板框厢式隔膜压滤机
引言
板框式压滤机作为食品、化工企业常用的固液分离设备，以其构造简单、分离效率高而被广泛使用。钒制品厂在沉淀工序所使用的APV浓浆是生产三氧化二钒、五氧化二钒的重要原料，必须经过固液分离得到水分合乎要求的APV干粉。其物理特征是固体颗粒尺寸较小达到0．02 微米以下，液体含有害成分如钾、钠必须予以洗涤清除，液体具有一定黏度等等。压滤效果取决于多方面因素，比如压缩空气压力、滤布特性、压滤工艺等。由于备件价格昂贵且组织困难，又无任何图纸资料，随着生产能力的不断扩大，越来越不适应生产需要，故障频繁，一旦发生故障对整个生产线的影响巨大。又考虑到生产规模的不断扩大，拟增设备机两台，而进口整机价格高达180万元／台，是国产整机价格的3．6倍，所以有必要先期对其进行国产化，成熟后可在扩容增设备机时直接使用国产压滤机，可大大减少投资。因此，有必要对进口压滤机进行国产化转化．摸索合理的国产化设计制造、生产工艺优化方案。由于现场位置有限，无法安装专用进料管道系统，新增的压滤机拟与原有进口板框压滤机共用一套进料系统，包括进料泵、进料管道阀门以及出液罐、压缩空气管道等。
板框压滤机概
压滤原理压滤机构由多块带凸凹纹路的滤板和滤框交替排列于机架而构成。板和框一般制成方形，其角端均开有圆孔，这样板、框装合，压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动的通道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆和滤饼的空间。悬浮液从框上角的通道(位于框内)进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的左下角旋塞排出。待框内充满滤饼，即停止过滤。如果滤饼需要洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板上角的通道(位于框内)进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。滤液的排出方式有明流和暗流之分，若滤液经由每块板底部旋塞直接排出，则称为明流；若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板流出的滤液汇集于总管后送走，称为暗流。本文所述滤液的排出方式即为暗流方式。
滤布位于隔膜板和滤板之间，在两层滤布通入需压滤的浓浆后利用滤布的过滤特性实现固液分离。滤布的选择对过滤效果很重要。一般可按物料的特性，即酸碱度、温度、颗粒理化性质等因素来选择滤布的性质和织法。最好能通过小样试验的结果来进行选择。常用滤布材质的特性表如表1所示。压滤过程原理如图3所示。
板框压滤机的特点
优点结构简单：造价低；过滤面积大；辅助设备少：动力消耗低。
缺点由于是间歇操作，因此效率较低。同时，如果无专用的供气设备，则压缩空气的压力不易保证，从而影响压滤过程的出水效果。此外，由于使用板框压滤机进行固液分离的混合物一般都具有较强的黏性，因此压滤结束后滤布总会有滤饼残留，不易清洗。
改进型板框压滤机结构功能
特性和用途经过慎重选型，采用自动厢式压滤机作为改进型。该机型是间隙操作的加压过滤设备，应用于固液两相的分离。
压滤机工作循环压滤机工作循环可见。正吹风是指在滤布与隔膜板之间通入压缩空气，通过隔膜板的变形挤压滤饼，反吹风是指在滤布与滤饼之间通入压缩空气，可以达到简单清洗滤布、加速滤液通过滤布的效果。交叉洗涤是指通过滤板左上角进水、右下角出水，滤板右上角进水、左下角出水的洗涤方式，更加彻底地进行滤饼洗涤，适用于对钾、钠成分控制要求较高的场合。
改进型压滤机试车调试、改进
