圓盤過濾器過濾能力的探討

王文清

（山西三維集團(tuán)股份有限公司,山西　洪洞　041603）

圓盤過濾器過濾能力的探討

王文清

（山西三維集團(tuán)股份有限公司,山西洪洞041603）

分析探討炔醛法丁二醇工藝中過濾器的能力，合理安排工藝操作，提高過濾器的過濾能力。

過濾；濾餅厚度；顆粒

隨著BDO（丁二醇）生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)和引進(jìn)，一種圓盤過濾器逐漸被廣泛使用，在炔醛法丁二醇生產(chǎn)工藝中，利用這種圓盤過濾器把從炔化反應(yīng)器出來的反應(yīng)物料分離成不含催化劑的反應(yīng)液（清液）和含催化劑的反應(yīng)液（淤漿），反應(yīng)液經(jīng)過過濾器后，淤漿中固含量增大，因此，在工藝上又把這個(gè)過濾器稱為濃縮器或者增稠器，它是炔醛法丁二醇工藝的主要設(shè)備，它的過濾能力決定著整個(gè)裝置的生產(chǎn)能力。

一、圓盤過濾器的工作原理及結(jié)構(gòu)

圓盤過濾器垂直放置，采用底部液壓驅(qū)動(dòng)，主要是為了便于拆裝濾盤和刮刀，便于檢修安裝；采用徑向柱塞馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，它具有高負(fù)載力、高效率及低慣性的特點(diǎn)，具有極低速能力和良好的反向特性。一是平穩(wěn)，可以根據(jù)油壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，操作方便簡單；二是可以很容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，不受限制。濾盤和帶刮刀的分流管交叉放置，分流管的作用是把反應(yīng)液均勻的分配到每塊濾盤之間；刮刀的作用是在每個(gè)盤面上形成厚度均勻的濾餅。從反應(yīng)器出來的一定濃度的反應(yīng)液通過圓盤過濾器給料泵加壓后進(jìn)入加料管，再通過加料分流管分配到每塊濾盤之間。濾盤在徑向柱塞馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，以45r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。依靠分流管及其固定的刮刀，沉淀的催化劑顆粒在每塊濾盤的上下兩面形成厚度均勻的濾餅。通過濾餅過濾，產(chǎn)生清液，清液透過濾盤的金屬燒結(jié)網(wǎng)進(jìn)入中心管軸，從圓盤過濾器的下部采出，變稠的濃縮液通過上部的濃縮液出口再回到炔化反應(yīng)器中，循環(huán)使用。

圓盤過濾器的過濾元件——過濾盤最早采用的是金屬濾布，采用接觸焊固定在支撐網(wǎng)上，這種濾盤重量大、易損壞，對維修人員的技術(shù)要求較高。目前，國內(nèi)的圓盤過濾器采用的是新式濾盤，新式濾盤最大的改進(jìn)是采用多層金屬燒結(jié)網(wǎng)，多層金屬燒結(jié)網(wǎng)是將多層不銹鋼絲網(wǎng)按一定的順序進(jìn)行特殊疊放壓制，經(jīng)過真空燒結(jié)而成，具有一定強(qiáng)度，整體剛性好。每層不銹鋼網(wǎng)在燒結(jié)網(wǎng)中的作用不同，分為保護(hù)層、過濾控制層、分散層、支撐骨架層、骨架層五部分（圖1）。真正起過濾作用的過濾層在第二層，便于保護(hù)和分流，過濾精度由過濾層來決定，具有均勻一致的過濾性能和較高的穩(wěn)定性。

圖1　過濾原理簡圖

根據(jù)魯斯過濾速度基本方程式：

式中：q——任意時(shí)間，s；

A——過濾面積，m2；

V——總濾液量，m3；

v——單位面積的濾液量，m3/m2；

P——過濾壓，Pa；

pm——過濾介質(zhì)的壓力損失，Pa；

μ——濾液的黏度，Pa·s；

Rc——單位面積濾液的阻力，m-1；

Rm——單位面積過濾介質(zhì)的阻力，m-1。

式中：αav——濾餅的平均過濾比阻，m/kg；

W——濾餅內(nèi)的固體質(zhì)量，kg；

Wm——與過濾介質(zhì)阻力等級的假想濾餅內(nèi)的固體質(zhì)量，kg；

Vm——假想濾液的總體積，m；

v——V/A,單位過濾面積的濾液量，m/m；

vm——Vm/A,為得到與過濾介質(zhì)阻力等效的濾餅的假想濾液量，m/m；

ρ——濾液的密度，kg/m；

s——料漿中的固體濃度；

m——濾餅的濕干質(zhì)量比。

濾液通過濾餅和過濾介質(zhì)的速率由推動(dòng)力和過濾阻力決定，過濾阻力與過濾介質(zhì)孔隙、流道的形狀等特性有關(guān)，最主要還是取決于濾餅的阻力的大小，而這種阻力又取決于反應(yīng)液的性質(zhì)、濾液的溫度、濾餅的孔徑和孔道的彎曲情況等因素。

