5 如图1 2 a 所示 把一薄层滤饼置于 一个容器内 在滤饼表面均匀地摆放几个钢质球 此时 滤饼表面受均匀分布载 荷压力尸的作用 在压力的作用下 滤饼产生了变形 同时滤饼内孔隙减小 从 而减小了滤饼内的含水率 其中钢球可理解为在真实的压榨过程中的过滤介质 滤饼中的水分透过钢球与钢球之间的缝隙流出 但是 如图1 2 b 所示 如果滤饼 表面不是均匀放置钢球 而是放置能产生相同压力p 的水 则不能实现脱水操作 6 j 这是因为在这种情况下高为j i i 的水产生的压力是通过滤饼中的水 丽不是滤饼本 身将压力传递至容器底部的 滤饼没有受到有效的压力 从而滤饼中的滤液无法 北京化t 人学顾l j 学位论文 通过过滤介质渗流到滤饼之外 图1 2 a 所示的压榨过滤原理中 钢球实际上 起到了过滤介质的作用 二 二一ip 二 一一水一一 h 一 一 图1 2 压榨脱水原理简图 f i g 1 2p r i n c i p l e0 fs q u z ed e w a t e r i n g 一个典型压榨脱水设备脱水操作原理如图1 3 所示 在一个密闭桶中放入一定 量的物料 由活塞产生压榨压力 滤液从密闭桶下方的滤布处流出 从图1 3 可以 看出压榨脱水过程与过滤操作过程之间的不同 在压榨脱水操作过程中 滤饼的 厚度是不断减小的 滤饼减小的体积就是脱出的滤液 通常是水 的体积 而在 过滤操作中 滤饼的体积是不断增加的 主要原因是悬浮液中的固体颗粒在过滤 操作中会不断的堆积在过滤介质和原先已经堆积完成的滤饼层上 下图中1 3 a 是压榨开始阶段示意图 1 3 b 为压榨结束时示意图 4 a b 图1 3 压榨设备脱水原理 f i g 1 3p 血c i p l eo fd e w a t 舐n go fs q u e e z ee q u i p m e i l t 压榨过程按不同方式可分为许多种 若按照压力的作用方式压榨过程可分为 一维压榨 二维压榨和多维压榨 按照压榨压力 压榨速度和时间的关系可分为 恒压压榨 恒速压榨和变压变速压榨等 对压榨过程的研究最早可以追溯到上世纪初 自d e e r r 在1 9 0 5 年对甘蔗的压 榨过程进行研究 到上世纪六十年代 许多学者都对压榨过程进行了实验研究 并各自针对其特定的领域提出了一些经验公式 1 6 自从1 9 6 5 年同本名古屋大学的 白户纹平和村赖敏朗等人将土力学中的太沙基固结理论引用至压榨理论的研究 中 才使压榨理论得到了进一步发展 虽然压榨过滤技术已经在脱水中广泛应用 但是在过去的很长一段时间内 对压榨过滤理论和实际操作的研究都还很不充分 尚无法对压榨过滤设备的设计 和操作进行指导 对压榨脱水过程最早的理论研究则是由k o o 1 7 进行的 他对油菜籽压榨时压 榨时间 压力和温度的关系进行了试验研究 并提出了一个经验方程 l 丌 g u m h 锄 和m a s s o n 在高压下实验了纤维物质在没有流体流出前的平衡条件 i s 得出了压榨 压力尸与滤饼最终平衡孔隙率e 的关系式 上述两个压榨方程都是在经验基础上提出的 且方程可应用性对料浆材料较 为敏感 1 9 6 5 年 r 本名古屋大学的白户纹平和村赖敏朗等人将土力学中的太沙 基固结理论引用至压榨理论的研究中 进一步发展了压榨理论的研究 根据达西 北京化丁人学颂i j 学位论文 定律 固体和液体的连续性方程以及质量平衡方程 推导出了一维恒压压榨脱水 方程i 6 署 c p 等a 9 8 毋 其中幺是压密时间 即进行压榨的时间 