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张家港市谱发机械制造有限公司

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虹吸离心机的滤饼洗涤性能研究

人气:发表时间:2018-11-09
    滤饼洗涤对众多的工业生产部门是非常重要的,但由于物料性质各异引起的滤饼微观结构的差异,使得滤饼洗涤理论的研究与实际应用之间存在较大差距。以虹吸离心机用于重碱分离的滤饼洗涤为研究对象,采用宏观工程研究方法进行实验研究,并提出相应的滤饼洗涤数学模型。该模型对同类性质物料的滤饼洗涤有指导意义。
    在化工、食品、医药、轻工等众多工业生产部门中形成的成品、半成品,决大多数都需经过过滤脱水才能进入下道工序,而脱水后的滤饼又多数都需要洗涤。滤饼洗涤通常有两种目的:一种目的是为了回收滤饼中滞留的有价值的滤液,此时滤液是产品;另一种目的是为了除去滤饼中存在的杂质,使滤饼得以净化,此时产品是滤饼。一般情况下的滤饼洗涤主要解决两个问题:一是确定洗涤液用量,二是确定洗涤时间(或洗液流量) 。如果洗液用量太少,则很难将滤饼中残留的滤液置换,达不到洗涤要求,而洗液过量又容易造成系统的不平衡;同理,如果洗涤时间太长,则加长了系统操作周期,造成生产能力下降,洗涤时间过短,则单位时间的洗液量可能过大,又容易冲坏滤饼层,导致洗涤短路,影响洗涤效果。
    因此,合理确定洗液用量和洗涤时间是确保提高过滤系统操作质量的关键。洗涤效果是确定洗液用量和洗涤时间的主要依据。洗涤效果可以有不同的衡量标准:如要求滤饼所含残留液不超过某一限度;洗涤液中所含的母液浓度降到某种程度;洗涤液中杂质含量低于某个标准等。有关滤饼洗涤理论的研究早在本世纪30 年代就已经开始,但乞今为止能用于指导工业实际的滤饼洗涤理论却很少,国外一些学者的研究多是从滤饼的微观结构出发,提出的理论公式由于其繁琐的数学解使得在实际应用中受到很大的限制,国内学者在这方面的研究也不多见,特别对离心过滤的滤饼洗涤研究更不充分。由于洗涤是紧接在过滤之后进行的操作,因此可以将洗涤过程简单摸拟成滤饼过滤过程,这样,洗涤速率将接近于过滤的最终速率,不同的是洗涤液的重度、粘度等区别于滤液。既使按滤饼过滤理论来处理洗涤过程也是有很多麻烦的,因为影响洗涤效果的因素很多,而有的因素又很难控制和测试,如滤饼比阻,它主要决定于颗粒直径和滤饼孔隙率。由于工业产品种类繁多,性质各异,众多的固体颗粒的几何形状及粒径大小更是多种多样、各不相同,因而要想准确地实测不同颗粒的直径和滤饼孔隙率往往是很困难的,这也是洗涤理论的研究进展缓慢的重要原因。
    为此,本文拟采用宏观控制方法,以近年来广泛用于众多工业部门的虹吸离心机用于重碱(NaHCO3) 料浆过滤的滤饼洗涤为研究对象,研究过程中,避开诸如滤饼比阻、滤饼孔隙率等难以控制和测定的微观参数,选用一些易于控制和实测,并直接影响滤饼洗涤效率的宏观参数,如洗涤液量、离心机转速、滤饼厚度等进行实验,再将实验数据通过计算机处理,建立起相关的滤饼洗涤数学模型。
1  实验结果评价及数学模型的建立
    在纯碱的生产过程中,重碱的过滤和洗涤是非常重要的过程,从碳化塔出来的重碱料浆需经过滤脱水、洗涤净化才能送往下一工段,经煅烧分解生成纯碱。纯碱产品对NaCl 含量有严格的限制,按其质量标准,纯碱一级产品NaCl 含量不得超过0. 8 %。为了确保纯碱产品质量,实际操作中,在重碱过滤脱水后都必须用软水对滤饼进行洗涤,以洗去滤饼中残留的NaCl 等杂质,使产品质量得到提高。
