蘇志偉，楊隨先，蘇志勇，王 堯，許安航

（1.四川大學(xué)，四川成都 610065；2.中國核動力研究設(shè)計院，四川樂山 614100）

1 前言

固液分離裝置是一種應(yīng)用量大，使用面廣的通用機(jī)械，在許多生產(chǎn)過程中，固液分離裝置是關(guān)鍵設(shè)備之一，因此發(fā)展高效、節(jié)能、高通用性、低成本的固液分離裝置顯得十分重要［1］。現(xiàn)有工業(yè)加壓過濾器的基本形式及主要性能指標(biāo)如表 1所示［2］。

表1 現(xiàn)有工業(yè)加壓過濾器基本形式及主要性能指標(biāo)比較

現(xiàn)有過濾器在結(jié)構(gòu)或使用性能上不能滿足本文生產(chǎn)需求，在綜合考慮使用環(huán)境、設(shè)備穩(wěn)定性、成本合理性及應(yīng)用廣泛性等因素的基礎(chǔ)上［3～5］，提出了一種高過濾面積、高容渣率、高通用性、低成本的固液分離裝置。

2 設(shè)計需求及方案選擇

2.1 過濾對象分析

本文設(shè)計的分離裝置需處理的對象為具有懸浮顆粒的渾濁水溶液，濾前懸浮液D50為37.761 μm，其濃度為99%，經(jīng)本文設(shè)計裝置過濾后，過濾液 D50為 21.332 μm，相應(yīng)的濃度為 21%。

2.2 設(shè)計要求及難點(diǎn)

針對過濾對象特征和特殊的工程應(yīng)用環(huán)境要求，本文設(shè)計的固液分離裝置的設(shè)計要求為：（1）工作條件要求：過濾過程在常溫高輻射環(huán)境下進(jìn)行，過濾裝置在直徑600 mm、高900 mm的空間內(nèi)工作，過濾區(qū)內(nèi)采用機(jī)械工作方式。（2）過濾效果要求：在 0.3～0.5 MPa 壓力條件下，對 20 μm懸浮顆粒的截留能力在0.9以上，前0.5 h內(nèi)生產(chǎn)能力在7 m3以上，容渣率在25%以上。（3）其他要求：工作過程中避免液體飛濺，避免新液體及新顆粒引入，減少第一現(xiàn)場的人員數(shù)量，工作過程中裝置需便于維護(hù)及維修；（4）在成本允許范圍內(nèi)，允許裝置的一次性使用。

主要設(shè)計難點(diǎn)為：在保證截留率的前提下提高過濾效率和增大容渣率。

2.3 設(shè)計方案確定

在綜合考慮設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，本文提出了一種塔式過濾袋結(jié)構(gòu)的新型固液分離裝置。該裝置的主要特點(diǎn)包括：成本較低，可一次性使用；操作復(fù)雜度低，適合自動化生產(chǎn)和避免了人員直接參與的有輻射環(huán)境使用；外部固定架支撐及內(nèi)部雙波絲網(wǎng)固定的方式實現(xiàn)了每層過濾袋的雙面過濾；采用法蘭盤連接及整體式塔式過濾袋的方式，實現(xiàn)固定架的多次使用，同時提高了更換塔式過濾袋的便利性；采用疊加過濾袋的方式，增大了過濾面積及適用范圍，解決了設(shè)備適用大小及空間受限制等通用性問題。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為本文設(shè)計的全新塔式固液分離裝置結(jié)構(gòu)，如圖所示，在容納桶體積固定，濾餅厚度固定的條件下，為了提高整個裝置的容渣率及過濾效率，采用環(huán)形皺壁原理設(shè)計濾布安裝方式，增大單位體積過濾面積；由于流體在管道管件中存在流阻現(xiàn)象，為了減小壓降及流量損失，保證各個塔層壓力相近，采用中間通孔的注水方式；為了避免注水過程中上層塔擠壓下層塔導(dǎo)致溶液不能流動的問題，采用主動引流的原理，增加了雙波絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該裝置每層濾袋直徑為600 mm，各層濾袋連接口直徑為40 mm。每層過濾袋內(nèi)部及過濾袋外部連接處各放有雙層316L型號的300 mm直徑雙波絲網(wǎng)。工作時整套過濾裝置直接安放于容納桶內(nèi)，其頂部的連接管與給料水泵出水端水管連接。

圖1 塔式過濾裝置設(shè)計方案

4 裝置過濾效率分析與驗證

為了精確了解過濾介質(zhì)的主要物理性能，并估算其過濾效率，本文分別對濾布的截留能力、生產(chǎn)能力進(jìn)行了理論計算分析，通過試驗對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。

4.1 濾布截留能力計算

本文過濾裝置采用型號為3927濾布作為過濾介質(zhì)，根據(jù)盧志明等提出的根據(jù)濾布微孔尺寸分布及物料漿的顆粒尺寸分布預(yù)測濾布的顆粒截留能力的方法，得出濾布對某一尺寸s的顆粒截留能力函數(shù)為［6］：

