耐腐蝕結構過濾洗滌干燥三合一機的研究及開發

過志昌 過常樂

（上海迅昌化工裝備技術研究所）（美國匹茲堡大學機械工程學院)

1 過濾洗滌干燥三合一機的發明及其主要優點

眾所周知，反應、萃取、蒸發、濃縮、結晶、過濾、洗滌、干燥是化工、醫藥、食品等行業十分重要的單元操作，一般要有反應釜、蒸發器、結晶機、過濾機、干燥機等多種設備來完成。這些設備分別都有各自的配套裝置，因而占地面積大、造價貴。此外，單元與單元間物料的搬運或輸送也較困難，不但勞動強度大，還易造成物料的走失和浪費。對易燃易爆、有毒或劇毒的物料，或不允許有污染的生物制品、藥品、食品等，要求密閉操作，這時反應、過濾、干燥等各單元操作設備間物料的輸送難度就更高，有時常常會因此而導致整套裝置處于不能完全正常操作的狀態。此外，還存在勞動強度大、生產周期長、能耗大、效率低以及影響產品質量等許多問題。

針對上述情況，瑞士、日本和美國都研發出了平板式過濾洗滌干燥多功能機。中國目前也有多家企業能生產這種設備 （見圖1），且技術漸趨成熟。這種多功能機的主要優點如下：

（1）可在一臺機內完成過濾、洗滌、干燥等多種操作，一機多用。

（2）密閉操作，特別適合處理易燃、易爆、有毒或劇毒的危險產品以及不允許有污染的鮮美食品、生物制品和藥品等。

（3）從進料到產品排出，全部過程在一臺機內完成，工藝流程大大縮短，設備數量大大減少，從而使廠房和設備及工藝管道、閥門等的投資大大節省。

圖1 過濾洗滌干燥三合一機

（4）具有特殊的攪拌結構和液壓升降裝置，既可使攪拌裝置對物料進行充分、高效的攪拌，同時又可節省攪拌功率。

（5）由于該機底部為一平板式過濾裝置，因而可徹底濾干物料，這有利于降低干燥成本，減少洗滌用水。

（6）該機能反復多次進行自動攪拌和再漿洗滌，且洗滌方便，洗滌效果好。

正因為具有上述諸多優點，該機受到了很多用戶青睞，在我國許多行業的生產工藝中得到越來越廣泛的應用。

2 過濾洗滌干燥三合一機存在的缺點

平板式過濾洗滌干燥機雖有上述諸多優點，但它仍存在如下缺點：

（1）首先該機為平板式過濾結構，因而其單機的過濾面積不可能做得很大，這對于難過濾的物料和需要較大過濾面積完成較大過濾物料量的場合，就顯得不是很適用。例如，直徑為3000 mm的平板式過濾機，盡管這一過濾機的外形尺寸已是很大了，但其過濾面積也只有7 m2。

（2）醫藥、化工生產中經常會碰到稀硫酸、鹽酸、氫氟酸、王水、氯離子等物料的過濾。對這些物料，常用的304、321、316L等不銹鋼并不能使用，甚至雙相不銹鋼、鈦合金及蒙乃爾合金等也都不行，必須采用哈氏合金才行。但哈氏合金價格昂貴，其價格一般是普通不銹鋼的20～30倍，很多企業難以承受。

（3）平板式過濾機在干燥時，只有過濾平板上部的圓筒體夾套對物料進行加熱，其加熱面積非常有限，因而干燥效率較低。近年來，雖研發出了空心軸和空心攪拌槳結構對物料進行加熱，增大了加熱面積，但空心軸和空心攪拌槳的加熱面積仍是有限的，對干燥效率的提高并不是很多。當設置底部加熱時，由于底部有過濾網和濾液出口通道相隔，也大大影響了傳熱效果。

（4）由于該機底部為平板式過濾結構，攪拌槳與平板式過濾結構的上表面不可能接觸，兩者之間有一定的間隙，以免刮壞濾布或濾網。這樣在完成干燥后出料時，在過濾平板上方會殘留一層料，即出料不是很干凈，這對于藥品等不能混批操作的物料就不是很合適。