只表示局部压缩压力 缈表示滤饼 体积 e 是压榨系数 此后白户纹平等人还根据滤饼和料浆的蠕变特性对上述方程进行了修正 增 加了蠕变项 使其解能够更加符合实验结剁10 1 北京化工大学的孙明文 1 6 在其硕士学位论文中将白户纹平等人的一维恒压压 榨脱水方程进行了三维推广 得到柱坐标系下的三维压榨方程 箸 乞窘 巴c 等 吾等 昙窘 并对上述压榨方程进行化简成为二维形式 在筒式压榨机的试验条件下对方 程进行验证 实验结果准确 除了上面介绍的压榨过滤机理研究之外 还有其他一些学者在压榨过滤机理 方面也做了大量工作 1 9 7 6 年w a k e i i l a l l 研究了可压缩物料在压榨平衡时压榨压力与滤饼孔隙比的关 裂四 1 9 8 6 年福州大学的王忠来等学者尝试使用一个方程来描述过滤和压榨阶段 2 0 圳1 并对这些方程进行简化 2 2 但由于过滤和压榨机理不同 这些方程在应用上 存在很大误差 1 9 9 4 年英国学者w a k 锄a n 2 3 之4 1 1 9 9 9 年1 k l e t o n 2 5 以及2 0 0 0 年s i r l 1 a 闭等 学者就人工智能系统对压榨过滤过程的建模进行了研究 另外 武汉理工大学的 郑晓 李智等人 2 7 在2 0 0 4 年提出了利用神经网络进行压榨系数识别的新方法 2 0 0 2 年东北大学姜立新 6 在其博士学位论文中 首次提出将滤饼的渗透系数 滤饼厚度和滤饼孔中孔隙水的压力作为变化的参数 建立d t d v 与滤液排出流量v 的关系曲线 以及压榨过程中滤液流量y 与压榨操作时间f 的关系 这是一种较为 便捷的研究方式 即从过滤和压榨理论的基础出发 对物料流动 物料性质和物 料脱水状态进行分析 其研究过程对本研究有很大启发 赵扬 1 0 1 在其博士学位论文中详细研究了在不同压榨状态 压榨压力不同 过 滤压力不同以及压榨起始点不同 情况下的孔隙率改变状态 提出了一种较为优 化的压榨操作条件 并且在达西定律的基础上提出了另一种形式的三维压榨方程 逐步推导出了由三维压榨方程并提出了一种更为切合实际的压榨系数的计算方 式 从上面的介绍可以看到 目前对压榨脱水理论的研究很大一部分是集中在对 第一章绪论 滤饼结构 滤饼性质等微观层面上 鲜有针对宏观层面 即压榨脱水设备 的研 究以及将宏观与微观两方面研究方向相结合的研究 而滤饼的宏观和微观应该有 机地结合起来 将微观层面的滤饼结构和宏观层面的设备结构统一为一个整体 应用在新型压榨脱水设备的研究与丌发中 1 3 过滤设备介绍 经过一段较长时间对过滤和压榨脱水过程的研究 不少过滤 压榨过程的理 论可以直接应用于过滤设备 包括普通过滤设备和压榨脱水设备 的分析 研究 和设计上 并开发出一系列的过滤脱水设备 典型的过滤设备分类如图1 4 所示 重力过滤机 砂层过滤机 袋式过滤机 努契过滤机 滤吧姜 篡 加压过滤 间歇加压过滤 连续加压过 压滤机 加压叶滤机 水平板型 微孑l 过滤机 努契型 机 筒式 带式 螺旋式 图1 4 过滤机分类 f i g 1 4c l a s s i f i c a t i o no ff i l t e d n ge q u i p i l e n t 过滤设备按照产生过滤压力的方式不同 可以分为重力过滤机 真空过滤机 以及加压过滤机三种 压榨脱水过滤机属于加压过滤机中的连续加压过滤机 而 由于连续加压过滤设备生产连续 脱水效率高等优势在生产中得到了广泛的使用 在生产中常用的压榨机械筒式压滤脱水机 