章偉達(dá)

(浙江輕機(jī)實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 311401)

雙級(jí)推料離心機(jī)是一種連續(xù)進(jìn)料、脈動(dòng)卸料的自動(dòng)連續(xù)過(guò)濾式離心機(jī)[1]，我國(guó)自20世紀(jì)80年代末，開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并在此技術(shù)上獲得了大量的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，大大提高了對(duì)物料的分離效果[2]，目前已廣泛應(yīng)用于真空制鹽、廢水處理、化肥等化工行業(yè)，由于其高效、連續(xù)、自動(dòng)化程度高、分離效果好等特點(diǎn)，受到了用戶的青睞，因此雙級(jí)推料離心機(jī)不斷地進(jìn)入各個(gè)新的行業(yè)，在新的物料分離中不斷替代原來(lái)的分離設(shè)備，并且取得了較好的效果。

某化工廠生產(chǎn)的塑膠粒子原來(lái)應(yīng)用在臥式螺旋卸料過(guò)濾式離心機(jī)進(jìn)行脫水分離，分離后橡膠粒子的殘余含濕率在55%～60%左右，這就導(dǎo)致后道干燥工序需要花費(fèi)大量的能耗來(lái)對(duì)塑膠粒子進(jìn)行干燥，不符合國(guó)家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。因此，希望通過(guò)一款新的分離設(shè)備在塑膠粒子脫水后達(dá)到≤45%的殘余含濕率，以達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)約成本的目的。

文章就P-25雙級(jí)推料離心機(jī)在該塑膠粒子脫水分離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出雙級(jí)推料離心機(jī)在該橡膠粒子脫水分離上的展望。

1 雙級(jí)推料離心機(jī)的工作原理

雙級(jí)推料離心機(jī)的工作原理如圖1所示，物料通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)入與轉(zhuǎn)鼓一起旋轉(zhuǎn)的加速盤中，在加速后均勻地分布到第一級(jí)篩網(wǎng)上，在離心力的作用下，大部分的液體在這里得到過(guò)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(jí)轉(zhuǎn)鼓在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)推料盤的作用將濾餅脈動(dòng)推向第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓，并獲得更大的離心力，將殘余的液體過(guò)濾排出；濾餅則被第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓脈動(dòng)推向固體收集槽，經(jīng)固體出口排出。

圖1 工作原理圖Fig.1 Working principle diagram

2 橡膠粒子的生產(chǎn)工藝及特性分析

2.1 生產(chǎn)工藝流程

該工廠的橡膠粒子生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

2.2 物料特性

該塑膠粒子制成的塑料產(chǎn)品具有良好的機(jī)械物理性能，強(qiáng)度高、韌性好，耐腐蝕性好，有很好的耐候性，是一種防靜電材料。隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越多的戶外噴涂塑料件和金屬件都由其替代，因此其具有廣闊的發(fā)展前景。但是該塑膠粒子進(jìn)離心機(jī)時(shí)的懸浮液固體含量?jī)H在15%左右；通過(guò)對(duì)物料的分析，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑分布較寬，粒徑大小集中程度不高，顆粒分布在0.12 mm～0.25 mm之間，而且顆粒易擠壓后變形，堆積比為0.25 kg/cm3～0.3 kg/cm3。

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇及分析

為了滿足殘余含濕率的要求，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇需從分離因素和分離時(shí)間兩個(gè)重要參數(shù)著手。

3.1 分離因素

分離因數(shù)是離心機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，離心加速度與重力加速度的比值，是反映離心設(shè)備分離能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]，分離因素計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Fr——分離因數(shù)；ω——轉(zhuǎn)鼓角速度，rad/s；r——轉(zhuǎn)鼓半徑，m；g——重力加速度,m/s2；D——轉(zhuǎn)鼓直徑,m；n——轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，r/min。