3 過濾洗滌干燥三合一機的耐腐蝕結構

平板式過濾洗滌干燥機雖有上述一些缺點，但這些缺點都是可以通過設備結構的改進加以克服的。如對于過濾面積相對較小的問題，我們設計出了筒體過濾型過濾洗滌干燥三合一機，并申請了發明專利。該機在其圓筒體的整個圓周上設置了圓周形過濾裝置，使得同樣大小的設備其過濾面積大大提高。

以DN2000的平板式過濾洗滌機為例，其底盤的過濾面積為3 m2，如在側面筒體上再增加500 mm高的過濾面積，其過濾面積增加量就達到了3.14 m2，因此其總的過濾面積就是原來的2倍多；如增加1000 mm高的過濾面積，則總的過濾面積就是原來的3倍多。所以通過我們的這項發明專利，過濾面積問題得到了很好的解決。

該機在加熱過程中熱效率低的問題，主要是由其本身結構決定的。該機不適用于非常難干燥的物料，一般只能用于低沸點溶劑類物料的干燥。在很多情況下，該機僅僅是用于對物料的過濾和洗滌，而干燥則采用熱效率較高的干燥機來完成。

對于過濾網上面有物料殘留的問題，一般在連續使用工況下是沒有大問題的，而對于原料藥等不能混批操作的情況，則可通過過濾底盤的液壓升降和由快開結構打開過濾底盤進行清洗來解決，或通過清洗液在攪拌系統的攪拌下進行密閉清洗來解決。

對于本機耐腐蝕結構的設計和研發則比上述幾點更重要，因為醫藥化工、石油化工和精細化工等行業的生產中經常會碰到稀硫酸、鹽酸、氫氟酸、王水、氯離子等物料的過濾洗滌干燥等問題，而碰到這些物料總不能都采用哈氏合金等貴金屬材料。所以我們在這方面做了大量的設計研發工作，研究出了較合理的耐腐蝕結構，既解決了很多強腐蝕介質的過濾洗滌問題，同時在價格上也能讓用戶接受。

平板式過濾洗滌干燥三合一機主要由承壓罐體系統、液壓升降過濾底盤系統、液壓升降變頻調速攪拌系統、液壓自動啟閉式濾餅排出系統、攪拌軸封系統、噴淋清洗系統等組成 （見圖2）。該機中除攪拌變頻驅動系統外，其它系統均存在耐腐蝕結構的研發問題。

圖2 平板式過濾洗滌干燥三合一機結構

4 承壓罐體系統的耐腐蝕結構

承壓罐體是平板式過濾洗滌干燥三合一機的主體之一，其頂部為橢圓封頭，中部為圓筒體和夾套，下部為大法蘭、過濾裝置密封法蘭、工藝管口和液壓升降攪拌支承系統。當遇到稀硫酸、鹽酸、氫氟酸、王水、氯離子等物料的過濾洗滌時，可以根據物料溫度的不同及各種酸性物料的酸濃度選擇耐腐蝕材料進行滾涂或噴涂。例如，滾涂可選用聚乙烯或PO，噴涂可選用聚四氟乙烯 （PTFE或4F）、四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚之共聚物（PFA）、四氟乙烯和六氟丙烯聚合物 （FEP或4-6F）、四氟乙烯和乙烯共聚物 （ETFE或F40）、聚偏三氟化烯 （PVDF，亦稱PVF2或F2）、三氟氯乙烯和乙烯的共聚物 （ECTFE，亦稱3F或HALAR），也可采用內襯橡膠或聚四氟乙烯等方法。

在很多精細化工和醫藥中間體產品的生產中，物料中除含有硫酸、鹽酸、氫氟酸、氯離子等外，往往還含有各種各樣的有機溶劑，很多有機溶劑能使聚丙烯、聚乙烯或PO及橡膠等產生溶脹或溶解，因而無法使用，這時必須采用聚四氟乙烯系列的材料。

