introductory

diaphragm filter press的核心構件過濾板組由一組兩側內(nèi)凹的普通濾板與一組兩側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合形成濾室。濾室附有濾布，污泥二相流在進料泵壓力作用下，通過濾布達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廣泛應用于冶金、化工、煤炭和污泥處理等領域。目前，國內(nèi)污泥處理廠對隔膜壓濾機各工作流程時間設定主要憑借經(jīng)驗，具有粗放性和隨意性的弊病，導致壓濾機工作周期長、效率低。而國內(nèi)外對于隔膜壓濾機污泥脫水性能的理論研究大多局限于依據(jù)達西定理，對進料壓濾階段的過濾特性規(guī)律建立數(shù)學模型，但對過濾特性變化復雜的鼓膜壓榨階段研究較少。對過濾過程中濾餅比阻的測量方法以及對濾餅恒壓過濾的影響因素進行了研究，但該方法并不適用于隔膜壓濾機的鼓膜壓榨階段；通過對不同鼓膜壓榨起始點進行試驗，表明不同起始壓榨點對過濾有較大影響，但該方法基于大量實驗總結規(guī)律，并未建立鼓膜壓榨階段濾液量隨時間變化的數(shù)學模型，沒有提出一種理論計算方法；對固定濾室的板框壓濾機進行了過濾研究，濾液量與時間的斜率起初增大，隨后相應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的鼓膜壓榨階段。為此，本文作者利用Fluent軟件模擬壓濾機壓濾階段，依據(jù)所得結果，通過數(shù)學擬合的方法建立壓濾機各個工作過程的數(shù)學模型。提出“虛擬濾液量法”，描述過濾變化較復雜的鼓膜階段濾液量隨時間變化的數(shù)學模型，進而達到優(yōu)化隔膜壓濾機各工作階段時間、提高壓濾機工作效率的目的。

1隔膜壓濾機工作流程及原理隔膜壓濾機工作周期分為進料階段、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行清洗濾布、壓緊濾板等工作的準備階段。隔膜壓濾機工作周期時間軸如圖1所示。反吹、卸料和準備階段時間一定，為方便計算將其整合，稱為T0。進料階段時間T1從污泥泵送至壓濾機開始，至充滿整個濾室為止，該階段時間也為定值。壓濾階段時間T2從0點開始，至t2停止，以額定壓力P2繼續(xù)入料，并壓濾污泥。鼓膜階段時間T3，壓濾機停止進料，隔膜板兩側隔膜以額定壓力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，使泥餅進一步過濾，至t3結束。由于壓濾階段和鼓膜階段的過濾速度隨著時間的增加而逐漸降低，壓濾機工作后期處理污泥的效率也開始下降。因此，可以通過優(yōu)化壓濾時間T2和鼓膜時間T3，提高隔膜壓濾機的工作效率。

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

2.1濾室模型的建立Fluent前處理采用Gambit軟件，建立壓濾機單個濾室的幾何模型，并對其進行網(wǎng)格劃分。計算方法選取“標準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；動力黏度為0.02 Pa?s。

2.2仿真結果在0.2~1.4 MPa過濾壓力條件下，4組濾液總量V與時間t的關系如圖2所示。從圖2可以看出：濾液總量隨時間逐漸增大，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基于仿真結果計算方法通過仿真記錄污泥濾液總量V(t)與時間t的變化曲線以及比過濾速度q與時間t的變化曲線，擬合計算得到V-t函數(shù)表達式。

3.1.1進料階段在進料階段，過濾量近似為0 L。污泥以一定流量進料最終達到M1，即為濾室體積。

3.1.2、在壓濾階段，濾液總量V2隨時間t不斷上升。由其導數(shù)(圖4)可知：首先會有短期上升，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鼓膜階段假設以鼓膜階段壓力p3繼續(xù)進料壓濾，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料，隔膜板以一定壓力對泥餅壓縮，通過減小濾室體積達到過濾目的，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)學意義上的假設，并不是真實的濾液量.

在實際生產(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算最佳壓濾時間的適用范圍。基于上述問題，應根據(jù)實際中隔膜壓濾機隔膜板的隔膜膨脹性能，設定最小進料量Mmin。當理論計算的壓濾時間T2對應的進料總量M＞Mmin時，通過上述方法所計算的T2即為最佳壓濾時間，T3即為最佳鼓膜時間。當理論計算的壓濾時間T2對應的進料總量M＜Mmin時，達到Mmin的時間T2′即為最佳壓濾時間。

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

按照原壓濾機工作流程時間設定，每臺壓濾機每天可工作6個周期，4臺壓濾機每天處理量約416.64 m3，不能完成當日生產(chǎn)任務。優(yōu)化后壓濾機工作周期約2 h，每日作業(yè)12個周期，日產(chǎn)能力可達613.44 m3。該廠按本文提出的周期實際作業(yè)，在完成任務的同時，輪流讓其中1臺機休息待機，不但滿足污泥處理廠的產(chǎn)量要求，而且可以使壓濾機得到更多的停歇和檢修時間，有利于延長壓濾機的使用壽命。

5 結論

基于Fluent模擬得到壓濾機壓濾階段不同壓力下濾液總量V與時間t的關系，運用最小二乘法擬合該曲線的函數(shù)表達式，得到濾液總量與壓力的變化關系。提出了鼓膜階段虛擬濾液總量V3′的概念，即假設以鼓膜壓力p3繼續(xù)進料，不改變?yōu)V室容積條件下的濾液總量。以此推導得到鼓膜階段實際濾液總量V3隨時間t變化的數(shù)學關系式，并得到壓濾機工作效率u與壓濾時間t2的數(shù)學關系式。對某污泥處理廠隔膜壓濾機各工作階段時間進行優(yōu)化計算，其污泥處理效率提高37.7%。

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