耐腐蚀结构过滤洗涤干燥三合一机的研究及开发

过志昌 过常乐

（上海迅昌化工装备技术研究所）（美国匹兹堡大学机械工程学院)

1 过滤洗涤干燥三合一机的发明及其主要优点

众所周知，反应、萃取、蒸发、浓缩、结晶、过滤、洗涤、干燥是化工、医药、食品等行业十分重要的单元操作，一般要有反应釜、蒸发器、结晶机、过滤机、干燥机等多种设备来完成。这些设备分别都有各自的配套装置，因而占地面积大、造价贵。此外，单元与单元间物料的搬运或输送也较困难，不但劳动强度大，还易造成物料的走失和浪费。对易燃易爆、有毒或剧毒的物料，或不允许有污染的生物制品、药品、食品等，要求密闭操作，这时反应、过滤、干燥等各单元操作设备间物料的输送难度就更高，有时常常会因此而导致整套装置处于不能完全正常操作的状态。此外，还存在劳动强度大、生产周期长、能耗大、效率低以及影响产品质量等许多问题。

针对上述情况，瑞士、日本和美国都研发出了平板式过滤洗涤干燥多功能机。中国目前也有多家企业能生产这种设备 （见图1），且技术渐趋成熟。这种多功能机的主要优点如下：

（1）可在一台机内完成过滤、洗涤、干燥等多种操作，一机多用。

（2）密闭操作，特别适合处理易燃、易爆、有毒或剧毒的危险产品以及不允许有污染的鲜美食品、生物制品和药品等。

（3）从进料到产品排出，全部过程在一台机内完成，工艺流程大大缩短，设备数量大大减少，从而使厂房和设备及工艺管道、阀门等的投资大大节省。

图1 过滤洗涤干燥三合一机

（4）具有特殊的搅拌结构和液压升降装置，既可使搅拌装置对物料进行充分、高效的搅拌，同时又可节省搅拌功率。

（5）由于该机底部为一平板式过滤装置，因而可彻底滤干物料，这有利于降低干燥成本，减少洗涤用水。

（6）该机能反复多次进行自动搅拌和再浆洗涤，且洗涤方便，洗涤效果好。

正因为具有上述诸多优点，该机受到了很多用户青睐，在我国许多行业的生产工艺中得到越来越广泛的应用。

2 过滤洗涤干燥三合一机存在的缺点

平板式过滤洗涤干燥机虽有上述诸多优点，但它仍存在如下缺点：

（1）首先该机为平板式过滤结构，因而其单机的过滤面积不可能做得很大，这对于难过滤的物料和需要较大过滤面积完成较大过滤物料量的场合，就显得不是很适用。例如，直径为3000 mm的平板式过滤机，尽管这一过滤机的外形尺寸已是很大了，但其过滤面积也只有7 m2。

（2）医药、化工生产中经常会碰到稀硫酸、盐酸、氢氟酸、王水、氯离子等物料的过滤。对这些物料，常用的304、321、316L等不锈钢并不能使用，甚至双相不锈钢、钛合金及蒙乃尔合金等也都不行，必须采用哈氏合金才行。但哈氏合金价格昂贵，其价格一般是普通不锈钢的20～30倍，很多企业难以承受。

（3）平板式过滤机在干燥时，只有过滤平板上部的圆筒体夹套对物料进行加热，其加热面积非常有限，因而干燥效率较低。近年来，虽研发出了空心轴和空心搅拌桨结构对物料进行加热，增大了加热面积，但空心轴和空心搅拌桨的加热面积仍是有限的，对干燥效率的提高并不是很多。当设置底部加热时，由于底部有过滤网和滤液出口通道相隔，也大大影响了传热效果。

（4）由于该机底部为平板式过滤结构，搅拌桨与平板式过滤结构的上表面不可能接触，两者之间有一定的间隙，以免刮坏滤布或滤网。这样在完成干燥后出料时，在过滤平板上方会残留一层料，即出料不是很干净，这对于药品等不能混批操作的物料就不是很合适。