另外，聚乙烯或PO及橡膠等在一定溫度下長期使用易老化、變硬變脆，因而這些材料不宜用于某些有機溶劑及具有較高溫度的物料的過濾洗滌。

聚四氟乙烯 （polytetrafluoroetylene)，簡稱Teflon或PTFE、F4，一般稱作 “不粘涂層”，是一種使用氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸、抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯還具有耐高溫的特點，PTFE（聚四氟乙烯）不粘涂料可以在200℃下連續使用，最高使用溫度可達290～300℃。PTFE還具有極低的摩擦系數、良好的耐磨性以及極好的化學穩定性等特性。

PTFE、 PFA、 FEP、 ETFE、 ECTFE （ 即HALAR）等產品均具有很好的不粘性、耐熱性、滑動性、抗濕性、耐磨損性和耐腐蝕性，可以根據平板式過濾洗滌干燥三合一機的工藝條件和使用工況進行經濟合理的選擇。

特氟龍 （ETFE或F40）等上述涂層材料可以應用在碳鋼、不銹鋼、鋁、銅和鎂以及各種合金等金屬材質上，且具有較長的使用壽命。

平板式過濾洗滌干燥三合一機的承壓罐體系統一般采用碳鋼材料，制造后進行噴涂即可，除所有的焊接結構或焊縫要圓滑過渡外，其它無很大難度。在價格上，使用涂層或襯里要比鈦合金便宜得多。鈦合金由于不能和碳鋼或不銹鋼焊接，因而其加工較困難和復雜，且對于酸類物料 （如不同濃度的硫酸和鹽酸等）鈦合金也無法使用，這就更顯示出噴涂或內襯特氟龍等的優越性。同理，采用噴涂或襯里與哈氏合金相比，其經濟性更加明顯。

5 液壓升降過濾底盤系統的耐腐蝕結構

液壓升降過濾底盤系統是平板式過濾洗滌干燥三合一機最復雜的部分，其零部件包括承壓外圓筒、復合型井字結構承壓框架、濾液收集法蘭、濾液收集室、過濾孔板、過濾孔板支撐框架、過濾介質、過濾介質壓板、螺栓螺母、底部封板、承壓大法蘭、底部加熱系統、底部濾液收集系統、液壓連接系統、過濾底盤液壓脫卸支承系統等。這部分結構不僅較復雜，且大部分零部件及主要結構都要和物料接觸，因此這也是該機耐腐蝕結構中最難處理的部分。

對于濃度10%以下的稀硫酸、5%以下的鹽酸及氯離子含量較高的很多物料，當溫度較低時，上述與物料接觸部分的零部件可直接用鈦合金制作。但鈦合金有一個很大的缺點，就是它不能和碳鋼或不銹鋼進行焊接連接。若要連接可靠，必須用全鈦材料制作，這就造成造價非常貴。過濾底盤是承壓部件，其承受的質量一般從幾十噸到幾百噸。以直徑2 m、設備內受壓0.6 MPa計算，底盤上受到的壓力為1.8×106N （質量為180 t），這么高的壓力就需要過濾底盤有足夠的強度。在這種情況下如用全鈦材制作，造價會很高，特別是很多零部件是鍛件，制造時材料浪費較大。此外，溫度超過50℃時，鈦合金也不能用。

為了保證過濾底盤能承受較高的壓力，保證足夠的強度，我們根據物料的腐蝕情況，開發出了幾種噴涂或內襯聚乙烯、PO、聚四氟乙烯、哈勒等耐腐蝕結構的過濾底盤，獲得了良好的使用效果，使用時間最長的至今已五年多，使用情況良好。

當然，襯里或噴涂結構的過濾底盤，需要解決很多結構上的問題，以使其結構適合于噴涂或襯里。就是一個小小的壓緊螺釘也會帶來很多要考慮和處理的問題，必須要保證每一個結構都是十分可靠的。

蒙乃爾合金和哈氏合金是可以直接和碳鋼或不銹鋼進行焊接連接的，且它們對硫酸、氯離子或鹽酸等具有較好的耐腐蝕性能，特別是哈氏合金，幾乎對所有的物料耐腐蝕性能都很好。但這些材料與噴涂或內襯聚乙烯、PO、聚四氟乙烯、哈勒等相比，在價格上要高很多，所以只能在非用不可的情況下才會去使用。這里必須指出，如使用噴涂或內襯聚乙烯、PO或橡膠，則價格會很便宜。

