邢瑞思 盛 毅 喬曉俊 張華東 張少鋼

（中國石化催化劑有限公司上海分公司，上海 201507）

0 前言

絲光沸石分子篩在晶化合成時會加入氨類模板劑，雖然在反應(yīng)結(jié)束后的泄壓過程中除去了大部分模板劑，并采用硝酸吸收的方式進行回收利用，但是仍有部分模板劑溶解在晶化母液中，在分子篩過濾清洗時加熱揮發(fā)出來，危害環(huán)境和職工健康。此外，常用的過濾清洗設(shè)備都是開放式操作，如水平帶式過濾機、板框壓濾機、離心機等，雖有風(fēng)機排風(fēng)或設(shè)備密閉等手段，但是仍不能很好地解決模板劑揮發(fā)外泄的問題。旋葉式動態(tài)過濾機在結(jié)構(gòu)上與板框壓濾機相似，但是在過濾機理上卻截然不同，它的主要特點：1）過濾速度快，為板框式壓濾機的5 倍以上且為連續(xù)操作。2）對固含量稀薄懸浮液（1%左右）可以直接過濾。3）排出濾漿固含量較高，且可調(diào)節(jié)。4）可合流和逆流沖洗。5）全自動密閉連操作，有助于有毒性物質(zhì)的過濾并減少環(huán)境污染。為了更好地指導(dǎo)動態(tài)過濾機在絲光沸石分子篩過濾清洗過程中的應(yīng)用，了解動態(tài)過濾機逐級過濾和清洗過程及物料狀態(tài)，該文借助試驗數(shù)據(jù)和合理假設(shè)，建立了動態(tài)過濾清洗模型。

1 旋葉式動態(tài)過濾機結(jié)構(gòu)及原理

旋葉式動態(tài)過濾與傳統(tǒng)加壓過濾不同，以流體壓力或離心力為過濾推動力，料漿在過濾過程中始終與過濾介質(zhì)平行流動，由于料漿對過濾介質(zhì)表面的剪切作用，在濾液穿過過濾介質(zhì)時，過濾介質(zhì)表面不積存或僅積有薄層濾餅，因此可消除或成倍減少濾餅層的阻力。

濾室內(nèi)流體流動的實際工作狀況是在一定流通量下，槳葉旋轉(zhuǎn)帶動流體并有過濾過程的流動。這種流動可以看作2種流動的疊加：一種是無流通量、無過濾過程下旋轉(zhuǎn)圓盤旋轉(zhuǎn)引起的流動，記為流動①；另一種是有流通量、有過濾過程但旋轉(zhuǎn)圓盤靜止時流體的流動，記為流動②，如圖1 所示。

圖1 旋葉式動態(tài)過濾機結(jié)構(gòu)及過濾原理

1.1 濾室內(nèi)的速度場模型

在工作狀態(tài)下旋葉式動態(tài)過濾機室內(nèi)流體的流動較為復(fù)雜，通常可分為邊界層內(nèi)流動與核心區(qū)內(nèi)流動2 個部分。

一般認(rèn)為，核心區(qū)的流體的徑向速度與槳葉旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動速度相比是小量，因而這部分流體主要是以角速度旋轉(zhuǎn)，其中為核心區(qū)任意半徑處切向速度與旋轉(zhuǎn)槳葉切向相應(yīng)點切向速度的比值，它與濾室的結(jié)構(gòu)尺寸、流體的物理性質(zhì)及旋轉(zhuǎn)槳葉的角速度相關(guān)。

式中：為進口流量；為槳葉旋轉(zhuǎn)角速度；為過濾室內(nèi)任一點半徑；為旋轉(zhuǎn)槳葉與濾餅表面的間隙；為濾室半徑；為物料密度；、、、、為系數(shù)，分別與設(shè)備參數(shù)、進料流量、試驗轉(zhuǎn)速、濾板面積及物料密度有關(guān)，須試驗過程中測定。

