全自动自清洗过滤器过滤机理分析及控制系统研究

浙江大学

硕士学位论文

全自动自清洗过滤器过滤机理分析及控制系统研究

姓名：文棋

申请学位级别：硕士

专业：化工过程机械

指导教师：郑传祥

20040201

摘要

随着水资源的匮乏和水污染的同益严重，废水的过滤与分离能很好的解决废水的处理与重复利用的问题，实现良好的经济效益和社会效益。但传统的过滤分离设备占地空问大，连续生产能力低，自动化程度不高，造成人，Ｊ物力财力的巨大浪费。本文以白行开发的１２０ｍ３／ｈ处理量全自动白清洗过滤器为基础，提出了全自动白清洗过滤器的各操作参数的设计思想和方法，并建立了过滤过程叶１过滤器的压降模型，借此确定控制系统的控制参数。其主要工作内容如下：研制没计了一台处理量为１２０ｍ３／ｈ、工作压力为０．６Ｍｐａ的全自动自清洗过滤器，并与杭州化工机械厂合作生产样机一台。在设计过程中，提出了过滤器的过滤／ｉ件、水力、简体等关键部件设计方法。

以过滤的经典公式一达西定律作为计算基石｝Ｊ｜，分别建立了全自动自清洗过滤器运行中在过滤介质和过滤所形成的滤饼处的压降模型，并对计算模型中的两个火键影响因素透过度Ｋ和孔隙度占的产生机理进行了分析，总结了通用的计算方法，并适用于系列全自动白清洗过滤器之Ｌ｝】。

在分析了过滤器自动控制任务、控制流程、控制方式、控制功能之后，根据对过滤压降模型的计算，选用适合的ＰＬＣ控制主机，完成对过滤器启动、运行、Ａ清洗、停机的控制系统设计，作出控制梯形图，编写控制语言。

本论文的丰要创新点为：命自动自清洗过滤器区别于以往其他过滤设备在

于它完全靠过滤的料液压力提供自清洗动力，在运行过程中无须停运以清洗过滤元件，整机体积较小，精度可调节，适合丁各类ｑ２彬ｋ－产。本文给出了这种过滤器的整体设计方法以及设计图纸，并对过滤器内部过滤机理进行分析，讨论了几个过滤参数，建立过滤器压降模型，并应用丁二过滤器控制系统设计之中。

关键词：过滤器；门清洗；全自动；压降模型；控制系统

浙江人学颂十’≯位论文

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ａｓｓｈｏｒｔｏｆｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｌｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎａｎｄｓｅｐａｒａｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｔｈｅｂｅｓｔｗａｙｔｏｓｅｔｔｌｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｒｅｕｓｅｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｌｅｃｏｎｏｍｙｂｅｎｅｆｉｔａｎｄｓｏｃｉａｌｂｅｎｅｆｉｔ．Ｂｕｔｔｈｅｒｅａｒｅｓｅｖｅｒａｌｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｔｈｅｓｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｉｌｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｇｒｅａｔｖｏｌｕｍｅ、ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ、ｌａｃｋｏｆａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、ｇｒｅａｔｗａｓｔｅｏｆｍａｎｐｏｗｅｒ、ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ、ｆｉｎａｎｃｉａｌ．Ｂａｓｅｄｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇｆｉｌｔｅｒＯｉｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｃａｌｅ（１２０１１３．３／ｈ），ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｌｉｎｅｄｍｏｄｅｌｏｆｆｉｌｔｅｒｉＳｏｂｔａｉｎｅｄａｓｗｅｌｌ．ｔｈｅｎｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓ：

Ａｆｉｌｔｅｒｏｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｓｃａｌｅ（１２０ｍ’／ｈ）ａｎｄｗｏｒｋｐｒｅｓｓｕｒｅ（０．６Ｍｐａ）ｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔｈＨａｎｇｚｈｏｕＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＦａｃｔｏｒｙ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓａｂｏｕｔｓｏｍｅｋｅｙａｓｓｅｍｂｌｉｅｓｓｕｃｈａｓｆｉｌｔｒａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔ、ｐｏｗｅｒｏｆｗａｔｅｒ、ｃａｎｉｓｔｅｒｈａｖｅｂｅｅｎｓｈｏｗｎ．

Ｂａｓｅｏｎｃｌａｓｓｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａａｂｏｕｔｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ－?－－－?Ｄａｒｃｙ，ｍｏｄｅｌｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｌｉｎｅｄ

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ｐａｐｅｒ，ａｓｕｉｔｏｆｄｒａｗｉｎｇａｎｄｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｓｕｃｈｆｉｌｔｅｒｈａｓｂｅｅｎｇｉｖｅｎ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｕｒｉｎｇｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｉｌｔｅｒｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄａｎｄ

ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｌｉｎｅｄｍｏｄｅｌｓｏｆｆｉｌｔｅｒａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｆｉｌｔｅｒ；ｓｅｌｇｃｌｅａｎｉｎｇ；ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｃｌｉｎｅｄｍｏｄｅｌ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

浙江人学硕十学位论文

第一章绪论

１．１项目研究意义

水资源是不可替代的自然资源，水污染已成为当今世界各国共同关心的重人环境问题之一。人类社会发展到今天，环境、经济与资源利用应视为整体，其发展要协调，不可偏斜，否则将受到惩罚。长期以来被称为“取之不尽，用之不竭”的水已成为历史。水足人类活动不可缺少的自然资源，且是维持生态平衡最基本的要素之一?，冈此水资源对人类社会的作用是举足轻重的。我国水资源分布不均衡，且污染比较严重，如何科学合理、有效地利用水资源是摆在环境科技工作者面前的重大课题之一。

