一种高效固液分离装置的设计

苏志伟，杨随先，苏志勇，王 尧，许安航

（1.四川大学，四川成都 610065；2.中国核动力研究设计院，四川乐山 614100）

1 前言

固液分离装置是一种应用量大，使用面广的通用机械，在许多生产过程中，固液分离装置是关键设备之一，因此发展高效、节能、高通用性、低成本的固液分离装置显得十分重要［1］。现有工业加压过滤器的基本形式及主要性能指标如表 1所示［2］。

表1 现有工业加压过滤器基本形式及主要性能指标比较

现有过滤器在结构或使用性能上不能满足本文生产需求，在综合考虑使用环境、设备稳定性、成本合理性及应用广泛性等因素的基础上［3～5］，提出了一种高过滤面积、高容渣率、高通用性、低成本的固液分离装置。

2 设计需求及方案选择

2.1 过滤对象分析

本文设计的分离装置需处理的对象为具有悬浮颗粒的浑浊水溶液，滤前悬浮液D50为37.761 μm，其浓度为99%，经本文设计装置过滤后，过滤液 D50为 21.332 μm，相应的浓度为 21%。

2.2 设计要求及难点

针对过滤对象特征和特殊的工程应用环境要求，本文设计的固液分离装置的设计要求为：（1）工作条件要求：过滤过程在常温高辐射环境下进行，过滤装置在直径600 mm、高900 mm的空间内工作，过滤区内采用机械工作方式。（2）过滤效果要求：在 0.3～0.5 MPa 压力条件下，对 20 μm悬浮颗粒的截留能力在0.9以上，前0.5 h内生产能力在7 m3以上，容渣率在25%以上。（3）其他要求：工作过程中避免液体飞溅，避免新液体及新颗粒引入，减少第一现场的人员数量，工作过程中装置需便于维护及维修；（4）在成本允许范围内，允许装置的一次性使用。

主要设计难点为：在保证截留率的前提下提高过滤效率和增大容渣率。

2.3 设计方案确定

在综合考虑设计需求的基础上，本文提出了一种塔式过滤袋结构的新型固液分离装置。该装置的主要特点包括：成本较低，可一次性使用；操作复杂度低，适合自动化生产和避免了人员直接参与的有辐射环境使用；外部固定架支撑及内部双波丝网固定的方式实现了每层过滤袋的双面过滤；采用法兰盘连接及整体式塔式过滤袋的方式，实现固定架的多次使用，同时提高了更换塔式过滤袋的便利性；采用叠加过滤袋的方式，增大了过滤面积及适用范围，解决了设备适用大小及空间受限制等通用性问题。

3 结构设计

图1所示为本文设计的全新塔式固液分离装置结构，如图所示，在容纳桶体积固定，滤饼厚度固定的条件下，为了提高整个装置的容渣率及过滤效率，采用环形皱壁原理设计滤布安装方式，增大单位体积过滤面积；由于流体在管道管件中存在流阻现象，为了减小压降及流量损失，保证各个塔层压力相近，采用中间通孔的注水方式；为了避免注水过程中上层塔挤压下层塔导致溶液不能流动的问题，采用主动引流的原理，增加了双波丝网结构。该装置每层滤袋直径为600 mm，各层滤袋连接口直径为40 mm。每层过滤袋内部及过滤袋外部连接处各放有双层316L型号的300 mm直径双波丝网。工作时整套过滤装置直接安放于容纳桶内，其顶部的连接管与给料水泵出水端水管连接。

图1 塔式过滤装置设计方案

4 装置过滤效率分析与验证

为了精确了解过滤介质的主要物理性能，并估算其过滤效率，本文分别对滤布的截留能力、生产能力进行了理论计算分析，通过试验对计算结果进行了验证。

4.1 滤布截留能力计算

本文过滤装置采用型号为3927滤布作为过滤介质，根据卢志明等提出的根据滤布微孔尺寸分布及物料浆的颗粒尺寸分布预测滤布的颗粒截留能力的方法，得出滤布对某一尺寸s的颗粒截留能力函数为［6］：

