双级推料离心机应用在薄层滤饼上的结构优化

（浙江轻机实业有限公司，杭州 311401）

0 引言

双级活塞推料离心机是一种连续进料、脉动卸料的自动连续过滤式离心机[1]，在离心力作用下，将悬浮液中的固体颗粒经第一级转鼓筛网截留形成滤饼[2]。滤饼通过推料机构被脉动推出转鼓，同时液体穿过滤饼、筛网和转鼓排出。在分离中大颗粒且固含量高的悬浮液如真空制盐时形成的滤饼较厚，具有分离效率高、产量高、操作稳定可靠等优点。但在分离细小颗粒且固含量低的悬浮液时，由于形成的滤饼层薄，在脉动推料过程中出现滤饼爬坡现象，严重时滤饼出现板结导致推料停止。

本文从双级推料离心机的工作原理、滤饼的形成原理及过程，以及滤饼在推料过程中的受力情况着手，分析双级推料离心机应用在薄层滤饼中出现爬坡等现象的原因，并提出优化方案。

1 双级推料离心机的工作原理

双级推料离心机的工作原理如图1所示，悬浮液通过进料管进入与转鼓一起旋转的加速盘中，在加速后均匀的分布到第一级转鼓筛网上，在离心力的作用下，大部分的液体在筛网上得到过滤[3]，经收集罩汇聚后由液体出口排出；固体颗粒在筛网上形成滤渣层[4]即滤饼。由于第一级转鼓在高速旋转的同时还作轴向往复运动，借助推料盘的作用将滤饼脉动推向第二级转鼓，并在第二级转鼓上获得更大的离心力，将残余的液体过滤后排出；滤饼则被第一级转鼓脉动推向固体收集槽排出。

图1 工作原理

2 薄层滤饼

2.1 滤饼的形成原理及过程

滤饼的形成原理是悬浮液所含的固体颗粒和液体一起在加速盘的作用下做垂直于筛网表面的同向运动，而且以筛网表面为运动终端[5-8]，固体颗粒在筛网表面通过架桥被截留。当筛网表面形成一层滤饼后，滤饼就作为过滤介质，截留的颗粒在滤饼表面形成不断增厚的滤饼层。

双级推料离心机是一种连续工作的过滤分离设备，整个进料过程就是滤饼的形成过程，推料的每个往复过程都会形成一圈滤饼，滤饼形成过程可分为3步进行描述。

第1步是第一级转鼓往前运行过程，在这个过程中连续进入的悬浮液固体颗粒在筛网表面通过架桥被截留形成初始滤饼层，如图2所示。

图2 初始滤饼层形成

第2步是第一级转鼓往后运行过程的第一阶段，在这个阶段中由于推料盘的作用，初始滤饼层在第一级转鼓上被隆起，同时连续进入的悬浮液固体颗粒被截留在上面，如图3所示。

图3 副滤饼层形成

第3步是第一级转鼓往后运行过程的第二阶段，在这个阶段中由于悬浮液的连续进入使滤饼具有了刚性，并在推料盘的作用下与前面的滤饼同时向前位移，如图4所示。

图4 滤饼层形成

滤饼形成的这3步在分离过程中往复循环，滤饼被一圈一圈的脉动推向第二级转鼓，在第二级转鼓上获得更大的离心力后，被脉动推入固体收集腔。

2.2 导致薄层滤饼生成的原因及不利因素

双级推料离心机的滤饼过滤为恒压过滤[9]，即滤饼不断增厚阻力不断增加，过滤速率逐渐减小而离心力恒定。过滤速率基本方程为[10]：

式中 u——过滤速率，m3/s；

q——单位过滤面积得到的过滤量，m3/m2；

t——累积的时间，s；

Δp——过滤压差，Pa；

η——滤液黏度，Pa·s；

RC——滤饼层阻力，m-1；

RM——过滤筛网阻力，m-1。

从式（1）可以看出，过滤速率与过滤压差成正比，与滤液黏度、滤饼层阻力、过滤筛网阻力成反比。当离心机运行参数、物料参数确定时，过滤压差、过滤筛网阻力、滤液黏度也确定了。在这种状况下，滤液的过滤速率只与滤饼层阻力成反比函数关系，滤饼层阻力大则过滤速率小，反之滤饼层阻力小则过滤速率大。

而滤饼层阻力与物料的颗粒大小及分布、滤饼厚度成正向关系，当物料确定时，颗粒大小及分布也确定了，因此滤饼层的阻力由滤饼层厚度决定。滤饼层越厚，滤饼的过滤速率就越低。要在单位时间内完成较多滤液量的过滤，就必须提高过滤速率，因此作为过滤介质的滤饼只能生成薄层滤饼，否则就会出现拉稀现象。

双级推料离心机在推料的过程中是通过一圈一圈滤饼来传递轴向力，并将前面的滤饼不断推出转鼓。因此滤饼的刚性直接影响到其结构是否被破坏，推料时如果滤饼的刚性克服不了滤饼与筛网之间的摩擦阻力，滤饼就会被推得隆起而形成爬坡现象。滤饼不断的爬坡堆积会造成板结，最终会导致推料停止。

3 优化方案

为了解决薄层滤饼在推料过程中出现的爬坡现象，必须对双级推料离心机的结构、参数进行优化。薄层滤饼的爬坡现象是其刚性克服不了摩擦阻力所产生的，推料过程中滤饼在筛网上受到的摩擦阻力大，所需推料力也大[11]，薄层滤饼的爬坡情况也越严重，优化的方向是减小摩擦力。摩擦力的公式如下：