    重碱的过滤脱水,国内外传统的方法是采用转鼓真空过滤机(滤碱机) ,由于滤碱机过滤推动力小,使得重碱滤饼含湿量偏高(18 %~20 %) ,导致洗水用量大,煅烧时大量反碱,无谓地消耗能量,这对工业生产来讲是很不经济的。近年来,虹吸离心机在纯碱行业的成功应用改变了纯碱工业生产的格局。虹吸离心机过滤推动力大, 使滤饼含湿量低( <10 %) ,洗水用量少,煅烧能耗低,与传统滤碱机相比优势明显。以下是WGH2800 型虹吸离心机用于重碱过滤的滤饼洗涤实验。
1. 1  实验方案的确定
    影响滤饼洗涤效果的因素很多,包括: (1) 物性参数:颗粒直径d ,滤饼孔隙率ε ,滤液粘度μ ; (2)结构参数:转鼓内半径R ,洗水管内经D; (3) 操作参数:转鼓转速(角速度)ω,洗涤时间t ,每个循环的洗水用量V ,滤饼厚度L ,虹吸深度(高度)ΔH,循环次数N 等。在这些众多的参数中, 物性参数和结构参数是不便随意更改的,有的还不便测试,因而本实验选择对滤饼洗涤效果有较大影响而又易于测控的参数ω、t 、R 、V 、ΔH、L 、N 等作为实验控制参数。如果用滤饼含盐量E 表示洗涤效果,则:
    E = f (ω, t , R , V ,ΔH, L , N)         (1)
    将上式表示成指数函数,则
    E = Kωa1 ta2 Ra3Va4ΔHa5La6 Na7         (2)
    通过因次分析得
    E = K(ωt) b1 ( V/ R3) b2 (ΔH/ R) b3 ( L/ R) b4 Nb5         (3)
    用回归分析处理实验数据时,考虑到t = 0 时,对ωt 取对数无意义, 因此将上式中ωt 转化为1 +ωt ,同理将V/ R3 和ΔH/ R 转化为1 + V/ R3 和1 +ΔH/ R ,于是上式变为:
    E =K(1 +ωt) b1 (1 + V/ R3) b2 (1 +ΔH/ R) b3 (L/ R) b4Nb5        (4)
    式中K 为无因次比例常数, 为简化处理, 设洗涤强度准数Tw = ωt ;相对洗水用量Vr = V/ R3 ;相对滤饼厚度Lr = L/ R ;相对虹吸高度Hr = ΔH/ R 。通过改变上述的宏观实验参数,测试这些参数对滤饼洗涤效果(滤饼含盐量E ) 的影响。
1. 2  洗涤强度对滤饼含盐量的影响实验
    洗涤强度为转鼓角速度与洗涤时间的乘积,洗涤强度对滤饼含盐量的影响实验如图1 所示。
图1  洗涤强度对滤饼含盐量的影响
    图1  洗涤强度对滤饼含盐量的影响
    实验结果表明,滤饼含盐量随洗涤强度的增加而下降。原因是随着离心机转速的增加,分离因数( Rω2/ g) 以ω2 的关系递增,使得脱液推动力远比滤液在滤饼空隙内流动阻力的增加大得多,因而滤饼中残留滤液很快下降。但由于毛细管的作用,使得滤饼含盐量的下降最终趋于平缓。因而试图用机械方法将盐分全部洗掉是很困难的。
1. 3  相对洗液量对滤饼含盐量的影响实验
    相对洗液量对滤饼含盐量的影响实验如图2 所示。可见,滤饼含盐量随洗液量的增加而迅速下降。这是因为滤饼经洗涤前的脱液操作后,残留于滤饼中的滤液在颗粒接触点周围成为滞流液体或以薄膜方式残留在颗粒表面上,这时加入的洗液与残留液间产生有效的传质置换,使残留滤液中的溶质迅速减少。图2 还表明,随着洗水量的增加,滤饼含盐量将趋于平缓。这一方面是由于滤饼内的溶质浓度达到平衡,另一方面是因为部分溶质可能遗留于颗粒间的凹陷内而没有完全暴露于流动的洗液中而无法被洗液所置换。
图2  相对洗液量对滤饼含盐量的影响
    图2  相对洗液量对滤饼含盐量的影响
    1. 4  相对虹吸深度对滤饼含盐量的影响实验虹吸效应是虹吸离心机区别于其他过滤设备的一种特殊过滤推动力。虹吸高度对滤饼含盐量的影响实验结果如图3 所示。结果表明,随着虹吸高度的增加,滤饼含盐量下降。原因是由于虹吸效应的作用,使过滤初速度大大加快,形成的滤饼相对较疏松,通道较好,滤液残留于颗粒凹陷内而不暴露于流动洗液中的可能性也相对减小,使洗液能更有效地与残留滤液中的溶质进行传质置换,洗涤率提高,含盐量下降。