3 过滤洗涤干燥三合一机的耐腐蚀结构

平板式过滤洗涤干燥机虽有上述一些缺点，但这些缺点都是可以通过设备结构的改进加以克服的。如对于过滤面积相对较小的问题，我们设计出了筒体过滤型过滤洗涤干燥三合一机，并申请了发明专利。该机在其圆筒体的整个圆周上设置了圆周形过滤装置，使得同样大小的设备其过滤面积大大提高。

以DN2000的平板式过滤洗涤机为例，其底盘的过滤面积为3 m2，如在侧面筒体上再增加500 mm高的过滤面积，其过滤面积增加量就达到了3.14 m2，因此其总的过滤面积就是原来的2倍多；如增加1000 mm高的过滤面积，则总的过滤面积就是原来的3倍多。所以通过我们的这项发明专利，过滤面积问题得到了很好的解决。

该机在加热过程中热效率低的问题，主要是由其本身结构决定的。该机不适用于非常难干燥的物料，一般只能用于低沸点溶剂类物料的干燥。在很多情况下，该机仅仅是用于对物料的过滤和洗涤，而干燥则采用热效率较高的干燥机来完成。

对于过滤网上面有物料残留的问题，一般在连续使用工况下是没有大问题的，而对于原料药等不能混批操作的情况，则可通过过滤底盘的液压升降和由快开结构打开过滤底盘进行清洗来解决，或通过清洗液在搅拌系统的搅拌下进行密闭清洗来解决。

对于本机耐腐蚀结构的设计和研发则比上述几点更重要，因为医药化工、石油化工和精细化工等行业的生产中经常会碰到稀硫酸、盐酸、氢氟酸、王水、氯离子等物料的过滤洗涤干燥等问题，而碰到这些物料总不能都采用哈氏合金等贵金属材料。所以我们在这方面做了大量的设计研发工作，研究出了较合理的耐腐蚀结构，既解决了很多强腐蚀介质的过滤洗涤问题，同时在价格上也能让用户接受。

平板式过滤洗涤干燥三合一机主要由承压罐体系统、液压升降过滤底盘系统、液压升降变频调速搅拌系统、液压自动启闭式滤饼排出系统、搅拌轴封系统、喷淋清洗系统等组成 （见图2）。该机中除搅拌变频驱动系统外，其它系统均存在耐腐蚀结构的研发问题。

图2 平板式过滤洗涤干燥三合一机结构

4 承压罐体系统的耐腐蚀结构

承压罐体是平板式过滤洗涤干燥三合一机的主体之一，其顶部为椭圆封头，中部为圆筒体和夹套，下部为大法兰、过滤装置密封法兰、工艺管口和液压升降搅拌支承系统。当遇到稀硫酸、盐酸、氢氟酸、王水、氯离子等物料的过滤洗涤时，可以根据物料温度的不同及各种酸性物料的酸浓度选择耐腐蚀材料进行滚涂或喷涂。例如，滚涂可选用聚乙烯或PO，喷涂可选用聚四氟乙烯 （PTFE或4F）、四氟乙烯和全氟烷基乙烯基醚之共聚物（PFA）、四氟乙烯和六氟丙烯聚合物 （FEP或4-6F）、四氟乙烯和乙烯共聚物 （ETFE或F40）、聚偏三氟化烯 （PVDF，亦称PVF2或F2）、三氟氯乙烯和乙烯的共聚物 （ECTFE，亦称3F或HALAR），也可采用内衬橡胶或聚四氟乙烯等方法。

在很多精细化工和医药中间体产品的生产中，物料中除含有硫酸、盐酸、氢氟酸、氯离子等外，往往还含有各种各样的有机溶剂，很多有机溶剂能使聚丙烯、聚乙烯或PO及橡胶等产生溶胀或溶解，因而无法使用，这时必须采用聚四氟乙烯系列的材料。

