趙 揚(yáng)， 許澤銀， 譚 蔚， 朱企新

(1.合肥學(xué)院機(jī)械系，安徽合肥 230022;2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)過(guò)濾與分離技術(shù)提出更高的要求，過(guò)濾設(shè)備不僅處理量大，而且應(yīng)具有壓榨功能，使得脫水(液)更多、更干，這樣可省去后續(xù)干燥過(guò)程而節(jié)約大量能源。因此壓榨脫水技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各種類(lèi)型的過(guò)濾脫水設(shè)備中，雖然壓榨脫水理論得到了關(guān)注和廣泛的研究，但均存在著很大的不足，壓榨脫水理論的實(shí)用性還很不夠[1]。實(shí)踐表明，對(duì)于完全不可壓縮的濾餅，不可能通過(guò)過(guò)濾壓力來(lái)減少含水量[2]，此時(shí)只有應(yīng)用壓榨脫水的方法才能有效地降低濾餅水分。

壓榨的目的旨在實(shí)現(xiàn)比過(guò)濾更高的固液分離，Shirato教授引入Terzaghi模型[3]，在推導(dǎo)壓榨過(guò)濾方程時(shí)，認(rèn)為有過(guò)濾和壓密2個(gè)階段。物料在過(guò)濾壓榨過(guò)程中首先受到過(guò)濾，在濾室內(nèi)形成濾餅，一段時(shí)間后濾餅充滿濾室，過(guò)濾結(jié)束，進(jìn)入壓榨階段，并且假定在過(guò)濾過(guò)程結(jié)束后進(jìn)入壓密過(guò)程[4]。文獻(xiàn)[5]提出了過(guò)濾階段與壓榨階段分界點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)求法。在工業(yè)應(yīng)用中，不可能待過(guò)濾速率為零時(shí)才進(jìn)入壓榨過(guò)程。因?yàn)閷?duì)于難過(guò)濾物料，在過(guò)濾后期由于濾液排出速度太慢，要繼續(xù)過(guò)濾是不經(jīng)濟(jì)的。若增加過(guò)濾推動(dòng)力，過(guò)濾介質(zhì)與濾餅相接觸的截面會(huì)形成結(jié)構(gòu)致密的濾餅層，導(dǎo)致過(guò)濾比阻的增加，抵消增大壓差的效果[5]。實(shí)際壓榨過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾特性是當(dāng)過(guò)濾到一定階段，即開(kāi)始進(jìn)行壓榨[6]。

生產(chǎn)廂式壓濾機(jī)的一些著名公司提出，過(guò)濾操作時(shí)應(yīng)該在過(guò)濾速率降到一定位置開(kāi)始進(jìn)行壓榨過(guò)程，但沒(méi)有指出具體起始?jí)赫c(diǎn)，只指出采用壓榨過(guò)濾技術(shù)，濾餅的固含量可以提高50%，而過(guò)濾效率可以提高1倍[7]。因此，研究壓榨過(guò)濾的最佳壓榨點(diǎn)具有很大的實(shí)用價(jià)值。本文根據(jù)不同壓榨壓力以及相同壓榨壓力但不同壓榨起始點(diǎn)時(shí)，所得到的濾液量和濾餅的濕含量進(jìn)行分析，以尋求通過(guò)試驗(yàn)確定最佳壓榨點(diǎn)的方法。

1 壓榨過(guò)濾試驗(yàn)

1.1 壓榨過(guò)濾裝置

本試驗(yàn)采用活塞式壓榨過(guò)濾試驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1 壓榨過(guò)濾試驗(yàn)流裝置

1.2 過(guò)濾壓力與壓榨壓力相同時(shí)的壓榨試驗(yàn)

本文以硅藻土與高嶺土混合物料為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了過(guò)濾壓力和壓榨壓力相同時(shí)不同起始?jí)赫c(diǎn)的試驗(yàn)。不同壓榨起始點(diǎn)的壓榨過(guò)濾曲線如圖2所示。其中過(guò)濾壓力和壓榨壓力均為0.20 MPa，加料量均為400 g/次。由圖2可以看出，當(dāng)過(guò)濾壓力與壓榨壓力相同時(shí)，起始?jí)赫c(diǎn)不同，最終得到的濾液量也不同，這說(shuō)明起始?jí)赫c(diǎn)對(duì)壓榨過(guò)濾有較大的影響。

