螺旋過濾機設計工藝計算

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

2018年,筆者在山東省承擔了“農業硝酸鉀連續過濾洗滌一體化技術研究開發與應用”科技攻關項目(山東省重點研發計劃項目,項目編號2019QYTPY016)，成功研發了新型固液分離設備螺旋過濾機，它是在一個傾斜的U型過濾槽中,通過螺旋體旋轉,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。螺旋過濾機能實現固液混和物連續進料、連續過濾、連續出料操作,還可以進行連續洗滌，它與傳統過濾機如板框過濾機、帶式過濾機、轉鼓過濾機、離心過濾機等相比較，具有結構簡單、連續操作、脫水效果好、動力消耗低、設備投資省、維護簡單、操作方便等優點[1][2]。由于不同物料過濾特性不一樣，所以，螺旋過濾機應根據不同物料特性選擇合理工藝參數進行設計。本文以硝酸鉀晶體料液過濾為例，簡要介紹螺旋過濾機工藝設計計算。

1 螺旋過濾機主要結構原理

螺旋過濾機基本構件有過濾槽、螺旋體、夾套、料液斗、減速機、傳動裝置，其結構示意圖見圖1。

過濾槽是U型狀長槽結構，由上端側板與下端半圓狀或圓弧狀濾網組成。過濾槽與夾套之間空間為濾液室，濾液室上部設置抽真空管外接真空泵系統，通過真空泵抽真空，使濾液室保持一定的真空度，在過濾槽過濾介質兩側產生推動力，以分離固液料漿。螺旋過濾機尾端上方設置料液斗，用于貯存一定量的料液，確保連續操作穩定性。螺旋過濾機安裝時水平向上傾斜一定角度，通常與水平面夾角為5°～60°。

圖1 螺旋過濾機結構示意圖

螺旋過濾機工作原理是：固液混合料液加入料液斗中，在減速機驅動作用下，螺旋體旋轉推動過濾槽中固液混和物斜向上方作螺旋移動，固液混和物在抽真空作用下，母液透過過濾槽底部濾網，進入濾液室，再經出口管排至下一工序，過濾槽過濾后的物料經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：硝酸鉀結晶料液，硝酸鉀結晶固體質量分數為14.2%,溫度為20-25℃；腐蝕性強。

(2)每小時需處理硝酸鉀料液量為:75m3/h(101.678t/h)。

(3)每小時輸送排出硝酸鉀量：9236(t/h)。

(4)硝酸鉀結晶料液堆積比重：實測值范圍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 過濾面積計算

螺旋過濾機為恒壓過濾，略去過濾介質阻力不計，硝酸鉀濾餅可近似視為不可壓縮濾餅,則螺旋過濾機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為濾餅兩側壓力差，N/m3；F為過濾面積,m2；t為過濾時間，s。

在生產硝酸鉀過程中所得的結晶硝酸鉀料液中，其濾液粘度μ、濾餅濾液比值E、濾餅比阻r是可以通過實驗測出來的。如果測得濾液的粘度μ、實驗過程中過濾料液體積、所得濾餅與濾液體積、過濾時間，根據公式(1)即可推導得出濾餅比阻r。

根據試驗與使用經驗，過濾材料選用銑制篩網，其過濾名義精度200μm；實驗測得生產現場濾餅濾液比值e=0.158，粘度μ=1.2×10-3Pa.s，濾餅比阻r=1.85×1010/m2，已知每小時需過濾處理料液體積V=75m3，過濾時間t=3600秒，設控制過濾壓力△P=0.8×105Pa，按公式(2)可以計算出螺旋過濾機過濾面積F為：

4 過濾槽尺寸計算[5][6]

過濾槽是螺旋過濾機主要部件，過濾槽下部為半圓形，主要設置過濾元件。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間受載而產生彎曲現象，故選取過濾槽長度為L=6m。設過濾槽半圓內直徑為D(m)，已知過濾面積要求F=5.85m2，則過濾槽半圓內直徑D為:

(3)

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

5 螺旋軸軸徑計算[6]

為防止螺旋軸長時間受載而產生彎曲現象，必須保證螺旋軸足夠的強度與剛度,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系式如下：

(5)

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

從以上計算可知,選擇Φ159×8的空心螺旋軸時，空心螺旋軸許用跨度為6.28m,大于設計值6.0m，許用撓曲率控制在合理范圍。實際上螺旋葉片焊接于空心螺旋軸時,對空心螺旋軸起較大加強作用,因此,空心螺旋軸Φ159×8完全可以滿足剛度要求。

6 螺旋直徑與螺距計算[7][8]

6.1 螺旋直徑

因為螺旋軸的最大撓度為6000×0.0008=4.8mm，故U型過濾槽內璧與螺旋葉片間隙應大于4.8mm，以防產生磨損和異常響聲；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

由于螺旋過濾機過濾輸送過程中，溶液過濾后排出，實際輸送量只能取進料量與排出料量平均值。每小時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)，故設計輸送量為：

6.3 螺旋螺距

當輸送流動性較差的物料或輸送機傾斜布置時，S≤0.8D；當水平布置時,S=(08～1)D。根據螺旋輸送機輸送量關聯式,選取合理的物料填充系數,可以按下式計算螺旋螺距:

(6)

式中，Q為平均輸送量(t/h),55.457t/h；φ為填充系數,取0.34；ρ為物料堆積比重(t/m3),根據實驗實測值近似取1.65t/m3；n為軸轉速(rad/s),取23rad/min；S為螺距(m)；C為傾角修正系數；傾角為25°時C=0.85。

將上述數據代入(6)式，得到螺距S=0.3m。

7 螺旋軸轉速計算[8]

一般說來，螺旋軸轉速加快，輸送量提高,過濾時間縮短,濾餅含水份高。另外，當轉速超過一定的極限值時，物料還會因為離心力過大而向外拋，或者物料就會產生垂直于輸送方向的跳躍翻滾,影響過濾與輸送，所以還需要對轉速進行一定的限定，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；nmax為螺旋的最大轉速，即臨界轉速(r/min)；n為螺旋的實際轉速(r/min)；D0為螺旋直徑,0.6m；A為物料的綜合特性系數，根據物料特性，取A=25。

將上述數據代入(9)式，得出螺旋臨界轉速nmax=29.24r/min，實際取螺旋軸轉速n≈23(r/min)=0.38(r/s)。

8 功率計算[5][6][9]

螺旋過濾機電動機功率為：

(10)

式中，N為螺旋過濾機電動機功率，kW；H為螺旋過濾機提升高度(m),H=Lcosa=2.54m；L為螺旋過濾機長度(m),取6m；D0為螺旋直徑,0.6米;λ為總阻力系數,近似取λ=4；ξ為表示電動機儲備系數；一般取1.2-1.4，取ξ=1.4；η為表示電動機與皮帶及軸承總傳動效率，一般以0.6-0.85計算，取η=0.6。

將上述數據代入(10)式,得出電動機功率為9.78kW，實際電動機功率圓整取N=11kW。

9 結語

設計硝酸鉀螺旋過濾機主要技術參數及選型匯總如下：過濾處理量為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,螺旋軸轉速為23r/min,減速機電機功率為11kW。通過本文列舉的計算方法，為大家在設計和選型中提供借鑒。