另外，聚乙烯或PO及橡胶等在一定温度下长期使用易老化、变硬变脆，因而这些材料不宜用于某些有机溶剂及具有较高温度的物料的过滤洗涤。

聚四氟乙烯 （polytetrafluoroetylene)，简称Teflon或PTFE、F4，一般称作 “不粘涂层”，是一种使用氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸、抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯还具有耐高温的特点，PTFE（聚四氟乙烯）不粘涂料可以在200℃下连续使用，最高使用温度可达290～300℃。PTFE还具有极低的摩擦系数、良好的耐磨性以及极好的化学稳定性等特性。

PTFE、 PFA、 FEP、 ETFE、 ECTFE （ 即HALAR）等产品均具有很好的不粘性、耐热性、滑动性、抗湿性、耐磨损性和耐腐蚀性，可以根据平板式过滤洗涤干燥三合一机的工艺条件和使用工况进行经济合理的选择。

特氟龙 （ETFE或F40）等上述涂层材料可以应用在碳钢、不锈钢、铝、铜和镁以及各种合金等金属材质上，且具有较长的使用寿命。

平板式过滤洗涤干燥三合一机的承压罐体系统一般采用碳钢材料，制造后进行喷涂即可，除所有的焊接结构或焊缝要圆滑过渡外，其它无很大难度。在价格上，使用涂层或衬里要比钛合金便宜得多。钛合金由于不能和碳钢或不锈钢焊接，因而其加工较困难和复杂，且对于酸类物料 （如不同浓度的硫酸和盐酸等）钛合金也无法使用，这就更显示出喷涂或内衬特氟龙等的优越性。同理，采用喷涂或衬里与哈氏合金相比，其经济性更加明显。

5 液压升降过滤底盘系统的耐腐蚀结构

液压升降过滤底盘系统是平板式过滤洗涤干燥三合一机最复杂的部分，其零部件包括承压外圆筒、复合型井字结构承压框架、滤液收集法兰、滤液收集室、过滤孔板、过滤孔板支撑框架、过滤介质、过滤介质压板、螺栓螺母、底部封板、承压大法兰、底部加热系统、底部滤液收集系统、液压连接系统、过滤底盘液压脱卸支承系统等。这部分结构不仅较复杂，且大部分零部件及主要结构都要和物料接触，因此这也是该机耐腐蚀结构中最难处理的部分。

对于浓度10%以下的稀硫酸、5%以下的盐酸及氯离子含量较高的很多物料，当温度较低时，上述与物料接触部分的零部件可直接用钛合金制作。但钛合金有一个很大的缺点，就是它不能和碳钢或不锈钢进行焊接连接。若要连接可靠，必须用全钛材料制作，这就造成造价非常贵。过滤底盘是承压部件，其承受的质量一般从几十吨到几百吨。以直径2 m、设备内受压0.6 MPa计算，底盘上受到的压力为1.8×106N （质量为180 t），这么高的压力就需要过滤底盘有足够的强度。在这种情况下如用全钛材制作，造价会很高，特别是很多零部件是锻件，制造时材料浪费较大。此外，温度超过50℃时，钛合金也不能用。

为了保证过滤底盘能承受较高的压力，保证足够的强度，我们根据物料的腐蚀情况，开发出了几种喷涂或内衬聚乙烯、PO、聚四氟乙烯、哈勒等耐腐蚀结构的过滤底盘，获得了良好的使用效果，使用时间最长的至今已五年多，使用情况良好。

当然，衬里或喷涂结构的过滤底盘，需要解决很多结构上的问题，以使其结构适合于喷涂或衬里。就是一个小小的压紧螺钉也会带来很多要考虑和处理的问题，必须要保证每一个结构都是十分可靠的。

蒙乃尔合金和哈氏合金是可以直接和碳钢或不锈钢进行焊接连接的，且它们对硫酸、氯离子或盐酸等具有较好的耐腐蚀性能，特别是哈氏合金，几乎对所有的物料耐腐蚀性能都很好。但这些材料与喷涂或内衬聚乙烯、PO、聚四氟乙烯、哈勒等相比，在价格上要高很多，所以只能在非用不可的情况下才会去使用。这里必须指出，如使用喷涂或内衬聚乙烯、PO或橡胶，则价格会很便宜。