在水资源日益匮乏、水污染又异常严重的今天，废水综合治理成为当务之急。用处理后的废水代替新水，最大程度减少新水用量，可以缓解水资源的紧张状况，另外电?叮以最大限度的减少外排水量，把废水对环境的污染减少至最小程度，废水的过滤与分离后再利用能很好的解决这些方面的问题。但是，我圈过滤与分离机械的技术落后，不论是大型化、高参数新产品的丌发，节能型、多功能设备的研制，还是传统设备的机械化、自动化、智能化水平的提高与完善等方面，都与世界存在着十分明显的差距１９】。

在冶金、钢铁行业中，过滤器广泛应用于各种润滑、冷却、生产系统巾空气、水、乳化液等等的过滤，目前很多企业使用的仍然是传统的单向流通过滤器，这种过滤器在过滤持续过程中，液体内的固相杂质被过滤元件截留在表面，逐步沉积，导致过滤元件两端压力差增大，过滤的效率随之下降。这类传统的过滤器有以下几个缺点：

１）传统的过滤方法，如果要达到某一个精度要求，往往是一个庞大的“工程”组合，其投资巨大；

２）传统的过滤方式管理卜分繁琐，人员的配备较多；

３）传统的过滤方式在其过滤滤芯堵塞后必须拆掉滤芯进行清洗或者更换新滤芯，造成整个系统停机、停产。这样既浪费人力又影响后续工作的正常进行，不能满足工业生产连续性的要求，而且排污困难：

４）传统的过滤设备占地较大，造成空间的浪费。

针对阻上问题，本文主要研究丌发了一种新型全自动白清洗过滤器，有效地克服了传统过滤器的缺点，在农、工、城市生活各个方面都具有良好的市场府用前景，具体如下：

第一章绪论

１）农业

我国水资源匮乏，时空分布不均匀。两，ｌｉ＂地区水量较少，日．水中含沙量高，不适合直接灌溉。全自动自清洗过滤器体积小、维护费用低，适合室外无人操作。可对各种水源进行过滤，如河水、湖水、水库水、池水、海水及地卜水源等过滤，去除沙了、细荫、藻类、有机物、铁悄等等。

２）工、ｌｐ

工、№用水包括生产工艺用水、原料用水、冷却用水等。例如冶金、纺织、造纸、石油化工、矿山等行业属于工艺用水：食品业、酿造、制水、清凉饮料等行业是原料用水；火力发电、交通等行业多为冷却用水。这些行业或多或少都有白己的水质要求，在原料用水行业中，全自动白清洗过滤器可以作为最初过滤的工具。在生产工艺用水和冷却用水行业中，过滤器可以作为循环水的二次利用的工具，从而肯约了用水费用。

３）城市废水

城市废水由生活污水、工业废水及径流污水组成。工业废水情况复杂，而且含有大量的有毒有害物质，一般只要达到标准后即可排放。过滤器可以作为污水三级处理，减少细过滤系统的成本。生活污水和径流污水一１般无毒，只要稍微过滤即可再次使用。过滤器可以使用在这一场合，过滤后的较为干净的水可以作为城市公同草皮的浇灌，这样就节约了用水量。

１．２过滤技术及过滤设备现状

１．２．１过滤技术

工农业、城市。｜二活之巾常常会遇到将混合物加以分离的问题。过滤就是将同液混合物分离的常用的操作之一，它是在压强差的作用下，使吲液混合物流过过滤介质，固体颗粒被截留，而液体则通过过滤介质的孔隙，从而达到分离的ＶＩ的。工农业、日常生活中过滤涉及的范围很，“，从简单的粗滤到高精复杂的分离；流体可以是液体，也可以是气体；固体颗粒可能足粗的、细的、坚硬的、可塑的、球形的、长条的、分散的以及聚集的；所处理的悬浮液可能足浓稠的、稀释的、高温的、低温的、真窄Ｆ的以及加』０ｉ的。过滤最终目的有的是为了获得液体产：品，有的是为了获得固体产品，有的二者兼要，而有的则是为了将过滤分离所得的液体和固体分别作进一步的处理。就一般而论，要求得到滤液为产品的过滤操作，比要求得到滤饼为产品的过滤操作易于实现川。过滤操作的好坏，直接影响到Ｊ?‘品的质量、成本和生产水平，凶此它在Ｊｊ农业卜地位是十分重要的。近年来，随

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着社会发展，人量燃料使用，低品位矿石的开发，环境保护的苛刻要求，使得过滤技术得到了很大的发展，几益受到人们的重视。

实现围液分离操作除过滤外，还有沉降、水力旋分、离心分离和喷雾Ｉ‘煤等儿种常见的方法。一般说来，过滤比离心分离和喷雾干燥经济，但得到的同体产品湿含量高；沉降和水力旋分比过滤更为简便易行，但分离效率又小及过滤。对于细状颗粒恳浮液或固体含萤较少的悬浮液，都不宜采用离心分离，最好采用新Ｉ压过滤。凶此，在固液分离技术中，总是首先考虑过滤。

１．２．２过滤设备现状

１．２．２．１过滤介质

允许非均相物系中的液体或气体通过，而固体被截留的可渗透性的材料通称为过滤介质。它是过滤设备的关键部分，无论何种过滤设备，都必须选配与其相适应的过滤介质，否则结构先进的过滤设备也无法发挥其应有的作用。

过滤介质的分类通常有下列三种Ⅲ：

１）按过滤原理，可分为表面过滤介质和深层过滤介质。

表而过滤介质表现为过滤时截留的吲体颗粒沉积在介质的表面或在介质上流过，液体渗入介质的孔隙。深层过滤介质表现为过滤时悬浮液巾的固相微粒摹本上都渗入介质的孔隙内被截留。深层过滤介质的孔径比悬浮液的固相颗粒的尺寸大得多，悬浮液中固相浓度低，颗粒难以在介质孔隙的入口处形成架桥。当周相颗粒渗入介质孔隙中时，受到吸附、沉淀及阻滞作用而被截留。