二、多種因素對過濾能力的影響

1.壓差對過濾能力的影響

過濾器的生產(chǎn)能力取決于濾液通過濾餅和過濾介質(zhì)的速率，從式中可以看出作用在濾餅上的壓力，對濾液的流速和單位時(shí)間、單位面積的體積過濾速率影響較大，壓差越大，過濾能力越大，清液的采出量就大。同時(shí)，壓力又影響著濾餅的平均過濾比阻，較高的壓力下，過濾比阻也大。通常選用的給料泵是單螺桿泵，根據(jù)銅鉍催化劑的特性，定子的材質(zhì)是氟橡膠或者乙丙橡膠，從使用的經(jīng)驗(yàn)看，泵的排送壓力與定子的壽命成反比，結(jié)合給料泵的定子的使用壽命，一般把過濾器的操作壓力設(shè)定在0.7～1.2MPa。在過濾器設(shè)備如受壓、機(jī)械密封允許的情況下，提高操作壓力是提高過濾能力的重要途徑。要保證給料泵的出口壓力，并且盡量減少從給料泵出口到過濾器的管路阻力。

2.濾餅質(zhì)量對過濾能力的影響

圓盤過濾器的過濾機(jī)理嚴(yán)格講，是多樣的。尺寸大于燒結(jié)板孔隙的顆粒沉淀在濾板的表面上，是表面篩濾；部分顆粒進(jìn)入燒結(jié)板內(nèi)部，依靠深部流道尺寸小于顆粒尺寸來截流顆粒，屬于深層粗濾；部分顆粒進(jìn)入燒結(jié)板內(nèi)部，依靠附著力或者已被流道所附著的顆粒，來截流遠(yuǎn)小于流道尺寸的顆粒，屬深層過濾；顆粒尺寸大于燒結(jié)板孔隙，經(jīng)過表面篩濾，在孔隙上方形成架橋，積累成濾餅，利用濾餅來截流催化劑顆粒，屬濾餅過濾，這是圓盤過濾器的主要過濾方式。在炔化反應(yīng)工藝中，催化劑采用的是銅鉍催化劑，它的粒度在1～10μm，它的特性直接決定濾餅的質(zhì)量，當(dāng)過濾壓強(qiáng)增大時(shí)，顆粒間的孔道變窄，有時(shí)也因顆粒過于細(xì)密而將通道堵塞。保持高質(zhì)量的濾餅對過濾能力至關(guān)重要。

3.濾餅厚度對過濾能力的影響

若構(gòu)成濾餅的顆粒是不易變形的堅(jiān)硬固體顆粒，則當(dāng)濾餅兩側(cè)壓力差增大時(shí)，顆粒形狀和顆粒間空隙不發(fā)生明顯變化。有的懸浮顆粒比較軟，所形成的濾餅受壓容易變形，當(dāng)濾餅兩側(cè)壓力差增大時(shí)，顆粒的形狀和顆粒間的空隙有明顯改變。采用的催化劑的顆粒是催化劑廠商通過研磨篩選得到的，壓力無法改變它的形狀，所以，可以認(rèn)為銅鉍催化劑形成的濾餅是不可壓縮的。根據(jù)有關(guān)過濾理論，當(dāng)被過濾的液體經(jīng)過濾渣的孔道和過濾介質(zhì)流動(dòng)時(shí),流體處于層流狀態(tài)。據(jù)此,按照液體在毛細(xì)管道中層流運(yùn)動(dòng)的定律可以推導(dǎo)出過濾速度表達(dá)式。

式中:V——實(shí)際的濾液體積，m3；

P——毛細(xì)管兩端的壓力降，可用于濾餅前的真空計(jì)壓力代之，Pa；

t ——過濾時(shí)間，s；

μ——液體的黏度，Pa·s；

p——不可壓縮的濾餅的單位厚度之阻力，即比阻；

W——單位體積濾液所含的濾餅體積，m3/m3；

A——過濾面積，m2；

V0——自開始過濾到濾餅的阻力等于介質(zhì)的阻力時(shí)所獲得的濾液體積，稱為過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積，或稱為虛擬濾液體積，m3。

從以上可以判斷濾餅的厚度影響著過濾速率，假定濾餅的比阻不變，厚度增大，濾餅阻力增大，過濾速率減小，過濾能力就下降。

在過濾器中，2塊濾盤之間均有1個(gè)加料管，也有1個(gè)刮刀，刮刀的作用就是在濾盤上保持一定厚度的濾餅，并將濾盤上的多余催化劑淤漿刮去。刮刀距盤面的距離就是濾餅的厚度，相鄰濾盤的距離是100mm，刮刀的寬度是90mm,那么上下濾餅的厚度就是5mm，每次安裝刮刀后，在安裝鐘罩前，要詳細(xì)檢查刮刀的位置，是否合理分配間距。間距太大，濾餅太厚，過濾能力下降；刮刀與盤面的間距也不能太小，濾盤在工作時(shí)，上下盤面會(huì)附著一層濾餅，濾餅的重量會(huì)使濾盤發(fā)生輕微變形，向下?lián)锨?，如果間隙太小，就會(huì)刮傷濾盤，嚴(yán)重時(shí)，出現(xiàn)采出液不清，需要檢修。

