圆盘过滤器过滤能力的探讨

2015-12-30王文清

中国设备工程 2015年12期

关键词：刮刀滤饼圆盘

王文清

（山西三维集团股份有限公司,山西　洪洞　041603）

圆盘过滤器过滤能力的探讨

王文清

（山西三维集团股份有限公司,山西洪洞041603）

分析探讨炔醛法丁二醇工艺中过滤器的能力，合理安排工艺操作，提高过滤器的过滤能力。

过滤；滤饼厚度；颗粒

随着BDO（丁二醇）生产技术的开发和引进，一种圆盘过滤器逐渐被广泛使用，在炔醛法丁二醇生产工艺中，利用这种圆盘过滤器把从炔化反应器出来的反应物料分离成不含催化剂的反应液（清液）和含催化剂的反应液（淤浆），反应液经过过滤器后，淤浆中固含量增大，因此，在工艺上又把这个过滤器称为浓缩器或者增稠器，它是炔醛法丁二醇工艺的主要设备，它的过滤能力决定着整个装置的生产能力。

一、圆盘过滤器的工作原理及结构

圆盘过滤器垂直放置，采用底部液压驱动，主要是为了便于拆装滤盘和刮刀，便于检修安装；采用径向柱塞马达驱动，它具有高负载力、高效率及低惯性的特点，具有极低速能力和良好的反向特性。一是平稳，可以根据油压调节转速，操作方便简单；二是可以很容易实现正反转，不受限制。滤盘和带刮刀的分流管交叉放置，分流管的作用是把反应液均匀的分配到每块滤盘之间；刮刀的作用是在每个盘面上形成厚度均匀的滤饼。从反应器出来的一定浓度的反应液通过圆盘过滤器给料泵加压后进入加料管，再通过加料分流管分配到每块滤盘之间。滤盘在径向柱塞马达的驱动下，以45r/min的转速旋转。依靠分流管及其固定的刮刀，沉淀的催化剂颗粒在每块滤盘的上下两面形成厚度均匀的滤饼。通过滤饼过滤，产生清液，清液透过滤盘的金属烧结网进入中心管轴，从圆盘过滤器的下部采出，变稠的浓缩液通过上部的浓缩液出口再回到炔化反应器中，循环使用。

圆盘过滤器的过滤元件——过滤盘最早采用的是金属滤布，采用接触焊固定在支撑网上，这种滤盘重量大、易损坏，对维修人员的技术要求较高。目前，国内的圆盘过滤器采用的是新式滤盘，新式滤盘最大的改进是采用多层金属烧结网，多层金属烧结网是将多层不锈钢丝网按一定的顺序进行特殊叠放压制，经过真空烧结而成，具有一定强度，整体刚性好。每层不锈钢网在烧结网中的作用不同，分为保护层、过滤控制层、分散层、支撑骨架层、骨架层五部分（图1）。真正起过滤作用的过滤层在第二层，便于保护和分流，过滤精度由过滤层来决定，具有均匀一致的过滤性能和较高的稳定性。

图1　过滤原理简图

根据鲁斯过滤速度基本方程式：

式中：q——任意时间，s；

A——过滤面积，m2；

V——总滤液量，m3；

v——单位面积的滤液量，m3/m2；

P——过滤压，Pa；

pm——过滤介质的压力损失，Pa；

μ——滤液的黏度，Pa·s；

Rc——单位面积滤液的阻力，m-1；

Rm——单位面积过滤介质的阻力，m-1。

式中：αav——滤饼的平均过滤比阻，m/kg；

W——滤饼内的固体质量，kg；

Wm——与过滤介质阻力等级的假想滤饼内的固体质量，kg；

Vm——假想滤液的总体积，m；

v——V/A,单位过滤面积的滤液量，m/m；

vm——Vm/A,为得到与过滤介质阻力等效的滤饼的假想滤液量，m/m；

ρ——滤液的密度，kg/m；

s——料浆中的固体浓度；

m——滤饼的湿干质量比。

滤液通过滤饼和过滤介质的速率由推动力和过滤阻力决定，过滤阻力与过滤介质孔隙、流道的形状等特性有关，最主要还是取决于滤饼的阻力的大小，而这种阻力又取决于反应液的性质、滤液的温度、滤饼的孔径和孔道的弯曲情况等因素。

二、多种因素对过滤能力的影响

1.压差对过滤能力的影响

过滤器的生产能力取决于滤液通过滤饼和过滤介质的速率，从式中可以看出作用在滤饼上的压力，对滤液的流速和单位时间、单位面积的体积过滤速率影响较大，压差越大，过滤能力越大，清液的采出量就大。同时，压力又影响着滤饼的平均过滤比阻，较高的压力下，过滤比阻也大。通常选用的给料泵是单螺杆泵，根据铜铋催化剂的特性，定子的材质是氟橡胶或者乙丙橡胶，从使用的经验看，泵的排送压力与定子的寿命成反比，结合给料泵的定子的使用寿命，一般把过滤器的操作压力设定在0.7～1.2MPa。在过滤器设备如受压、机械密封允许的情况下，提高操作压力是提高过滤能力的重要途径。要保证给料泵的出口压力，并且尽量减少从给料泵出口到过滤器的管路阻力。

2.滤饼质量对过滤能力的影响

圆盘过滤器的过滤机理严格讲，是多样的。尺寸大于烧结板孔隙的颗粒沉淀在滤板的表面上，是表面筛滤；部分颗粒进入烧结板内部，依靠深部流道尺寸小于颗粒尺寸来截流颗粒，属于深层粗滤；部分颗粒进入烧结板内部，依靠附着力或者已被流道所附着的颗粒，来截流远小于流道尺寸的颗粒，属深层过滤；颗粒尺寸大于烧结板孔隙，经过表面筛滤，在孔隙上方形成架桥，积累成滤饼，利用滤饼来截流催化剂颗粒，属滤饼过滤，这是圆盘过滤器的主要过滤方式。在炔化反应工艺中，催化剂采用的是铜铋催化剂，它的粒度在1～10μm，它的特性直接决定滤饼的质量，当过滤压强增大时，颗粒间的孔道变窄，有时也因颗粒过于细密而将通道堵塞。保持高质量的滤饼对过滤能力至关重要。

