陶淵卿,呂麗珍,楊曉軍,彭若澄

(1.浙江輕機(jī)實業(yè)有限公司,浙江 杭州 311401;2.浙江輕機(jī)離心機(jī)制造有限公司,浙江 杭州 311401)

0 引 言

自1935年ESCHER WYSS制造出第一臺活塞推料離心機(jī)以來,由于其具有高效、節(jié)能的特點，適應(yīng)了工業(yè)化的發(fā)展,在市場上得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過不斷的發(fā)展,目前離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑已從0.15 m發(fā)展到1.40 m,主體結(jié)構(gòu)已從單級活塞推料發(fā)展到8級活塞推料,適應(yīng)物料也從最初食糖脫水發(fā)展到適用于幾百種不同物料的分離[1]。

我國活塞推料離心機(jī)從20世紀(jì)60年代開始設(shè)計和制造,發(fā)展至20世紀(jì)80年代僅形成2個系列4種規(guī)格的產(chǎn)品,且不能滿足多種物料的分離要求。20世紀(jì)80年代末,我國開始引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù),并在該技術(shù)上擁有了大量的自主知識產(chǎn)權(quán),大大提高了對物料的分離效果[2],同時也形成了系列化產(chǎn)品。目前,國內(nèi)雙級活塞推料離心機(jī)的產(chǎn)品系列中最小規(guī)格為P-40,其一級轉(zhuǎn)鼓直徑為0.29 m,二級轉(zhuǎn)鼓直徑為0.36 m。

雙級活塞推料離心機(jī)主要應(yīng)用于中等顆粒的固液分離,是一種連續(xù)運轉(zhuǎn)、自動操作、脈動卸料的過濾式離心機(jī)[3]。因其具有自動化程度高、分離效果好、能耗低、操作穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點,在化工行業(yè)的固液分離操作單元中發(fā)揮了重要作用。近幾年,隨著環(huán)保事業(yè)的深入發(fā)展,高濃度難降解廢水處理得到了快速發(fā)展,一些小型化工廠迫切需要生產(chǎn)能力在300 kg/h～500 kg/h,及殘余含濕率≤5%的小型雙級活塞推料離心機(jī)。

筆者通過對P-40雙級活塞推料離心機(jī)在工業(yè)廢水處理應(yīng)用中的運行參數(shù)進(jìn)行分析,并在深入了解物料分離特性的基礎(chǔ)上,設(shè)計一種P-25雙級活塞推料離心機(jī),以滿足小型化工廠工業(yè)廢水處理中的固液分離要求。

1 雙級活塞推料離心機(jī)的工作原理

雙級活塞推料離心機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1 雙級活塞推料離心機(jī)工作原理圖1—進(jìn)料管;2—加速盤;3—第一級轉(zhuǎn)鼓(篩網(wǎng));4—第二級轉(zhuǎn)鼓(篩網(wǎng));5—收集罩;6—固體收集槽;A—進(jìn)料口;B—排液孔;C—固體出口

圖1中,物料通過進(jìn)料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓,在離心力的作用下,通過加速盤將物料均勻地分布到第一級轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)上,濾液通過篩網(wǎng)間隙及轉(zhuǎn)鼓上的排液孔被甩出轉(zhuǎn)鼓,固相顆粒則被截留在篩網(wǎng)上形成濾餅層[4]。

由于第一級轉(zhuǎn)鼓在高速旋轉(zhuǎn)的同時還作軸向往復(fù)運動,借助推料盤的作用將濾餅脈動式推向第二級轉(zhuǎn)鼓,并在第二級轉(zhuǎn)鼓上獲得更大的離心力,將殘余的部分液體通過第二級轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)和第二級轉(zhuǎn)鼓上的排液孔排出;濾餅則被第一級轉(zhuǎn)鼓脈動式推向固體收集槽,并經(jīng)固體出口排出機(jī)外。