方案制定经过仔细分析，以进口设备的常规操作步骤为依据，结合现场工人实际操作经验，制定了详细的压滤机工作步骤方案，以及压榨过程中出水口进气口设置方案。方案组合含水量为最低，虽仍未能达到20％的指标，但证明在保持整机结构和管线的前提下，合理设置压榨和反吹时间以及交替次数是提高工作效率的主要途径。据此进行的对整机结构和管线的改进后调试，也应按照这一思路进行。根据现场操作经验和观察出液量的大小，在进行一次反吹出液后不立即进行下次压榨，而是再进行一次反吹出液操作时，初期仍有大量滤液排出，由此判断，滤室内排出的滤液仍有一大部分停留在胶板表面与滤布之间，由于小颗粒通道阻塞、吹扫力度不足、系统内压保持的原因，不能因重力和吹扫排向出液孔，吹扫停止后又迅速回渗至滤饼，如此反复，滤饼内水分始终不能排尽，造成含水量不能达标。
改进型主要设计缺陷分析通过9次带料实验，结合现场分析和工人经验依据，排除压缩空气压力不足，APV浓浆黏度波动造成进料不足、滤饼过薄等外部因素，证明改进型存在较为严重的缺陷，是导致含水量无法达标的直接原因，缺陷主要集中在以下几个方面：
1.滤板凸台数量及位置从滤板结构可知，原设计滤板有均布的八个凸台，主要作用是在机构压紧时对滤板提供受力支撑点，避免滤板在重压下变形。由于其数景太多，位置过于均匀，导致隔膜板和滤布在滤室内的变形程度受到极大限制，对滤饼的挤压不充分，滤液压出量因此降低，滤饼含水量居高不下。
2.隔膜板小颗粒通道阻塞根据压榨过程中出水量很少、反吹风过程初期出水量较大的现象判断，由于小颗粒受压后变形较大，颗粒高度被压迫，其间的滤液通道被阻塞，导致压榨过程中滤液穿过滤布后仍大量滞留在隔膜板小颗粒通道中，没有汇集到滤板下方的暗流出水孔，出水量较小。反吹风时，由于通入的压缩空气使滤饼离开小颗粒表面，小颗粒通道得以恢复通畅，因此初期会大量出水，但大部分的滤液仍被滤饼回吸。如此反复，虽调整各动作时间和出水口设置，水分仍不能被有效滤出。因此，使用具有一定弹性的丁腈橡胶材质制作的隔膜板及其表面的小颗粒，虽然能够在受到背面压力时能发生有效的弹性变形，达到对滤饼进行挤压的目的，但也因其弹性变形，造成小颗粒高度被压缩，通道阻塞，滤液滤出后随压力减小或消失又被回吸。
3.出液孔尺寸判断滤板、压缩板下角的出液孔明显偏小，直观表现为延长反吹时间后出液仍持续不断，除上一条原因所致外，证明出液管路内的大量滤液未能及时排出，如单纯延长出液时间，则造成系统内压损失，同时也延长了系统操作时间，不利于经济高效运行。
4.进料管道积料拉开板框后，发现各板中心进料口部位积料严重，原因是浓浆进入滤室开始洗涤程序后，由于重力作用流向进料口并造成积料。积料对于整机滤饼含水量的影响是比较大的，因为在压榨和吹风过程中，含水量约为65％的积料几乎没有受到积压和吹干，在卸料后含水均混入滤饼中，造成滤饼整体含水量居高不下。综上所述，整机在设计方面存在较大缺陷，没有充分考虑到水分含量20％以下对常规设计思路改进的要求，需要做较大的改动，才能从硬件上保证整机性能。
试探性改进
针对原设计存在的上述四个方面的缺陷，利用现有条件和经验，对其进行了如下改进：
1.滤板凸台手工铲除第1、第11、第22块滤板，第2、第12、第23块压缩板上共24个凸台，保证此处胶板及滤布的变形程度。试车后此三块滤饼的水分含量平均值为23．88％，中间处滤饼含水量更是达到了21．5％的水平。结果证明，凸台数量及分布在极大程度上影响了整机压榨和出水能力，但在滤板、压缩板现有材质性能的前提下，全部铲除一半的凸台势必影响整机压紧后的受力，会对整机安全运行造成直接威胁。因此，必须对滤板、压缩板进行重新设计，采用强度指标更高的材料进行设计制造，才能从根本上满足结构需要。
]2 .出液孔尺寸针对滤板、压缩板下角的出液孔偏小的缺陷，选取第3、第13、第21块滤板，第4、第14、第22块压缩板下角的出液孔进行了手工扩孔。试车结果此三处滤饼的含水量平均值达到了22．45％，且卸料后滤布表面的干燥情况明显好于其它位置。结果证明扩大出液孔尺寸，对加速滤液排出具有良好的效果，但不宜超过中50衄，否则会对内压造成巨大损失。考虑到滤板、压缩板被身材质强度的因素，再由于滤板、压缩板下角剩余尺寸不足，因此没有进一步大面积地扩孔。
3 .框内布料器针对进料管道积料的缺陷，设计制作了PVC材质的框内布料器，通过螺纹连接安装在进料口上(见图6所示)，取得了一定的效果，但缩小了进料口尺寸，且缺口方向不一，极易造成进料时喷料，和浓浆分布不均，不利于整机性能的发挥，因此需重新在板框上设计螺栓孔以均匀一致地安装框内布料器。