２）按材质分类，即制造材料可分为天然纤维、合成纤维、金属、玻璃、塑料及陶瓷等。

４）按结构分类，可分为柔性、刚性及松散性过滤介质。

柔性介质可能是金属的，可能是非金属的，甚至还可能是＿一－者的混合材料制成的。剐性介质是由粘性的固相颗粒制成的。松散性介质则是山非粘结的固相颗粒所构成。

过滤介质的技术特性包括：截留能力、渗透性、抗堵塞能力、物理性能、化学性能等等。其中以前两个特性最为重要（第三章可见详细介绍）：１）截留能力

对丁成功的过滤来说，介质对颗粒的截尉能力具有头等重要的意义。截留能力就是各种介质所能截留的最小颗粒的Ｊ０寸。而介质截留多细的颗粒，决定于介质孔隙的大小及分布情况。

２）渗透性

过滤介质的渗透性，反应７它Ｘ，Ｉ滤液流动的阻力，而介质的流动阻力，则影

第一章绪论

晌过滤机的生产率以及功率。

常用过滤介质有¨Ｊ：

１）滤布

滤伽是在工业上品种最多，应用最广泛的过滤介质。其构成材料均为天然纤维或合成纤维。滤布的过滤性能决定于材质、纤维纵法及后处理加Ｅ。

２）滤网

滤删也是编织过滤介质，其材质主要是金属，几是可以拉丝的金属和合会，如不锈钢、黄铜、蒙乃尔镍铜合金、镍、银等都可以作为金属丝网的材质。近来也有采用塑料原丝织成的滤网。滤网表面光滑、耐磨、耐腐蚀和耐高温，基本上不产生收缩、伸延现象，不易被颗粒堵塞，易清洗、再生，使用寿命远较纤维滤布为长。只是一次性投资较贵，但操作费用要比滤布低。

３）滤毡

将合成纤维或羊毛纤维作无规则的密集排列，经过压实耐而制成小同厚度的毡。具有防腐、防霉、颗粒截尉性能好等优点，用途比毛毡广泛。

４）过滤衬垫

过滤衬挚是以石棉和纤维素制成的过滤介质，主要用作精密过滤，处理含固量低且颗粒细小的悬浮液。还有多孔塑料薄膜，以高分予材质，通过特定的＿Ｉ：＝艺加工而成的薄膜，安装于专门的设备上：这种多孔过滤膜的过滤精度可达Ｏ．１微米，主要用于医药工业及生物化学带菌污水处理等精密过滤场合。

５）硬质（刚性）多孔介质。刚性多孔过滤介质包括多孔陶瓷，金属陶瓷，多｛Ｌ烧结塑料、金属纤维烧结毡、多层金属烧结网等，它们是通过陶瓷、金属及塑料的细粉在高温下烧结成型，通过对细粉粒度、烧结温度、压力、时间及粘结荆品种，配方的控制来制得孔隙均匀、渗透性、孔隙率和形状各异的过滤介质成品。厚度。般在２０毫米以上（烧结金属的厚度一般为１．６毫米）。

１．２．２．２过滤与分离设备

过滤技术起始于压滤。制作疆腐、榨取食油和酿酒均起源于我圉，山于工业革命在欧洲的兴起：１９世纪中叶，圉外已有间歇板框压滤机问世，２０世纪初得到迅速发展，１９５３年同本栗Ｆｉ＿１机械制作所开发了板框压滤机的滤板自动移动装置，１９５８年大阪国际展览会展Ｉ出了第一台自动压滤机，现在又有ｆＢ］歇压滤机的ＰＬＣ控制系统【ｌ“。在Ｔ＿ｊｌｋ产、Ｉｋ化的影响下，连续真空过滤机在｝ｉ世纪初丌始出现，它产率较高而得以蓬勃的发展，现在圆筒外滤式、内滤式、崩：式、水平带式等真窄过滤机，“泛在各工业部门使用，又以矿Ｉ』Ｊ和化工企业为主。

当前的过滤设备主要为真空过滤机和间歇作业的板框或厢式压滤机；间歇压滤机有过滤强度大、滤饼水份低的优点，因不能连续作业而有产率低的缺陷；连

浙，』＝人。ｉ’硕十’’Ｆ：何论文

续真空过滤机相对产率较高，…于过滤压强小，又有滤饼水份高的弊病。

以下是几种常见的过滤分离机械：

１）板框、厢式压滤机

一种需求量最人的过滤机。具有如下优点：单位过滤面积ｒ＿地少，过滤面积选择范围宽，对物料的适应性强，滤饼含水率低，冈为是典型的滤饼过滤，所以ｕＪ‘得澄清的滤液，固相回收率高。另外还具结构简单，操作容易，故障少，保养方便、使用寿命长等优点。

目｜ｊ｛『固外板框?ｊ厢式压滤机发展趋势主要有以卜几个方面。

①向大型化方向发展；

②高的过滤胍力：

③继续发展带压榨隔膜的加压过滤机，这是一种节能的发展趋势。

④制作材质上，一方面由于工程塑料，特别是增强的塑料具有较好的强度，刚性，耐腐蚀性能和机加Ｔ性，逐渐具有代替铸铁及其它金属滤板的趋势。另一方面，列大型高压压滤机一般都有采用金属板材焊接制作完全取代了铸铁机件。国内的板框，厢式压滤机操作的自动化程度虽然有了很大提高，减轻了体力劳动，但控测元件的灵敏度、可靠性还有待进一步提高。