式中CB——濾液中顆粒的體積分?jǐn)?shù)

NB（s）—— 濾液中尺寸為s的顆粒體積百分比

Cu——懸浮液中顆粒的體積分?jǐn)?shù)

Nu（s）—— 懸浮液中尺寸為s的顆粒體積百分比

根據(jù)JL－6000型干濕法兩用激光粒度儀測量所得的數(shù)據(jù)，計算得到型號為3927濾布對20 μm顆粒的試驗截留能力為NS=0.95。

4.2 過濾裝置生產(chǎn)能力計算

由于潛水泵流量較大，過濾袋可短時間內(nèi)充滿水，因此假設(shè)過濾過程為不可壓縮濾餅恒壓過濾，即在過濾過程中過濾壓力保持不變。根據(jù)羅斯（Ruth）方程，過濾方程可寫成：

式中V——入口濾液容積

μ——液體黏度

αm——濾餅的平均質(zhì)量比阻，稱為Ruth比阻

c—— 懸浮液固體濃度（按單位體積濾液中的固體質(zhì)量計）

A——過濾面積

Δp——為過濾介質(zhì)兩側(cè)壓力差

Rm——介質(zhì)的阻力

v——濾液流速

L——濾餅厚度

ρs——為濾餅中固體的密度

ε——介電常數(shù)

在過濾時間tf內(nèi)獲得的濾液容積為Vf：

在恒壓條件下，通過試驗得到不同時間t時的過濾速率v=V/A，根據(jù)圖2所示的t/V－V曲線，通過斜率a、截距b，求出濾餅比αm和過濾介質(zhì)阻力Rm，由式（4）計算出過濾機(jī)的生產(chǎn)能力。

圖2 t/V－V關(guān)系

本文所設(shè)計的過濾裝置采用由某機(jī)電有限公司生產(chǎn)的型號為 QDX3－30－1.1 水泵，其額定揚(yáng)程為 30 m，滿載理論壓力約為 0.3 MPa［7］。確定工作壓力差為0.2 MPa；單組理論過濾面積為0.49 m3，設(shè)計 80 組過濾袋。

根據(jù)試驗測試，在0.2 MPa壓力差下，300 s時過濾壓力基本穩(wěn)定。經(jīng)計算求得圖2的直線斜率a=20.71 s/m6，截距b=4.15×10－5s/m3。在不考慮濾餅的可壓縮性條件下根據(jù)式（4）得出其前 0.5 h內(nèi)對濾液的凈生產(chǎn)能力約為 13.18 m3，部分計算數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 部分相關(guān)數(shù)據(jù)

4.3 測試結(jié)果

圖3為主要由50 μm左右的細(xì)泥漿配置的懸浮液，污水泵在吸取過程中用氣泵在水池底部不斷吹氣，保證溶液濃度的均勻性。圖4所示為過濾后的溶液，目測清澈度與家用自來水的清澈度相近。

圖3 配制的懸浮液

圖4 過濾后的溶液

5 結(jié)語

本文根據(jù)國內(nèi)某核電站廢液處理提出的過濾要求，創(chuàng)新設(shè)計了一款低成本、高通用性的固液分離裝置，該裝置采用結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定的塔式過濾袋結(jié)構(gòu)。在雙波絲網(wǎng)的導(dǎo)流及支撐下，實現(xiàn)了過濾袋雙層過濾，采用多層過濾袋塔式疊加的方式增大了單位體積的過濾面積及容渣率，其單位容積過濾面積為156.8m，容渣率為0.24。同時根據(jù)使用條件通過改變過濾袋型號、形狀、尺寸及數(shù)量可提高設(shè)備的通用性。

［1］褚良銀，陳文梅，鐘月華.不同過濾方式下過濾速率衰減模型研究［J］.過濾與分離，1999（1）：1－8.

［2］全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站機(jī)泵技術(shù)委員會.工業(yè)離心機(jī)和過濾機(jī)選用手冊［M］.北京：化學(xué)化工出版社，2014 ：264－325.

［3］史曉暉，劉志民，趙新國.盤式加壓過濾機(jī)的技術(shù)發(fā)展［J］.過濾與分離，2003（13）：18－19.

［4］丁興江.浸沒式粉末硅藻土預(yù)涂覆微濾裝置過濾性能研究［J］.流體機(jī)械，2015，43（3）：12－16.

［5］楊輝，劉曉林，夏江.板框式壓濾機(jī)在文明污水站的應(yīng)用與改造［J］.石油機(jī)械，2005，33（9）：88－89.

［6］盧志明.濾布的過濾性能試驗研究［J］.化工機(jī)械，2000，27（2）：71－74.

［7］lirouqueenie.水泵出口壓力怎么換算成揚(yáng)程［EB/OL］.［2016－6－13］.http：//wenda.so.com/q/1458413775720157?src=9999&cid－pre=1000204.