濾室內(nèi)流體工作時大都處于湍流狀態(tài)。因此對湍流運動方程進行簡化：1）濾室的幾何尺寸相對較小，忽略重力的影響；2）流體的運動為軸對稱運動；3）邊界層內(nèi)黏性力與慣性力同階；4）邊界層厚度較濾室半徑小得多，即/是一小量。并假設(shè)固定壁面邊界層內(nèi)的流體符合1/7 次冪定律，公式如下。

式中：為系數(shù)；為槳葉旋轉(zhuǎn)角速度；為過濾室內(nèi)任一點半徑；為濾室內(nèi)任一點到濾餅表面的距離；為邊界層厚度；u、為流體的切向和徑向速度。

濾室前端與后端的壓力差及上一級進料流量是壓力過濾推動力的主要來源，過濾阻力應(yīng)包括過濾介質(zhì)阻力R、濾餅阻力R和流體流動阻力R過濾速率=d/d=Δ/（μR）。在每級過濾過濾面上任一點處的過濾速度如公式（4）所示。

因此，在整個過濾面上的平均過濾速度如公式（5）所示。

式中：為每級過濾過濾面上任一點處的過濾速度。（注：\表示在任意兩個半徑中進行積分，是積分公式，無須特別說明）。

過濾速度不僅受操作條件的影響，而且與進料速度有關(guān)。

1.2 物料平衡

按照過濾和加水清洗2 種方式進行分類對物料進行衡算，在分析其進出料過程后，其過濾和清洗模型如圖2 所示。

圖2 旋葉式動態(tài)過濾機過濾、清洗模型

2 過濾模型及模擬

在單一過濾條件下，對+1 級的液體進行衡算。

漿料質(zhì)量流速平衡

漿料內(nèi)含固量平衡

式中：W為+1 級濾板進料端漿料的固含量；W為+1級濾板出料端漿料的固含量；w為+1 級濾板過濾端漿料的固含量。

在旋葉式動態(tài)過濾機中，流體平行流過過濾介質(zhì)表面，由此產(chǎn)生的剪應(yīng)力使過濾介質(zhì)表面上的濾餅減薄，進而影響過濾速度。槳葉的轉(zhuǎn)速影響流體的切向速度，而切向速度的大小又直接影響剪應(yīng)力值，對過濾速率有重要影響，由此可對其進行假設(shè)，如公式（8）所示。

式中：為過濾面上任一一點處的過濾速度；為過濾面上任意一點半徑；為濾室壓力；u為流體的切向速度；、、、為試驗常數(shù)，分別與設(shè)備參數(shù)、過濾速率、腔體壓力及濾板直徑有關(guān)。

將上式積分代入得：

將、u代入上式得：

計算得：

各膜室尺寸相同，假設(shè)物料密度相同，各試驗常數(shù)簡化得公式（12）。

將8 級濃縮看成一級濃縮，在同一條件不同進料流量下進行擬合，結(jié)果如圖3（a）所示，測得常數(shù)b=0.363；同理在同一條件不同轉(zhuǎn)速（圖3（b））、同一條件不同壓力下（圖3（c））對流量進行擬合，分別測得=-0.103，=-0.167，再經(jīng)過逐級擬合得到=0.15，即得到每級濾液流量如公式（13）所示。

為驗證其準(zhǔn)確性，將不同試驗條件下的數(shù)據(jù)代入上式，將實際流量與擬合流量對比，如圖3（d）所示，可知該式在一定誤差內(nèi)可用于推測實際試驗過程。

圖3 過濾階段

3 清洗模型及模擬

在清洗過程中，研究對象主要是漿料中的鈉離子含量，濾液流量和固含量擬合借鑒過濾過程影響，因此對鈉離子可作以下平衡模型。

3.1 漿料質(zhì)量流速平衡

3.2 溶液中鈉離子量平衡

在清洗過程中，假設(shè)其可以完全混合，則會有+1=+1，實際過程中不存在，可以做如下假設(shè)。

式中：、—鈉離子含量（mg/L）；—清洗階段濾板級數(shù)；—混合系數(shù)。

對清洗過程來說0＜＜1，將公式（14）代入公式（15），進行簡化及合并可得。

在動態(tài)過濾機頻率39Hz，轉(zhuǎn)速為183r/min 條件下，考察漿料進料流量對單級洗滌濾液流量的影響，試驗結(jié)果如圖4（a）所示。在漿料進料流量在2 m3/h～4 m3/h 內(nèi)，漿料進料流量對洗滌濾液流量影響不大，略有下降趨勢。對試驗數(shù)據(jù)進行乘冪模擬，可得模型參數(shù)=-0.256。