2 影響產(chǎn)能和殘余含濕率的參數(shù)分析

2.1 影響產(chǎn)能的參數(shù)分析

雙級活塞推料離心機(jī)的產(chǎn)能設(shè)計通常采用實驗換算法,即對1臺雙級活塞推料離心機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)能力的測定,然后根據(jù)物料的特性參數(shù)進(jìn)行換算,其計算簡便可靠。

目前,P-40雙級活塞推料離心機(jī)在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,以下的設(shè)計是基于在同一種物料的特性參數(shù)下,通過對P-40雙級活塞推料離心機(jī)實際運行參數(shù)和生產(chǎn)能力的測定后進(jìn)行的換算。

雙級活塞推料離心機(jī)生產(chǎn)能力的計算公式如下:

Ls=60·π·(D1-h)·h·Ln·i·ρ·η

(1)

式中:Ls—生產(chǎn)能力,kg/h;D1—第一級轉(zhuǎn)鼓直徑,m;h—第一級轉(zhuǎn)鼓濾餅厚度,m;Ln—推料行程,m;i—推料次數(shù),times/min;ρ—濾餅的堆積密度,kg/m3;η—濾餅壓縮系數(shù)。

對于同一種物料,在同樣分離條件下其濾餅的堆積密度、濾餅壓縮系數(shù)是相同的。因此,從式(1)可以看出,這種物料在雙級活塞推料離心機(jī)的生產(chǎn)能力與第一級轉(zhuǎn)鼓直徑、濾餅厚度、推料行程、推料次數(shù)有關(guān)。

2.2 影響殘余含濕率的參數(shù)分析

為了滿足分離后殘余含濕率的要求,分離因數(shù)和分離時間是2個重要的參數(shù)。

2.2.1 分離因數(shù)

分離因數(shù)是離心機(jī)在運行過程中,離心力與重力之比,是反映離心設(shè)備分離能力的1項重要指標(biāo)[5],是滿足分離要求的必要條件;通常分離因數(shù)越大,分離效果越好。

分離因數(shù)計算公式如下:

(2)

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。

從式(2)可以看出,分離因數(shù)與轉(zhuǎn)鼓直徑、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。

2.2.2 分離時間

分離時間是指濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)過濾介質(zhì)上停留的時間,是滿足分離要求的充分條件;通常分離時間越長,殘余含濕率越低。

分離時間計算公式如下:

(3)

式中:t—分離時間,s;L—過濾長度,m;Ln—推料行程,m;i—推料次數(shù),times/min;η—濾餅壓縮系數(shù)。

從式(3)可以發(fā)現(xiàn),濾餅被推出轉(zhuǎn)鼓前在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離時間與推料行程、推料次數(shù)的乘積成反比,與轉(zhuǎn)鼓過濾長度成正比;推料行程與推料次數(shù)的乘積越大,濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離時間就越短,反之分離時間就越長;同理,轉(zhuǎn)鼓過濾長度越長,濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離時間就越長,反之分離時間就越短。

綜上所述,影響生產(chǎn)能力和殘余含濕率的主要運行參數(shù)有:轉(zhuǎn)鼓直徑、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、推料行程、推料次數(shù)、轉(zhuǎn)鼓過濾長度。

以下筆者將著重針對小型雙級活塞推料離心機(jī)主要運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。

3 主要運行參數(shù)的設(shè)計

雙級活塞推料離心機(jī)的濾餅過濾為恒壓過濾[6],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。由于推料是連續(xù)的,濾餅不斷被推出轉(zhuǎn)鼓,濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離時間是有限的。這些分離特性決定了雙級活塞推料離心機(jī)的濾餅厚度是有極限的。如果濾餅厚度達(dá)到極限時通過繼續(xù)加大進(jìn)料量來提高濾餅的厚度,就會出現(xiàn)“拉稀”現(xiàn)象[7]。通常將雙級活塞推料離心機(jī)進(jìn)料量的上限定義為溢限流[8],它是生產(chǎn)能力的主要限制因素,因此,最大濾餅厚度對離心機(jī)的運行參數(shù)設(shè)計起到關(guān)鍵作用。

