0 前言

陶瓷过滤机是一种量大面广的通用机械，广泛应用于矿山、冶金、化工、轻工、医药、环保等领域。在许多生产过程中，过滤设备是关键设备之一，其技术水平的高低，质量的优劣，对实现现代化工艺生产的先进性具有重大意义^[1]。陶瓷本身既作过滤也充当介质，脱水效率高、效果好、滤饼水分低、滤液浊度小，大幅度降低能耗。缺点是一次性投资大，陶瓷介质堵塞后难以清洗，陶瓷片易碎且价格较贵。

某特种过滤机有限责任公司研制的真空陶瓷过滤机，集机电、自动化控制、超声波清洗、微孔陶瓷过滤等高新技术于一体，其核心技术为陶瓷过滤机搅拌装置和气液分配装置。陶瓷过滤机突出特点是高效、节能、过滤效果好，自动化程度高，运行成本低、滤液清澈可综合利用，滤饼干燥且水份可调，适应性强^[2]。TT系列陶瓷过滤机对过滤介质适应性强，而且滤板采用微孔陶瓷，具有耐温、耐腐蚀、微孔孔径可选择等优良性能，但该系列陶瓷过滤机中陶瓷过滤板内部型腔的流道结构设计不是很合理。陶瓷过滤板在过滤和冲洗时，由于流通受阻，过滤水和反冲洗水绕流或撞击粘合的凸起脊，造成较大流动阻力，从而使吸水和冲水效果达不到要求。

1 陶瓷过滤机的工作原理

陶瓷过滤机的工作原理见图 1，在真空的作用下，矿浆通过陶瓷过滤板的多孔介质，固体颗粒被截留在陶瓷过滤板表面，形成滤饼，而液体则通过陶瓷过滤板后排出，从而达到固液分离的目的。陶瓷过滤机通过4个工序完成一次过滤循环操作。

（1）吸浆区。陶瓷过滤板在矿浆槽内由于真空作用，在滤板表面形成一层较厚的颗粒堆积层，形成滤饼，滤液由过滤板内腔经过分配头到达真空桶。

（2）干燥区。过滤板两侧的滤饼在真空作用下继续脱水，直到滤饼干燥，满足生产要求。

（3）卸料区。在卸料区滤饼被刮刀刮下，直接卸入精砂池或通过胶带输送到所需的地方。

（4）反冲洗区。反冲洗水在一定压力的作用下，通过分配头进入滤板内腔，反清洗滤板，堵塞在微孔上的颗粒被反冲洗下来，从而完成一个过滤操作循环。

（5）超声清洗。过滤介质经过一定的时间循环工作后，这时为保持滤板微孔通畅，用超声波清洗和化学清洗配合，使一些未能被反冲水洗掉的附着在滤板上的固态物完全地脱离过滤介质，以保证后续过滤高效率^[3]。

2 陶瓷过滤板的清洗原理

滤板的清洗是过滤循环中的关键步骤，每一块陶瓷板过滤效率的高低在于被过滤的物料是否最大限度地从陶瓷板的微孔中被清除干净。每一过滤循环完成后，陶瓷板立即被压力约为(0.5~0.8) ×l0⁵ Pa的反冲洗水进行清洗，其冲洗时间为2~5 s。在脱水时，水自陶瓷板外部流经陶瓷板进入内部；反冲洗时，水自陶瓷板内部向外渗出。设计并实施反冲洗，是因为滤饼剥离后，陶瓷片表面仍有残余的物料以及部分微孔被堵塞的情况。采用反冲洗方法，可以除去表面残余物和疏通微孔，保持下一过滤循环的工作效率。反冲洗是利用滤泵出口压力水，通过管道、分配阀进入陶瓷片内腔，实现清洗滤板的残留物料及疏通陶瓷微孔的目的。

3 陶瓷过滤板上滤饼的过滤方程式 3.1 鲁思的恒压过滤方程式

压力恒定的压缩空气或真空度恒定的真空系统作用在滤浆上的过滤机以及连续式真空过滤机，均属于恒压过滤类型。所以真空立盘过滤机的过滤符合恒压过滤方程。

把上式中过滤量对时间进行积分得出：

(1)

式（1）中：q为任意时间θ（单位为s）所对应的过滤速度，/（m·s^-1）；α_av为滤饼的平均过滤比阻，/（m·k^-1）；A为过滤面积，/m²；m为滤饼的干质量比；s为料浆中的固体密度，/(kg·m^-3)；V为总过滤量，/m³；V为单位面积的滤液量，/（m³·m^-2）；V_m为假想滤液的总体积，/m³；ν_m=V_m/A，为得到与过滤介质阻力等效的滤饼的假想滤液量，/（m³·m^-2）；θ为过滤时间，/s；P为过滤压，/Pa；ρ为滤液的密度，/(kg·m^-2)；μ为滤液的粘度，/（Pa·s）。