6 液压升降变频调速搅拌系统的耐腐蚀结构

液压升降变频调速搅拌系统是平板式过滤洗涤干燥三合一机的心脏，它主要由驱动电机、减速机、液压升降搅拌轴、液压升降离心叶轮式搅拌桨、空心轴空心搅拌桨内加热系统等组成。由于搅拌轴、搅拌桨不但有旋转运动，而且还有液压升降上下轴向运动，除了在搅拌时与物料悬浮液和滤饼等有摩擦运动外，特别是搅拌轴的旋转和升降与轴密封装置之间也有摩擦运动，零部件磨损较大，因而不适合采用聚四氟乙烯、哈勒等喷涂或衬里结构。根据物料的腐蚀情况，可以直接用钛合金、蒙乃尔合金或哈氏合金制作。但由于搅拌轴和搅拌桨承受的搅拌扭矩和搅拌功率很大，因而搅拌轴的结构尺寸较大。如采用空心轴或空心搅拌桨，其壁厚也很厚。像这样的材料或零部件往往很难买到，如能买到，则价格也相当昂贵。这一问题可采用衬钛合金或哈氏合金的办法来解决。由于衬里厚度只有3～6 mm，因而总的造价还能接受。当然衬钛合金会比衬哈氏合金便宜较多，但由于钛合金不能和碳钢或不锈钢进行焊接连接，要用螺栓固定或塞焊等结构，制作时其结构较复杂。此外，钛材与碳钢或不锈钢之间的贴合性较差，使用时间较长时钛合金衬里结构易损坏。现在用得最成熟可靠的液压升降变频调速搅拌系统是使用碳钢或不锈钢制作的，并衬有哈氏合金。

7 液压自动启闭式滤饼排出系统的耐腐蚀结构

液压自动启闭式滤饼排出系统主要用于过滤洗涤后滤饼的自动排出或过滤洗涤干燥后成品的自动排出。它主要由液压自动顶紧及开启装置、自动顶紧压盖、压紧密封机构、压紧密封圆筒、圆筒体与设备筒体连接法兰、圆筒体外法兰及密封平盖和快开机构等组成。由于其结构较复杂、锻件较多，考虑耐腐蚀结构时，如直接用钛合金或哈氏合金等制作，其造价也很贵，因而这部分的结构一般也考虑采用喷涂或内衬聚乙烯、PO、聚四氟乙烯、哈勒等耐腐蚀材料。采取这一方法，实际使用效果很不错。特别是喷涂或内衬聚四氟乙烯或哈勒，其使用寿命更长。几年后若发生损坏等现象，可直接拆下进行重新喷涂。造价用户也可以接受。

8 搅拌轴封系统的耐腐蚀结构

由于搅拌轴要进行液压升降，因而不但有旋转运动，而且还有上下轴向运动，这对密封结构就提出了很高的要求。搅拌轴密封最可靠的结构是采用特殊的带滚动轴承结构的双端面机械密封，再配上伸缩结构的波纹管，两者组合后密封较好。但这时双端面机械密封和波纹管都必须直接用钛合金或哈氏合金等制造，造价也很贵。由于搅拌轴的搅拌功率一般都比较大，因而一般哈氏合金的滚动轴承结构的双端面机械密封价格每一个要30万元左右，一个哈氏合金的波纹管也要十几万元，价格是相当昂贵的，只有在处理易燃易爆、有毒或剧毒等物料的重要场合才会去考虑。

我们在考虑这种耐腐蚀结构的轴封时，设计出了喷涂哈勒或特氟龙的双层填料密封加活塞环组合结构的轴封。这种结构的轴封对搅拌轴提出了较高的要求。由于轴的旋转运动和上下轴向运动造成了轴与填料和活塞环摩擦，因而在轴上必须用哈氏合金等材料进行可靠的衬里，并进行金加工。只要保证加工精度和同心度，这种结构的轴封就会获得良好的使用效果。此外，这种结构的轴封造价也不贵。