工業(yè)廢水處理中固體物料通常為無機(jī)鹽,通過對物料特性的分析,含固量在30%左右,顆粒大部分在0.08 mm～0.12 mm之間,粘度大約在5 cp。

由于顆粒細(xì)小、含固量低且粘度偏大,P-40雙級推料活塞離心機(jī)在工業(yè)廢水處理中的固體產(chǎn)量為1 400 kg/h～2 000 kg/h,殘余含濕率為4.7%～5%。

以下就對P-40雙級活塞推料離心機(jī)在上述物料分離時的實際數(shù)據(jù),計算出最大濾餅厚度。

其在工業(yè)廢水處理中的最大生產(chǎn)能力及主要運行參數(shù)如表1所示。

表1 P-40機(jī)在工業(yè)廢水處理中的最大生產(chǎn)能力及主要運行參數(shù)

當(dāng)離心機(jī)正常進(jìn)料時,η≈0.8～0.9[9]。考慮到濾餅層較薄,在推料過程中濾餅變形量大,取η=0.8。根據(jù)式(1)及表1的參數(shù)可以計算出P-40分離該物料時濾餅的最大厚度等于9.5×10-3m。

分離因素是分離效果的重要指標(biāo),筆者在設(shè)計時選取與P-40相同的分離因素,故確定小型雙級活塞推料離心機(jī)最大生產(chǎn)能力時的濾餅厚度定為9.5×10-3m。

3.1 推料行程、推料次數(shù)的設(shè)計

筆者設(shè)定小型雙級活塞推料離心機(jī)第一級轉(zhuǎn)鼓D1為0.20 m,分離上述物料的最大生產(chǎn)能力500 kg/h。根據(jù)式(1),可以計算出小型雙級活塞推料離心機(jī)的推料行程與推料次數(shù)的乘積為1.29。

因此,從理論上可以計算出達(dá)到最大生產(chǎn)能力要求時,推料行程與推料次數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 推料行程與推料次數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2可知,當(dāng)推料行程Ln為0.03 m時,推料次數(shù)的計算值等于43.00 times/min。為了滿足生產(chǎn)能力并兼顧殘余含濕率要求,筆者選取的推料次數(shù)應(yīng)該大于此值。

3.2 轉(zhuǎn)鼓過濾長度的設(shè)計

上文已經(jīng)闡述濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的過濾時間與推料行程、推料次數(shù)的乘積成反比,與轉(zhuǎn)鼓過濾長度成正比。

從表1可以得知在P-40雙級活塞推料離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓過濾長度一級轉(zhuǎn)鼓為0.168 m,二級轉(zhuǎn)鼓0.166 m,推料行程為0.05 m,在工業(yè)廢水固液分離時推料次數(shù)70 times/min,可以按式(3)計算出這種物料形成的濾餅在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)過濾時間為7.16 s。

筆者按已設(shè)定的小型雙級活塞推料離心機(jī)推料行程Ln為0.03 m參數(shù)設(shè)計,由式(3)計算出小型雙級活塞推料離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓過濾長度與推料次數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)鼓過濾長度與推料次數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)

推料次數(shù)是雙級活塞推料離心機(jī)的一個很重要的參數(shù),在很大程度上決定離心機(jī)的生產(chǎn)能力和分離效果[10]。

在過濾長度、濾餅厚度恒定的情況下,推料次數(shù)低會導(dǎo)致產(chǎn)量下降;推料次數(shù)高會導(dǎo)致殘余含濕率高。

根據(jù)表3可知,當(dāng)小型雙級活塞推料離心機(jī)推料行程Ln為0.03 m,最大推料次數(shù)i設(shè)計為50 times/min時,轉(zhuǎn)鼓過濾長度計算值等于0.143 m。考慮到小型雙級活塞推料離心機(jī)主要應(yīng)用于較難分離的工業(yè)廢水固液分離,要獲得較低的殘余含濕率,需要延長分離時間;同時,考慮到旋轉(zhuǎn)組件的重心位置會對離心機(jī)的振動產(chǎn)生影響。因此,筆者最終選取轉(zhuǎn)鼓過濾長度L為0.218 m。