２）转鼓真空过滤机

连续式转鼓真卒过滤机是真空过滤机中数量最多的机型，按滤饼卸除方式，可分为刮刀式、卸料式、折带式、绳索卸料式、螺线卸料式和辊卸料式等。转鼓真窄过滤机一般适用于颗粒沉降速度较低的物料，在我国主要应用于制碱、石油脱蜡、制药、造纸、纺织、矿山、制糖、染料等待业也用于淀粉浆脱水、柠檬酸菌丝体及酵母液化的过滤等场合。但对于颗粒沉降速度大，且易在贮槽Ｉ』！ｌ迅速沉淀堆积，滤饼难于从滤布上剥落和易于开裂，滤饼透气率高，及洗涤要求高的物料不适宜采用回转真空过滤机。

３）带式压榨过滤机

带式压榨过滤机主要处理对象是污泥，优点是连续操作，过滤效率高，结

构紧凑一吁地面积小、能耗低、噪音小，这种机型目前主要应用于以下几个领域：废水及工业用水处理，如石油工业、化学工业、水泥工业，其它如淀粉工业巾用于马铃薯生产中除去皮及纤维素的过滤，果汁生产巾减少果汁损失的果渣脱液都已有应用成功范例。

４）带式真空过滤机

具有水甲过滤丽、上部加料处理量大和卸饼方便等特点，是近年束发展晟快

的＋种真空过滤设备。现朝着人型化、采用新的结构材料和自动化的方向发展。ｆ＝｛前已形成有橡胶带式、往夏盘式、同定僦式和连续移动盘式等四种类型。带式

笫一章绪论

真空过滤机作为种新型过滤设备，具有其它过滤机无法比拟的优越性。它Ｊ、洲Ｊ范围宽，能连续加料、过滤、洗涤、脱水和卸渣，１４－：产率高，易实现机械化自动操作，劳动强度低，占地面积小。

１．３过滤设备的发展趋势

１．３．１国外过滤设备发展

随着全球能源，环保行业的迅猛发展，过滤与分离机械工业越来越受到各国的重视，发达罔家已形成了过滤与分离行业的企业联合化，资本公众化，市场贸易、技术和信息一体化的格局。过滤与分离机械进入了高速发展的轨道，岛新技术产品不断问世，广泛通用于各行业对吲体、液体、气体单相或多相混合物的纯净化分离与分级。１９６４年由１８个国家在英国创立国际过滤学会后，圈际性行、ｌｋ交流几益增多，１９７４年至今共举办了８届世界过滤大会，１９９０年在法国成市了世界过滤组织（ＩＤＥＲＩ），随后，很多国家白行成立了过滤与分离协会与学会，如美困过滤协会、美国过滤与分离学会、英国过滤学会等，各国学会均创办了专业性期刊，如英国、德国的《过滤与分离》，美国的《分离与净化技术》等，从而有力地促进了世界过滤与分离技术的进步。

ｔ｜ｊ＝界新技术革命的第一次浪潮已经将过滤机械推进了快速发展的轨道，其发展趋势主要有以下几个方面【１１】：

１）高参数发展趋势

由于能源、资源、环保等工业的发展都是需要单机能力大，所以大型化、高参数的设备主要表现为：

Ａ、大规格：由丁＾能源、资源开发、环保、三废处理等Ｚ＿ｑｋ的大型化，需求更大规格的过滤机械，以提供单机生产能力。

Ｂ、高速率：由于企业家效率意识的增强，为了提高设备的工作效率，需求更高过滤速度和运转速度的设备。

ｃ、高精度：随着医药、生物、精细化工等Ｔ业的发展，为了提高制品的纯净度，需求更高精度的设备。

Ｄ、高¨ｉ力：由于节能的需要，进一步降低含液量，以减少后续干燥能耗，需求更高压力的设备。

２）多功能、节能复合发展趋势

随着佳物医药＿［程的发展，为了防止贵重制品的污染，需要集反应、过滤、干燥于１体的设备。但冈为分离机械的大型化发展，如何降低单位处理量的能耗

浙江人学硕十学位论文

—————————————＿＿＿—————————————＿ｍ—－————————————————————————＿—————＿－＿－－＾●＿———————＿———————－＿ｈ＿＿＿———————＿———————————————————一—————————＿——————————一是当务之急。凶此，离心机、过滤机如何用最小的能耗提高其滤饼的脱水效果，得到最干的滤饼，从而降低后续的干燥。Ｌ艺能耗成为重点研究方向。

３）全自动发展趋势

为了提高牛产效率和适应特殊场合，需要全自动连续作业的设备，ｌ柚微机控制，机械人操作方向发展。

４）新材料发展趋势

为了提高设备的机械性能，需求强度、刚度、喇磨性、抗腐蚀性能优异的材料。为了提高过滤精度和效率，对过滤机械的心脏材料…．过滤介质提出了更高的要求。

５）机型多样化发展趋势

为了对口］＿压缩、高精度、高分散性的难分离物料、微粒子进行有效的分离需研制新型专用设备（包括专用新技术的应用），即多样化机型。

１．３．２国内外过滤技术差距

由于历史的种种原因，致使我国目前过滤与分离机械大致处于幽外八十年代末水平，落后约１０～１５年，在过滤与分离基础研究和应用研究方面，进展较缓慢。面对近年来国外过滤与分离技术的发展，我国的差别十分明显【６Ｊ：

１）我国过滤与分离机械的技术进步，不论是大型化、高参数新产品的开发，节能型、多功能设备的研制，还是传统设备的机械化、自动化、智能化水平的提高与完善等方面，都存在着十分明显的差距。基础研究和应用研究经营投入不足，靠企、№自己开发，研发能力明显彳ｉ强。

