智能化多元素螯合物过滤提取装置的研制与应用

Development and Application of Intelligent Multi-Element Chelate Filtration and Extraction Device

申颖亮 Yingliang SHEN

玉田县职业技术教育中心河北玉田 064100 Yutian Vocational and Technical Education Center, Yutian, Hebei 064100, China

摘要：

针对板框压滤机对多元素螯合物进行过滤提取时不能连续作业、给料口容易堵塞、产能较低且滤布破损率高等问题，通过增设智能化控制系统和可真空吸附净化分离的智能化多元素螯合物过滤提取装置，实现了多元素螯合物过滤提取的连续作业及投料量和故障报警等的自动控制。实际运行结果表明，智能化多元素螯合物过滤提取装置具有分离效果好、劳动强度低、操作危险性小、运行安全、作业效率高等优点。

关键词：

固液分离; 多元素螯合物; 板框压滤机; 过滤; 提取; 应用;

Abstract：

In connection with the problem of filtering and extracting multi-element chelate by the plate and frame filter press, such as the inability to operate continuously, the feeding port is easy to be blocked, the production capacity is low, and the filter cloth breakage rate is high, etc. Through the addition of intelligent control system and the intelligent multi-element chelate filtration and extraction device that can be vacuum-adsorbed, purified and separated, the continuous operation of multi-element chelate filtration and extraction and the automatic control of feeding amount and fault alarm are realized. The actual operation results show that the intelligent multi-element chelate filter and extraction device has the advantages of good separation effect, low labor intensity, low operation risk, safe operation, and high work efficiency.

Keyword：

solid-liquid separation; multi-element chelate; plate and frame filter press; filtration; extraction; application;

1 传统板框压滤机的缺陷

近年来，因化肥施用量过大，在肥料施用过程中氮、磷、钾比例不合理，施肥方法不当等原因造成肥料利用率低、农田土壤面源污染等问题越来越严重，因此研发新型高效肥料在提高肥料利用率、减少农业面源污染和发展高效可持续农业等方面具有重要意义。新型多元素螯合肥料是以氮、磷、钾三大元素为基础，通过添加螯合态中微量元素，形成稳定的水溶性有机-无机螯合物，不易被土壤固定，可减轻营养元素间的拮抗作用，使作物对养分的吸收和肥料中养分的释放同步，从而达到提高肥料利用效率、减轻环境污染的目的。

多元素螯合肥料中添加的多元素螯合物(螯合态中微量元素)在制备过程中多以液态方式进行螯合反应，螯合反应完成后进行固液分离，提取高纯度、高含量的螯合态中微量元素液体，其生产流程见图 1。

图 1

多元素螯合物的制取和提纯流程

在多元素螯合物干湿分离中，特别是对于多数含水率较大的物料，通常采用板框压滤机进行固液分离，其基本原理：混合液流经过滤介质(滤布)，固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成滤饼，液体则透过滤布，成为不含固体的清液；随着过滤的进行，滤饼厚度逐渐增加，过滤阻力增大；过滤时间越长，分离能力越差，饼渣内液体量越大。

板框压滤机的缺陷：板框压滤机是一种间歇性操作的固液分离设备，每次作业结束后，需要人工清理滤网中的饼渣，费时费工，不能实现连续作业；板框压滤机的滤框给料口容易堵塞，滤饼不易取出，处理量小，工作效率低；钢材、铝材等普通材质方板不耐压，易变形破损，滤布消耗大，板框很难做到无人值守，滤布常需要人工清理等。

2 智能化多元素螯合物过滤提取装置的设计

基于当前板框压滤机固液分离存在的技术缺陷，本设计方案的主要特点是通过智能化控制，实现过滤产品的连续作业；利用真空吸入原理，减少动力能源消耗70%；双层滤网设计，底层为不锈钢制作的固定式滤网，上层为可更换的尼龙滤网，经久耐用。该装置具有过滤产品范围广的特点，对于滤饼压缩性大或近于不可压缩的悬浮液都能适用，操作压力一般为0.3~1 MPa，特殊的可达3 MPa以上。智能化多元素螯合物过滤提取装置的示意见图 2，清理系统连接示意见图 3。