在170 m L點(diǎn)開(kāi)始?jí)赫ィ^(guò)濾時(shí)間為135 s，濾餅的含水率為61.65%;在180 m L點(diǎn)開(kāi)始?jí)赫ィ^(guò)濾時(shí)間為153 s，濾餅的含水率為61.50%。雖然時(shí)間僅增加了18 s，但兩者獲得的濾餅含濕量相差了1.15%，對(duì)于壓榨過(guò)濾操作存在一個(gè)最適宜的起始點(diǎn)。在本試驗(yàn)中，當(dāng)濾液量為180 m L時(shí)開(kāi)始?jí)赫?，可以達(dá)到最佳壓榨過(guò)濾的效果，理論濾液量為248m L，說(shuō)明達(dá)到了理論計(jì)算所得濾液量的72.6%時(shí)，開(kāi)始?jí)赫樽罴选?/p>

圖2 硅藻土與高嶺土混合懸浮液不同起始?jí)赫c(diǎn)曲線

1.3 硅藻土與黏土混合懸浮液的壓榨試驗(yàn)

考慮到硅藻土的可壓縮性較低，高嶺土與硅藻土配比在實(shí)際壓榨生產(chǎn)中并不常用，為了盡可能模擬真實(shí)的工業(yè)應(yīng)用過(guò)程，取硅藻土與黏土混合料漿進(jìn)一步進(jìn)行研究。

在不同壓力下得到的壓榨過(guò)濾曲線如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)壓力由0.15 MPa逐漸增大到0.25MPa，獲得400m L濾液所需要的時(shí)間逐漸縮短;但當(dāng)壓力為0.30MPa時(shí)，獲得相同濾液所需要的時(shí)間又趨延長(zhǎng)，說(shuō)明此時(shí)雖然壓力增大，而過(guò)濾速率反而降低。

圖3 硅藻土與黏土混合懸浮液不同壓力下的試驗(yàn)曲線

當(dāng)過(guò)濾壓力為0.15 MPa時(shí)，濾餅的濕含量為55%;而當(dāng)過(guò)濾壓力為0.25 MPa時(shí)，濾餅的濕含量減低到47.5%，降低了15.8%。當(dāng)過(guò)濾壓力增加到0.3 MPa時(shí)，濾餅的濕含量又增加到49.6%。這說(shuō)明過(guò)濾壓力和壓榨壓力并非越高越好，壓力過(guò)高，濾餅壓得太實(shí)，濾餅中的一些孔變成了盲孔，過(guò)濾效率反而會(huì)降低。

從試驗(yàn)可以看出，無(wú)論在過(guò)濾階段還是壓榨階段，當(dāng)壓力為0.25 MPa時(shí)，得到相同濾液量所需的時(shí)間最短，濾餅含濕量也最低，即效率最高。因此，在該試驗(yàn)條件下最適宜的過(guò)濾壓力和壓榨壓力應(yīng)為0.25 MPa。

1.4 不同壓榨起始點(diǎn)的壓榨過(guò)濾試驗(yàn)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，過(guò)濾壓力與壓榨壓力在0.25 MPa時(shí)進(jìn)行過(guò)濾壓榨操作為最佳，為此在該條件下，以硅藻土與黏土混合料漿為實(shí)驗(yàn)物料，選不同的壓榨起始點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 硅藻土與黏土混合懸浮液在不同起始?jí)赫c(diǎn)的試驗(yàn)曲線

從圖4中可以看出，要得到相同濾液(例如450 m L)，分別需要時(shí)間為380、500、630、670 s，而只有當(dāng)濾液量達(dá)到380 m L開(kāi)始?jí)赫?，濾餅的含濕量為最低，過(guò)濾效率也較高，因而可以選擇在濾液量380 m L時(shí)作為起始?jí)赫c(diǎn)，此時(shí)壓榨效果為最佳。在該壓力下，理論濾液量為503m L，即達(dá)到理論濾液量的75.5%時(shí)，開(kāi)始?jí)赫樽罴选?/p>

1.5 過(guò)濾壓力和壓榨壓力不同時(shí)的試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究壓榨過(guò)濾的操作條件，又分別進(jìn)行了過(guò)濾壓力和壓榨壓力不同時(shí)的壓榨過(guò)濾試驗(yàn)，并與過(guò)濾壓力和壓榨壓力相同時(shí)的效果進(jìn)行了對(duì)比。