２）对于过滤介质，无论是织造滤布、滤带、小锈钢、钦材料等金属粉末、金属纤维烧结的刚性过滤介质，新兴的陶瓷过滤介质，还是目前固外迅速发展，并已推广应用的改性纤维制成的功能性过滤介质，从制造或烧结所用的滤材质量和制（织）造技术及设备，精整技术与工艺都与困外相差较远。特别是孔隙率商、阻力小，并具有机械截留加化学与静电吸附作用的选择性过滤介质在工业发达国家用于生物化ｊ一制药、食品等行业发展十分迅速，而我国明显落后。

３）过滤与分离机械制造行业及设计选用部门和用户，普遍存在对分离效果的好坏与对分离ⅣＴ岂技术的全面认识密切相关的知识不足。主要表现为：ａ、对于要球分离物料缺乏全面认识，如崮液两相的物理、化学性质、浓度。特别是与过滤分离相关的一些性质了解不深，不利于正确选择过滤、分离设备的类型，往往宜目承袭一些老厂的不尽合理的设备选型，而不敢越雷池一步；

ｂ、有的是末能正确确定合理的操作条件，如对于过滤机如何选择操作压力、真空度、濡度、过滤时间；根据要求的截留精度及处理能力，正确选择过滤介赝

第一章绪论

等。

ｃ、有些物料４ｉ能直接进行过滤与分离，而必须采用预处理技术。

ｄ、不熟悉新技术、新工艺、新没备。

１．４自动清洗过滤器的发展和应用

１．４．１自动清洗过滤器概述

在一般的过滤装置中，随着过滤过程的继续，液体内的固相杂质截留在过滤介质表面，引起压力降增加，过滤阻力增大，过滤效率下降。一般的过滤机需中断过滤操作，更换过滤元件或取出清洗，既费时又费事，影响处理效率，而目．不能达到自动化连续作业的要求。自动清洗过滤机很好地解决了这个问题，过滤机具有连续过滤、自动反冲洗排污、结构紧凑、运转平稳可靠、处理量人、运行费用低、使用寿命长等优点。过滤机的清洗、排污过程是在设备运行过程中自动进行的，在反冲洗排污的同时，仍能进行过滤操作，不影响正常供液。在冶金行业的循环水系统中，自动清洗过滤器的应用｜二｛趋广泛，我国引进的连煮、高炉、热轧用水系统各种加热炉、乳化剂系统以及封闭的水循环系统，大量采用了具有ｖ型断面缝隙式自动清洗过滤器例。

自动清洗过滤器主要特点：

１）安装方便，可直接安装在管道上，无需建过滤车间，特别适用于各种工艺条件下的现场使用。

２）产品本身体积小、重量轻、造价低、维修量小。

３）自动化程度高，便于运行管理，可氏期无人运行，并可并入计算机网络控制。

４）规格多，处理水量大，管口直径从ＤＮ２５～２５００ｒａｍ均可设计生产。ＤＮ２５００的过滤器最大处理水量可达４００００ｍ３／ｈ。

５）过滤精度可高可低，范围广。阔，等效孔径通常为Ｏ，０３～３ｍｍ。

６）压头损失小、节能，利用主管道水压反洗。无须设反洗水源，工程投资少。

１．４．２国内外自动清洗过滤器现状

自动清洗过滤器在当今还是一种比较先进的设备，主要由国外厂家生产。其中以色列的ＦＩＬＴＯＭＡＴ和美国的ＴＥＫＬＥＥＮ较为有名。ＦＩＬＴＯＭＡＴ公司所有的

浙江人学碗十学位泛史————，——————————————，—－—————＿＿＿－＿＿—＿——————————●●－●＿＿＿＿＿＿————————一——————————————＿——————————————，————————————－—，—Ｈｈ＾—＊Ｈ—＿————＿—一产品是按照ＩＳ０９００２标准制造的，以它的质量和可靠性闻名。ＦＩＬＴＯＭＡＴ公司的仝白动反冲洗过滤机在清洗过程中允许水流不问断。新颖的设计以Ｍ３００系列』】：始，连续成为水过滤企、Ｉｋ的领导者。ＴＥＫＬＥＥＮ公司华落在洛杉矶两都的中，ｔｌ，，公司在水过滤氽业中拥有较多的技巧和经验。过滤器产品应用于冷却水过滤、糖汁过滤、沙过滤等。

国内自动清洗过滤器主要有以下几利?：

１）徐州产ＴＬＳ型自清洗过滤机㈣

其性能参数和结构原理如下：

ＴＬＳ系列白清洗水过滤机是制造ｒ一家消化吸收国内外先进技术的基础上设计、研制的一种新颖污水连续过滤装置。实践证明，ＴＬＳ系列自清洗过滤机是一种性能稳定ｒＵ“靠、应用效果好、经济适宜的国产过滤机，在冶金、矿山等企业具有较好的推广应用价值。ＴＬＳ系列设备性能参数如下表４－１所示。

ｌ－出ｇｖ；２一排污．且头：｝一聒动幕王；４－迪一；卜中瞒耗６一进水。１７一电动舢圬阗；８一手动排ｉ亏闩；９一筒倬

图１—１ＴＬＳ过滤器简图

表４－１ＴＬＳ系列设备性能参数

名称性能与参数Ｔ作介质水

１’作压力＜＝ｌ６ＭＰａ

介质温度６０

滤网孔径＜＝１～６ｍｍ

进、出水口直径ＤＮ２００、ＤＮ２５０等排污时压差＞＝０．０３ＭＰａ

压力损火０．０ｌ～０．０３ＭＰａ吸头驱动转数Ｏ．５～１ｒ／ｍｉｒｌ

工作方式自动、手动（町任意转换）

故障报警自动显不报警

电源电压～３８０Ｖ

驱动装茕电机功率Ｏ７５ｋＷ

摊污闽电机功率Ｏ．３７ｋＷ

该滤水器由筒体、进出水口、驱动装置、排污吸头、滤网、中隔板、电动排污蒯、手动排污筏、压差控制器、电控箱等部件组成。（见左上图１－１）２）杭州华丰纸业有限公司的自动循环反冲式过滤器ｆ１４１

