螺旋过滤机设计工艺计算

张 罡 岳阳市钾盐科学研究所 岳阳 414000 冯 磊 思钥新能源装备制造有限公司 靖江 214500

2018年,笔者在山东省承担了“农业硝酸钾连续过滤洗涤一体化技术研究开发与应用”科技攻关项目(山东省重点研发计划项目,项目编号2019QYTPY016)，成功研发了新型固液分离设备螺旋过滤机，它是在一个倾斜的U型过滤槽中,通过螺旋体旋转,将固液混和物沿U型过滤槽斜向上方输送过滤分离,过滤分离后滤饼物料由螺旋体输送排出。螺旋过滤机能实现固液混和物连续进料、连续过滤、连续出料操作,还可以进行连续洗涤，它与传统过滤机如板框过滤机、带式过滤机、转鼓过滤机、离心过滤机等相比较，具有结构简单、连续操作、脱水效果好、动力消耗低、设备投资省、维护简单、操作方便等优点[1][2]。由于不同物料过滤特性不一样，所以，螺旋过滤机应根据不同物料特性选择合理工艺参数进行设计。本文以硝酸钾晶体料液过滤为例，简要介绍螺旋过滤机工艺设计计算。

1 螺旋过滤机主要结构原理

螺旋过滤机基本构件有过滤槽、螺旋体、夹套、料液斗、减速机、传动装置，其结构示意图见图1。

过滤槽是U型状长槽结构，由上端侧板与下端半圆状或圆弧状滤网组成。过滤槽与夹套之间空间为滤液室，滤液室上部设置抽真空管外接真空泵系统，通过真空泵抽真空，使滤液室保持一定的真空度，在过滤槽过滤介质两侧产生推动力，以分离固液料浆。螺旋过滤机尾端上方设置料液斗，用于贮存一定量的料液，确保连续操作稳定性。螺旋过滤机安装时水平向上倾斜一定角度，通常与水平面夹角为5°～60°。

图1 螺旋过滤机结构示意图

螺旋过滤机工作原理是：固液混合料液加入料液斗中，在减速机驱动作用下，螺旋体旋转推动过滤槽中固液混和物斜向上方作螺旋移动，固液混和物在抽真空作用下，母液透过过滤槽底部滤网，进入滤液室，再经出口管排至下一工序，过滤槽过滤后的物料经螺旋体输送由排料口排出。

2 工艺条件[3]

(1)物料名称及特性：硝酸钾结晶料液，硝酸钾结晶固体质量分数为14.2%,温度为20-25℃；腐蚀性强。

(2)每小时需处理硝酸钾料液量为:75m3/h(101.678t/h)。

(3)每小时输送排出硝酸钾量：9236(t/h)。

(4)硝酸钾结晶料液堆积比重：实测值范围ρ=1.36-1.95(t/m3)。

(5)安装形式：向上水平倾斜角度a=25°,放置安装。

(6)主材料：S31603型不锈钢。

3 过滤面积计算

螺旋过滤机为恒压过滤，略去过滤介质阻力不计，硝酸钾滤饼可近似视为不可压缩滤饼,则螺旋过滤机过滤速率方程可表示为[4]:

(1)

(2)

式中，V为滤液体积，m3；μ为滤液黏度，Pa.s；r为单位压力差下滤饼的比阻，1/m2；e为单位体积滤液生成的滤饼体积，即过滤后生成的滤饼体积与生成的滤液体积比值(m3/m3)；Δp为滤饼两侧压力差，N/m3；F为过滤面积,m2；t为过滤时间，s。

在生产硝酸钾过程中所得的结晶硝酸钾料液中，其滤液粘度μ、滤饼滤液比值E、滤饼比阻r是可以通过实验测出来的。如果测得滤液的粘度μ、实验过程中过滤料液体积、所得滤饼与滤液体积、过滤时间，根据公式(1)即可推导得出滤饼比阻r。

根据试验与使用经验，过滤材料选用铣制筛网，其过滤名义精度200μm；实验测得生产现场滤饼滤液比值e=0.158，粘度μ=1.2×10-3Pa.s，滤饼比阻r=1.85×1010/m2，已知每小时需过滤处理料液体积V=75m3，过滤时间t=3600秒，设控制过滤压力△P=0.8×105Pa，按公式(2)可以计算出螺旋过滤机过滤面积F为：

4 过滤槽尺寸计算[5][6]

过滤槽是螺旋过滤机主要部件，过滤槽下部为半圆形，主要设置过滤元件。过滤槽要有足够的过滤面积，过滤槽尺寸主要根椐过滤面积确定。过滤槽不宜过长,防止过滤槽与螺旋轴长时间受载而产生弯曲现象，故选取过滤槽长度为L=6m。设过滤槽半圆内直径为D(m)，已知过滤面积要求F=5.85m2，则过滤槽半圆内直径D为:

(3)

过滤槽内半圆直径D圆整为0.63m。选取过滤槽下部半圆外径为φ650mm，厚为10mm，过滤槽上部侧板高度取500mm。

5 螺旋轴轴径计算[6]

为防止螺旋轴长时间受载而产生弯曲现象，必须保证螺旋轴足够的强度与刚度,螺旋轴越长,这就越需要加大螺旋轴轴径,空心螺旋轴的最大挠度关系式表示如下:

(4)

依照刚度条件，许用挠曲率Y/L(最大挠度与跨度之比)一般为0.0003～0.0008，取Y/L=0.0008代入(1)式，得到空心螺旋轴轴径和许用跨度关系式如下：

(5)

先假设空心螺旋轴为Φ159×8，螺旋叶片重量按管轴重量的100%确定，则计算得：a=0.8868，q≈593(N/m)，空心螺旋轴许用跨度为:

从以上计算可知,选择Φ159×8的空心螺旋轴时，空心螺旋轴许用跨度为6.28m,大于设计值6.0m，许用挠曲率控制在合理范围。实际上螺旋叶片焊接于空心螺旋轴时,对空心螺旋轴起较大加强作用,因此,空心螺旋轴Φ159×8完全可以满足刚度要求。

6 螺旋直径与螺距计算[7][8]

6.1 螺旋直径

因为螺旋轴的最大挠度为6000×0.0008=4.8mm，故U型过滤槽内璧与螺旋叶片间隙应大于4.8mm，以防产生磨损和异常响声；但间隙过大，与螺旋叶片形成滤饼过厚，影响过滤速率。故选择间隙为15mm，则螺旋叶片直径D0=600mm。

6.2 输送量

由于螺旋过滤机过滤输送过程中，溶液过滤后排出，实际输送量只能取进料量与排出料量平均值。每小时加入粗硝酸钾料液量为75m3/h(Q1=101678kg/h)，输送排出的湿粗硝酸钾量Q2=9.236(t/h)，故设计输送量为：

6.3 螺旋螺距

当输送流动性较差的物料或输送机倾斜布置时，S≤0.8D；当水平布置时,S=(08～1)D。根据螺旋输送机输送量关联式,选取合理的物料填充系数,可以按下式计算螺旋螺距:

(6)

式中，Q为平均输送量(t/h),55.457t/h；φ为填充系数,取0.34；ρ为物料堆积比重(t/m3),根据实验实测值近似取1.65t/m3；n为轴转速(rad/s),取23rad/min；S为螺距(m)；C为倾角修正系数；倾角为25°时C=0.85。

将上述数据代入(6)式，得到螺距S=0.3m。

7 螺旋轴转速计算[8]

一般说来，螺旋轴转速加快，输送量提高,过滤时间缩短,滤饼含水份高。另外，当转速超过一定的极限值时，物料还会因为离心力过大而向外抛，或者物料就会产生垂直于输送方向的跳跃翻滚,影响过滤与输送，所以还需要对转速进行一定的限定，不能超过某一极限值。

即:

(7)

考虑不同物料影响,则:

(8)

(9)

式中，K为物料的综合系数；nmax为螺旋的最大转速，即临界转速(r/min)；n为螺旋的实际转速(r/min)；D0为螺旋直径,0.6m；A为物料的综合特性系数，根据物料特性，取A=25。

将上述数据代入(9)式，得出螺旋临界转速nmax=29.24r/min，实际取螺旋轴转速n≈23(r/min)=0.38(r/s)。

8 功率计算[5][6][9]

螺旋过滤机电动机功率为：

(10)

式中，N为螺旋过滤机电动机功率，kW；H为螺旋过滤机提升高度(m),H=Lcosa=2.54m；L为螺旋过滤机长度(m),取6m；D0为螺旋直径,0.6米;λ为总阻力系数,近似取λ=4；ξ为表示电动机储备系数；一般取1.2-1.4，取ξ=1.4；η为表示电动机与皮带及轴承总传动效率，一般以0.6-0.85计算，取η=0.6。

将上述数据代入(10)式,得出电动机功率为9.78kW，实际电动机功率圆整取N=11kW。

9 结语

设计硝酸钾螺旋过滤机主要技术参数及选型汇总如下：过滤处理量为75m3/h，过滤面积为5.85m2，过滤槽壳体截面为U型，长度为6m，下部为半圆形Φ 650×10，螺旋叶片外径为600mm，螺距为300mm,螺旋轴为Φ 159×8,螺旋轴转速为23r/min,减速机电机功率为11kW。通过本文列举的计算方法，为大家在设计和选型中提供借鉴。