過(guò)濾壓力相同、壓榨壓力不同時(shí)的壓榨過(guò)濾曲線如圖5所示。從圖5可知，在壓榨階段，由于壓榨壓力增大，得到的相同的壓榨濾液所需的時(shí)間可以縮短。

壓榨壓力相同、過(guò)濾壓力不同時(shí)的壓榨過(guò)濾曲線如圖6所示。從圖6可看出，在過(guò)濾階段壓力增大后，得到相同的濾液，時(shí)間可明顯減小。提高過(guò)濾階段的操作壓力或提高壓榨階段的操作壓力均可以縮短時(shí)間，但前者更加明顯。

但在實(shí)際操作中，雖然提高過(guò)濾壓力比提高壓榨壓力縮短工藝時(shí)間更明顯，一般不主張?zhí)岣哌^(guò)濾壓力，因?yàn)樘岣哌^(guò)濾壓力所需要的能量比提高壓榨壓力要高。

圖5 過(guò)濾壓力相同而壓榨壓力不同時(shí)的壓榨過(guò)濾曲線

圖6 壓榨壓力相同而過(guò)濾壓力不同時(shí)的壓榨過(guò)濾曲線

實(shí)驗(yàn)表明，在相同過(guò)濾壓力和相同壓榨壓力下，當(dāng)起始?jí)赫c(diǎn)不同時(shí)，最終得到的濾液量和濾餅的濕含量不同，即壓榨過(guò)濾的起始?jí)赫c(diǎn)對(duì)壓榨過(guò)濾有較大的影響。壓榨過(guò)濾操作存在一個(gè)最適宜的起始?jí)赫c(diǎn)，在該起始點(diǎn)開(kāi)始?jí)赫カ@得的壓榨效果最好，即整個(gè)過(guò)濾、壓榨過(guò)程所用的時(shí)間最短，得到的濾液量最多，濾餅的含水量最低。適當(dāng)提高過(guò)濾壓力和壓榨壓力對(duì)降低濾餅含水率和縮短工藝時(shí)間是有利的，但因物料的不同而異，需要通過(guò)試驗(yàn)確定最適宜的操作條件。

2 壓榨過(guò)濾工業(yè)性試驗(yàn)

2.1 氯堿鹽泥的壓榨過(guò)濾工業(yè)性試驗(yàn)

處理物料為氯堿鹽泥。

壓濾機(jī)運(yùn)行周期為53 m in，其中，壓緊1.5min(20.0MPa);過(guò)濾20min(0.6 MPa);洗滌10m in(0.9 MPa);壓榨5min(0.7 MPa);松板1.5 m in(3.0 M Pa);卸料15 m in。

通過(guò)試驗(yàn)，比較在過(guò)濾壓力和壓榨壓力均不變的情況下，改變不同起始?jí)赫c(diǎn)，觀察壓榨效果，確定提前壓榨的最適宜操作條件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1 氯堿鹽泥壓榨過(guò)濾工業(yè)性試驗(yàn)

從表1中可以看出，對(duì)于這種物料，采用壓榨過(guò)濾方式與采用單一過(guò)濾操作、單個(gè)濾室相比，獲得的濾餅質(zhì)量及含水率都會(huì)下降。

綜合比較，以提前5m in壓榨為最好，此時(shí)濾餅含水率29.06%為最低。和常規(guī)過(guò)濾壓榨方式相比，提前5 min壓榨濾餅含水率降低了15.37%;每個(gè)濾室的濾餅量從37.51 kg降低到34.64 kg，減少濾餅運(yùn)輸量7.65%;和常規(guī)過(guò)濾方式相比，濾餅含水率從50%降低到29.62%，降低了40.76%;每個(gè)濾室的濾餅量從48.77 kg降低到34.64 kg，減少濾餅運(yùn)輸量28.97%。過(guò)濾壓榨時(shí)間由原來(lái)的25 min減少到20m in，生產(chǎn)效率提高了20%。

2.2 漂粉精壓榨過(guò)濾工業(yè)性試驗(yàn)

處理物料為漂粉精。料漿pH值為10.5左右;粒度范圍為30～50μm;濾布選型根據(jù)物料的性質(zhì)，選用丙綸750A加密型濾布。

通過(guò)試驗(yàn)，比較不同壓榨方式的效果，確定提前壓榨的最適宜操作條件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2 漂粉精壓榨過(guò)濾工業(yè)性試驗(yàn)

