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0 引言

雙級活塞推料離心機是一種連續(xù)進料、脈動卸料的自動連續(xù)過濾式離心機[1]，在離心力作用下，將懸浮液中的固體顆粒經(jīng)第一級轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)截留形成濾餅[2]。濾餅通過推料機構(gòu)被脈動推出轉(zhuǎn)鼓，同時液體穿過濾餅、篩網(wǎng)和轉(zhuǎn)鼓排出。在分離中大顆粒且固含量高的懸浮液如真空制鹽時形成的濾餅較厚，具有分離效率高、產(chǎn)量高、操作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。但在分離細小顆粒且固含量低的懸浮液時，由于形成的濾餅層薄，在脈動推料過程中出現(xiàn)濾餅爬坡現(xiàn)象，嚴重時濾餅出現(xiàn)板結(jié)導致推料停止。

本文從雙級推料離心機的工作原理、濾餅的形成原理及過程，以及濾餅在推料過程中的受力情況著手，分析雙級推料離心機應用在薄層濾餅中出現(xiàn)爬坡等現(xiàn)象的原因，并提出優(yōu)化方案。

1 雙級推料離心機的工作原理

雙級推料離心機的工作原理如圖1所示，懸浮液通過進料管進入與轉(zhuǎn)鼓一起旋轉(zhuǎn)的加速盤中，在加速后均勻的分布到第一級轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)上，在離心力的作用下，大部分的液體在篩網(wǎng)上得到過濾[3]，經(jīng)收集罩匯聚后由液體出口排出；固體顆粒在篩網(wǎng)上形成濾渣層[4]即濾餅。由于第一級轉(zhuǎn)鼓在高速旋轉(zhuǎn)的同時還作軸向往復運動，借助推料盤的作用將濾餅脈動推向第二級轉(zhuǎn)鼓，并在第二級轉(zhuǎn)鼓上獲得更大的離心力，將殘余的液體過濾后排出；濾餅則被第一級轉(zhuǎn)鼓脈動推向固體收集槽排出。

圖1 工作原理

2 薄層濾餅

2.1 濾餅的形成原理及過程

濾餅的形成原理是懸浮液所含的固體顆粒和液體一起在加速盤的作用下做垂直于篩網(wǎng)表面的同向運動，而且以篩網(wǎng)表面為運動終端[5-8]，固體顆粒在篩網(wǎng)表面通過架橋被截留。當篩網(wǎng)表面形成一層濾餅后，濾餅就作為過濾介質(zhì)，截留的顆粒在濾餅表面形成不斷增厚的濾餅層。

雙級推料離心機是一種連續(xù)工作的過濾分離設(shè)備，整個進料過程就是濾餅的形成過程，推料的每個往復過程都會形成一圈濾餅，濾餅形成過程可分為3步進行描述。

第1步是第一級轉(zhuǎn)鼓往前運行過程，在這個過程中連續(xù)進入的懸浮液固體顆粒在篩網(wǎng)表面通過架橋被截留形成初始濾餅層，如圖2所示。

圖2 初始濾餅層形成

第2步是第一級轉(zhuǎn)鼓往后運行過程的第一階段，在這個階段中由于推料盤的作用，初始濾餅層在第一級轉(zhuǎn)鼓上被隆起，同時連續(xù)進入的懸浮液固體顆粒被截留在上面，如圖3所示。

圖3 副濾餅層形成

第3步是第一級轉(zhuǎn)鼓往后運行過程的第二階段，在這個階段中由于懸浮液的連續(xù)進入使濾餅具有了剛性，并在推料盤的作用下與前面的濾餅同時向前位移，如圖4所示。

圖4 濾餅層形成

濾餅形成的這3步在分離過程中往復循環(huán)，濾餅被一圈一圈的脈動推向第二級轉(zhuǎn)鼓，在第二級轉(zhuǎn)鼓上獲得更大的離心力后，被脈動推入固體收集腔。