自动循环反冲式清水过滤器，能有效地滤除原水中的同体杂质和微小悬浮物。并能自动地对过滤介质及时的进行反冲洗掉。既能满足纸机生产用水的可靠性和稳定性，又能保证纸机生产的纸产品的质量大大提高，整个供水处理过程完全实现了自动化。

第一审绪论

华十纸Ｊ的自动循环反冲式清水过滤器由圆柠式过滤体、压差控制仪表、ｒ乜＿控箱、电磁阀、升降式汽缸、二

通排污阀和检修用手阀等组成，

如图１—２所示。

由于圆柱式过滤体内，装有

能截留过滤水质中的各种悬浮

物质的过滤筛网，水质中的悬浮

物质经筛网后，很快就被截留

住，随着输水时问的增加，液体

中的固体颗粒和微小悬浮物就

在筛网｝慢慢的形成过滤污层

物，污层物随着时间也逐渐的增

厚，因而会引起出水压力不足，图ｌ一２自动循环反冲式清水过滤器

导致进水压力和山水压力的不平衡，这样就产生了一个压差，当达到一定的压差值时，也就足说出水压力小于设顶的压力值时，这个压差信号就能控制着电控箱内的电路进行程序控制，利用清水反冲沈。过滤体ＪＦ常的滤水和排放污水的工作流程如下图１．３和图１－４所示：

图１３正常过滤图图１．４反冲洗过滤图

３）全自动反冲洗过滤机（合肥通用机械研究所开发）［１６】

全自动反冲洗过滤机的过滤和反冲洗推动力均由送料泵提供，不需其它能源。系统滤腔的雎力是恒定的，液体从滤芯的内腔向外流动，夹带的固体杂质被截流在过滤介质的内表面，引起内外腔压差升高，过滤阻力逐渐增大。当内外腔

浙江人学硕十学位论文

压差超过某一眼定值时，差压讯号发生器控制电

机启动，带动分配头转动，同时打丌冲洗液出厂｜

电磁阀。当分配头至某一滤芯卜方时，反冲沈管

路与该滤芯内腔接通，滤液清相压力与大。ｃＪｌｉ力

差推动滤液反向穿过过滤介质，一方面过滤介质

得到冲洗，另一方面残渣自动卸出。分配头转动

…周，每根滤芯均得到一次清洗、再牛，如此循

环。所以避免了频繁更换过滤介质或人Ｔ清洗滤

芯，提高了生产效率，可节省大量的时间、劳力

和财力。通过选择过滤介质可满足不同的精度要

求，一般可达１０ｕｌ＇Ｆｉ甚至更高。整个过滤和反冲

洗过程自动控制，无需人工参与，反向冲洗协作

由筹压讯号发生器（差压大小反映滤芯堵塞程度）控图１—５全自动反冲洗过滤机制，反向冲洗时间由时间继电器调定。在清洗过程中清洗面积占总过滤面积很小部分，冲洗压差大，这样反冲洗液用量小，过滤过程保持连续、波动小、冲洗效率高。

国外自动清洗过滤器产品与以上几种过滤器性能比较则看下表４－２ｉ１ｏｊ：

表４．２国ｌ』＝｜外自动清洗过滤器产品技术参数对比表

主要技术参数中国Ｈ本德国美国以色列

过滤精度ｍｍ０．０３～２．００．１～２．ＯＯ．０３～２．００．０３～２．ＯＯ．０３～２．０单台最人过滤

２０～１２０００５０～１０００５０～４０００２５～６０００２５～２０００能力ｍ３，｝１

Ｔ业废水或工业废水或ＩＬ＇，ｌｂ．废水或’Ｔ‘业废水或Ｉ。业废水或土作介质

其他其他其他其他其他

～【一作压力Ｍｐａ１．Ｏ－－２．５１．０～１６０６－－１．６１．Ｏ～２．５０４～ｌ６

反洗耗水量

３０～５１００５０～４０００５０～２５００３０～３０００２０～１５００（Ｌ／ｍｈ）

差压、时间或著压、时间或荠压、时间或差压、时川或著压、时间或反洗控制条什

手动反洗手动反洗手动反洗手动反洗手动反洗

单筒、三筒

网筒形式单筒、多筒式单简、多简式单简、多筒式单倘

或多筒式

驱动方式电动、液动电动电动、液动电动、液动电动、液动水过滤机是循环水系统中的关键设备之一，其本身性能和应用效果对循环水系统能否正常可靠运行起到重要的作用。它有立式、卧式，有手动、全自动和手

第章绪沦

动、自动结合等类型。有国产也有进口产品。其工作原理均大同小异。自动清洗过滤机。般均设置滤网，利用堵塞压差转换成电信号控制清洗系统运行进行自动清洗，卣至ｌｊｊ：ｉ（差恢复正常为止。幽外水过滤产品一般性能较好，运行稳定可靠，在我Ｈ应用的以色列ＦＩＬＴＯＭＡＴ和ＡＭＩＡＧ产品以及美国产品受到用户的’致好评，但价格是国产的几倍甚至几Ｉ‘倍。全自动自清洗过滤器虽然国内很多企、Ｉｋ都足图外产品的代理商，例如广东格林环境工程有限公司代理美国ＴＥＫＬＥＥＮ公司的产品，卜海玄坤水处理技术有限公司代理美国ＧＥ—ＢＥＴＺ公司、美国ＰＷＴ公司、美国ＢＩＯ—ＳＹＳＴＥＭＳ公司、炎幽ＵＳＦＩＬＴＥＲ公司和英国ＳＵＮＢＯＳＳ公司等。国产水过滤机产品一般价格便宜，但质董良莠不齐，有些产品虽价格便宦，但产品没有达到国外的技术条件，反冲洗时需停Ｊ上．供水，这样就形成过滤不连续，而目＾夕｝型不紧凑占地较大，或者可靠性不好，故障率高，甚至无法使用，这也是目前许多企业仍然使用传统手动清洗过滤机的原因之一。因此，发明一种可靠性好，既能自动清洗，义能经济运行、价格合理的水过滤机是非常迫切而且是很有市场的，因此我们的目标是设计一个真正意义的全自动自清洗过滤器。

