introductory

diaphragm filter press的核心構(gòu)件過濾板組由一組兩側(cè)內(nèi)凹的普通濾板與一組兩側(cè)附有隔膜的隔膜板交替組合而成。濾板的凹槽部分與隔膜板結(jié)合形成濾室。濾室附有濾布，污泥二相流在進(jìn)料泵壓力作用下，通過濾布達(dá)到固液二相分離的目的。由于其耐高壓，密封性好，卸料方便，濾餅含水率低，diaphragm filter press廣泛應(yīng)用于冶金、化工、煤炭和污泥處理等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)污泥處理廠對(duì)隔膜壓濾機(jī)各工作流程時(shí)間設(shè)定主要憑借經(jīng)驗(yàn)，具有粗放性和隨意性的弊病，導(dǎo)致壓濾機(jī)工作周期長(zhǎng)、效率低。而國(guó)內(nèi)外對(duì)于隔膜壓濾機(jī)污泥脫水性能的理論研究大多局限于依據(jù)達(dá)西定理，對(duì)進(jìn)料壓濾階段的過濾特性規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，但對(duì)過濾特性變化復(fù)雜的鼓膜壓榨階段研究較少。對(duì)過濾過程中濾餅比阻的測(cè)量方法以及對(duì)濾餅恒壓過濾的影響因素進(jìn)行了研究，但該方法并不適用于隔膜壓濾機(jī)的鼓膜壓榨階段；通過對(duì)不同鼓膜壓榨起始點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，表明不同起始?jí)赫c(diǎn)對(duì)過濾有較大影響，但該方法基于大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律，并未建立鼓膜壓榨階段濾液量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，沒有提出一種理論計(jì)算方法；對(duì)固定濾室的板框壓濾機(jī)進(jìn)行了過濾研究，濾液量與時(shí)間的斜率起初增大，隨后相應(yīng)的斜坡壓力和濾室阻力增大，最后濾餅壓力恒定，形成濾餅。該研究也未涉及隔膜壓濾機(jī)的鼓膜壓榨階段。為此，本文作者利用Fluent軟件模擬壓濾機(jī)壓濾階段，依據(jù)所得結(jié)果，通過數(shù)學(xué)擬合的方法建立壓濾機(jī)各個(gè)工作過程的數(shù)學(xué)模型。提出“虛擬濾液量法”，描述過濾變化較復(fù)雜的鼓膜階段濾液量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間、提高壓濾機(jī)工作效率的目的。

1隔膜壓濾機(jī)工作流程及原理隔膜壓濾機(jī)工作周期分為進(jìn)料階段、壓濾階段、鼓膜階段、反吹階段、卸料階段以及為下一次工作周期進(jìn)行清洗濾布、壓緊濾板等工作的準(zhǔn)備階段。隔膜壓濾機(jī)工作周期時(shí)間軸如圖1所示。反吹、卸料和準(zhǔn)備階段時(shí)間一定，為方便計(jì)算將其整合，稱為T0。進(jìn)料階段時(shí)間T1從污泥泵送至壓濾機(jī)開始，至充滿整個(gè)濾室為止，該階段時(shí)間也為定值。壓濾階段時(shí)間T2從0點(diǎn)開始，至t2停止，以額定壓力P2繼續(xù)入料，并壓濾污泥。鼓膜階段時(shí)間T3，壓濾機(jī)停止進(jìn)料，隔膜板兩側(cè)隔膜以額定壓力p3(p3＞p2)注入水或空氣使隔膜腔膨脹，壓縮濾室內(nèi)泥餅體積，使泥餅進(jìn)一步過濾，至t3結(jié)束。由于壓濾階段和鼓膜階段的過濾速度隨著時(shí)間的增加而逐漸降低，壓濾機(jī)工作后期處理污泥的效率也開始下降。因此，可以通過優(yōu)化壓濾時(shí)間T2和鼓膜時(shí)間T3，提高隔膜壓濾機(jī)的工作效率。

2基于Fluent仿真壓濾機(jī)工作過程本次仿真的目的是通過模擬壓濾機(jī)壓濾過程，記錄各時(shí)間點(diǎn)的濾液量，找到壓濾階段濾液量與時(shí)間的變化關(guān)系、比過濾速度與時(shí)間的變化關(guān)系以及過濾壓力與污泥極限過濾量的變化關(guān)系，從而為預(yù)測(cè)壓濾機(jī)其他 工作階段的數(shù)學(xué)模型提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.1濾室模型的建立Fluent前處理采用Gambit軟件，建立壓濾機(jī)單個(gè)濾室的幾何模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算方法選取“標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型”，離散格式選用“QUICK”，壓力插值方法選用“PRESTO！”，壓力—速度耦合方法采用“PISO”。其主要參數(shù)如下：濾室直徑為300 mm；固相顆粒直徑為0.01 mm；濾室厚度為10 mm；額定過濾壓力為0.2~3.0 MPa；固相密度為1 051 kg/m3；過濾時(shí)間為30 min；孔隙率為20%；二相流含水率為95%；慣性阻力系數(shù)為3.5×107；黏度阻力系數(shù)為1.2×1015；動(dòng)力黏度為0.02 Pa?s。

2.2仿真結(jié)果在0.2~1.4 MPa過濾壓力條件下，4組濾液總量V與時(shí)間t的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出：濾液總量隨時(shí)間逐漸增大，并趨近于某一極限值；壓力越大，濾液速度越快，最終的極限過濾量也越大。