從公式(1)可以發(fā)現(xiàn)，分離因素與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，分離因數(shù)越大，通常殘余含濕率就越低。這是由于液體穿過(guò)濾餅主要受到離心驅(qū)動(dòng)力，轉(zhuǎn)速越高驅(qū)動(dòng)力越大，液體穿濾的速率就越大；同時(shí)液體穿濾時(shí)還與濾餅層的孔隙率、物料的黏度、表面張力等因素有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高就越容易克服因這些因素所造成的阻力，液體就能更快地穿過(guò)濾餅層。但是在分離過(guò)程中也要考慮過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)使濾餅變得密實(shí)，阻礙液體的穿濾。因此，首次進(jìn)料實(shí)驗(yàn)是為了尋找合適的轉(zhuǎn)速，即在產(chǎn)量、推料次數(shù)為40次/min不變的情況下通過(guò)不同的轉(zhuǎn)速過(guò)濾分離后的實(shí)測(cè)殘余含濕率數(shù)值，來(lái)明確下一步實(shí)驗(yàn)方向，具體實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)速對(duì)殘余含濕率的影響Tab.1 Effect of rotating speed on residual moisture content

從表1可以發(fā)現(xiàn)，殘余含濕率的大致變化趨勢(shì)是隨著轉(zhuǎn)速上升而下降；在2 350r/min時(shí)殘余含濕率最低，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升殘余含濕率反而有上升的趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察到隨著轉(zhuǎn)速的提高，推料壓力也在不斷地增大，推料過(guò)程中爬坡現(xiàn)象也越發(fā)明顯。

3.2 分離時(shí)間

分離時(shí)間是指濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)過(guò)濾介質(zhì)上停留的時(shí)間，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：t——分離時(shí)間,s；L——過(guò)濾長(zhǎng)度，m；Ln——推料行程，m；i——推料次數(shù)，次/min；η——濾餅壓縮系數(shù)。

從式(2)可以發(fā)現(xiàn)濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離時(shí)間與推料次數(shù)成反比，推料次數(shù)越大，濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離時(shí)間就越短，反之就越長(zhǎng)；通常分離時(shí)間越長(zhǎng)殘余含濕率越低，因此，下一步進(jìn)料實(shí)驗(yàn)就是為了尋找合適的推料次數(shù)，即在產(chǎn)量不變、轉(zhuǎn)速為2 350 r/min的情況下，通過(guò)調(diào)整不同的推料次數(shù)來(lái)實(shí)測(cè)殘余含濕率數(shù)值，進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)方向,實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)表2。

表2 推料對(duì)殘余含濕率的影響Tab.2 Effect of pusher on residual moisture content

從表2可以發(fā)現(xiàn)，該物料在推料次數(shù)的變化時(shí)，對(duì)殘余含濕率的影響不是十分明顯。

從上述兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，殘余含濕率較使用臥式螺旋卸料過(guò)濾式離心機(jī)有著明顯的提高，但是距離用戶≤45%的需求還有一點(diǎn)差距，同時(shí)還需解決推料過(guò)程中由于推料阻力導(dǎo)致的爬坡現(xiàn)象，這就必須通過(guò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整來(lái)進(jìn)一步提升。

4 結(jié)構(gòu)的調(diào)整分析及實(shí)驗(yàn)

雙級(jí)推料離心機(jī)的濾餅過(guò)濾為恒壓過(guò)濾[6]，根據(jù)Ruth通過(guò)濾餅阻力的大量研究，提出了過(guò)濾基本方程[7]：

(3)

式中：u——過(guò)濾速率，m3/s；q——單位過(guò)濾面積得到的過(guò)濾量，m3/m2；t——累積的時(shí)間，s；Δp——過(guò)濾壓差，Pa；η——濾液黏度，Pa·s；RC——濾餅層阻力，m-1；RM——過(guò)濾篩網(wǎng)阻力，m-1。

從式(3)可以看出過(guò)濾速率與過(guò)濾壓差成正比，與濾液黏度、濾餅層阻力、過(guò)濾篩網(wǎng)阻力成反比。在前期實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的提高過(guò)濾速率也在增大。但是后期不明顯,可以認(rèn)為濾餅層阻力的增加影響了過(guò)濾速率，所以，需要在驅(qū)動(dòng)力和阻力兩者間做好平衡。