带式脱水机和螺旋挤压脱水机等 几种 1 筒式压滤脱水机 筒式压滤脱水机是目前常用的压榨脱水机械中结构最为 7 北京化t 人学硕i j 学位论文 简单 操作最为方便的一种 其主要是利用液压装置向过滤筒中的料浆施 加恒定的压力 并保持一段时间 再将滤饼取出 其优点在于能够较为方 便的对脱水工艺过程进行控制 并能够保证经过压榨后滤饼含湿率的稳定 性 该脱水机的主要缺点在于压榨过程不连续 生产效率不高 滤饼和料 浆在过滤筒中经受二维压榨 2 带式压滤机 带式压滤机是研究较为充分的一种压滤机械 这种脱水机械 是利用双层网带夹着料浆在挤压脱水辊上受挤压和剪切作用进行固液分 离的 由于料浆在网带和脱水辊之间主要受挤压 可以认为料浆受一维压 榨 这种压滤机的优点在于可以对料浆进行连续压榨 生产效率较筒式压 滤脱水机高 但是其结构较为复杂且为丌放式 2 引 对设备维护和环境保护 等方面造成不利影响 图1 5 实验用带式压滤机 2 9 j f i g 1 5h bt y p eb e l ts q u e e z 盯 图1 6 带式压滤机原理示意图f 3 0 1 f i g 1 6p n c i p l eo f b e l ts q u e e z e r 第一章绪论 3 螺旋压滤机 螺旋压滤机很早就应用在榨油和鱼肉磨碎后的碎肉压榨脱水 中 近年来更是在淤泥脱水以及合成橡胶等聚合物脱水等领域得到了广泛 的应用 3 螺旋压滤机主要由一个螺杆和一个带渗流面的圆筒组成 当螺 杆转动时 物料受到挤压 滤饼中的液体因有压力存在 从渗流面渗出 降低滤饼的含水率 螺旋压滤机是一种高度脱液的分离机械 l6 1 物料和滤 饼在该类机械中处于多维压榨状态 螺旋压滤机操作上自动化程度高 结 构较为简单 压榨室基本处于封闭状态 对外界环境污染小 比带式压滤 机节能 环保 z 引 图1 7 螺旋压滤机 3 2 1 f i g 1 7s 锄刑f i l t 一3 2 1 图1 7 为一个典型的螺旋压滤机 从图中可以看到 螺旋压滤机的基本结构与 塑料加工中所用的单螺杆挤出机类似 但是为了获得更高的压榨比 设计时将螺 杆外径设计为渐变式的 图1 7 所示的螺旋压滤机没有将滤液排向机筒外侧 而是 在螺杆内侧开小孔将滤液从螺杆芯部排出 这主要是考虑到了环保的要求 同时 螺旋压滤机的封闭式结构与带式压滤机的开放式结构相比 其封闭式结构在加工 有异味的物料 如下水道淤泥 矿渣等 时保证工作环境的清洁 在一定程度上 改善劳动环境 在与螺旋压滤机机相关的专利中 绝大部分设备都采用了单螺杆 的形式 3 3 确 较为特殊的有一种多螺杆压滤机 3 7 1 但这种多螺杆压滤机在本质上 仍为单螺杆压滤机 并未在挤压原理和物料脱水过程上与单螺杆挤压脱水机有区 别 另外 北京化工大学的武军和范德顺提出一种类似于塑料加工工业中常用销 钉螺杆挤出机的间断式螺旋压滤机 1 3 见图1 8 这种新型压滤机减少了机筒内 物料与滤网之间的摩擦 并能够有效地调节物料在机筒内的压力分布 同时增强 了过滤机对物料的适应性 9 北京化t 人学顾i j 学位论文 图1 8i 司断式螺旋压滤机 f i g 1 8i i l t e 唧p t e ds c r e ws q u e e z e r 在工业实践生产中 螺旋压滤机也有广泛的应用 3 i r 本的n o r i t a k e 公司 t o h k e m y 公司 t a n a b e 公司 i s h i g a k i 公司以及f k c 公司等 这些公司在 