图 2

智能化多元素螯合物过滤提取装置示意

图 3

智能化多元素螯合物过滤提取装置清理系统连接示意

2.1 主要构成部件及参数

(1) 智能化多元素螯合物过滤提取装置采用不锈钢过滤网为机底，与不锈钢过滤网连接的机身采用不锈钢型材通过螺栓锁紧连接，机底采用焊接方式与过滤分离机机身固定连接。不锈钢过滤网上铺设一层尼龙过滤网，孔径为13~15 μm，具有极高的耐酸碱性、耐腐蚀性，阻力低，可反复清洗，经济实用、性价比高，过滤产品范围广。不锈钢过滤网为固定式，采用厚度5~10 mm的不锈钢制作，孔径为120.5~178.0 μm。

(2) 供料罐通过钢丝橡胶软管与循环泵、供料喷头连接。循环泵电路与计算机相连，控制投料时间及投料量。与循环泵连接的钢丝橡胶软管能够往复移动连续供料，节省了时间，提高了效率。供料喷头出口采用长方形结构，连接在能够前后、左右移动的移动架上，并设有动力装置，两侧设有供料喷头到位自动回车控制器，以实现连续、往复式自动给料；另外，供料喷头的左右移动架与前后移动架相连，前后移动架一侧设有能够控制前后移动的电机，电机通过控制电路与计算机相连，两侧设有回车控制器。

(3) 储液罐通过钢丝橡胶软管与漏斗连接，一侧与真空泵连接，其上设有压力调节阀，以保持储液罐内的压力恒定不变，下方设有出料口，出料口上设有转换阀门。漏斗材质为不锈钢，采用焊接的方式组合成梯形结构，中心设有直径为8~10 cm的圆管出料口，通过转换阀门与钢丝橡胶软管连接。真空泵通过电路与计算机控制器相连，采用真空吸附分离，不仅减少了压滤的能耗，而且过滤后滤饼中水的质量分数低于10%，分离效果更好。

(4) 刮板器通过齿条与传动装置连接，齿条具有承载力大、精度高、耐用、低噪声、能够往复运动的特点。传动装置采用变速往复式电机，与集成控制电路和计算机连接。传动装置上设有料层厚度检测器，当滤饼厚度达到3 cm时，监测系统向计算机系统发出指令，暂停供料5~10 s，同时向刮板器传动系统发出指令进行滤饼清理，清理出的滤饼从过滤分离机一端出料口导出。

2.2 工作方式

首先启动真空泵，待压力达到0.3 MPa时启动供料系统，供料系统通过循环泵进行往复循环持续供料，供料喷头在前后移动架和左右移动架上自由移动。随着真空泵吸附压力的增大，物料中的液体与固体通过滤网进行分离，液体存储至储液罐中。当滤饼厚度达到3 cm时，料层厚度监测系统向供料系统发出指令，暂停供料5~10 s，同时向刮板器传动系统发出指令，刮板器沿齿条往复运动进行滤饼清理，清理出的滤饼从过滤分离机一端出料口导出。

3 应用效果

按照设计方案，2020年研制生产了智能化多元素螯合物过滤提取装置试验样机1台，并在多元素液体肥料生产中试应用。实践表明，与常规板框压滤机相比，智能化多元素螯合物过滤提取装置单班(12 h)节约劳动力投入1.5人，班产能由33 t提高至42 t，吨产品节电35.8 kW ·h，吨固液分离成本下降150元，年节本增效300多万元。

智能化多元素螯合物过滤提取装置具有如下优点。

(1) 结构较简单，操作容易，运行稳定，保养方便，对物料稀稠度适应性强。

(2) 机架结构采用不锈钢型材焊接、螺栓连接方式，使整体强度增加，拆卸、安装、维修方便。

(3) 供料管路可往复移动连续供料，节省了时间，提高了效率。

(4) 自动化间歇刮板式清理滤饼，不仅节省了劳动力的投入，而且减轻了操作人员的劳动强度。

(5) 真空泵吸附分离，不仅减少了压滤的能源浪费，而且过滤后滤饼中水的质量分数低于10%，分离效果好。

(6) 通过计算机程序控制给料时间、给料速率以及给料喷头左右、前后运行速率；通过料层厚度监测器指令，控制给料启停、刮板器启停；依据给料情况，自动控制调节真空泵的工作压力始终保持为吸净物料水分的标准压力；同时在作业频率、投料量、故障报警等方面实施自动控制，降低了操作人员的操作风险和劳动强度，保证了系统的运行安全与高效作业。