真空带式过滤机生产能力的确定与参数选择

本文以瓮安矿选矿过程中产生的石灰浆为研究对象，验证了过滤机生产能力的计算方法。讨论了水平真空带式过滤机用于过滤过程的放大时，真空滤盘的长度、滤盘的行程、连度等参数对生产能力和操作费用的影响。提出了设备放大时如何正确选择参数的范围。

液－固分离过程在化工生产中占有相当重要的地位。我们曾讨论了滤饼过滤过程中的生产能力计算^[1],Tiller^[2],Pwches^[3]等人研究了过滤机生产能力的计算方法。但是都很少涉及到正确决定过滤机的主要结构参数的操作参数的问题。本文以瓮公安矿的在选矿过程在产生的石灰浆固－液分离为对象，验证了我们曾讨论过的过滤机生产能力的计算方法。结合水平真空带式过滤机的工作特点，讨论了水平真空带式过滤机在用于过滤过程放大时，真空滤盘的长度、真空滤盘的行和、滤带的速度等参数对生产能力的影响。当考虑了滤饼厚度对卸料和固体回收率的影响。滤带速度对机械运转可靠性和操作费用的影响后，提出了一个放大时可供参考的真空滤盘长度、滤带速度、真空滤盘的行程等参数的选择范围。

实 验 结 果

依照前文^[1] 提到的方法，确定瓮安矿选矿过程中产生的石灰浆的过滤比阻力系数和过滤压力间的关系为： 

ɑ_ɑ0=2.80×10⁸P^0.62 m/kg (1) 式中

ɑ_ɑ0 滤饼平均比阻力系数，m/kg

P 过滤压力，N/m²

图1为logP～logɑ_ɑ0结果。

利用式［1］计算的比阻力系数和实验值的误差列于表1，其计算平均误差为－0.4％

表1 瓮安矿选石灰浆的比阻力系数测定和实验关联式计算结果

P=4.90×10⁴～2.94×10⁴N/m² s=0.47～0.52/固液

误差＝（实测值－计算值）、实测值

生产能力计算式^[1]：

W=2Ppst/(1-ms)

式中

ρ 滤液的密度,kg/m³

s 料浆的含固率，固/液

μ 滤液的粘度，kg/m

t 过滤时间,s

m 滤饼的含液率，液/干固

在0.6m²的水平真空带式过滤机上用三批瓮安矿选矿产生的石灰浆进行测试。用式（1）和式（2）计算各操作条件下的生产能力，其结果列于表2。结果表明，用本方法计算得到的过滤机生产能力的平均误差为6.4％，最大误差范围为20.9％～－9.9％。可见使用本方法确定的过滤机生产能力可以用于工程放大，由于计算中忽略了滤布的阻力，所以计算值显示出正误差是合理的。

表2 0.6m²水平真空带式过滤机用于瓮安矿石灰浆过滤的生产能力测定

注：①盘长1.92m，返回时间2s.

②为了保证有足够的滤饼吸干时间，此试验的吸干区长度为1.42，已不适宜操作。

③计算误差＝（计算值－实验值）/计算值

主要参数对生产能力、操作费用的影响

本文所讨论的水平真空带式过滤机是往复盘式过滤机，它是一种上加料的水平式连续真空过滤机。过滤机是连续工作是由真空滤盘在气控系统下作往复前后运动和滤事在头轮的驱动下作连续向前的移动来实现的，因此这种过滤机的真空滤盘每往复一次的时间由二部分组成：

T_C=T_F+T_D (3)

式中

T_C 真空滤盘往复一次所需的时间，s 

T_F 有效过滤时间，s

T_D 无效工作时间（非工作时间），s;一般为1.5～3s。

单位时间中往复次数会影响有效工作时间。过滤物料在真空滤盘上的停留时间和滤

带的速度有下列关系：

T=L/u s (4)

式中

T 物料的过滤时间，s

L 真空滤盘的长度，m

U 滤带的速度，m/s

可见滤布的速度和真空滤盘的长度确定了物料的过滤的时间，因此当需要过滤的物料特性确定后，首先要正确地选择真空滤盘的长度、滤带的速度和真空滤盘的行程等参数。

根据滤饼过滤过程中过滤机的生产能力计算式（2），可以得到单位时间内滤饼的产率为：

w/t=2Pps/(1-ms)μ （5）

图2为一定操作条件下过滤时间和滤饼产量与产率之间的关系。由图可见，缩短过滤时间，即提高滤带速度的、和减小真空滤盘的长度可以显著地提高过滤机的生产能力。下面将分别讨论真空滤盘长度、滤带速度、真空滤盘行程对过滤机生产能力和操作费用的影响。

图2过滤时间和滤饼产量及产率的关系

① 真空滤盘的行程

由式（3）可知，当其它条件不变时，增加真空滤盘的行程和加快真空滤盘的返回速度都可以提高水平真空带式过滤机的有效工作时间，介是当滤盘行程太长和返回速度太高时，会使它的运动惯量和机械振动增加，同时带来联接真空滤盘和集液管间的橡胶置上的困难，造成过滤机总体布置上的不全理，帮在设计中，一般中小型的真空滤盘行程为0.500～0.600m。对于过滤面积为数十平方米的设备，真空滤盘行程以1.000m为好。

