过滤设备的详细介绍

1、. .离心过滤是以离心力为推动力来别离悬浮液中固、液两相的过滤操作。固相颗粒在离心力场中为过滤介质所截留,并不断堆积在过滤介质上形成多孔性滤饼,液体在离心力的作用下通过所形成的滤饼及过滤介质而实现固、液别离。离心过滤均以滤饼过滤方式进展别离操作,形成的滤饼有固定层状态(如三足式离心机)和移动层状态(如活塞推料离心机、螺旋卸料离心机)两种类型。离心过滤过程一般分为过滤阶段和洗涤、脱水阶段。(1) 离心力场中滤饼固有渗透率的测定滤饼渗透率与滤饼孔隙率的三次方成比例,因此孔隙率稍有改变,就会使渗透率明显地变化。由于处于离心力场中的滤饼受到由离心力产生的相当大的压紧力,因此在真空实验条件下所测定的滤饼

2、渗透率不能应用于离心过滤,必须在离心力场中测定滤饼的渗透率。通常采用的在离心力场中测定滤饼渗透率的方法为蔡特施(K.Zeitsch)法,其实验装置的滤杯如图8-111所示。滤杯由透明材料制成,杯身刻有刻度,杯底有一多孔板, 上置金属丝网和滤布,滤杯置于实验用离心机内进展测定。图8-111 测定固有渗透率用的滤杯装置测定实验分两步进展: 将要过滤的悬浮液参加滤杯中,并使其在工业操作所要求的离心力下旋转,以得到与工业别离条件一样的压缩滤饼。悬浮液的参加量应适当,务使滤饼厚度超过20mm。再将用真空过滤或其他方法所得的澄清滤液加满滤杯,并在与上述试验条件一样的离心力下旋转,同时用闪频观测仪观测液体外

3、表,测量该液面从滤杯顶端刻度移至滤饼外表所需的时间,并根据下式来计算固有渗透率:(8-152)式中k-固有渗透率H0rB-R-测量开场时滤布上方的液面高度crB-rs-滤饼厚度R-滤液外表半径rs-滤饼外表半径rB-过滤介质半径Z-别离因素-液体密度-H0-Hi液位的澄清滤液通过滤饼层所需时间由固有渗透率k即可求出滤饼比阻a(8-153)式中K-滤饼的渗透率,在滤饼压缩性小时可视为常数,等于整个滤饼层的平均值K=k (8-154)-液体黏度s-固体密度-滤饼层孔隙率图8-112 过滤离心机转鼓内加料后物料分布情况在离心过滤过程所形成的滤饼中,颗粒的分布呈径向分级的现象,大颗粒富集于过滤介质一侧

4、,而小颗粒那么富集于滤饼表层一侧。用离心过滤方式进展渗透试验说明,滤饼的比阻随时间的增加而升高。同样的物料,在离心机中的滤饼比阻要比一般压力过滤的比阻大,而且滤饼厚度有变化。为了正确选择离心机,就必须通过试验进展测定并放大。离心机过滤操作的滤饼,比阻极限值为31010m/ kg,只有比阻小于此值的物料才宜采用离心过滤操作。(2) 离心过滤速率和过滤时间过滤离心机转鼓内的物料分布如图8-112所示,离心过滤过程一般分为过滤阶段和脱水阶段。在过滤阶段,液面从R0降至滤饼外表层Rs处;在脱水阶段,液面进一步降至过滤介质附近(R)。由于离心过滤的推动力是离心力,所以滤饼内的推动力和流道面积随着回转半径

5、的增加而加大。离心力不仅在滤饼外表产生静水压力,而且在滤液流过滤饼时增加了静水力压力的压头。在一般过滤式离心机中,滤饼在转鼓壁过滤介质处逐步形成。随着滤饼厚度的增加,过滤面积缩小,液体表观流速变化,因而流动滤液的动能也在变化。所以离心过滤速率必然与滤饼特性、离心力场的作用和转鼓构造等因素有关。离心过滤速率: 由流体通过颗粒层的达西定律推导出离心过滤速率的计算式如下:(8-155)式中-过滤速率k-滤饼固有渗透率L-转鼓高度-液体密度-转鼓角速率R-过滤介质半径R0-滤液外表半径Rs-滤饼外表半径上述公式是在滤饼阻力比较高的情况下忽略介质阻力时常用,而在滤饼阻力较低时会产生一定程度的误差。离心过

