螺旋過濾機(jī)設(shè)計(jì)工藝計(jì)算

張 罡 岳陽市鉀鹽科學(xué)研究所 岳陽 414000 馮 磊 思鑰新能源裝備制造有限公司 靖江 214500

2018年,筆者在山東省承擔(dān)了“農(nóng)業(yè)硝酸鉀連續(xù)過濾洗滌一體化技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用”科技攻關(guān)項(xiàng)目(山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)2019QYTPY016)，成功研發(fā)了新型固液分離設(shè)備螺旋過濾機(jī)，它是在一個(gè)傾斜的U型過濾槽中,通過螺旋體旋轉(zhuǎn),將固液混和物沿U型過濾槽斜向上方輸送過濾分離,過濾分離后濾餅物料由螺旋體輸送排出。螺旋過濾機(jī)能實(shí)現(xiàn)固液混和物連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)過濾、連續(xù)出料操作,還可以進(jìn)行連續(xù)洗滌，它與傳統(tǒng)過濾機(jī)如板框過濾機(jī)、帶式過濾機(jī)、轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)、離心過濾機(jī)等相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連續(xù)操作、脫水效果好、動(dòng)力消耗低、設(shè)備投資省、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[1][2]。由于不同物料過濾特性不一樣，所以，螺旋過濾機(jī)應(yīng)根據(jù)不同物料特性選擇合理工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文以硝酸鉀晶體料液過濾為例，簡(jiǎn)要介紹螺旋過濾機(jī)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 螺旋過濾機(jī)主要結(jié)構(gòu)原理

螺旋過濾機(jī)基本構(gòu)件有過濾槽、螺旋體、夾套、料液斗、減速機(jī)、傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

過濾槽是U型狀長槽結(jié)構(gòu)，由上端側(cè)板與下端半圓狀或圓弧狀濾網(wǎng)組成。過濾槽與夾套之間空間為濾液室，濾液室上部設(shè)置抽真空管外接真空泵系統(tǒng)，通過真空泵抽真空，使濾液室保持一定的真空度，在過濾槽過濾介質(zhì)兩側(cè)產(chǎn)生推動(dòng)力，以分離固液料漿。螺旋過濾機(jī)尾端上方設(shè)置料液斗，用于貯存一定量的料液，確保連續(xù)操作穩(wěn)定性。螺旋過濾機(jī)安裝時(shí)水平向上傾斜一定角度，通常與水平面夾角為5°～60°。

圖1 螺旋過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

螺旋過濾機(jī)工作原理是：固液混合料液加入料液斗中，在減速機(jī)驅(qū)動(dòng)作用下，螺旋體旋轉(zhuǎn)推動(dòng)過濾槽中固液混和物斜向上方作螺旋移動(dòng)，固液混和物在抽真空作用下，母液透過過濾槽底部濾網(wǎng)，進(jìn)入濾液室，再經(jīng)出口管排至下一工序，過濾槽過濾后的物料經(jīng)螺旋體輸送由排料口排出。

2 工藝條件[3]

(1)物料名稱及特性：硝酸鉀結(jié)晶料液，硝酸鉀結(jié)晶固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.2%,溫度為20-25℃；腐蝕性強(qiáng)。

(2)每小時(shí)需處理硝酸鉀料液量為:75m3/h(101.678t/h)。

(3)每小時(shí)輸送排出硝酸鉀量：9236(t/h)。

(4)硝酸鉀結(jié)晶料液堆積比重：實(shí)測(cè)值范圍ρ=1.36-1.95(t/m3)。

(5)安裝形式：向上水平傾斜角度a=25°,放置安裝。

(6)主材料：S31603型不銹鋼。

3 過濾面積計(jì)算

螺旋過濾機(jī)為恒壓過濾，略去過濾介質(zhì)阻力不計(jì)，硝酸鉀濾餅可近似視為不可壓縮濾餅,則螺旋過濾機(jī)過濾速率方程可表示為[4]:

(1)

(2)

式中，V為濾液體積，m3；μ為濾液黏度，Pa.s；r為單位壓力差下濾餅的比阻，1/m2；e為單位體積濾液生成的濾餅體積，即過濾后生成的濾餅體積與生成的濾液體積比值(m3/m3)；Δp為濾餅兩側(cè)壓力差，N/m3；F為過濾面積,m2；t為過濾時(shí)間，s。

在生產(chǎn)硝酸鉀過程中所得的結(jié)晶硝酸鉀料液中，其濾液粘度μ、濾餅濾液比值E、濾餅比阻r是可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出來的。如果測(cè)得濾液的粘度μ、實(shí)驗(yàn)過程中過濾料液體積、所得濾餅與濾液體積、過濾時(shí)間，根據(jù)公式(1)即可推導(dǎo)得出濾餅比阻r。

根據(jù)試驗(yàn)與使用經(jīng)驗(yàn)，過濾材料選用銑制篩網(wǎng)，其過濾名義精度200μm；實(shí)驗(yàn)測(cè)得生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)濾餅濾液比值e=0.158，粘度μ=1.2×10-3Pa.s，濾餅比阻r=1.85×1010/m2，已知每小時(shí)需過濾處理料液體積V=75m3，過濾時(shí)間t=3600秒，設(shè)控制過濾壓力△P=0.8×105Pa，按公式(2)可以計(jì)算出螺旋過濾機(jī)過濾面積F為：

4 過濾槽尺寸計(jì)算[5][6]

過濾槽是螺旋過濾機(jī)主要部件，過濾槽下部為半圓形，主要設(shè)置過濾元件。過濾槽要有足夠的過濾面積，過濾槽尺寸主要根椐過濾面積確定。過濾槽不宜過長,防止過濾槽與螺旋軸長時(shí)間受載而產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，故選取過濾槽長度為L=6m。設(shè)過濾槽半圓內(nèi)直徑為D(m)，已知過濾面積要求F=5.85m2，則過濾槽半圓內(nèi)直徑D為:

(3)

過濾槽內(nèi)半圓直徑D圓整為0.63m。選取過濾槽下部半圓外徑為φ650mm，厚為10mm，過濾槽上部側(cè)板高度取500mm。

5 螺旋軸軸徑計(jì)算[6]

為防止螺旋軸長時(shí)間受載而產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，必須保證螺旋軸足夠的強(qiáng)度與剛度,螺旋軸越長,這就越需要加大螺旋軸軸徑,空心螺旋軸的最大撓度關(guān)系式表示如下:

(4)

依照剛度條件，許用撓曲率Y/L(最大撓度與跨度之比)一般為0.0003～0.0008，取Y/L=0.0008代入(1)式，得到空心螺旋軸軸徑和許用跨度關(guān)系式如下：

(5)

先假設(shè)空心螺旋軸為Φ159×8，螺旋葉片重量按管軸重量的100%確定，則計(jì)算得：a=0.8868，q≈593(N/m)，空心螺旋軸許用跨度為:

從以上計(jì)算可知,選擇Φ159×8的空心螺旋軸時(shí)，空心螺旋軸許用跨度為6.28m,大于設(shè)計(jì)值6.0m，許用撓曲率控制在合理范圍。實(shí)際上螺旋葉片焊接于空心螺旋軸時(shí),對(duì)空心螺旋軸起較大加強(qiáng)作用,因此,空心螺旋軸Φ159×8完全可以滿足剛度要求。

6 螺旋直徑與螺距計(jì)算[7][8]

6.1 螺旋直徑

因?yàn)槁菪S的最大撓度為6000×0.0008=4.8mm，故U型過濾槽內(nèi)璧與螺旋葉片間隙應(yīng)大于4.8mm，以防產(chǎn)生磨損和異常響聲；但間隙過大，與螺旋葉片形成濾餅過厚，影響過濾速率。故選擇間隙為15mm，則螺旋葉片直徑D0=600mm。