由于恒压过滤时，可将α_av和m作为常数，因此将上式积分后便得到了恒压过滤方程式:

上式化解得出：

(2)

式（2）中: K_R为鲁思的恒压过滤系数，/(m²·s^-1)；θ_m为得到假想滤液量V_m或ν_m所需要的假想过滤时间，/s。

(3)

3.2 真空立盘过滤机的过滤方程式

(4)

(5)

式(4)和式（5）中：R_m为单位面积过滤介质的阻力，/m^-1；n₀为过滤圆盘一面的滤室数；准ϕ₀，为浸液角，/s^-1；b为滤室之间的二分之一间隔，/m；A为一个过滤圆盘的总有效过滤面积，/m²；N为过滤圆盘的数量；V为一个过滤圆盘在单位时间内所得到的总滤液量，/(m³·s^-1)。

3.3 过滤方程式在陶瓷过滤板设计中应用

由真空立盘过滤机的过滤方程式（4）可知，陶瓷过滤机的过滤速度与陶瓷过滤板的面积、陶瓷过滤板的数量、液体粘度、过滤压力等因素有关。从鲁思的恒压过滤方程式（1）中可以分析出过滤速度q与过滤压力 p和陶瓷板的过滤面积A成正比关系，陶瓷过滤板的面积和过滤压力越大，陶瓷过滤机的过滤速度越快，反之，陶瓷过滤板的面积和过滤压力越小，陶瓷过滤机的过滤速度越慢。

本研究是对陶瓷过滤板内部型腔进行分析和改进，根据真空立盘过滤机的过滤方程式（4），陶瓷过滤机的过滤介质不变，故液体粘度、单位面积过滤介质的阻力、滤液的密度都不会变。因此，在过滤板的数量和过滤压力不变的前提下，只需对陶瓷过滤板的内部型腔进行改进，增大陶瓷板的过滤面积，就可以达到加快陶瓷过滤机过滤速度的目的。下文是对陶瓷过滤板的内部型腔进行分析和改进，增加陶瓷过滤板过滤面积，使过滤和反冲洗效果达到最佳。

4 陶瓷过滤板内部型腔的分析与改进 4.1 陶瓷过滤板内部型腔的分析

陶瓷过滤板被安装在陶瓷过滤机的转子上，过滤板的种类有很多。图 2是TT系列陶瓷过滤机所匹配的一种陶瓷板结构图，未改进陶瓷过滤板的形状为扇形的一部分，内部型腔布置了38条斜度为75°的凸起脊，和凸起边框一起形成了数十条大小不等、长短不一、走向不同的流道。这样，用于粘合陶瓷板形成流道的凸起脊设置过密且排列形成的流道不很畅通，因而有效过滤面积较小，只有17991mm²。同时真空吸水过滤和反冲洗时，由于流通受阻，过滤水和反冲洗水绕流或撞击粘合的凸起脊，造成较大流动阻力，从而影响吸水和冲水效果。另外，由上述过滤方程式可知，过滤速度与过滤面积成正比关系。陶瓷过滤板的过滤面积越大，过滤速度越快；反之，过滤面积越小，过滤速度越慢。因此，未改进陶瓷过滤板的内部型腔真空过滤和反冲洗流道设计不是很合理。

4.2 陶瓷过滤板内部型腔的改进

根据增大有效过流面积和流动性，减小流动阻力的原理，对陶瓷过滤板内部型腔进行优化设计，构建较顺较宽的流道，具体改进结构示意图如图 3所示。在不影响陶瓷过滤板粘合强度和抗冲击的前提下，精减凸起脊的数量，以达到最大的过滤面积。改进后过滤板内部型腔过滤面积增大为27189mm²，用于粘合陶瓷板和形成流道的凸起脊数量减少为16条，排列有序，流道畅通，以过滤板中心凸起脊两侧为汇聚和发散为主流道。各凸起脊以45°排列，形成有序畅通的流道，使过滤水和反冲水在真空和压力作用下能很顺畅的进行吸滤和冲洗，从而使陶瓷过滤板达到最理想的过滤和反冲洗效果。此外，凸起脊的减少和规则排列，使材料成本降低。因此，这样设计从加工难度和制造成本考虑也更加优越。

5 结论

改进后陶瓷过滤板内部型腔的有效过滤面积增加了17.72 %，形成以过滤板中心凸起脊两侧为汇聚和发散主流道，每侧各构建了7条倾斜45°的流道。因此，改进后的陶瓷过滤板有效过滤面积明显增加，流道畅通，阻力减小，过滤和反冲洗效果得到明显改善。