6、滤时间: 是指液体沿径向成环状透过环状滤饼时,液层从R0处降至Rs处所需时间,过滤时间的计算式如下:(8-156)(3)离心脱水离心脱水是在离心力场中除去湿润颗粒层(滤饼层)中含有的液体。除去的液体主要是颗粒间隙内因外表X力而含有的颗粒外液。离心脱水的实质是气相渗入颗粒层后的液相流动,或者是气液两相在颗粒层内的双相流动。离心脱水的目的是尽量降低离心过滤或洗涤后的滤饼层中最终含液量,以提高收得率并减少后道枯燥过程的水分蒸发负荷。湿润颗粒层内含液率分布: 在脱水过程中,湿润颗粒层内残留液的状态如图8-113 所示。颗粒层内的液体有两类:(a)存在于颗粒内部的粒子内液;(b)存在于颗粒外表上及颗粒间

7、隙中的粒子外液。粒子内液是存在于颗粒内部空隙中的充填状态的液体和化学或胶体化学结合状态的液体。假设颗粒为可压缩性的,那么由于离心力使颗粒相互挤压变形而压榨挤出一局部粒子内液;假设颗粒为不可压缩性的,那么其粒子内液不可能离心脱水。粒子外液是:a附着于颗粒外表及滞留于颗粒外表凹洼中的附着液; b存在于颗粒之间接触点周围的夹持液; c颗粒层底部由于毛细管作用而含有的毛细管上升液。图8-113 粒子层含液率分布由图8-113可知,颗粒层沿重力场作用方向的含液分布由低含液量区、过渡区和饱和区所组成。整个颗粒层的颗粒之间间隙构成了形状复杂的毛细通道。存在的液体为颗粒外表的附着液及颗粒之间接触点的夹持液的上

8、层,称之为低含液量区;含液率随高度上升而减少的中层,称之为过渡区;颗粒间隙充满了毛细管上升液的底层,称之为饱和区。饱和区的高度小,但由于毛细管作用而含液率高,离心脱水的主要目的是除去在重力场下残留的毛细管作用上升液,使饱和区的高度为零。饱和度: 离心脱水的别离对象是颗粒外部的液体,即存在于颗粒层空隙中的液体,一般用饱和度来表示颗粒层内的含液率。饱和度S是存在于颗粒层内的液体体积与整个颗粒层空隙体积之比。饱和度S与滤饼的湿基及干基含液率W1、W2的关系式为:(8-157)(8-157a)式中-空隙率-液体密度s-颗粒密度整个颗粒层平均饱和度,可根据图8-113的含液率(饱和度)分布而由下式求出:

9、(8-158)脱水阶段的滤液除去量: 离心脱水是在离心力场中除去湿润颗粒层(滤饼层)中含有的液体,主要是因外表X力而存在于颗粒间隙内的颗粒外液,因此脱水阶段的滤液除去量为:Q=L(R2-Rs2)(1-S) (8-159)平均饱和区高度: 严格地讲,颗粒层在液体中浸泡状态下的毛细管上升高度与颗粒层底液面上升状态的相当饱和区高度是不同的,但这种差异在工程上往往可忽略不计而看作是一致的。在此前提下,不少研究工作者提出了不少相当饱和区高度hs的关系式,可在有关文献中查考。残留平衡饱和度: 在处于脱水平衡状态的低含液量区内,颗粒层内存在着夹持液和外表附着液,以SWSA分别表示两者的当量饱和度,那么残留平

10、衡饱和度S为:SSW+SA(8-160)式中SW-用饱和度表示的夹持液的含液率SA-用饱和度表示的附着液的含液率一般取SW0.1,大多数情况取SWSA。离心脱水过程:假设颗粒层高度H与毛细管上升液的高度hs的比值很大,而且没有枯燥的影响,那么从颗粒层间隙中全部充满液体的状态开场,在重力场中或在离心力场中进展脱水到平衡状态的过程如图8-114所示。图8-114 脱水过程中层内含液率分布的变化在脱水初期图中(1),颗粒层的液位H下降,即液面下的液体单相流支配着脱水速度。在脱水后期图中(2),液位从H降至Z,在HZ区间由于进入空气,液体在粒子外表呈膜状流动,称为膜状流态区间。在Z0区间的粒子间隙内的