3.3 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的設(shè)計

為了滿足分離效果,不同的物料需要不同的分離因數(shù)進(jìn)行分離,而相同物料滿足分離效果的分離因數(shù)是相同的。

從表1可以得知,P-40雙級活塞推料離心機(jī)在上述工業(yè)廢水固液分離的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1 900 r/min。因此,當(dāng)小型雙級活塞推料離心機(jī)的一級轉(zhuǎn)鼓設(shè)定為0.20 m時,根據(jù)式(2)計算出小型雙級活塞推料離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速等于2 288 r/min。由于過大的轉(zhuǎn)速會給離心機(jī)造成較大的負(fù)荷,增加功率的消耗[11],故最終取小型雙級活塞推料離心機(jī)的轉(zhuǎn)速n為2 300 r/min。

另外從表1可以得知,P-40雙級活塞推料離心機(jī)的二級轉(zhuǎn)鼓直徑是0.36 m,根據(jù)式(2)可以計算出小型雙級活塞推料離心機(jī)的二級轉(zhuǎn)鼓直徑等于0.246 m,選取二級轉(zhuǎn)鼓直徑D2為0.25 m。

根據(jù)第二級轉(zhuǎn)鼓直徑,筆者將設(shè)計的小型雙級活塞推料離心機(jī)型號定為P-25。

4 生產(chǎn)能力的計算

通過以上分析及計算,可以設(shè)計P-25雙級活塞推料離心機(jī)在工業(yè)廢水固液分離時的主要運行參數(shù):

一級轉(zhuǎn)鼓直徑D1=0.20 m,二級轉(zhuǎn)鼓直徑D2=0.25 m;推料行程Ln=0.03 m,料次數(shù)i=50 times/min;轉(zhuǎn)速n=2 300 r/min;過濾長度L=0.218 m。

按上文確定的濾餅壓縮系數(shù)及最大生產(chǎn)能力時的濾餅厚度,根據(jù)式(1)可以計算得到P-25雙級活塞推料離心機(jī)的最大生產(chǎn)能力Ls=580 kg/h,大于用戶需求的500 kg/h。

根據(jù)式(2)可以計算出一級轉(zhuǎn)鼓分離因數(shù)Fr1=591.3,大于P-40雙級活塞推料離心機(jī)的一級轉(zhuǎn)鼓分離因數(shù)585.2;二級轉(zhuǎn)鼓分離因素Fr2=739.2,大于P-40雙級活塞推料離心機(jī)的二級轉(zhuǎn)鼓分離因數(shù)726.4。

同樣,根據(jù)式(3)可以計算出分離時間t=10.9 s,大于P-40雙級活塞推料離心機(jī)的7.16 s。

綜上所述,通過以上計算得出的活塞推料離心機(jī)生產(chǎn)能力和殘余含濕率(分離因素、分離時間)均能滿足用戶要求。

5 結(jié)束語

筆者通過對影響生產(chǎn)能力及殘余含濕率的運行參數(shù)進(jìn)行綜合分析,結(jié)合P-40雙級活塞推料離心機(jī)在工業(yè)廢水處理中固液分離的實際應(yīng)用參數(shù),對P-25雙級活塞推料離心機(jī)運行的推料行程、推料次數(shù)、轉(zhuǎn)鼓過濾長度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速等主要運行參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計、計算,并制作了生產(chǎn)樣機(jī)。

樣機(jī)實際運行結(jié)果如下:

(1)該機(jī)生產(chǎn)能力:300 kg/h～550 kg/h;

(2)固體殘余含濕率:4.5%～5%。

以上結(jié)果表明:筆者所設(shè)計的P-25雙級活塞推料離心機(jī)的主要運行參數(shù),均能滿足生產(chǎn)能力及殘余含濕率的要求。