１．５本文的研究工作和内容

本文研究的卧式全自动自清洗过滤器与以上几种自动清洗过滤器在工作原理上有一定的类似，在无需额外能源的条件下，依靠给料悬浮液的压力完成自清洗过程。在自清洗进｛Ｊ：过程中，整机过滤并不中止，这就保证了整条生产线的ＪＴ常运行。自清洗启动可以通过多种方式来控制，如点动，即人Ｔ操作自清洗的进行和结束，这需要操作：Ｔ。有着丰富的经验和认真的工作态度；如定时，即过滤进

行一定时间以后，自动启动自清洗过程好自清洗启动时间和停止时间；如差压并自动结束，这需要系统启动之前设首即根据过滤嘲内外两端的压力检测差值

与预设值比较后｛搴制自清洗过程启动停止，这需要对具体过滤条件、过滤液体的物理性能等方面的研究后计算预设差眶值。

全自动自清洗过滤器在结构上与以往的过滤器有一定的不同。本文将在以往经验上，对过滤器的结构进行优化改造设计，并对过滤器的过滤机理进行分析，得出在细过滤阶段滤删两端的压降模型作为差压控制的依据，最终提出套过滤器的控制系统，实现紧凑结构、小体积、过滤精度?叮调节、易拆装维修、令自动控制易操作的目的。本文各章具体内容如下：

第一章首先综述了过滤技术、过滤设备的现状以及发展趋势，并对具体的过滤设备一自动清洗过滤器的几种产品和国内外研究发展情况做了详细介绍，得出本文研究的意义所存。

第＿章介绍了全自动自清洗过滤器丌发设计的方案，包括过滤器的工作原理和主要组件，最终给出过滤器的设计原王！＿Ｉ！和设计方法。

第ｉ章从过滤的原理着手，分析丫全自动自清洗过滤器过滤机理，给ｍ了过

滤器过滤介质、过滤形成滤饼压降模型凶素的总压降模型。

第四章以第三章的压降模型为基础最终得出孔隙率、透过度作为最终影响根据过滤器的控制流程以及控制原理分

析了其控制任务，最终确定以ＰＬＣ作为控制主机，设计一套过滤器自动摔制系统，完成可人工、自动切换，功能扩展方便的控制方案，作出了过滤器启动、运行、自清洗（反冲沈）、停机的控制梯形图，并写出了语句表编稃语言。

第五章全文的总结和展望。

第一章全自动白消沈过滤器开发设计

第二章全自动自清洗过滤器开发设计

２．１全自动白清洗过滤器工作原理

２．１．１自清洗过滤原理

自清洗过滤技术是一种７０年代术期发展起米的新型过滤技术，其最ｔ要的优点是利用水压自我操作、自我清洗、清洗时叫ｉ停止过滤。自清洗过滤技术的设计原理如下：最简单的过滤方法就是让液体通过滤网，除去滤网上泥层最简单的方法就是反洗。经验告诉我们，这种反洗可以去掉滤泥，但是有缺点：１）很快就形成滤层，滤网两侧出现压差，过滤放慢；

２）反洗用水量大，目．洗不彻底；

３）反洗时必须停止过滤，不能连续。

如果增加过滤面积，可以使第一个缺点有所改善，但第二个和第三个缺点仍然存在。

水的特性就在于流动总是趋向

于阻力最小的方向，这样反洗的水流

首先将滤网上的泥层冲开一些缺口，

当这些缺口的总面积相当于总过滤

面积时，所有的反洗水都趋向于这些

缺口流出。因此反洗耗水量大，且不

彻底，义因为清洗水要反方向流，过

滤不得不中断Ｉｌ…。

右图２—１为自清洗过滤原理示意

［２１，即一个最简单．的过滤器，但增加了‘根排泥管和一个阀门，阀门通大气，另一端接近滤网泥层。由图可知，当图２．１自清洗过滤原理示意图Ｐ．一入水Ｊ蕞力Ｐ２一…水肿力

Ｐｎ～人气压

Ｐｊ＞Ｐ２Ｈ，Ｊ，ｌＦ常过滤，滤渣并随之附着在滤嘲上，使得内外压差逐步增人。当Ｐｌ、Ｐ２压筹大于预设压差值时，打开阀门，由于Ｐ２＞Ｐｏ，排污管口的滤渣被过滤水反冲并随排污管排出。一旦排污管可以扫描整个滤网，就ｉＪ．以实现滤网的反冲洗，与此同时，过滤过程仍正常进行。

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浙江人学顽十学能论文

２．１．２全自动白清洗过滤器工作原理

基于以上的自清洗过滤原理，建立如图２－２所示的全自动自清洗过滤器三维模型效果图㈣。

图２－２全自动自清洗过滤器１：作流程示意图

】一入水口；２一出水口；３一籼滤嗣：４一细滤网；

５～转子组件：６一ｕ投污组件：７一排污管：

８一液动转子：９一阀门；ｌＯ排污ｒ１

该过滤器的工作原理如下：

待过滤永从入水口（１）流入过滤嚣，经粗滤网（３）初滤后，冉通过细滤网（４）过滤，流Ｉ龟出水口（２）。当脏物聚存细滤网的内面时便形成压差，达到预定值时，由冲洗控制器打开冲洗电子阀门（９），产生一股很强的反冲洗水经排污ｎ（１０）流向大气。这种反冲洗可以在吸污组件（６）．卜产生一股吸力，清洁吸污嘴相对的细滤网面。