11、液体虽为单相流,但受毛细管上升引力的作用,因此脱水的推动力为表观静压头Z减去毛细管上升高度,这意味着Z0区间为毛细管流态区间。因此,膜状流态和毛细管流态成为决定脱水速度的因素。在重力场中的脱水平衡状态为图中(3),有一饱和区高度hs。在离心力场中的脱水平衡状态为图中(4),通常hs几乎为零。在脱水过程的任意时刻,颗粒层内存在的液量是平衡状态的残留液量,为粒子外表的膜状流及液面下的单相流之和V=V+Vf+VzVA(H-h)SVzAh/ (8-161)式中V-任意时刻的全液量,m3V-平衡状态下的残留液量,m3Vf-膜状流的液量,m3Vz-液面下单相流的液量,m3A-颗粒层的脱水面积,m2h-液面

12、高度,m因此在时间t整个颗粒层的平均饱和度t为:在脱水后期,hhs,因此S1S+Sf式中S-低液量区的含液率,即残留平衡饱和度hs-当量饱和区高度H-颗粒层高度Sf-膜状流动的液体的饱和度(4) 过滤离心机的操作循环间歇式过滤离心机的操作循环如图8-115所示,通常包括:空转鼓加速(第一次加速),加料,再次加速到全速 (第二次加速),全速运转(别离、洗涤、脱水),减速和卸料等步骤。图8-115 间歇操作过滤离心机典型操作循环1-第一次加速阶段 2-加料阶段 3-第二次加速阶段 4-洗涤阶段 5-脱水阶段 6-减速阶段 7-卸料阶段空转鼓加速: 启动离心机并加速到加料时所要求的转速。加料: 加料

13、速度取决于物料的固相浓度和液相滤出速度。必须保证在电机不超载,转鼓上形成均匀分布的滤饼层以免引起离心机不平衡的前提下,尽可能快地进展加料,以缩短加料时间。第二次加速: 转鼓再次加速到全速运转,进展物料的别离。全速运转: 全速运转可分为:洗涤、脱水两个阶段。a. 洗涤阶段: 用少量洗涤液,最大限度地置换存留于滤饼中的母液并洗去杂质。洗涤液的用量一般通过试验确定。b. 脱水阶段: 液面穿过滤饼层向前推进而脱水。减速步骤的操作特性与电机特性、离心机制动系统吸收能量的速率有关,要凭经历加以协调。卸料: 卸料的时间受多种因素的影响。8.5.4.2 过滤离心机类型过滤式离心机的种类有: 三足式、上悬式、刮

14、刀卸料式、活塞推料式、离心力卸料式、振动式、翻袋式和螺旋卸料式等。我国现有过滤式离心机的种类及其运转方式、滤饼型式、卸料方式等见表8-42。表8-42 各种过滤离心机分类离心机种类型号运转方式滤饼型式卸出周期滤饼卸出方式滤网型式备注三足式上悬式刮刀卸料式活塞推料式离心力卸料式振动式进动式螺旋卸料式翻袋式SS,SX,SXG,SSZ,SXZ XZ,XJ WGWH立式LI间歇间歇连续连续连续连续连续连续间歇固定型固定型固定型移动型移动型移动型移动型移动型固定型间歇间歇间歇脉动连续连续连续连续间歇人工,自动,刮刀人工,自动,刮刀刮刀推料盘物料离心力物料惯性力物料惯性力螺旋翻袋各种滤网各种滤网各种滤网条

15、网,板网板网板网板网板网有单级,多级(1) 三足式过滤离心机人工卸料的三足式离心机如图8-116所示。其三足式离心机的构造特点是用减震弹簧组件将离心机转鼓及其附属设施悬挂在三个支柱(足)上,以减弱离心机转鼓运转时产生的振动。其主要优点是对物料的适应性强,能按需要随时调整过滤、洗涤的操作条件,可进展充分的洗涤并得到较干的滤渣;固体颗粒几乎不受损坏,且运转平稳、构造简单、造价低廉。其缺点是间歇操作,辅助作业时间较长,生产能力低, 劳动强度大。三足式离心机适用于处理量不大,但要求充分洗涤的物料。为使物料在转鼓内均匀分布,防止载荷偏心, 宜采用低速加料,高速过滤、脱水,降速或停机卸料。机械卸料与自动化