1. 5  相对滤饼厚度对滤饼含盐量的影响实验
    滤饼厚度对滤饼含盐量的影响实验如图4 所示。图4 的结果表明, 滤饼含盐量随滤饼厚度( L/ R ) 的增加而增加。这主要是由于滤饼厚度增加,滤饼过滤阻力也增加,使过滤速率下降,洗涤率也下降,最终导致滤饼含盐量上升。从提高生产能力的角度看,希望滤饼厚一些好,这就形成一对矛盾,因此,实际操作中,滤饼厚度的增加应以含盐量不超标为前提。
图3  相对虹吸高度对滤饼含盐量的影响
    图3  相对虹吸高度对滤饼含盐量的影响
图4  相对滤饼厚度对滤饼含盐量的影响
    图4  相对滤饼厚度对滤饼含盐量的影响
    1. 6  循环次数对滤饼含盐量的影响实验
    循环次数是指虹吸离心机操作过程中,为了维持较高的过滤速率,在若干个操作循环后,通过正、反冲洗将滤网上的残留层清洗干净,使滤布再生(简称大洗) ,通常把每两次大洗间的操作循环数称为循环次数。循环次数对滤饼含盐量的影响实验如图5所示。结果表明,滤饼含盐量随循环次数增加而增加。这是因为虹吸离心机为刮刀卸料,每次刮料之后,总要留下一个残留层,此残留层在每次刮料时都被压实一次,过滤比阻便随之增加,过滤速率则逐渐下降,洗涤率也越来越低。解决的办法,一是每次刮料结束后,利用虹吸室滤液的反冲功能使残留层再生,再就是在若干操作循环后,通过大洗将残留层彻底清除,再开始新的循环,使滤饼含盐量维持在正常水平。
图5  循环次数对滤饼含盐量的影响
    图5  循环次数对滤饼含盐量的影响
1. 7  数学模型的建立
    综合上述实验结果发现,影响虹吸离心机滤饼洗涤效果的宏观控制参数主要是:洗涤强度Tw、相对洗水用量Vr 、相对虹吸高度Hr 、相对滤饼厚度Lr及循环次数N 等。将有关的实验数据通过计算机处理,模拟回归得到虹吸离心机用于重碱过滤的滤饼洗涤效率经验方程为:
公式
    为了验证该公式的实用性,将部分实验数据和理论计算值列于表1。结果表明,实测值与理论值的误差不超过15 % ,这在工程应用中是许可的。
表1  滤饼洗涤效率理论值与实测值比较
    表1  滤饼洗涤效率理论值与实测值比较
2  结 论
    通过虹吸离心机用于重碱料浆过滤的滤饼洗涤性能实验研究,可以得出如下结论:
    1) 适当增加滤饼洗涤强度将有利于提高滤饼洗涤效果,措施是在保证离心机转鼓强度及运转平稳的前提下适当增加转速,即提高分离因数,或者适当增加脱液时间,以提高洗涤效果;
    2) 增加洗液量对提高洗涤率效果明显,是行之有效的办法,实际操作中,可以通过适当增加洗液量来改善洗涤效果,当然应以维持系统平衡为前提;
    3) 虹吸效应对洗涤效果影响显著,适当控制虹吸高度可以获得良好的洗涤效果,虹吸效应是区别于普通离心机的一种特殊优势,实验结果证明,由于虹吸效应的存在,使虹吸离心机的滤饼洗液量低于传统的滤碱机;
    4) 实验操作中,为了提高离心机生产能力,希望滤饼层厚一些好,但滤饼厚度增加,过滤阻力也增加,使洗涤效率下降,因此实际操作中,应在保证滤饼质量(NaCl 含量不超标) 的前提下有效地控制滤饼厚度;
    5) 滤饼含盐量总是随循环次数的增加而增加,合理确定循环次数往往与残留厚度有关,在保证安全操作的前提下残留层薄些好,实际操作中,虹吸离心机通过反冲洗,使滤布再生的特性不可忽视;
    6) 研究结果不仅适用于重碱滤饼的洗涤,对物性与重碱相近的物料同样有一定指导意义。



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