世界范围内都拥有螺旋挤压脱水机的多项专利 客户遍布全球各地 另外 德国 的f a n c o l u m b u s 公司 挪威的s t o r d 公司 美国的n c o m f g v i n c e n t 公司等都有自己的螺旋挤压脱水机系列产品及生产线 目前学术界对螺旋压滤机的研究还做得不够充分 主要研究方向集中在以下 两个方面 1 从螺旋压滤机本身着手 对物料在设备中的运动和脱水过程进行建模 杨明珍和杨德武 3 8 等人提出了将变径螺旋压滤机简化为一维筒式压榨模型的 分析方法 并在研究中得到了压榨速率的表达方式 这个研究对从物料结构 滤 饼形态上研究螺旋压滤机有重要帮助 王成和杜成龙则从螺杆内物料受力的角度 对物料在螺杆中的运动做了微观分析 3 9 并得出物料在螺杆中能够正常输送的临 界转速 另外 v i v e ks v a d k e 和f w s o s u l s k i 4 0 以及c a s h o o k 4 1 利用塑料挤出 机的理论对榨油机进行了初步分析 另外 法国学者l p a n 等人在一系列论文 4 2 喇1 中从实验角度验证了两相 固 液 在双螺杆挤出机中输送与停留时间 并对用于 榨取油脂的双螺杆挤出机在工作时的萃取率进行了预测 另外 在使用双螺杆挤 出机进行油脂榨取方面近年来也出现了许多进展 4 5 4 7 1 这些研究大多将注意力集 中在螺杆构型和操作条件上 很少有将过滤的基本理论与螺杆构型进行有机的结 厶 口 2 从物料角度出发 依据螺旋压滤机中物料所处的状态 分析其对物料性质和脱 水性能的影响 高湿物料在螺旋压滤机中的停留时间和停留时间分布对物料脱水效果和脱水 机产量有很大影响 在这方面m s e k 一4 8 做了一定研究 并认为螺杆有混合元件 时物料初始含湿量对平均停留时间影响不大 除了脱水机螺杆几何外形以及脱水作业操作参数对物料的脱水效果有很大影 1 0 第一章绪论 响外 在温度 含水率变化的情况下其物料性质的改变 粘度 黏着性等 也对脱水 效果有相当的影响 n a n c yw c e r v o n e 和j u d s o nm h a 印d 4 8 j 以及a s e l l o u c i 和 a c s m i t h 4 9 瑚 分别提出了不同的高湿物料粘度与温度及含水率之间的关系 他 们都认为物料的温度和含水率对物料粘度有重要影响 唐晓明 5 i 则在研究高浓度 粘稠物料泵送时提出了污泥在一定含水率和剪切速率范围内的本构方程 该本构 方程对研究物料在螺旋挤压脱水机内运动时的流变性有一定帮助 从以上对压榨理论 螺旋压滤机等研究方向的分析可以看到 1 在压榨理论的研究中 一维和二维压榨理论研究的比较充分 但是多维压 榨理论研究得比较少 导致筒式压滤机和带式压滤机以及厢式压滤机在设 计和实际操作中得到更多的理论指导 而对连续螺旋压滤机的研究不很充 分 2 在压榨理论的应用方面 由于涉及到材料压榨系数e 的测量和计算 多数 应用都基于一维压榨方程 5 2 5 射 同时也有二维压榨方程应用于压榨脱水设 备设计的报 i 苣 矧 但是几乎没有关于螺旋压滤机的设计理论研究 造成这 种情况的主要原因在于螺旋压滤机适用多维压榨方程 并且多维情况下料 浆压榨系数的计算难以实现 目前较为系统的螺旋压滤机设计方法研究仍然是白户纹平等人于1 9 8 9 年针对 褐煤连续压榨脱水的研究 5 5 1 这就导致了理论对实际应用的支持力度不够 但是 多年以来对压榨理论以及螺旋压滤机压榨脱水机理的研究却为这方面研究的进展 