反冲洗水经过排污管（７），再通过液动转子（８）流向冲洗阀门，带动整个吸污组件与吸污管转动。由于过滤器工作压力大于阀门外大气压，足以推动液动转子带动吸污管轴向运动。轴向与旋转运动相结合，便可确保吸污嘴清４＝＿ｉ到整个过滤网面。

当细滤网内外压差低丁预定值，冲洗完成，吸污组件和吸污管山粗过滤端弹簧拉回到原来位置，完成一次自清沈过程。整个冲洗时闯约为１０～１５秒。

第二节全订动口清洗过滤器开发酸汁

由此ｌ叮见，滤液过滤主要分成两个阶段完成：

相过滤：将Ｉ．业废水和其他介质内的炉渣、氧化铁皮、污泥等大颗粒同体杂质通过糊滤网过滤；

精过滤：在料过滤的基础上进一步精细过滤，得到满足其他生产所需的清水或者生活用水。

２．２全自动自清洗过滤器的开发设计

２．２．１过滤器水力设计

过滤器的水力设计的目的是确定过滤速度、过滤能力（流量）和水头损失大小。

１）设计过滤流速的确定

水流通过滤网（净面积）时的速度称为过滤速度（ｍ／ｓ）。在过滤面积一定时，过滤速度愈大，过滤器｛＝ｌ勺过滤能力（流量）乜愈大，但会使处理废水中的某些污物容易“挤过”滤网而进入清水侧管道，从而使过滤后的水质达不到使用要求。同时，也会产生较大的水头损失，并使过滤网两面的压力差增大。进＿向可能损坏滤网。如果过滤速度过小，为了达到一定的过滤能力（流量一定），则需要较大的滤网面积，这样会使过滤器的体积变大，使造价升高。因此，过滤速度大小是设计过滤器的重要的参数之一。一般自清沈过滤器的过滤速度都住Ｏ．５ｍ／Ｓ～３ｍ／Ｓ之间，本文根据过滤器工作压力设计选择过滤速度ｖ＝１．５ｍ／ｓ。

２）过滤能力（流量）计算

在设计过滤流速时通过过滤器的流量称为设计流量，其计算公式为Ｍ：

Ｑ＝３，６×１０２，×Ａ×Ｖ（２－１）

式中９——过滤器的设计流量（ｍ３／ｈ）；

爿——过滤器中滤网的实际使用面积（ｍ３）；

厂——滤网的净而积系数，取７‰；

矿——设计速度（ｍ／ｓ）。

本文中Ａ＝丌Ｄ×，＝７／＂×０，５×１＝月／２（ｍ２），Ｄ、ｆ分别为细滤筒９，Ｊ筒半径以及筒身长。所以Ｑ＝３．６ｘ１０２×７‰×石×１．５／２≈１２０ｍ３／ｈ。

３）过滤器的水头损失计算

过滤器的水头损失是指通过清洁水流时，过滤器进出口之间的水头降，它包

掰『江人学碗十‘‘≯‘倚沧史

括过滤器进口、出ｊＪ、过滤器元件等引起的局部水头损失和沿程水头损失，并可用Ｆ式表示［３２１：

△ｈ２∑锻Ｑ。（２—２）式中：

△ｈ——过滤器的进出口处的总水头损失（ｍ）；

ｃ，ｏ，——局部和沿程水头损失系数；

ｘ——指数；

ｎ——引起水头损失的项数。

由于过滤器中的水流状态复杂，很难用卜式计算出过滤器的水头损失，因此，规定在通过设计流量时，过滤器进出口之间的总水头差即为设计水头损失。在此水头损失条件卜ｒ，过滤器能够ｉＦ常工作，并且不会破坏滤网，不影响过滤水质。这个设计水头损失一般通过试验确定。根据实验资料可以用式（２—３）的形式表示过滤器的水头损失与过滤流量之间的关系，叩；

Ａｈ３ＫＱｌ（２－３）式中Ｋ——过滤器的水头损失系数，与过滤器的形状、滤网的有效而积系数和过滤器的制造质量有关。根据以往的试验经验数据【３４】，安装１５０目／时不锈钢滤网时的水力性能测试结果，设计流量Ｑ＝１５ｍ３／ｈ时，过滤器的水头损失Ａｈ＝ｏ．５２ｍ，而安装２００目／ｎ，ｊ‘不锈钢滤网时的水头损失位Ｏ．８ｍ，ｐ和△ｈ之间的关系分别为

△ｈｊ－０．００４５ＱＩ‘”，△ｈ２＝Ｏ．０１６５Ｑｚｌ４２

由线性规律得选择１０００日／时（见２，２．２滤网的选择）不锈钢金属滤嘲时，Ｋｚ０２０８。

２．２．２过滤元件设计

１）滤刚规格的选择

滤网过滤器的清污效果主要取决于所用滤网的日数，向｜选择滤网同数的依据又是根据处理废水中所含污物的性质和滤液最终要求杂质的最小直径。滤网的目数选得越高，清除污物的能力愈大，但滤网易被堵塞。为了保证过滤器正常工作，就需要经常人Ｔ或自动清洗过滤器，因此管理费时，造成浪费；选得过低，有潜在过滤最终要求达不到的后果。

本文研究过滤器的适用用户杭州农药Ｉｒ处理污水，杂质颗粒尺寸极小，略带腐蚀性。经过比较试验确定选用１０００目／ｉｎ的斜纹编织密纹滤网。彳ｉ锈钢盒属鲐