3.滤饼厚度对过滤能力的影响

若构成滤饼的颗粒是不易变形的坚硬固体颗粒，则当滤饼两侧压力差增大时，颗粒形状和颗粒间空隙不发生明显变化。有的悬浮颗粒比较软，所形成的滤饼受压容易变形，当滤饼两侧压力差增大时，颗粒的形状和颗粒间的空隙有明显改变。采用的催化剂的颗粒是催化剂厂商通过研磨筛选得到的，压力无法改变它的形状，所以，可以认为铜铋催化剂形成的滤饼是不可压缩的。根据有关过滤理论，当被过滤的液体经过滤渣的孔道和过滤介质流动时,流体处于层流状态。据此,按照液体在毛细管道中层流运动的定律可以推导出过滤速度表达式。

式中:V——实际的滤液体积，m3；

P——毛细管两端的压力降，可用于滤饼前的真空计压力代之，Pa；

t ——过滤时间，s；

μ——液体的黏度，Pa·s；

p——不可压缩的滤饼的单位厚度之阻力，即比阻；

W——单位体积滤液所含的滤饼体积，m3/m3；

A——过滤面积，m2；

V0——自开始过滤到滤饼的阻力等于介质的阻力时所获得的滤液体积，称为过滤介质的当量滤液体积，或称为虚拟滤液体积，m3。

从以上可以判断滤饼的厚度影响着过滤速率，假定滤饼的比阻不变，厚度增大，滤饼阻力增大，过滤速率减小，过滤能力就下降。

在过滤器中，2块滤盘之间均有1个加料管，也有1个刮刀，刮刀的作用就是在滤盘上保持一定厚度的滤饼，并将滤盘上的多余催化剂淤浆刮去。刮刀距盘面的距离就是滤饼的厚度，相邻滤盘的距离是100mm，刮刀的宽度是90mm,那么上下滤饼的厚度就是5mm，每次安装刮刀后，在安装钟罩前，要详细检查刮刀的位置，是否合理分配间距。间距太大，滤饼太厚，过滤能力下降；刮刀与盘面的间距也不能太小，滤盘在工作时，上下盘面会附着一层滤饼，滤饼的重量会使滤盘发生轻微变形，向下挠曲，如果间隙太小，就会刮伤滤盘，严重时，出现采出液不清，需要检修。

4.催化剂颗粒粒度对过滤能力的影响

在过滤操作中，固体颗粒的形状、尺寸及密度是体现颗粒性质的三个要素，决定着颗粒能否被过滤介质所截留，还决定着沉降速度和滤液的清洁度。如果粒径小的催化剂颗粒太多，那么，滤饼的流道可能很快被堵塞，影响液体的流畅，导致过滤速率下降。催化剂颗粒经过反应器内搅拌，螺杆输送泵的输送，形成滤饼，再回到反应器中，不断循环，它的粒度分布也会发生变化。因此，在工艺操作中，要定期取出一定量的催化剂，补充一定量新鲜催化剂，这不仅因为要保持催化剂的活性稳定，也是保持催化剂粒度分布稳定。

5.定期进行高速旋转提高过滤能力

在滤饼形成初期，过滤能力比较大，随着时间的推移，过滤能力不断衰减。这主要是因为细小的催化剂颗粒进入滤饼，有的颗粒直径小于流道直径，当这些颗粒随流体在滤饼和金属烧结网内的曲折孔道中穿过时,便附着或者沉淀在其中，造成流道堵塞。当采出量降到一定程度时，就要启动高速旋转，通常设定高速旋转的转速为130r/min，利用离心力的作用，将附着在滤盘上的滤饼去除掉。同时，启动清洗装置，对盘面进行冲洗，冲洗水的压力高达10MPa,利用冲洗水的冲击力，把附着在盘面上的滤饼清洗掉，再利用离心力把它甩掉，得到一个清洁的盘面。

6.过滤时间对过滤能力的影响

在操作过程中，形成滤饼—采出清液—清洗和高速旋转—形成滤饼，这是一个循环过程。在这个过程中，工艺操作安排应尽量减少形成滤饼时间和清洗旋转时间，相对延长采出时间。

7.滤盘质量对过滤能力的影响

滤盘的骨架板必须平整，表面粗糙度要求比较高。金属烧结网的厚度要均匀，要和骨架板自然地紧密贴合。盘箍在安装时，要保证烧结网不要受到向轴心的推力，防止烧结网出现翘起或者鼓起。有些时候，新滤盘还比较平整，但使用一段时间，发现有翘起和鼓起现象，这都是滤盘制作工艺不当，滤盘在过滤器中，受力是变化的，操作的温度也有变化。因此，在滤盘制作安装过程中，尽量减少它的残存应力，这样要求的目的，就是要在滤盘上得到厚度均匀的滤饼，获得更多的有效过滤面积。圆盘过滤器是滤饼过滤，但是，在建立滤饼的循环阶段，就会有大量的催化剂颗粒通过烧结网的流道，即使在滤饼过滤阶段，粒径很小的颗粒也有可能通过滤饼流道进入烧结网流道。这些颗粒会堵塞流道，或者附着在流道中，使流道变窄。也就是说，随着使用时间的延长，滤盘的过滤能力也在下降，当下降到一定程度时，就需要更换滤盘。