提供了一个坚实的基础 1 4 现有过滤设备对项目要求的适应性及本文的研究目的 通过前文对本项目研究内容和过滤理论及过滤设备的发展现状来看 现有的 过滤设备不能满足本课题来源项目中酵母菌混合液物性与脱水效果对脱水设备的 要求 具体来说是 1 对于酵母菌混合液 高含水率 这一物料特性 现有的过滤设备在处理固 含量较低物料时脱水效率较差 使用现有过滤设备将导致经济性变差 2 对于酵母茵混合液 低粒径 这一物料特征 现有设备对低粒径物料除了 改变滤网结构和材料之外 只能采用以介质过滤为过滤原理的设备进行脱 水操作 然而介质过滤方法的过滤效率远低于机械过滤 滤饼过滤 也 导致了脱水经济性过低 3 对于酵母茵混合液的 低出口含水率 这一要求 现有的脱水设备中 机 械式脱水较难达到低出口含水率这个要求 而蒸汽脱水 红外脱水等非机 北京化t 人学顾l 学位论文 械式脱水设备可以达到较低的混合液出口含水率 4 对于酵母菌混合液 高出油率 要求 现有的设备中 只有螺旋压滤机能 够对物料进行一定程度的剪切作用 但是由于螺旋压滤机工作转速过低 产生的剪切作用较小这一因素 其仍然不能达到 高出油率 这个要求 综上所述 在现有的脱水设备中 很难找到一个能够同时满足酵母菌混合液 物性参数和脱水要求的设备 于是 丌发一种可以同时满足源项目中酵母菌混合液 高含水率 低粒径 低出口含水率 高出油率 要求的新型的脱水设备成为急需解决的问题 针对这一问题 本文在系统调研了现有过滤设备和塑料成型加工中的挤出工 艺之后 观察到塑料挤出机可以为塑料熔体提供很高的挤出压力 并且在塑料的 混炼操作中 特殊的螺纹元件能提供非常强烈的剪切作用 从而提出了以过滤理 论和挤出工艺为基础 塑料挤出机结构为蓝本 设计一种新型的脱水设备 螺 旋挤压脱水机的设想 并希望从理论上研究并扩展过滤理论 将挤出理论的结论应用在过滤理论中 建立物料含水率与机头压力及物料停留时间的关系 并以此为基础 从工程实际 上 提出螺旋挤压脱水机设计螺杆长度 螺杆构型及排水口位置的方法 在工艺 层面 建立螺旋挤压脱水机出口含水率与机头压力和螺杆转速之间的关系 以预 测物料的脱水效果 评价螺旋挤压脱水机的设计方案 1 2 第二章螺旋挤压脱水机的物理和数学模型 第二章螺旋挤压脱水机脱水的物理和数学模型 与其它压滤脱水设备相同 螺旋挤压脱水机脱水原理也是对滤饼进行压榨 减小滤饼的体积 迫使滤饼中的流体从滤饼中以渗流形式流出 最早对多孔介质 中流体的渗流现象进行研究的学者是法国工程师达西 d a r c y 总结的达西定律 d a r c y sl a w 达西定律是研究渗流现象最基础 也是迄今为止对渗流现象解释 得最好的理论 在过滤脱水和压榨脱水的研究中 渗流是最主要的脱液方式 于 是达西定律被视为现今所有过滤方程的基础 6 本论文中对螺旋挤压脱水机脱水过 程的研究也是以达西定律为基础 同时 许多研究者 4 i 对含水物料的流变性进行研究时均认为含水物料在一 定含水率范围下可视为牛顿流体或者与塑料流动性质相近的非牛顿流体 这些结 论对分析含水物料在螺旋挤压脱水机时运用塑料挤出机的研究成果有重要意义 含水物料在螺旋挤压脱水机中的流动状态与塑料在挤出机中的流动状态有相似之 处 于是在研究含水物料的流动时可以充分利用塑料挤出机的研究成果 这些研 究成果在多年来对塑料挤出机的理论研究和实践应用时都被证明了其j 下确性 这 个正确性也是对本研究课题最终结论j 下确性的一个重要保证 本章通过分析在螺旋