蒸汽压滤脱水研究

1、蒸汽压滤脱水研究周明远 （煤炭科学研究总院唐山分院 河北省唐山市 063012）摘要 介绍了蒸汽压滤脱水原理与脱水动力学的研究,指出与传统过滤加干燥工艺相比，蒸汽压滤脱水可在同一过滤设备上实现热力干燥脱水效果，并具有节能和简化工艺系统等技术特点。关键词 饱和蒸汽 压滤 干燥板1 引 言传统固液分离操作可严格分为机械过滤分离和热力干燥分离，机械过滤为利用机械能实现细粒物料悬浮液固液分离广泛而有效的分离作业，具有效率高和运行费用低等特点，但理论与实践证明，机械方法脱除细粒物料外在水分存在一脱水极限，使生产技术常常在机械过滤分离后还需再进行热力干燥去湿分离作业，热力干燥是利用热能将物料中湿分从液相转

2、变成汽相予以分离的操作，可在机械过滤分离基础上实现深度固液分离。本文所述蒸汽压滤脱水操作则不能遵从固液分离传统的分类，而是机械过滤和热力干燥相交叉的复合脱水工艺，将蒸汽压力脱水应用于常规压滤机上，在单一设备上连续完成结饼、机械挤压和蒸汽压滤脱水的全过程。机械脱水与汽化干燥在滤饼物料充水毛细管内同时发生，它的显著特点是无需外部介质（如压缩空气或蒸汽）与物料接触，蒸汽压力的产生仅仅是所需热能直接传导作用于滤饼内部液体发生的汽化反应。研究表明，该项技术可省去机械过滤后续的热力干燥作业，具有节能、高效和环保等技术优势，是传统固液分离领域一次挑战性创新。机械压滤状态 蒸汽压滤状态 图1 蒸汽压滤脱水原理

3、a悬浮液 b滤液 c压缩空气 d热介质 e滤饼 1凹腔滤板 2干燥板 3挤压隔膜 4过滤介质2 原 理蒸汽压滤脱水将机械过滤与热力干燥组合于同一过程完成，由形成饱和滤饼的机械压滤阶段和滤饼蒸汽压滤阶段构成，将其应用于隔膜式压滤机上，可在单一设备上连续实现悬浮液的过滤、结饼、机械挤压和蒸汽压滤脱水的全过程。图1为蒸汽压滤脱水原理图，在隔膜压滤机双面挤压隔膜滤板中间加入干燥板，将传统的过滤室一分为二，待滤室内完成悬浮液过滤和结饼过程后，进入隔膜挤压状态的同时，干燥板内通入热介质（如蒸汽），将干燥板加热，靠近干燥板的滤饼毛细管水开始传导受热而蒸发，所变成的蒸汽急剧膨胀，驱使距干燥板较远毛细管水涌出滤

4、饼表面，其脱水机理可用自然界热喷泉现象加以解释，图2表示出一充满水的地缝，水流至深层接触热岩受热后蒸发，并急剧膨胀，驱动地缝内上部的水涌出地表面，形成所谓的热喷泉。蒸汽压滤脱水的技术特点：可在单一设备上实现悬浮液过滤和干燥功能，达到热力干燥的脱水效果；达到同样的干燥脱水效果，仅需将其中部分水分汽化，其余水分靠自身产生的蒸汽压力予以脱除，而常规干燥脱水需将全部欲脱除水分汽化，因此，可以节省干燥所需的热能；控制滤饼物料毛细管水负压汽化，使水的饱和蒸汽温度低于大气条件下水的沸点温度，水分的汽化速度得以加快，能够提高作业效率。图2热喷泉示意蒸汽压滤原理 图4 饱和度与时间关系3 脱水动力学3.1 脱水

5、面的形成图3为蒸汽压滤脱水系统，在完成机械压滤阶段后，保持机械挤压状态，向干燥板内通入热量进入蒸汽压滤阶段，借鉴自然界热喷泉效应，滤室内形成的滤饼视作土壤，滤饼内部的毛细管视作地缝，干燥板视作热岩，随着干燥板的加热，饱和滤饼毛细管水开始传导受热升温而蒸发，所产生的蒸汽压力推动上部毛细“水柱”自毛细管排除，饱和滤饼和蒸汽层之间的分界面，谓之脱水峰面X(t)，并随时间自下向上移动，如果脱水峰面上升至过滤介质处，则饱和蒸汽将穿过滤介质而与外界压力相平衡，但同时饱和蒸汽继续受热会转变成过热蒸汽，并在二者之间产生第二个分界面，即干燥峰面Y(t)，图3示出某一时刻两个峰面均已离开干燥板的情况。控制两个峰面