9 喷淋清洗系统的耐腐蚀结构

喷淋清洗系统与其它系统相比相对较简单一些，主要是在顶部设置盘管。盘管上开有很多小的喷淋孔，用于进行喷洒。要保证设备内所有的内壁和物料上都能喷到清洗液体。洗涤物料时洗涤液也是从喷淋装置上进行喷洒的。由于盘管喷淋结构喷洒的效果不是很理想，一般要在盘管的基础上再在盘管的圆周方向均布几个喷头进行喷淋。当然也可以在设备顶部开孔，直接接入几个接管和喷头进行喷淋。

由于盘管或接管等用材不是很多，且在上面要连接螺纹等结构，所以根据耐腐蚀要求，一般直接用钛合金或哈氏合金等制作。喷头若直接采用哈氏合金等制作，其价格较高。可采用聚四氟乙烯等材料的喷头，这样价格要便宜得多，而且喷头的更换也较方便。

10 结论

本文就耐腐蚀结构的过滤洗涤干燥三合一机的研究和开发进行了详细论述，下面做一归纳作为结论。

（1）在医药、化工、石油化工、精细化工、食品、冶金、矿山等很多行业的产品生产中，都会碰到硫酸、盐酸等物料的过滤、洗涤和干燥等问题，因而耐腐蚀结构平板式过滤洗涤干燥三合一机的研发和生产非常重要。

（2）根据物料的腐蚀性质，很多情况下可以考虑使用钛材。但钛材价格较贵，使用钛复合板加工会便宜一点。由于过滤洗涤干燥三合一机的结构很复杂，且钛合金无法和碳钢或不锈钢焊接，因而衬里结构会很复杂，加工也会很困难，长期使用对设备的可靠性也会带来一定的影响。所以一般情况下，建议壳体部分采用钛复合板加工，而其它部分则不宜采用衬钛结构。

（3）当遇到稀硫酸、氢氟酸、盐酸等物料并具有一定温度时，在很多情况下钛合金无法使用，要用蒙乃尔合金或哈氏合金才行，这样设备的造价会很贵。因此，可根据温度、压力等条件选择滚涂聚乙烯或PO，也可喷涂或内衬聚四氟乙烯 （PTFE或4F）、三氟氯乙烯和乙烯的共聚物 （ECTFE，亦称3F或HALAR）等材料。应该指出，搅拌轴和搅拌桨部分衬哈氏合金较好，可靠性较高，用户实际使用的效果确实也较好。

（4）在工业生产中很多物料不但含有稀硫酸、氢氟酸、盐酸等，同时还含有有机溶剂，这些有机溶剂会使聚丙烯、聚乙烯或PO等溶解或溶胀而产生破坏，这样这些耐腐蚀材料就不能选用。当物料有一定温度时，如物料温度在90℃或以上时，一般也不宜采用聚丙烯、聚乙烯或PO等材料进行喷涂或内衬，即使温度在90℃以下，虽勉强可以使用，但时间长了比较容易老化。所以，在这种情况下，一般喷涂或内衬聚四氟乙烯或哈勒等材料比较好，使用寿命较长，即使损坏也可以修补或重新喷涂。

（5）在很多情况下，可根据设备结构采用喷涂、内衬和哈氏合金衬里等组合防腐蚀措施，这样更合理，价格也能让用户接受。

（6）采用喷涂或内衬聚四氟乙烯或哈勒等材料后，设备整体的导热系数会有所降低，从而影响干燥效率。喷涂特氟龙对传热性能的影响相对会小一点，而衬聚四氟乙烯则对传热性能的影响较大。建议喷涂或衬聚四氟乙烯、哈勒等的设备只用于过滤、洗涤和压干物料，而物料的干燥可在完成过滤洗涤并压干成滤饼后直接排到另外的干燥机内进行干燥。这时由于物料已经洗涤干净，干燥机只要采用普通的不锈钢设备就行了。