16、的三足式离心机有程序控制装置,可实现自动操作。图8-116 上部卸料三足式离心机1-底盘 2-支柱 3-缓冲弹簧 4-摆杆 5-转鼓体 6-转鼓底 7-拦液板 8-机盖 9-主轴 10-轴承座 11-制动器把手 12-外壳 13-电动机 14-三角皮带轮 15-制动轮 16-滤液出口 17-机座三足式离心机广泛应用于食品工业中,如味精、柠檬酸及其他有机酸生产中的结晶与母液的别离。图8-117 上悬式过滤离心机我国国家标准规定三足式离心机的根本参数为: 转鼓直径3352000mm,工作容积7.5L100L,转鼓转速6003350r/min,别离因数4002120,主电机功率约2.2kW37kW,

17、除人工、手动卸料以外,自动方式可采用电力、液力或其他传动形式。(2) 上悬式过滤离心机上悬式过滤离心机如图 8-117所示。其构造特点是电机位于转鼓的上方,转鼓位于电机长轴的下端,轴的支点远离转鼓的质量中心,运转时转鼓能自动对中,保证运行时的平稳性。上悬式过滤离心机每一个工作循环包括加料、别离、洗涤、脱水、卸料、滤网清洗等工序。根据操作要求,加料及卸料一般在低转速下进展。因此,离心机运行时,转鼓回转速度连续作周期性变化,即低速加料, 全速别离、洗涤、脱水,低速下卸料,如此作周期循环工作。上悬式过滤离心机均采用下部卸料。为减轻劳动强度,提高生产能力,改善操作条件,近年来均采用变速电动机或直流电机

18、驱动,作全自动或半自动操作。目前机械卸料型的上悬式过滤离心机,转鼓直径为10001350mm,工作容积280L 650L,转鼓转速1450r/min,别离因数11761553;重力卸料型的,转鼓直径为10001320mm,工作容积210L530L,转鼓转速均为960r/min,别离因数516680。在食品工业中,上悬式过滤离心机主要用于蔗糖和食盐的晶体与糖蜜(母液)的别离。目前国产的上悬式离心机有两种自控方式,一种是用时间继电器程序控制,这种方式构造简单,使用可靠。另一种用可编程序控制器(PC)控制,这种方式易更变控制程序。用于制糖工业的国产上悬式过滤离心机的主要技术特性如表8-43所示。表8

19、-43 上悬式过滤离心机技术特性型号筛篮规格/mm最大装料量/kg转速/(r/min)过滤面积/m2有效容积/L别离因素(最大)电动机外形尺寸/mm长宽高质量/kg型号功率/kW内径高度(半自动)XZ-1200(B)120087550011010003.4355636YR-280S-6(单速)JDL-TH(四速)452375203045006300(半自动)XZ-1250125085050011010003.4355645YR-280S-6(单速)JDL-TH(四速)452375203045006300(平底全自动)XJK-132013501000120013004.27601275TW220

20、-8-TH22019002000510010000(3) 卧式刮刀卸料离心机卧式刮刀卸料离心机如图8-118所示。它是间歇操作的自动离心机,其构造特点是用刮刀卸出在全速转动中的滤渣,因此可在全速运转中自动循环进展各道工序的操作, 各工序的持续时间可在一定范围内进展调整。可用于别离含粗、中、细颗粒的悬浮液,对物料的适应性强。图8-118 卧式刮刀卸料离心机示意图卧式刮刀卸料离心机构造见图8-118,刮刀伸入转鼓内,在液压装置控制下刮卸滤饼。宽刮刀的长度应稍短于转鼓长度,适用于刮削较松软的滤渣;窄刮刀的长度那么远短于转鼓长度,卸渣时刮刀除了向转鼓壁运动外,还沿轴向运动,适用于滤饼较密实的场合。卧式