4.压力测量及控制进口机在进风口、主推板内侧均装有压力传感器，随时将内压参数传回PLC，并联锁主推油缸进行补压，实现了动态的压力补偿，从而能实现整机的高效运行，避免不必要的压力损失和操作时间损失。而国产机只是在主推油缸出口设有一块压力表，且未与主推油泵联锁，不能自动进行推力补压，内压损失较大，影响了整机效率。此外，在洗涤操作时，进口机能实现洗涤液排出的同时反复挤压滤饼，进行压榨之前的预压紧，保证了滤饼厚度。而国产机由于PLC设计控制点不足，无法实现这一动作，浓浆一次打入滤室后不再有再充满的机会，滤饼厚度受制于浓浆来料黏度的程度较大，含水量波动较为剧烈。
5.框内布料器进口机的中间进料口设计了框内布料器，且用内六角螺栓固定在滤板、压缩板上，布料方向一致，安装方便快捷，有效地实现了浓浆流下时绕开进料口从而避免了积料现象，既保证了滤饼整体含水量，也大大减轻了工人清理积料的劳动强度。更为重要的是，框内布料器凸台起到了加强滤板、压缩板强度的作用，中心支承所产生的受力点分担了板上凸台的受力，使得板上凸台数量减少成为可能，进而改善了隔膜板与滤布的鼓胀程度，提高了压榨效率。
6. 材质选用国产机隔膜板上附着的小颗粒是为橡胶材质，硬度不足，当隔膜板受压后鼓胀时，其与滤饼之间巨大的压力使得小颗粒变形，颗粒之间形成的通道即不复存在，滤液渗过滤布后无法通过此通道完全排出，当受压停止时又迅速回渗至滤饼，也是造成滤饼含水量高的重要原因。相比之下，进口机隔膜板上小颗粒突起材质为硬质工程塑料，内压2．5MPa时仍能保持原有突起状态，保证了滤液排出通道的通畅，避免了滤液回渗，压滤效率得到保障。此外，进口机大部分构件材质为不锈钢，在高温、强酸环境下使用寿命得到了保证，而国产机过于追求造价节省，选用的构件材质大部分为普通碳钢，经过一段时间的运行后锈蚀加剧，在缩短使用寿命的同时又增加了更换构件后重新调整的难度，实属得不偿失．
总体改进实施
根据上述试探性改进的实施效果，制定了全面改进方案，联系设备制造厂家对原型机设计进行了相应的改进，重新设计并制作了压缩板、过滤板和隔膜板，着重对隔膜板进行了材质改进，其表面小颗粒突起采用了硬质工程塑料成型、覆盖于橡胶质地隔膜板之上的新工艺，既保证了隔膜板变形的有效性，又保证了小颗粒突起的强度，从根本上解决了滤液回吸问题。此外，对影响过滤效果的其它问题也都一并做了改进：a．重新设计制造滤板、压缩板，使滤板中部凸台数目和位置更为合理；
b．改造控制系统相关线路，使进料、洗涤、反吹风三个步骤与旧板框相分离，提高两套设备的综合生产效率；
c．增加框内布料器，避免进料管道积料：
d．增加滤板下部出液孔数量，并增大出液孔尺寸一倍以上(由现有的由10衄达到由40mm)，加快出液速度；
e．主推油缸增加压力测量点，在系统内压损失后自动补压，保持恒定的内压水平；
f．采用高硬度工程塑料替代橡胶制作隔膜板表面小突起颗粒，保证其滤液排出通道的畅通，避免滤液回渗。由实验结果可知，改进后的压滤机压滤效果十分理想，达到了20％-25％的水分要求，改进思路和方案取得了明显的效果。但由于国内对于高硬度工程塑料小颗粒成型技术尚不成熟，因此改进后的隔膜板仍为国外进口。
结论
通过前后数次、历时两年的实验改进，80％以上的改进型板框压滤机现已投入正常运行。通过实验改进过程，可以得出以下结论。
1 .国产大型板框压滤机在改进主要功能部件材质的基础上，能够胜任滤饼水分含量要求在20％左右的固液分离工作：
2.实验证明，保持隔膜板暗流通道的畅通，是保证压滤效果的关键因素。对于过滤面积≥100 mz、过滤压力≥1 MPa的大型压滤机来说，为确保隔膜板暗流通道的畅通，隔膜板及其所附着的小颗粒突起结构必须分别采用橡胶和工程塑料制作成型：
3.实验证明，机架左下出水口开、右下出水口关闭、压板右侧面及上部进气口进气的各介质管道设置方法，结合进料、洗涤各持续10分钟、压榨15分钟一反吹风5分钟交替8次左右的运行方案，能够取得理想的过滤效果；
]4.钒专业化大型板框压滤机的研制，应充分关注于诸如布料均匀、隔膜板变形程度、滤液通道等关键因素，同时应借鉴国外同类设备在内压监测及补偿等因素的成熟技术。