2.2 導致薄層濾餅生成的原因及不利因素

雙級推料離心機的濾餅過濾為恒壓過濾[9]，即濾餅不斷增厚阻力不斷增加，過濾速率逐漸減小而離心力恒定。過濾速率基本方程為[10]：

式中 u——過濾速率，m3/s；

q——單位過濾面積得到的過濾量，m3/m2；

t——累積的時間，s；

Δp——過濾壓差，Pa；

η——濾液黏度，Pa·s；

RC——濾餅層阻力，m-1；

RM——過濾篩網(wǎng)阻力，m-1。

從式（1）可以看出，過濾速率與過濾壓差成正比，與濾液黏度、濾餅層阻力、過濾篩網(wǎng)阻力成反比。當離心機運行參數(shù)、物料參數(shù)確定時，過濾壓差、過濾篩網(wǎng)阻力、濾液黏度也確定了。在這種狀況下，濾液的過濾速率只與濾餅層阻力成反比函數(shù)關(guān)系，濾餅層阻力大則過濾速率小，反之濾餅層阻力小則過濾速率大。

而濾餅層阻力與物料的顆粒大小及分布、濾餅厚度成正向關(guān)系，當物料確定時，顆粒大小及分布也確定了，因此濾餅層的阻力由濾餅層厚度決定。濾餅層越厚，濾餅的過濾速率就越低。要在單位時間內(nèi)完成較多濾液量的過濾，就必須提高過濾速率，因此作為過濾介質(zhì)的濾餅只能生成薄層濾餅，否則就會出現(xiàn)拉稀現(xiàn)象。

雙級推料離心機在推料的過程中是通過一圈一圈濾餅來傳遞軸向力，并將前面的濾餅不斷推出轉(zhuǎn)鼓。因此濾餅的剛性直接影響到其結(jié)構(gòu)是否被破壞，推料時如果濾餅的剛性克服不了濾餅與篩網(wǎng)之間的摩擦阻力，濾餅就會被推得隆起而形成爬坡現(xiàn)象。濾餅不斷的爬坡堆積會造成板結(jié)，最終會導致推料停止。

3 優(yōu)化方案

為了解決薄層濾餅在推料過程中出現(xiàn)的爬坡現(xiàn)象，必須對雙級推料離心機的結(jié)構(gòu)、參數(shù)進行優(yōu)化。薄層濾餅的爬坡現(xiàn)象是其剛性克服不了摩擦阻力所產(chǎn)生的，推料過程中濾餅在篩網(wǎng)上受到的摩擦阻力大，所需推料力也大[11]，薄層濾餅的爬坡情況也越嚴重，優(yōu)化的方向是減小摩擦力。摩擦力的公式如下：

式中 T——摩擦力，N；

N——正壓力，N；

μ——摩擦系數(shù)。

由于在物料、篩網(wǎng)材質(zhì)確定時，摩擦系數(shù)μ也是確定的，則從式（2）可知，要減小薄層濾餅與篩網(wǎng)間的摩擦力，只需減小濾餅對篩網(wǎng)的正壓力N。

3.1 加速盤的優(yōu)化

雙級推料離心機離心過濾的懸浮液通常要求固含量高，因此設(shè)計的加速盤結(jié)構(gòu)原理類似于圓盤泵如圖5所示。

圖5 普通加速

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠輸送高濃度的物料，且結(jié)構(gòu)簡單、無堵塞[12]。其加速是依靠加速盤旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的動能和懸浮液內(nèi)部的摩擦力來實現(xiàn)。由于加速盤旋轉(zhuǎn)的動能是逐層向液體傳遞，在加速盤和推料盤之間的整個寬度上構(gòu)成速度梯度。這樣導致顆粒到達篩網(wǎng)表面時顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差大，顆粒受到的沖擊力也大。同理后續(xù)到達的顆粒對已經(jīng)形成的濾餅的沖擊力越來越大，使濾餅壓得越來越密實從而導致正壓力加大。

從以上分析可以看出，減小正壓力的關(guān)鍵是固體顆粒到達篩網(wǎng)（每一濾餅層）表面時的線速度與篩網(wǎng)（每一濾餅層）表面的線速度差盡量小[13]，因此對加速盤進行優(yōu)化改進。由于物料的固含量較低，優(yōu)化設(shè)計時采用葉片式加速盤，如圖6所示。