式中CB——滤液中颗粒的体积分数

NB（s）—— 滤液中尺寸为s的颗粒体积百分比

Cu——悬浮液中颗粒的体积分数

Nu（s）—— 悬浮液中尺寸为s的颗粒体积百分比

根据JL－6000型干湿法两用激光粒度仪测量所得的数据，计算得到型号为3927滤布对20 μm颗粒的试验截留能力为NS=0.95。

4.2 过滤装置生产能力计算

由于潜水泵流量较大，过滤袋可短时间内充满水，因此假设过滤过程为不可压缩滤饼恒压过滤，即在过滤过程中过滤压力保持不变。根据罗斯（Ruth）方程，过滤方程可写成：

式中V——入口滤液容积

μ——液体黏度

αm——滤饼的平均质量比阻，称为Ruth比阻

c—— 悬浮液固体浓度（按单位体积滤液中的固体质量计）

A——过滤面积

Δp——为过滤介质两侧压力差

Rm——介质的阻力

v——滤液流速

L——滤饼厚度

ρs——为滤饼中固体的密度

ε——介电常数

在过滤时间tf内获得的滤液容积为Vf：

在恒压条件下，通过试验得到不同时间t时的过滤速率v=V/A，根据图2所示的t/V－V曲线，通过斜率a、截距b，求出滤饼比αm和过滤介质阻力Rm，由式（4）计算出过滤机的生产能力。

图2 t/V－V关系

本文所设计的过滤装置采用由某机电有限公司生产的型号为 QDX3－30－1.1 水泵，其额定扬程为 30 m，满载理论压力约为 0.3 MPa［7］。确定工作压力差为0.2 MPa；单组理论过滤面积为0.49 m3，设计 80 组过滤袋。

根据试验测试，在0.2 MPa压力差下，300 s时过滤压力基本稳定。经计算求得图2的直线斜率a=20.71 s/m6，截距b=4.15×10－5s/m3。在不考虑滤饼的可压缩性条件下根据式（4）得出其前 0.5 h内对滤液的净生产能力约为 13.18 m3，部分计算数据详见表2。

表2 部分相关数据

4.3 测试结果

图3为主要由50 μm左右的细泥浆配置的悬浮液，污水泵在吸取过程中用气泵在水池底部不断吹气，保证溶液浓度的均匀性。图4所示为过滤后的溶液，目测清澈度与家用自来水的清澈度相近。

图3 配制的悬浮液

图4 过滤后的溶液

5 结语

本文根据国内某核电站废液处理提出的过滤要求，创新设计了一款低成本、高通用性的固液分离装置，该装置采用结构简单，性能稳定的塔式过滤袋结构。在双波丝网的导流及支撑下，实现了过滤袋双层过滤，采用多层过滤袋塔式叠加的方式增大了单位体积的过滤面积及容渣率，其单位容积过滤面积为156.8m，容渣率为0.24。同时根据使用条件通过改变过滤袋型号、形状、尺寸及数量可提高设备的通用性。

［1］褚良银，陈文梅，钟月华.不同过滤方式下过滤速率衰减模型研究［J］.过滤与分离，1999（1）：1－8.

［2］全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业离心机和过滤机选用手册［M］.北京：化学化工出版社，2014 ：264－325.

［3］史晓晖，刘志民，赵新国.盘式加压过滤机的技术发展［J］.过滤与分离，2003（13）：18－19.

［4］丁兴江.浸没式粉末硅藻土预涂覆微滤装置过滤性能研究［J］.流体机械，2015，43（3）：12－16.

［5］杨辉，刘晓林，夏江.板框式压滤机在文明污水站的应用与改造［J］.石油机械，2005，33（9）：88－89.

［6］卢志明.滤布的过滤性能试验研究［J］.化工机械，2000，27（2）：71－74.

［7］lirouqueenie.水泵出口压力怎么换算成扬程［EB/OL］.［2016－6－13］.http：//wenda.so.com/q/1458413775720157?src=9999&cid－pre=1000204.