21、刮刀卸料离心机的优点是可在全速下完成各工序,产量大、别离洗涤效果好,各工序所需的时间和操作周期的长短可视物料的工艺要求而进展调整,适应性较好。缺点是卸渣时因受刮刀的刮削作用易使固体颗粒有一定程度的破碎,振动较大,刮刀容易磨损。由于刮刀卸料后转鼓网上仍留有一薄层滤饼,对别离效果有影响,所以不适用于易使滤网堵塞而又无法清洗滤网的物料。我国国家标准规定的卧式刮刀卸料离心机的根本参数为: 转鼓直径4502000mm, 转鼓工作容积15L1100L,转鼓转速3503350r/min,别离因数1402830。在食品工业中,卧式刮刀卸料离心机主要用于制盐工业中的盐浆脱水、无水硫酸钠的脱水、淀粉工业中的淀粉及

22、淀粉糖的脱水。(4) 卧式活塞推料离心机卧式活塞推料离心机是连续运转、自动操作、脉动卸料的过滤离心机。适用于粒度为0.1mm以上,固相浓度大于30%的结晶或纤维状物料的离心别离。单级卧式活塞推料离心机构造见图8-119,物料(悬浮液)加到转鼓内推料盘前的滤网上,过滤形成滤渣后,在推料活塞推动下,脉动地沿轴向往前移动,最后排出转鼓。其特点是滤渣破碎程度小,功率负荷均匀。多级活塞推料离心机构造见图8-120,在保证物料具有同样停留时间的条件下,多级活塞推料离心机可以缩短每一级活塞的推送长度,减薄料渣层厚度,滤渣从上一级推送到下一级时有松动时机,有利于改善固液别离、脱水效果和渣层推送,这既能提高离心

23、机的工作转速,扩大其使用范围,也减少了推送力,并使油泵、主机负荷均匀。从制造与使用情况来考虑,一般以双级和四级为宜。图8-119 单级卧式活塞推料离心机图8-120 多级活塞推料离心机活塞推料离心机对物料的浓度很敏感,所以进料的浓度应尽量保持稳定。假设浓度突然降低,容易冲走鼓壁上已形成的比较均匀的滤饼层,造成物料分布不均匀;假设浓度突然升高,物料的流动性差,也容易使之分布不均匀,引起转鼓振动。因此应在物料进入卧式活塞推料离心机之前,先经过一预处理装置,使进入离心机的物料调整到适宜的浓度。卧式活塞推料离心机不宜用于分散度高的,以及对滤液澄清度要求高的悬浮液及胶状物料,也不宜用于无定形物料和具有较

24、高摩擦因数的物料的别离。在食品工业中,卧式活塞推料离心机主要用于食盐的脱水。(5)锥篮式离心机锥篮式离心机又称离心力卸料离心机。如图8-121所示,有立式和卧式两种型式,其构造特点是有一圆锥形转鼓,物料在别离时形成的薄层滤饼在离心力的作用下由锥形转鼓的小端向大端不断地更新、移动、排出,因此是一种动态过滤过程。滤饼在过滤时不断地更新、移动,有利于提高别离效果。过滤速率的大小与料浆的性质、转鼓构造尺寸(如直径、锥角大小)、转速、滤网型式、网孔尺寸等多种因素有关。图8-121 锥篮式离心机转鼓大端直径为6001400mm,转鼓半锥角大于滤渣与滤网之间的摩擦角,在离心力作用下,物料沿圆锥形转鼓的小端向

25、大端运动,别离因数不断增加,物料层的黏度、粒度分布、固液比等也不断变化,物料浆在运动中不断进展别离、增浓。锥篮式离心机构造简单,能连续操作,处理能力大,在食品工业中,主要用于蔗糖、食盐的别离。图8-122 振动卸料过滤离心机(6) 振动卸料过滤离心机振动卸料过滤离心机具有锥篮式离心机的特点,并有所改进,其构造如图8-122所示。振动卸料过滤离心机有立式和卧式两种型式,其转鼓在旋转的同时由偏心机构或电磁装置产生轴向振动,振幅为4 6mm,振动频率在2000次/min以下。调整振幅和振动频率可以改变对物料产生的往复和回转惯性力。当两者之合力产生的沿转鼓大端方向的推动力大于物料与滤网之间的摩擦力时,