6 液壓升降變頻調速攪拌系統的耐腐蝕結構

液壓升降變頻調速攪拌系統是平板式過濾洗滌干燥三合一機的心臟，它主要由驅動電機、減速機、液壓升降攪拌軸、液壓升降離心葉輪式攪拌槳、空心軸空心攪拌槳內加熱系統等組成。由于攪拌軸、攪拌槳不但有旋轉運動，而且還有液壓升降上下軸向運動，除了在攪拌時與物料懸浮液和濾餅等有摩擦運動外，特別是攪拌軸的旋轉和升降與軸密封裝置之間也有摩擦運動，零部件磨損較大，因而不適合采用聚四氟乙烯、哈勒等噴涂或襯里結構。根據物料的腐蝕情況，可以直接用鈦合金、蒙乃爾合金或哈氏合金制作。但由于攪拌軸和攪拌槳承受的攪拌扭矩和攪拌功率很大，因而攪拌軸的結構尺寸較大。如采用空心軸或空心攪拌槳，其壁厚也很厚。像這樣的材料或零部件往往很難買到，如能買到，則價格也相當昂貴。這一問題可采用襯鈦合金或哈氏合金的辦法來解決。由于襯里厚度只有3～6 mm，因而總的造價還能接受。當然襯鈦合金會比襯哈氏合金便宜較多，但由于鈦合金不能和碳鋼或不銹鋼進行焊接連接，要用螺栓固定或塞焊等結構，制作時其結構較復雜。此外，鈦材與碳鋼或不銹鋼之間的貼合性較差，使用時間較長時鈦合金襯里結構易損壞。現在用得最成熟可靠的液壓升降變頻調速攪拌系統是使用碳鋼或不銹鋼制作的，并襯有哈氏合金。

7 液壓自動啟閉式濾餅排出系統的耐腐蝕結構

液壓自動啟閉式濾餅排出系統主要用于過濾洗滌后濾餅的自動排出或過濾洗滌干燥后成品的自動排出。它主要由液壓自動頂緊及開啟裝置、自動頂緊壓蓋、壓緊密封機構、壓緊密封圓筒、圓筒體與設備筒體連接法蘭、圓筒體外法蘭及密封平蓋和快開機構等組成。由于其結構較復雜、鍛件較多，考慮耐腐蝕結構時，如直接用鈦合金或哈氏合金等制作，其造價也很貴，因而這部分的結構一般也考慮采用噴涂或內襯聚乙烯、PO、聚四氟乙烯、哈勒等耐腐蝕材料。采取這一方法，實際使用效果很不錯。特別是噴涂或內襯聚四氟乙烯或哈勒，其使用壽命更長。幾年后若發生損壞等現象，可直接拆下進行重新噴涂。造價用戶也可以接受。

8 攪拌軸封系統的耐腐蝕結構

由于攪拌軸要進行液壓升降，因而不但有旋轉運動，而且還有上下軸向運動，這對密封結構就提出了很高的要求。攪拌軸密封最可靠的結構是采用特殊的帶滾動軸承結構的雙端面機械密封，再配上伸縮結構的波紋管，兩者組合后密封較好。但這時雙端面機械密封和波紋管都必須直接用鈦合金或哈氏合金等制造，造價也很貴。由于攪拌軸的攪拌功率一般都比較大，因而一般哈氏合金的滾動軸承結構的雙端面機械密封價格每一個要30萬元左右，一個哈氏合金的波紋管也要十幾萬元，價格是相當昂貴的，只有在處理易燃易爆、有毒或劇毒等物料的重要場合才會去考慮。

我們在考慮這種耐腐蝕結構的軸封時，設計出了噴涂哈勒或特氟龍的雙層填料密封加活塞環組合結構的軸封。這種結構的軸封對攪拌軸提出了較高的要求。由于軸的旋轉運動和上下軸向運動造成了軸與填料和活塞環摩擦，因而在軸上必須用哈氏合金等材料進行可靠的襯里，并進行金加工。只要保證加工精度和同心度，這種結構的軸封就會獲得良好的使用效果。此外，這種結構的軸封造價也不貴。