② 滤带速度和生产能力间的关系

为了提高过滤机的生产能力，可以采用提高滤带速度、缩短过滤时间的方法，但对于水平真空带式过滤机来讲，随着滤带速度的提高，真空滤盘在单位时间内返回的次数增加无效工作时间所占比例上升。在实际操作中，生产能力并不与滤带速度的平方根成正比，而是随着滤带速度的增加，生产能力的提高逐渐绥慢增加，最终达到某一极限值。超过此滤带速度后，过滤机的生产能力反而有所下降。表3列出试验中的石灰浆在真空度下（～5.33×10⁴N/m²）进行过滤时，干滤饼的生产能力与滤带速度间的关系。由表可见，对这种物料，当滤带速度达0.042m/s时，生产能力反而开始下降。

表3 0.6m2水平真空带式过滤机生产能力和滤带速度的关系

注：真空滤盘长度1.920米，返回时间：2秒，可能由进料含率误差引起。

如上所述，随着滤带速度的提高，过滤机生产能力一般是增加的。但是随着滤带速度的提高，过滤时间随之下降，每次循环中单位过滤面积上的滤饼量将减少，所以滤饼的厚度总是随着滤带速度变薄的。表3示出不同滤带速度与滤滤饼厚度间的关系。显然，随着滤饼厚度的减小将带来卸料的困难和影响固体物料的回收率。因此Tiller^[4]等人认为带式过滤机的滤饼厚度应大于（3～4）×10^－3m。根据我们的操作结果，确认水平真空带式过滤机的最小滤饼厚度应控制在大于(2.5～3)10^－3m范围内。

水平真空带式过滤机的真空盘是由滚轮支承在导轨上前后运动的，所以带动滤布和真空盘前进所消耗的功率是有限的，一台5m²水平真空带式过滤机主电机的功率为2.2kw。它的操作费用集中在真空耗气和压缩空气的能耗上，这二项消耗与单位时间内真空盘的往复次数有关，由于真空盘的往复次数随着滤带速度的提高几乎成线性地增加，故它的压缩空气和真空耗量也随着上升。图3所示为一台5m²的水平真空带式过滤机压缩空气和真空耗气量与滤带速度之间的关系。另外，滤带速度的提高将影响滤布、卸料刮刀、导轨、返回气缸、真空切换阀等部件的使用寿命，所以目前的设计都把滤带速度限制在0.1m/s以内。

③ 真空滤盘长度的影响

前已述及提高滤带速度缩短过滤时间可以提高水平真空带式过滤机的生产能力，但随着滤带速度的提高也会带来不少问题，所以应考虑用短的真空滤盘来达到缩短过滤时间的目的。对于物料的过滤比阻力系数小、含固率高、滤饼易于开裂的情况，使用短的真空滤盘是合适的。但若物料过滤比阻力系数较高（如ɑ_av>10¹¹kg/m）且含固率较低时，为了保证形成一定厚度的滤饼，显然需要一定的过滤时间，若使用过短的滤盘，由式（4）可知，滤带会速度太慢，那么滤饼在最后吸干区停留时间延长，从而导致过滤机的生产能力下降。另外，由于考虑到水平真空带式过滤机的运动特点，它的一部分吸干区在吸滤过程中没有得到充分利用，因而在行程一定的情况下，缩短真空滤盘长度会使这一部分所占的过滤面积比例上升，引起生产能力下降。所以水平真空带式过滤机的真空滤盘长度应当根据物料的特点，真空滤盘的行程等参数进行反复试算与比较才能确定。

图3 真空耗气量与压缩空气耗量和滤带速度的关系

图4为不同的真空滤盘长度和滤带速度对生产能力的影响，图中粗实线部分是考虑了滤饼的卸料和固体的回收率后适宜的操作范围。再根据单位时间的处理能力和操作费用就可以比较合理地确定水平真空带式过滤机的各个参数。

图4 不同滤盘长度和滤带速度与滤饼产率的关系

结论

1.试验结果表明，利用实验室测定的滤饼比阻力系数计算过滤机生产能力的方法是合适的。当比阻力系数大于10¹¹m/kg时，计算式忽略滤布的阻力所引起的误差是在允许的范围内。

2.在根据不同的过滤物料特点，确定合适的水平真空带式过滤机基本参数时（包括结构参数和操作参数），可以用实验测定P～ɑ_ɑv关系式，以及用式⑵～⑸试算不同的真空滤盘长度、滤带速度、滤盘行和的生产能力，结合卸料可能性和固体回收率的要求，由设备投资费用的和操作费用、维修费用的比较得到较适宜的结构参数的操作条件。

3.对于易过滤，本文方法由于忽略过滤介质阻力，会引起很大的误差，所以是不合适的。本文所述不能完全用于滤饼需要洗涤的过程。

参 考 文 献

[1] 姚公弼，“液－固分离应用基础研究试验小结(1)——饼过滤基本特性参数的测定和在过滤机生产能力计算上的应用”

[2] F. M. Tiller,A.Aiciatore and M. Shrate “Filtra-tion-prinsiple and practice ”

Par I, Chapter 5 “Filtration in the Chemical Process Industry” ,NewYord (1977).

[3] Derek, B. Purchas,“Cake Fitter TestingAnd Sizing:A Standardised Procedure?”

Filtration and Separation ,9, [2], 161 (1972).

[4] F. M. Tiller and H. Risbud,“Batch Continuous Processes for Cake Filfration”,Chem .Eng. , 81 ,[9] ,127 (1974).

[5] 姚公弼等，“瓮安选矿石灰浆过滤特性和在0.6m²水平真空带式过滤机上处理能力的测定”（内部资料），(1981)。