26、物料即向大端方向移动,直至离开转鼓。转鼓的半锥角应小于物料与筛网的摩擦角,一般为2035。振动卸料过滤离心机的特点是连续操作,处理能力大,晶体破碎率小;但别离因素低, 物料在转鼓内停留时间短,因此适用于别离固体颗粒大于0.3mm的易过滤悬浮液,如海盐的脱水等。(7) 进动卸料离心机倾斜的转鼓轴线与离心机的中心轴线的0点相交,转鼓在以自身的轴线作自转运动的同时绕中心轴线作公转运动,这种复合的转动在力学上称为进动。进动卸料离心机是一种新型、自动连续的过滤离心机,利用进动运动原理,能在低的别离因素条件下到达自动惯性卸料和强化固液别离过程。其构造如图8-123 所示。进动卸料离心机有立式(图8-123

27、)和卧式(图8-124)两种型式,其转鼓在低的别离因素下运行时,在作自转转动的同时作公转摆动,利用进动惯性力推动滤饼向锥形转鼓的大端移动而自动卸料,从而极大地强化了固液别离过程。图8-123 立式进动卸料过滤离心机1-转鼓 2、5、9-轴 3、6-轴承 4-轴承座套 7-机壳 8-减震器; 10-万向联轴器 11、12-皮带传动装置 13-电机图8-124 卧式进动卸料过滤离心机一台转鼓直径为800mm的进动卸料离心机,用于别离洗涤磷酸钙,其生产能力是转鼓直径为1200mm的多级活塞卸料离心机的两倍,而单位能耗仅为后者的15%,详见表 8-44。表8-44 进动离心机与活塞推料离心机比较离心机

28、名称四级活塞推料离心机进动离心机离心机名称四级活塞推料离心机进动离心机转鼓直径/mm物料名称物料浓度干固料产量/(t/h)动力消耗/(kW/h)1200洗涤磷酸钙1200g/L2068800洗涤磷酸钙65%(质量分数)4020单位动力消耗/kW/(ht)渣的含湿量/%固粒回收率/%筛网寿命/月筛网寿命/(万t物料)3.416.093670.517.5932.45.5进动卸料过滤离心机有生产能力大,动力消耗少,运转平稳,物料破碎率低,构造简单,操作维修方便等优点。适用于固相浓度高,颗粒粒度为0.0520mm的易过滤物料; 最宜用于别离固体浓度大于55%,颗粒粒度大于0.4mm的物料,如有机盐、无

29、机盐、芒硝等粗晶粒悬浮液。但不宜用于要求对滤饼作长时间洗涤的物料。(8) 螺旋卸料过滤离心机螺旋卸料过滤离心机是薄层滤饼别离固液混合物的连续操作离心机,有立式和卧式两种型式,如图8-125所示。由于转鼓内的物料层较薄并不断地被螺旋翻动、推移,所以排出的滤渣含湿量较低。(1)(2)图8-125 螺旋卸料过滤离心机(1) 立式 (2) 卧式该离心机的别离因素较高,当量过滤面积及过滤强度较大,具有体积小,生产能力大, 脱水效率高及运行费用低,能耗小等优点,但构造复杂,物料破碎率较高,洗涤不充分,滤网制造要求较高。螺旋卸料过滤离心机适用于食品工业中颗粒粒度大于75m的悬浮液物料的固液别离,如食盐、玉米

30、淀粉、酒精糟液等。(9) 导向通道式离心机导向通道式离心机是一种具有螺旋导向通道的过滤离心机,其构造见图8-126。图8-126 导向通道式离心机通过调节由多段可互相旋转的锥形螺旋导向通道,可适应多种物料在机内不同停留时间的需要。导向通道式离心机的特点是完全连续自动操作,不需要差速传动机构,构造简单,易保养, 脱水能力强;已成功用于纤维状、细粒状等悬浮料液的固液别离。国外在20世纪70年代已有系列产品,转鼓大端直径为225450mm,转鼓转速为29204320r/min,功率为1. 5 18.5kW,生产能力为1.21.8m3/h。导向通道式离心机已应用于食品工业中的柠檬酸、酒石酸、味精、甘氨酸、苹果汁、食盐、玉米淀粉等物料的别离。8.5.4.3 过滤离心机的选择过滤离心机的选择要从悬浮液的性质,对滤饼的要求,如滤