前面在分析分離因數(shù)時(shí)已闡述液體穿過(guò)濾餅主要受到離心驅(qū)動(dòng)力，這種驅(qū)動(dòng)力通過(guò)濾餅的傳遞對(duì)篩網(wǎng)產(chǎn)生了正壓力。

在推料過(guò)程中濾餅同時(shí)還受到篩網(wǎng)的摩擦阻力，摩擦力的公式如下：

F=N·μ

(4)

式中：F——摩擦力，N；N——正壓力，N；μ——摩擦系數(shù)。

從式(4)可以發(fā)現(xiàn)正壓力越大摩擦阻力就越高，活塞推料離心機(jī)在推料的過(guò)程中軸向力的傳遞是通過(guò)一圈一圈的濾餅向前不斷傳送的，推料過(guò)程中濾餅在篩網(wǎng)上受到摩擦阻力大，所需推料力也大[8]。由于該濾餅層較薄剛性不好，隨著摩擦阻力的增大，濾餅的剛性根本不足以克服摩擦阻力，這就是在前面實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速越高推料力越大，濾餅爬坡現(xiàn)象越明顯。所以，必須通過(guò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，降低摩擦阻力，即降低濾餅對(duì)篩網(wǎng)的正壓力。

4.1 離心加速盤

普通加速盤由于加速特性會(huì)導(dǎo)致顆粒到達(dá)篩網(wǎng)表面時(shí)顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差大，顆粒受到的沖擊力也大，同樣后續(xù)到達(dá)的顆粒與已經(jīng)形成的濾餅的沖擊力也大。這個(gè)沖擊力在徑向使濾餅壓得更密實(shí)會(huì)導(dǎo)致正壓力加大，濾液穿透性差。采用自帶葉片的離心加速盤，如圖3所示。通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉片使料液獲得動(dòng)能，減少顆粒和篩網(wǎng)兩者的線速度差，降低沖擊力，降低正壓力，提高濾液穿透性。

圖3 離心加速盤Fig.3 Centrifugal accelerator disk

4.2 錐篩網(wǎng)

P-25雙級(jí)推料離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓為圓柱形，圓柱篩網(wǎng)固定在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)孔時(shí)其母線平行于軸線，這時(shí)推料力等于濾餅與篩網(wǎng)的摩擦力。如果篩網(wǎng)的母線與軸線設(shè)計(jì)成一個(gè)角度，正壓力是離心力的一個(gè)分力，如圖4所示，這樣就減小了濾餅所受到的摩擦力。

從圖4可以看出在轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)確定的情況下，錐篩網(wǎng)的半錐角決定了正壓力的大小，正壓力的大小決定了推料力的大小。錐篩網(wǎng)的半錐角越大，推料力就減小。

依據(jù)上述的分析，在后面的實(shí)驗(yàn)中采用了離心加速盤和錐篩網(wǎng)，選取轉(zhuǎn)速為2 350 r/min和2 600 r/min進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 濾餅在錐篩網(wǎng)上的受力分析Fig.4 Stress analysis of filter cake on cone screen

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2 3502 600殘余含濕率/%42.543.1

從表3可以看出通過(guò)對(duì)離心機(jī)部分結(jié)構(gòu)調(diào)整，取得了不錯(cuò)的效果，殘余含濕率已能夠滿足用戶的≤45%的需求。同時(shí)推料壓力也有降低，推料過(guò)程中的爬坡現(xiàn)象有明顯的改善。

5 雙級(jí)推料離心機(jī)在橡膠粒子脫水分離上的展望

綜合上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析研究，為了雙級(jí)推料離心機(jī)能夠更好的在該橡膠粒子脫水分離上發(fā)揮功效，應(yīng)該通過(guò)將柱轉(zhuǎn)鼓改進(jìn)為錐轉(zhuǎn)鼓，以獲得更合適的半錐角來(lái)降低摩擦阻力，同時(shí)對(duì)離心加速盤、轉(zhuǎn)速和推料次數(shù)的合理運(yùn)用、選擇來(lái)最大化平衡驅(qū)動(dòng)力、摩擦阻力、穿透性等幾者之間的關(guān)系，盡可能降低殘余含濕率提高產(chǎn)量。