6.2 輸送量

由于螺旋過濾機(jī)過濾輸送過程中，溶液過濾后排出，實(shí)際輸送量只能取進(jìn)料量與排出料量平均值。每小時(shí)加入粗硝酸鉀料液量為75m3/h(Q1=101678kg/h)，輸送排出的濕粗硝酸鉀量Q2=9.236(t/h)，故設(shè)計(jì)輸送量為：

6.3 螺旋螺距

當(dāng)輸送流動(dòng)性較差的物料或輸送機(jī)傾斜布置時(shí)，S≤0.8D；當(dāng)水平布置時(shí),S=(08～1)D。根據(jù)螺旋輸送機(jī)輸送量關(guān)聯(lián)式,選取合理的物料填充系數(shù),可以按下式計(jì)算螺旋螺距:

(6)

式中，Q為平均輸送量(t/h),55.457t/h；φ為填充系數(shù),取0.34；ρ為物料堆積比重(t/m3),根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值近似取1.65t/m3；n為軸轉(zhuǎn)速(rad/s),取23rad/min；S為螺距(m)；C為傾角修正系數(shù)；傾角為25°時(shí)C=0.85。

將上述數(shù)據(jù)代入(6)式，得到螺距S=0.3m。

7 螺旋軸轉(zhuǎn)速計(jì)算[8]

一般說來，螺旋軸轉(zhuǎn)速加快，輸送量提高,過濾時(shí)間縮短,濾餅含水份高。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過一定的極限值時(shí)，物料還會(huì)因?yàn)殡x心力過大而向外拋，或者物料就會(huì)產(chǎn)生垂直于輸送方向的跳躍翻滾,影響過濾與輸送，所以還需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行一定的限定，不能超過某一極限值。

即:

(7)

考慮不同物料影響,則:

(8)

(9)

式中，K為物料的綜合系數(shù)；nmax為螺旋的最大轉(zhuǎn)速，即臨界轉(zhuǎn)速(r/min)；n為螺旋的實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min)；D0為螺旋直徑,0.6m；A為物料的綜合特性系數(shù)，根據(jù)物料特性，取A=25。

將上述數(shù)據(jù)代入(9)式，得出螺旋臨界轉(zhuǎn)速nmax=29.24r/min，實(shí)際取螺旋軸轉(zhuǎn)速n≈23(r/min)=0.38(r/s)。

8 功率計(jì)算[5][6][9]

螺旋過濾機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為：

(10)

式中，N為螺旋過濾機(jī)電動(dòng)機(jī)功率，kW；H為螺旋過濾機(jī)提升高度(m),H=Lcosa=2.54m；L為螺旋過濾機(jī)長度(m),取6m；D0為螺旋直徑,0.6米;λ為總阻力系數(shù),近似取λ=4；ξ為表示電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備系數(shù)；一般取1.2-1.4，取ξ=1.4；η為表示電動(dòng)機(jī)與皮帶及軸承總傳動(dòng)效率，一般以0.6-0.85計(jì)算，取η=0.6。

將上述數(shù)據(jù)代入(10)式,得出電動(dòng)機(jī)功率為9.78kW，實(shí)際電動(dòng)機(jī)功率圓整取N=11kW。

9 結(jié)語

設(shè)計(jì)硝酸鉀螺旋過濾機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及選型匯總?cè)缦拢哼^濾處理量為75m3/h，過濾面積為5.85m2，過濾槽殼體截面為U型，長度為6m，下部為半圓形Φ 650×10，螺旋葉片外徑為600mm，螺距為300mm,螺旋軸為Φ 159×8,螺旋軸轉(zhuǎn)速為23r/min,減速機(jī)電機(jī)功率為11kW。通過本文列舉的計(jì)算方法，為大家在設(shè)計(jì)和選型中提供借鑒。