操作壓力對洗滌段單級濾液流量的影響如圖4（b）所示。隨著操作壓力逐漸增大，過濾濾液流量呈先降低后稍增趨勢，進一步說明在壓力不斷增大的情況下，濾膜逐漸致密，流量增大。在此條件下對其進行乘冪模擬，可得模型參數(shù)=0.5567；同理，不同轉(zhuǎn)速對洗滌階段單級清洗濾液流量的影響如圖4（c）所示，可得模型參數(shù)=-0.185。

通過以上試驗數(shù)據(jù)模擬得到的各工藝條件的模型參數(shù)，再對所有數(shù)據(jù)進行逐級擬合得到模型參數(shù)=0.65，即得到洗滌段每級濾液流量，如公式（18）

為驗證其準(zhǔn)確性，將不同試驗條件下的數(shù)據(jù)代入上式，將單級洗滌濾液試驗流量與計算流量對比作圖，如圖4（d）所示，計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合，該模型可用于實際過程的模擬計算。

圖4 過濾階段

在不同試驗條件下，設(shè)備運行一段時間，各流量數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，分別取過濾段濾液、洗滌段濾液、出料濾渣分析各樣品的Na+含量和固體含量。試驗條件以及分析結(jié)果見表1。

表1 不同試驗條件及分析數(shù)據(jù)

根據(jù)Na+平衡模型，以及清洗段濾液模型，對洗滌段各級Na+含量進行模擬計算，對不同條件試驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，得到混合系數(shù)=0.585，模擬情況見圖5。從表中數(shù)據(jù)可見模擬結(jié)果與實際結(jié)果有較好的穩(wěn)合性，相對誤差小于6%。

圖5 不同試驗條件洗滌段Na+模擬計算結(jié)果對比圖

進而，為進一步揭示旋葉式動態(tài)過濾機的清洗效果，定義兩個指標(biāo)：洗滌效率（）和Na總脫除率（）。

洗滌效率（）=洗滌濾液中Na質(zhì)量流量/洗滌水總進料流量

總脫除率（）=（進料中的Na量-出料濾渣中的Na量）/進料中的Na量

根據(jù)不同試驗條件下得到的旋葉式動態(tài)過濾機試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)物料平衡和分析結(jié)果進行洗滌性能的計算，計算結(jié)果見表2。從表中可見，不同工藝條件下，洗滌效率差異比較大，總體來看，洗滌水流量降低，洗滌效率提高，但Na脫出率太低。在同一設(shè)備條件下，進料流量與洗滌水進水流量的比例是決定清洗效果的關(guān)鍵因素。

表2 不同試驗條件洗滌性能分析結(jié)果

4 結(jié)語

該文在充分分析動態(tài)過濾機運行機理和流體流動狀態(tài)基礎(chǔ)上，利用絲光沸石分子篩漿料建立了旋葉式動態(tài)過濾機過濾、清洗模型。該文從指導(dǎo)動態(tài)過濾機在物料清洗過程中的實際應(yīng)用出發(fā)，假設(shè)了絲光沸石分子篩過濾清洗混合系數(shù)，可以很好地預(yù)測清洗水的加入量，達到進一步提高清洗效率的目的。在此基礎(chǔ)上，利用不同的過濾數(shù)據(jù)和清洗數(shù)據(jù)進行了模型計算，計算結(jié)果與實際結(jié)果相符。結(jié)果表明，通過過濾模型的建立，實際生產(chǎn)與擬合數(shù)據(jù)誤差不超過6%，在導(dǎo)動態(tài)過濾機清洗和條件選擇方面有一定的指導(dǎo)意義。然而，因物料性質(zhì)不同在相同裝置上的濾液通量也不相同，須進一步進行試驗得出適應(yīng)不同過濾介質(zhì)的模型。