3基于仿真結(jié)果計(jì)算方法通過仿真記錄污泥濾液總量V(t)與時(shí)間t的變化曲線以及比過濾速度q與時(shí)間t的變化曲線，擬合計(jì)算得到V-t函數(shù)表達(dá)式。

3.1.1進(jìn)料階段在進(jìn)料階段，過濾量近似為0 L。污泥以一定流量進(jìn)料最終達(dá)到M1，即為濾室體積。

3.1.2、在壓濾階段，濾液總量V2隨時(shí)間t不斷上升。由其導(dǎo)數(shù)(圖4)可知：首先會(huì)有短期上升，然后逐漸降低，并最終趨近于0 L。因此，指數(shù)形式比較符合濾液總量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以通過最小二乘法擬合壓濾階段的V(t)-t曲線。

3.1.3鼓膜階段假設(shè)以鼓膜階段壓力p3繼續(xù)進(jìn)料壓濾，其極限濾液量a3=ka2(其中，k為鼓膜極限濾液量與壓濾極限濾液量比例系數(shù))。但是鼓膜階段停止進(jìn)料，隔膜板以一定壓力對(duì)泥餅壓縮，通過減小濾室體積達(dá)到過濾目的，極限濾液量必然小于a3，故a3并不是鼓膜階段的極限濾液量。本文稱a3為鼓膜階段虛擬極限濾液量，V3’為鼓膜階段虛擬濾液量，其值只是數(shù)學(xué)意義上的假設(shè)，并不是真實(shí)的濾液量.

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鼓膜階段隔膜的膨脹形變量并不是任意大，若泥餅沒有達(dá)到一定厚度，則隔膜板的壓力不能充分作用在泥餅上，這就限制了該方法計(jì)算最佳壓濾時(shí)間的適用范圍。基于上述問題，應(yīng)根據(jù)實(shí)際中隔膜壓濾機(jī)隔膜板的隔膜膨脹性能，設(shè)定最小進(jìn)料量Mmin。當(dāng)理論計(jì)算的壓濾時(shí)間T2對(duì)應(yīng)的進(jìn)料總量M＞Mmin時(shí)，通過上述方法所計(jì)算的T2即為最佳壓濾時(shí)間，T3即為最佳鼓膜時(shí)間。當(dāng)理論計(jì)算的壓濾時(shí)間T2對(duì)應(yīng)的進(jìn)料總量M＜Mmin時(shí)，達(dá)到Mmin的時(shí)間T2′即為最佳壓濾時(shí)間。

4 污泥處理廠壓濾機(jī)工作周期優(yōu)化4.1壓濾機(jī)工作參數(shù)某污泥處理廠日處理含水率為95%的污泥500 m3，設(shè)計(jì)采用4臺(tái)XAGZ200/1250-30u型號(hào)隔膜壓濾機(jī)同時(shí)24 h工作，實(shí)際不能完成工作任務(wù)。目前，該廠壓濾機(jī)工作周期T=210 min。其中準(zhǔn)備時(shí)間為20 min，進(jìn)料時(shí)間為10 min，壓濾時(shí)間為120 min，鼓膜時(shí)間為30 min，反吹時(shí)間為10 min，卸料時(shí)間為20 min。XAGZ200/1250-30u隔膜壓濾機(jī)參數(shù)如下：面積為200 m2；濾室數(shù)為80個(gè)；濾板外徑為1 250 mm× 1 250 mm；濾室厚度為30 mm；中心進(jìn)料，額定過濾壓力為0.8 MPa，額定壓榨壓力為1.6 MPa。記錄壓濾機(jī)工作過程濾液量，如表。

按照原壓濾機(jī)工作流程時(shí)間設(shè)定，每臺(tái)壓濾機(jī)每天可工作6個(gè)周期，4臺(tái)壓濾機(jī)每天處理量約416.64 m3，不能完成當(dāng)日生產(chǎn)任務(wù)。優(yōu)化后壓濾機(jī)工作周期約2 h，每日作業(yè)12個(gè)周期，日產(chǎn)能力可達(dá)613.44 m3。該廠按本文提出的周期實(shí)際作業(yè)，在完成任務(wù)的同時(shí)，輪流讓其中1臺(tái)機(jī)休息待機(jī)，不但滿足污泥處理廠的產(chǎn)量要求，而且可以使壓濾機(jī)得到更多的停歇和檢修時(shí)間，有利于延長(zhǎng)壓濾機(jī)的使用壽命。

5 結(jié)論

基于Fluent模擬得到壓濾機(jī)壓濾階段不同壓力下濾液總量V與時(shí)間t的關(guān)系，運(yùn)用最小二乘法擬合該曲線的函數(shù)表達(dá)式，得到濾液總量與壓力的變化關(guān)系。提出了鼓膜階段虛擬濾液總量V3′的概念，即假設(shè)以鼓膜壓力p3繼續(xù)進(jìn)料，不改變?yōu)V室容積條件下的濾液總量。以此推導(dǎo)得到鼓膜階段實(shí)際濾液總量V3隨時(shí)間t變化的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到壓濾機(jī)工作效率u與壓濾時(shí)間t2的數(shù)學(xué)關(guān)系式。對(duì)某污泥處理廠隔膜壓濾機(jī)各工作階段時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其污泥處理效率提高37.7%。

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