圖6 離心加速盤

該離心加速盤安裝在供料系統(tǒng)內(nèi)，包括一圓形平板，圓形平板的一側(cè)有若干個呈曲線狀均勻放射分布的葉片[14]。加速的原理是：依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片使懸浮液獲得動能。當懸浮液通過進料管進入旋轉(zhuǎn)的離心加速盤后，離心加速盤中的葉片迫使懸浮液旋轉(zhuǎn)，即葉片對懸浮液沿著它的運動方向做功，使懸浮液的動能增加。根據(jù)譚蔚等的研究，離心加速盤葉片為等變角螺旋線、出口安放角為15°時，模擬計算結(jié)果表明物料在不同高度上的最大切向速度比較均勻，在出口處的最小切向速度最大，加速盤對物料加速的綜合性能最好[15]。懸浮液得到很好的加速，減小顆粒與篩網(wǎng)（每一濾餅層）的線速度差，從而減小濾餅對篩網(wǎng)的正壓力。

在同一工況下，不同加速盤結(jié)構(gòu)對P40雙級推料離心機推料液壓力的影響見表1。

表1 不同加速盤結(jié)構(gòu)對推料液壓力的影響

表1表明,離心加速盤在實際應用中，負載時推料液壓力明顯減小，即在應用離心加速盤后濾餅對篩網(wǎng)的摩擦力（正壓力）比優(yōu)化前小。

3.2 轉(zhuǎn)鼓的優(yōu)化

雙級推料離心機的轉(zhuǎn)鼓為圓柱形，固定在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)孔的篩網(wǎng)母線平行于軸線，這時濾餅對篩網(wǎng)的正壓力等于離心力。如果篩網(wǎng)的母線與軸線設(shè)計成一個角度時，如圖7所示。由于正壓力只是離心力的一個分力，因此相對在同樣離心力下錐轉(zhuǎn)鼓的摩擦力要比柱轉(zhuǎn)鼓小。

圖7 錐轉(zhuǎn)鼓

濾餅在錐轉(zhuǎn)鼓上的受力分析如圖8所示。

圖8 濾餅在錐轉(zhuǎn)鼓上的受力分析

濾餅對篩網(wǎng)的正壓力為：

式中 Fn——離心力，N；

β——錐轉(zhuǎn)鼓半錐角，°。

沿著錐轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)表面的摩擦力為：

式中 Tn——錐轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)表面的摩擦力，N。

從式（4）可以看出，篩網(wǎng)表面的半錐角決定摩擦力的大小，轉(zhuǎn)鼓半錐角增大，摩擦力減小。在實際選擇轉(zhuǎn)鼓半錐角時，需根據(jù)物料特性選擇。

3.3 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的優(yōu)化

對濾餅中某一顆粒進行受力分析，結(jié)果表明當液體流過這一顆粒時，顆粒受到摩擦曳力的作用，迫使顆粒向篩網(wǎng)方向運動。同時由于這一顆粒周圍的粒子同樣受到液體的摩擦曳力作用，因此濾餅每一層的摩擦曳力都會傳遞給前面一層，這樣整個濾餅層受到的摩擦曳力就會增加正壓力，速度越高摩擦曳力就越大，正壓力也大。

但從濾液穿濾的角度分析，液體穿過濾餅主要受到2種驅(qū)動力:濾餅表面的液壓力和離心力。轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速越高驅(qū)動力越大，液體受到的驅(qū)動力越大穿濾的速率就越大。同時液體在穿過濾餅層時還與濾餅孔隙率、物料的黏度、表面張力等因素有關(guān)，要克服這些因素造成的阻力，使液體更快地穿過濾餅層，通常需提高轉(zhuǎn)速。

以上分析表明，轉(zhuǎn)速提高會增加正壓力，為防止濾餅的爬坡現(xiàn)象，需要選擇較低的轉(zhuǎn)速；但是要提高濾液的穿濾速率，必須提高轉(zhuǎn)速。針對這一矛盾在實際應用中需要相互兼顧，通常通過試驗的方式來選取合適的轉(zhuǎn)速。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

針對雙級推料離心機在薄層濾餅應用時存在的問題，通過對加速盤、轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速進行了優(yōu)化設(shè)計，并且實際應用結(jié)果表明離心加速盤、轉(zhuǎn)鼓的錐度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對正壓力有很大的影響，如圖9，10 所示。

圖9 未優(yōu)化的濾餅

圖10 優(yōu)化后的濾餅

從圖9，10中可以看出，未優(yōu)化時濾餅的爬坡現(xiàn)象非常嚴重，優(yōu)化后濾餅的爬坡現(xiàn)象得到明顯改善。

4 結(jié)語

結(jié)果表明通過對加速盤、轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)速參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，解決了雙級推料離心機應用在薄層濾餅分離過程中，由于爬坡而導致推料停止的現(xiàn)象。