小型雙級活塞推料離心機主要運行參數設計*

陶淵卿,呂麗珍,楊曉軍,彭若澄

(1.浙江輕機實業有限公司,浙江 杭州 311401;2.浙江輕機離心機制造有限公司,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以來,由于其具有高效、節能的特點，適應了工業化的發展,在市場上得到了廣泛的應用。經過不斷的發展,目前離心機轉鼓直徑已從0.15 m發展到1.40 m,主體結構已從單級活塞推料發展到8級活塞推料,適應物料也從最初食糖脫水發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從20世紀60年代開始設計和制造,發展至20世紀80年代僅形成2個系列4種規格的產品,且不能滿足多種物料的分離要求。20世紀80年代末,我國開始引進國外的先進技術,并在該技術上擁有了大量的自主知識產權,大大提高了對物料的分離效果[2],同時也形成了系列化產品。目前,國內雙級活塞推料離心機的產品系列中最小規格為P-40,其一級轉鼓直徑為0.29 m,二級轉鼓直徑為0.36 m。

雙級活塞推料離心機主要應用于中等顆粒的固液分離,是一種連續運轉、自動操作、脈動卸料的過濾式離心機[3]。因其具有自動化程度高、分離效果好、能耗低、操作穩定可靠等諸多優點,在化工行業的固液分離操作單元中發揮了重要作用。近幾年,隨著環保事業的深入發展,高濃度難降解廢水處理得到了快速發展,一些小型化工廠迫切需要生產能力在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。

筆者通過對P-40雙級活塞推料離心機在工業廢水處理應用中的運行參數進行分析,并在深入了解物料分離特性的基礎上,設計一種P-25雙級活塞推料離心機,以滿足小型化工廠工業廢水處理中的固液分離要求。

1 雙級活塞推料離心機的工作原理

雙級活塞推料離心機的工作原理如圖1所示。

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

圖1中,物料通過進料口進入轉鼓,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鼓篩網上,濾液通過篩網間隙及轉鼓上的排液孔被甩出轉鼓,固相顆粒則被截留在篩網上形成濾餅層[4]。

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

2 影響產能和殘余含濕率的參數分析

2.1 影響產能的參數分析

雙級活塞推料離心機的產能設計通常采用實驗換算法,即對1臺雙級活塞推料離心機進行生產能力的測定,然后根據物料的特性參數進行換算,其計算簡便可靠。

目前,P-40雙級活塞推料離心機在工業廢水處理中的應用已經非常成熟,以下的設計是基于在同一種物料的特性參數下,通過對P-40雙級活塞推料離心機實際運行參數和生產能力的測定后進行的換算。

雙級活塞推料離心機生產能力的計算公式如下:

Ls=60·π·(D1-h)·h·Ln·i·ρ·η

(1)

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

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的生產能力與第一級轉鼓直徑、濾餅厚度、推料行程、推料次數有關。

2.2 影響殘余含濕率的參數分析

為了滿足分離后殘余含濕率的要求,分離因數和分離時間是2個重要的參數。

2.2.1 分離因數

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

分離因數計算公式如下:

(2)

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

從式(2)可以看出,分離因數與轉鼓直徑、轉鼓轉速成正比關系。

2.2.2 分離時間

分離時間是指濾餅在轉鼓內過濾介質上停留的時間,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,times/min;η—濾餅壓縮系數。

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

綜上所述,影響生產能力和殘余含濕率的主要運行參數有:轉鼓直徑、轉鼓轉速、推料行程、推料次數、轉鼓過濾長度。

以下筆者將著重針對小型雙級活塞推料離心機主要運行參數進行設計計算。

3 主要運行參數的設計

雙級活塞推料離心機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。由于推料是連續的,濾餅不斷被推出轉鼓,濾餅在轉鼓內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的濾餅厚度是有極限的。如果濾餅厚度達到極限時通過繼續加大進料量來提高濾餅的厚度,就會出現“拉稀”現象[7]。通常將雙級活塞推料離心機進料量的上限定義為溢限流[8],它是生產能力的主要限制因素,因此,最大濾餅厚度對離心機的運行參數設計起到關鍵作用。

工業廢水處理中固體物料通常為無機鹽,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。

由于顆粒細小、含固量低且粘度偏大,P-40雙級推料活塞離心機在工業廢水處理中的固體產量為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在上述物料分離時的實際數據,計算出最大濾餅厚度。