式中 T——摩擦力，N；

N——正压力，N；

μ——摩擦系数。

由于在物料、筛网材质确定时，摩擦系数μ也是确定的，则从式（2）可知，要减小薄层滤饼与筛网间的摩擦力，只需减小滤饼对筛网的正压力N。

3.1 加速盘的优化

双级推料离心机离心过滤的悬浮液通常要求固含量高，因此设计的加速盘结构原理类似于圆盘泵如图5所示。

图5 普通加速

该结构的优点是能够输送高浓度的物料，且结构简单、无堵塞[12]。其加速是依靠加速盘旋转时所产生的动能和悬浮液内部的摩擦力来实现。由于加速盘旋转的动能是逐层向液体传递，在加速盘和推料盘之间的整个宽度上构成速度梯度。这样导致颗粒到达筛网表面时颗粒和筛网两者的线速度差大，颗粒受到的冲击力也大。同理后续到达的颗粒对已经形成的滤饼的冲击力越来越大，使滤饼压得越来越密实从而导致正压力加大。

从以上分析可以看出，减小正压力的关键是固体颗粒到达筛网（每一滤饼层）表面时的线速度与筛网（每一滤饼层）表面的线速度差尽量小[13]，因此对加速盘进行优化改进。由于物料的固含量较低，优化设计时采用叶片式加速盘，如图6所示。

图6 离心加速盘

该离心加速盘安装在供料系统内，包括一圆形平板，圆形平板的一侧有若干个呈曲线状均匀放射分布的叶片[14]。加速的原理是：依靠高速旋转的叶片使悬浮液获得动能。当悬浮液通过进料管进入旋转的离心加速盘后，离心加速盘中的叶片迫使悬浮液旋转，即叶片对悬浮液沿着它的运动方向做功，使悬浮液的动能增加。根据谭蔚等的研究，离心加速盘叶片为等变角螺旋线、出口安放角为15°时，模拟计算结果表明物料在不同高度上的最大切向速度比较均匀，在出口处的最小切向速度最大，加速盘对物料加速的综合性能最好[15]。悬浮液得到很好的加速，减小颗粒与筛网（每一滤饼层）的线速度差，从而减小滤饼对筛网的正压力。

在同一工况下，不同加速盘结构对P40双级推料离心机推料液压力的影响见表1。

表1 不同加速盘结构对推料液压力的影响

表1表明,离心加速盘在实际应用中，负载时推料液压力明显减小，即在应用离心加速盘后滤饼对筛网的摩擦力（正压力）比优化前小。

3.2 转鼓的优化

双级推料离心机的转鼓为圆柱形，固定在转鼓内孔的筛网母线平行于轴线，这时滤饼对筛网的正压力等于离心力。如果筛网的母线与轴线设计成一个角度时，如图7所示。由于正压力只是离心力的一个分力，因此相对在同样离心力下锥转鼓的摩擦力要比柱转鼓小。

图7 锥转鼓

滤饼在锥转鼓上的受力分析如图8所示。

图8 滤饼在锥转鼓上的受力分析

滤饼对筛网的正压力为：

式中 Fn——离心力，N；

β——锥转鼓半锥角，°。

沿着锥转鼓筛网表面的摩擦力为：

式中 Tn——锥转鼓筛网表面的摩擦力，N。

从式（4）可以看出，筛网表面的半锥角决定摩擦力的大小，转鼓半锥角增大，摩擦力减小。在实际选择转鼓半锥角时，需根据物料特性选择。

3.3 转鼓转速的优化

对滤饼中某一颗粒进行受力分析，结果表明当液体流过这一颗粒时，颗粒受到摩擦曳力的作用，迫使颗粒向筛网方向运动。同时由于这一颗粒周围的粒子同样受到液体的摩擦曳力作用，因此滤饼每一层的摩擦曳力都会传递给前面一层，这样整个滤饼层受到的摩擦曳力就会增加正压力，速度越高摩擦曳力就越大，正压力也大。

但从滤液穿滤的角度分析，液体穿过滤饼主要受到2种驱动力:滤饼表面的液压力和离心力。转鼓的转速越高驱动力越大，液体受到的驱动力越大穿滤的速率就越大。同时液体在穿过滤饼层时还与滤饼孔隙率、物料的黏度、表面张力等因素有关，要克服这些因素造成的阻力，使液体更快地穿过滤饼层，通常需提高转速。

以上分析表明，转速提高会增加正压力，为防止滤饼的爬坡现象，需要选择较低的转速；但是要提高滤液的穿滤速率，必须提高转速。针对这一矛盾在实际应用中需要相互兼顾，通常通过试验的方式来选取合适的转速。

3.4 优化结果

针对双级推料离心机在薄层滤饼应用时存在的问题，通过对加速盘、转鼓结构及转速进行了优化设计，并且实际应用结果表明离心加速盘、转鼓的锥度、转鼓转速对正压力有很大的影响，如图9，10 所示。

图9 未优化的滤饼

图10 优化后的滤饼

从图9，10中可以看出，未优化时滤饼的爬坡现象非常严重，优化后滤饼的爬坡现象得到明显改善。

4 结语

结果表明通过对加速盘、转鼓结构以及转速参数的优化设计，解决了双级推料离心机应用在薄层滤饼分离过程中，由于爬坡而导致推料停止的现象。