6、的移动速度和时间即可决定滤饼物料的脱水程度。与气压差脱水相比，该操作不会因毛细管径大小不一而使脱水峰面X(t)呈现“峰谷现象”，也就是说，如果较粗毛细管的饱和蒸汽由于毛细压力较小而超前进入饱和滤饼，则因饱和滤饼温度比较低，会将抢先到达的饱和蒸汽冷凝而将其峰尖削平，使脱水峰面X(t)变得平坦，从而避免饱和蒸汽在局部过早穿透过滤介质。但如果滤饼物料有裂隙，饱和蒸汽就会自裂隙处泄出，正常的蒸汽压滤脱水就难以进行，因此，蒸汽压滤阶段有必要保持在机械挤压状态下进行。图3 蒸汽压滤系统图1空压机 2风包 3汽水分离器 4真空泵5滤板 6挤压隔膜 7过滤介质 8干燥板3.2 蒸汽压力与饱和温度滤饼物料含有丰

7、富的毛细管，毛细管水的表面张力使水分与物料形成一定的机械结合力，其中，大毛细管水分的结合力很弱，它的存在与纯水相似，在任何温度下水分的蒸汽压等于纯水同温度下的饱和蒸汽压，水分可以自然蒸发；而微毛细管水分在微毛细管内形成凹形弯月面，与微毛细管壁有很强的结合力，其液面的饱和蒸汽压力低于同温度下水的饱和蒸汽压，空气中的水分还会在此微毛细管内发生凝结，毛细管径越小，其饱和蒸汽压越低，毛细管水越难以挤压和蒸发排除，实验表明，半径小于10-610-7m的毛细管具有微毛细管的特征。如图3，实现饱和滤饼内部分毛细管水蒸发产生的蒸汽推动上部毛细“液柱”穿过过滤介质，必须将毛细管水温度加热至所产生的蒸汽压力高于毛

8、细管口的压力，即PsP0PP04COS/D式中：Ps 毛细管水饱和蒸汽压力，MPa； P 毛细管水毛细压力，MPa； P0 毛细管口即过滤介质外侧压力，MPa； 水的毛细张力，kN/m； 水的接触角，°； D 毛细管直径，m；对水蒸气而言，饱和蒸汽压Ps与相应的饱和温度ts遵从一定的实验规律，可查相关的对照表或参照经验公式ts178.70.6 Ps，据此判定，可以通过控制干燥板的加热温度获取过滤推动力，实现蒸汽压滤作业；毛细管水毛细压力P主要取决于毛细管径与物料粒度和机械挤压压力有关；过滤介质外侧压力P0一般为大气压力，但实际操作可利用真空泵将过滤介质与挤压隔膜之间的空间抽成负压，以

9、减小所需的过滤蒸汽压力Ps。3.3 饱和度与时间关系所谓饱和度为物料内部液体的体积与其孔隙体积之比，如图4所示，蒸汽压滤的初始总是处于滤饼的饱和状态（即S=1），干燥板自时间t=0开始通热，将干燥板和靠近干燥板的滤饼加热，直到时间t0靠近干燥板的滤饼毛细水开始蒸发前都处于饱和状态，时间t1为第一个“毛细水柱”被推过过滤介质即脱水峰面X(t)离开干燥板时刻，此时饱和度迅速下降；时间t2为饱和蒸汽穿透过滤介质即脱水峰面X(t) 通过过滤介质时刻，蒸汽的排除导致饱和度的进一步下降；时间t3为过热蒸汽产生即干燥峰面Y(t)离开干燥板时刻，直到时间t4干燥峰面Y(t)通过过滤介质结束，实际操作可根据要求

10、控制在不同过滤阶段。 4 应用展望 目前，过滤分离产品可以说商机无限，世界过滤产品销售额达171亿美元，我国为30亿元，占比例不到3%，涉及化工、环保和能源等行业，蒸汽压滤技术即可对现有机械过滤作业进行升级改造，又可作为悬浮液固液分离变革性新技术，推广应用前景广阔。5 结语蒸汽压滤脱水可在同一过滤设备上强化细粒物料脱水达到热力干燥效果，其脱水机理区别于传统的过滤加干燥工艺，具有节能和工艺系统简单等技术特点。主要参考文献：1 周明远. 浮选精煤热压过滤脱水机理的研究, 煤炭学报, 1999,24(1)2 糜正喻等, 红外辐射加热干燥原理与应用, 北京: 机械工业出版社, 19963 V. Kor

11、ger, W. Stahl. Vapour Pressure Dewatering - A new Technique in the Field of Solid-Liquid-Separation,AUFBEREITUNGS-TECHNUK, 1993, 11（34）4 U. Peuker, W. stahl etc. Operation of a Pilot Steam Pressure Filtration Plant for Mineral Products, AUFBEREITUNGS-TECHNUK, 1999, 11（40）Study on Vaporization Pressure Filtration DewateringAbstractThis paper introduces the principle and the dynamics of vaporization pressure filtration dewatering, points that it can realize the effect of thermal drying within one single apparatus, comparing with the conventional process of filtration