其在工業廢水處理中的最大生產能力及主要運行參數如表1所示。

表1 P-40機在工業廢水處理中的最大生產能力及主要運行參數

當離心機正常進料時,η≈0.8～0.9[9]?？紤]到濾餅層較薄,在推料過程中濾餅變形量大,取η=0.8。根據式(1)及表1的參數可以計算出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,筆者在設計時選取與P-40相同的分離因素,故確定小型雙級活塞推料離心機最大生產能力時的濾餅厚度定為9.5×10-3m。

3.1 推料行程、推料次數的設計

筆者設定小型雙級活塞推料離心機第一級轉鼓D1為0.20 m,分離上述物料的最大生產能力500 kg/h。根據式(1),可以計算出小型雙級活塞推料離心機的推料行程與推料次數的乘積為1.29。

因此,從理論上可以計算出達到最大生產能力要求時,推料行程與推料次數的對應數據,如表2所示。

表2 推料行程與推料次數的對應數據

根據表2可知,當推料行程Ln為0.03 m時,推料次數的計算值等于43.00 times/min。為了滿足生產能力并兼顧殘余含濕率要求,筆者選取的推料次數應該大于此值。

3.2 轉鼓過濾長度的設計

上文已經闡述濾餅在轉鼓內的過濾時間與推料行程、推料次數的乘積成反比,與轉鼓過濾長度成正比。

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

筆者按已設定的小型雙級活塞推料離心機推料行程Ln為0.03 m參數設計,由式(3)計算出小型雙級活塞推料離心機的轉鼓過濾長度與推料次數的對應數據,如表3所示。

表3 轉鼓過濾長度與推料次數的對應數據

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

在過濾長度、濾餅厚度恒定的情況下,推料次數低會導致產量下降;推料次數高會導致殘余含濕率高。

根據表3可知,當小型雙級活塞推料離心機推料行程Ln為0.03 m,最大推料次數i設計為50 times/min時,轉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主要應用于較難分離的工業廢水固液分離,要獲得較低的殘余含濕率,需要延長分離時間;同時,考慮到旋轉組件的重心位置會對離心機的振動產生影響。因此,筆者最終選取轉鼓過濾長度L為0.218 m。

3.3 轉鼓轉速的設計

為了滿足分離效果,不同的物料需要不同的分離因數進行分離,而相同物料滿足分離效果的分離因數是相同的。

從表1可以得知,P-40雙級活塞推料離心機在上述工業廢水固液分離的轉鼓轉速為1 900 r/min。因此,當小型雙級活塞推料離心機的一級轉鼓設定為0.20 m時,根據式(2)計算出小型雙級活塞推料離心機轉鼓轉速等于2 288 r/min。由于過大的轉速會給離心機造成較大的負荷,增加功率的消耗[11],故最終取小型雙級活塞推料離心機的轉速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的二級轉鼓直徑是0.36 m,根據式(2)可以計算出小型雙級活塞推料離心機的二級轉鼓直徑等于0.246 m,選取二級轉鼓直徑D2為0.25 m。

根據第二級轉鼓直徑,筆者將設計的小型雙級活塞推料離心機型號定為P-25。

4 生產能力的計算

通過以上分析及計算,可以設計P-25雙級活塞推料離心機在工業廢水固液分離時的主要運行參數:

一級轉鼓直徑D1=0.20 m,二級轉鼓直徑D2=0.25 m;推料行程Ln=0.03 m,料次數i=50 times/min;轉速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及最大生產能力時的濾餅厚度,根據式(1)可以計算得到P-25雙級活塞推料離心機的最大生產能力Ls=580 kg/h,大于用戶需求的500 kg/h。

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

同樣,根據式(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的7.16 s。

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

5 結束語

筆者通過對影響生產能力及殘余含濕率的運行參數進行綜合分析,結合P-40雙級活塞推料離心機在工業廢水處理中固液分離的實際應用參數,對P-25雙級活塞推料離心機運行的推料行程、推料次數、轉鼓過濾長度、轉鼓轉速等主要運行參數進行了設計、計算,并制作了生產樣機。

樣機實際運行結果如下:

(1)該機生產能力:300 kg/h～550 kg/h;

(2)固體殘余含濕率:4.5%～5%。

以上結果表明:筆者所設計的P-25雙級活塞推料離心機的主要運行參數,均能滿足生產能力及殘余含濕率的要求。