9 噴淋清洗系統的耐腐蝕結構

噴淋清洗系統與其它系統相比相對較簡單一些，主要是在頂部設置盤管。盤管上開有很多小的噴淋孔，用于進行噴灑。要保證設備內所有的內壁和物料上都能噴到清洗液體。洗滌物料時洗滌液也是從噴淋裝置上進行噴灑的。由于盤管噴淋結構噴灑的效果不是很理想，一般要在盤管的基礎上再在盤管的圓周方向均布幾個噴頭進行噴淋。當然也可以在設備頂部開孔，直接接入幾個接管和噴頭進行噴淋。

由于盤管或接管等用材不是很多，且在上面要連接螺紋等結構，所以根據耐腐蝕要求，一般直接用鈦合金或哈氏合金等制作。噴頭若直接采用哈氏合金等制作，其價格較高。可采用聚四氟乙烯等材料的噴頭，這樣價格要便宜得多，而且噴頭的更換也較方便。

10 結論

本文就耐腐蝕結構的過濾洗滌干燥三合一機的研究和開發進行了詳細論述，下面做一歸納作為結論。

（1）在醫藥、化工、石油化工、精細化工、食品、冶金、礦山等很多行業的產品生產中，都會碰到硫酸、鹽酸等物料的過濾、洗滌和干燥等問題，因而耐腐蝕結構平板式過濾洗滌干燥三合一機的研發和生產非常重要。

（2）根據物料的腐蝕性質，很多情況下可以考慮使用鈦材。但鈦材價格較貴，使用鈦復合板加工會便宜一點。由于過濾洗滌干燥三合一機的結構很復雜，且鈦合金無法和碳鋼或不銹鋼焊接，因而襯里結構會很復雜，加工也會很困難，長期使用對設備的可靠性也會帶來一定的影響。所以一般情況下，建議殼體部分采用鈦復合板加工，而其它部分則不宜采用襯鈦結構。

（3）當遇到稀硫酸、氫氟酸、鹽酸等物料并具有一定溫度時，在很多情況下鈦合金無法使用，要用蒙乃爾合金或哈氏合金才行，這樣設備的造價會很貴。因此，可根據溫度、壓力等條件選擇滾涂聚乙烯或PO，也可噴涂或內襯聚四氟乙烯 （PTFE或4F）、三氟氯乙烯和乙烯的共聚物 （ECTFE，亦稱3F或HALAR）等材料。應該指出，攪拌軸和攪拌槳部分襯哈氏合金較好，可靠性較高，用戶實際使用的效果確實也較好。

（4）在工業生產中很多物料不但含有稀硫酸、氫氟酸、鹽酸等，同時還含有有機溶劑，這些有機溶劑會使聚丙烯、聚乙烯或PO等溶解或溶脹而產生破壞，這樣這些耐腐蝕材料就不能選用。當物料有一定溫度時，如物料溫度在90℃或以上時，一般也不宜采用聚丙烯、聚乙烯或PO等材料進行噴涂或內襯，即使溫度在90℃以下，雖勉強可以使用，但時間長了比較容易老化。所以，在這種情況下，一般噴涂或內襯聚四氟乙烯或哈勒等材料比較好，使用壽命較長，即使損壞也可以修補或重新噴涂。

（5）在很多情況下，可根據設備結構采用噴涂、內襯和哈氏合金襯里等組合防腐蝕措施，這樣更合理，價格也能讓用戶接受。

（6）采用噴涂或內襯聚四氟乙烯或哈勒等材料后，設備整體的導熱系數會有所降低，從而影響干燥效率。噴涂特氟龍對傳熱性能的影響相對會小一點，而襯聚四氟乙烯則對傳熱性能的影響較大。建議噴涂或襯聚四氟乙烯、哈勒等的設備只用于過濾、洗滌和壓干物料，而物料的干燥可在完成過濾洗滌并壓干成濾餅后直接排到另外的干燥機內進行干燥。這時由于物料已經洗滌干凈，干燥機只要采用普通的不銹鋼設備就行了。