由表2可看出，采用過(guò)濾壓榨方式，即過(guò)濾30 min后再經(jīng)過(guò)2次壓榨，可降低濾餅含水率32.48%，降低濾餅量34.38%。

采取提前壓榨技術(shù)，即過(guò)濾24min后進(jìn)入壓榨過(guò)程(過(guò)濾時(shí)間縮短20%)，經(jīng)過(guò)2次壓榨，第1次在0.6 MPa壓榨壓力下壓榨15 min，再在0.8 MPa壓榨壓力下壓榨21 min，合計(jì)工藝處理時(shí)間為60 min，濾餅含水率可降低42.15%，濾餅質(zhì)量降低了40.63%。可見(jiàn)，和原來(lái)的過(guò)濾壓榨方式相比，采用提前壓榨技術(shù)效率提高了40%，總工藝處理時(shí)間大大縮短，提高了生產(chǎn)效率，大大增加了產(chǎn)品產(chǎn)量。

而濾餅含水率從原工藝的41.78%降低到35.79%，降低了14.34%，濾餅含水量的降低意味著提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，大大降低了后續(xù)干燥工序的熱能消耗成本。

濾餅質(zhì)量則從原工藝的21 kg降低到19 kg，減少濾餅運(yùn)輸量9.52%，濾餅質(zhì)量的降低意味著運(yùn)輸成本的減少。

2.3 煤制油催化劑工業(yè)性試驗(yàn)

處理物料為煤制油催化劑。

壓濾機(jī)運(yùn)行周期為28 m in，其中，壓緊1.5min(22 MPa);過(guò)濾10 min(0.6 MPa);壓榨5m in(0.6 MPa);松板1.5 min(3.0 MPa);卸料10 m in。1 500 mm×1 500mm的隔膜濾板，單個(gè)濾室的過(guò)濾面積為1.923m2。結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 煤制油催化劑工業(yè)性試驗(yàn)

從表3可以看出，壓榨時(shí)間不變，提高過(guò)濾壓力，能夠降低濾餅含水率。如從0.6 M Pa提高到0.7 MPa，濾餅含水率可降低4.4%，從0.7 MPa提高到0.8 MPa，濾餅含水率僅降低了1.2%。這說(shuō)明當(dāng)過(guò)濾壓力提高到一定程度后，對(duì)于這類(lèi)物料，它對(duì)降低濾餅含水率的作用十分有限。對(duì)于該物料，過(guò)濾壓力選擇0.7 MPa，壓榨壓力選擇0.6 M Pa比較合適。

2.4 果膠工業(yè)性試驗(yàn)

處理物料為蘋(píng)果果膠，壓濾機(jī)運(yùn)行周期為40m in，其中過(guò)濾壓力為0.6 MPa;壓榨壓力為0.8 MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所列。

表4 果膠工業(yè)性過(guò)濾試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于果膠這類(lèi)可壓縮性比較大的有機(jī)物料，提高過(guò)濾壓力對(duì)降低濾餅含水率幾乎沒(méi)有作用。

3 結(jié) 論

對(duì)可壓縮性低的物料，采用提前壓榨技術(shù)可以縮短工藝處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低濾餅含水率和濾餅質(zhì)量，從而減少濾餅運(yùn)輸量，降低后續(xù)干燥工序的熱能消耗成本。

在過(guò)濾壓力、壓榨時(shí)間和壓榨壓力不變的前提下，選擇合適的時(shí)間提前進(jìn)入壓榨階段非常重要。存在一個(gè)最佳值，在該時(shí)間提前進(jìn)入壓榨階段，所得到的濾餅含水率為最低，效率最高。該時(shí)間的提前量需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，試驗(yàn)室試驗(yàn)、氯堿鹽泥和漂粉精的工業(yè)性試驗(yàn)表明，該時(shí)間的提前量一般為20%～25%。

壓榨時(shí)間和壓榨壓力不變，提高過(guò)濾壓力對(duì)降低濾餅含水率是有利的。但對(duì)有些物料，過(guò)濾壓力提高到一定程度后，對(duì)降低濾餅含水率的作用十分有限;對(duì)于有些物料，提高過(guò)濾壓力對(duì)降低濾餅含水率幾乎沒(méi)有作用。因此，應(yīng)根據(jù)物料性質(zhì)的不同，通過(guò)試驗(yàn)確定合適的過(guò)濾壓力和壓榨壓力。

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