4.催化劑顆粒粒度對過濾能力的影響

在過濾操作中，固體顆粒的形狀、尺寸及密度是體現(xiàn)顆粒性質(zhì)的三個(gè)要素，決定著顆粒能否被過濾介質(zhì)所截留，還決定著沉降速度和濾液的清潔度。如果粒徑小的催化劑顆粒太多，那么，濾餅的流道可能很快被堵塞，影響液體的流暢，導(dǎo)致過濾速率下降。催化劑顆粒經(jīng)過反應(yīng)器內(nèi)攪拌，螺桿輸送泵的輸送，形成濾餅，再回到反應(yīng)器中，不斷循環(huán)，它的粒度分布也會(huì)發(fā)生變化。因此，在工藝操作中，要定期取出一定量的催化劑，補(bǔ)充一定量新鮮催化劑，這不僅因?yàn)橐３执呋瘎┑幕钚苑€(wěn)定，也是保持催化劑粒度分布穩(wěn)定。

5.定期進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)提高過濾能力

在濾餅形成初期，過濾能力比較大，隨著時(shí)間的推移，過濾能力不斷衰減。這主要是因?yàn)榧?xì)小的催化劑顆粒進(jìn)入濾餅，有的顆粒直徑小于流道直徑，當(dāng)這些顆粒隨流體在濾餅和金屬燒結(jié)網(wǎng)內(nèi)的曲折孔道中穿過時(shí),便附著或者沉淀在其中，造成流道堵塞。當(dāng)采出量降到一定程度時(shí)，就要啟動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，通常設(shè)定高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為130r/min，利用離心力的作用，將附著在濾盤上的濾餅去除掉。同時(shí)，啟動(dòng)清洗裝置，對盤面進(jìn)行沖洗，沖洗水的壓力高達(dá)10MPa,利用沖洗水的沖擊力，把附著在盤面上的濾餅清洗掉，再利用離心力把它甩掉，得到一個(gè)清潔的盤面。

6.過濾時(shí)間對過濾能力的影響

在操作過程中，形成濾餅—采出清液—清洗和高速旋轉(zhuǎn)—形成濾餅，這是一個(gè)循環(huán)過程。在這個(gè)過程中，工藝操作安排應(yīng)盡量減少形成濾餅時(shí)間和清洗旋轉(zhuǎn)時(shí)間，相對延長采出時(shí)間。

7.濾盤質(zhì)量對過濾能力的影響

濾盤的骨架板必須平整，表面粗糙度要求比較高。金屬燒結(jié)網(wǎng)的厚度要均勻，要和骨架板自然地緊密貼合。盤箍在安裝時(shí)，要保證燒結(jié)網(wǎng)不要受到向軸心的推力，防止燒結(jié)網(wǎng)出現(xiàn)翹起或者鼓起。有些時(shí)候，新濾盤還比較平整，但使用一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)有翹起和鼓起現(xiàn)象，這都是濾盤制作工藝不當(dāng)，濾盤在過濾器中，受力是變化的，操作的溫度也有變化。因此，在濾盤制作安裝過程中，盡量減少它的殘存應(yīng)力，這樣要求的目的，就是要在濾盤上得到厚度均勻的濾餅，獲得更多的有效過濾面積。圓盤過濾器是濾餅過濾，但是，在建立濾餅的循環(huán)階段，就會(huì)有大量的催化劑顆粒通過燒結(jié)網(wǎng)的流道，即使在濾餅過濾階段，粒徑很小的顆粒也有可能通過濾餅流道進(jìn)入燒結(jié)網(wǎng)流道。這些顆粒會(huì)堵塞流道，或者附著在流道中，使流道變窄。也就是說，隨著使用時(shí)間的延長，濾盤的過濾能力也在下降，當(dāng)下降到一定程度時(shí)，就需要更換濾盤。

三、結(jié)語

通過上面的分析可以看出，適當(dāng)提高操作壓力，保持合適的濾餅厚度，保證過濾器的安裝制作質(zhì)量，特別是濾盤的質(zhì)量，此外，圓盤的轉(zhuǎn)速、內(nèi)部的攪拌機(jī)構(gòu)等都對過濾器過濾能力影響較大。合理安排工藝操作，就能提高過濾器的過濾能力。

[1]丁啟圣、王維一等.過濾技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

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1671-0711（2015）12-0063-03

（2015-11-25）