磨削液技术方案.doc

磨削液成套处理系统技术方案

目 录
1、 背景介绍
2、 技术特点
3、 系统设计参数
4、 工艺流程简述
5、 设备部件的主要技术参数及要求
6、 控制设计与过程检测
7、 膜元件的清洗和再生
8、 占地面积及设备高度
9、 陶瓷膜成套处理系统设备一览表
10、 项目方案主要优势

1、 背景介绍
在机械加工行业金属切削加工工艺中，由于加工方式及加工材料的不同，需选用切削冷却液去除金属切削过程中的产生的杂质与热量，保证金属切削加工过程的表面光洁度和加工精度。切削冷却液要求粘度小，油性好，清洗能力强，稳定性好，具有冷却散热和润滑的双重作用。切削冷却液在使用过程中，随着使用时间的延长，易发臭变质，需定时更换，特别是夏季，更换更加频繁，排放的废液不仅对周围环境造成污染，同时也造成了切削液中有用成份的浪费，故机械加工行业金属切削液的回收再利用是一个急需解决的老大难问题。无机陶瓷膜分离技术在油水分离方面的成功应用为解决这一问题提供了一个真正可行的方案。 
   采用无机陶瓷膜技术，经过一级预处理和二级膜处理，去除冷却液中的油污、机械杂质以及细菌，使其与原冷却液具有相同的理化性质，满足其使用功能，浓缩液回收集中处理。无机陶瓷膜分离技术利用筛分原理或溶解扩散原理，采用错流循环运行方式去除了切削液中的大部分油（特别是变质失效的油分）、铁屑及其它微生物、细菌，余下油性物质和大部分的表面活性剂保留于渗透液中，保证了回用切削液的防锈、润滑、散热作用。
2、 技术特点
膜分离作为一种高新技术，目前在人们生活及工业生产中等各个领域广泛得到应用，如化工、环保、食品饮料、、植物提取、生物制药、医疗卫生及工业水净化处理等方面。
无机陶瓷膜分离技术是基于多孔陶瓷介质的筛分效应而进行的物质分离技术，采用与传统“死端过滤”“滤饼过滤”等过滤方式截然不同的动态“错流过滤”方式：即在压力驱动下，原料液在膜管内侧膜层表面以一定的流速高速流动，小分子物质（液体）沿与之垂直方向透过微孔膜，大分子物质（或固体颗粒）被膜截留，使流体达到分离浓缩和提纯的目的。
建立于无机材料科学基础上的无机陶瓷膜具有有机分离膜所无法比拟的一些优点：化学稳定性好，耐有机溶剂，能抗微生物降解及腐蚀；对料液性质和运行环境条件无过多要求，并且对有机溶剂、腐蚀气体和微生物侵蚀表现良好的稳定性；机械强度高，耐高压，耐高温，具有良好的耐磨、耐冲刷性能，并且膜管不易变形；膜管通道分布均匀，孔径分布窄，分离性能好，渗透量大，可反复清洗再生，再生性能好，使用寿命长等特点。
l 分离精度高，透过液澄清透明，杂质含量少，可以直接回用做磨削冷却液。
无机陶瓷膜是在大孔径的支撑体表面涂覆上4～6微米厚的极薄的致密的微孔膜层复合而成，独特的膜层结构以及严格的高温烧结工艺，使得膜层的孔径分布很窄，绝对精度很高，保证了磨削液中大大小小的金属磨削颗粒物质无法轻易透过膜层，并且对细菌的截留率达99％以上。
l 改进的制膜材料，使得膜元件耐酸碱极佳，膜管使用寿命长
由于膜管及支撑体的材质都是TiO2，SiO2，ZrO2等无机材料烧结而成，使得
膜元件具有能防止各种有机溶剂的溶解，并且在构成材质都是过渡的非金属元素，使得膜元件具有很有的防酸、防碱腐蚀的功能，这些特殊的材质具备的性质从而使得膜元件使用的寿命大大的增强。
l 提高磨削液的杂质处理效果
由于膜过滤过程是动态的错流过滤过程，因此不可能像板框过滤、离心过滤过程一样滤液中金属磨削颗粒及细菌含量很高，从而使得磨削液得到充分地利用和回收，减少资源的浪费，同时降低环境污染程度及后期处理；并且滤渣还可以在后续过程中得到集中回收和进一步的处理。
l 膜孔径呈不对称分布，衰减慢，可维持高通量过滤
由于膜元件表面缠绕的膜层都是在烧结成型后，单层平整地缠绕在膜元件的支撑体上，从而使得膜层孔径分布在缠绕后形成不对称的膜层，以至于膜元件在正常运行中，膜元件通量可维持在高通量下运行且衰减十分缓慢。
l 膜元件强度高，耐磨性好
我们公司所采用的无机陶瓷膜元件都是采用高温烧制后，经过特殊的模具定型卷制而成，从来使得膜元件具有高强度性，且对膜内运行液体的冲刷具有很好的抗耐磨性能。
公司的成功工程经验
公司曾经与某切削刀具有限公司就车床切削液的深度处理及回收再利用事宜，达成了合作开发意见，在经我公司的陶瓷膜装置试验后，取得非常好的处理效果，并且我公司也就切削液深度处理这个项目成功申请了国家专利；在现场安装运行的无机陶瓷膜装置，自运行以来，一直都是稳定正常，得到了用户非常好的评价，也为用户解决了一直以来切削液处理的难题。
同时采用我们提供的清洗方案对膜组件设备进行清洗，膜元件再生后通量恢复到元始值的99％以上。
除了金属切削领域外，石油化工、食品加工、植物提取、超细粉体、药品深加工、油田回注水等应用领域均有手动、半自动、全自动的各种规格的无机陶瓷膜装置在全国范围内稳定运行。
3、 系统设计参数
3.1 设计依据
1） 处理液物性指标：
处理液名称： 磨削液
PH值： 9~10；
特性： 水溶性；
杂质含量： 含有异物、浮油、悬浮物、细菌等；
2) 处理量：
处理量： 250L/h；
3) 滤出液指标：
滤出液外观： 澄清；
处理目的： 去除磨削液中的浮油、金属颗粒、细菌等；
4) 要求设计的方案自动处理的成套装置、运行稳定、结构简单、操作方便、
节约现场布置空间；
5) 提供一套完整的交钥匙的成套陶瓷膜系统处理装置。
3.2选用陶瓷膜元件与组件外形技术参数
膜元件规格：膜管直径41mm，膜管长500mm，通道直径D=3.6mm，每根管的通道数为n=37（单根膜面积a=500*3.6*3.141592653*37≈0.209m2）；由于是水溶性磨削液处理，所以膜孔径选择为200nm，第一，客户需求的是便携式的磨削液成套处理系统，Ø41-37ch-500的膜管便于安装拆卸，而且也适合成套系统的其他设备安装及其整体美观性；第二，200nm孔径的膜管对于此类磨削液中的油份及细菌具有很好的过滤作用！
膜管面积：根据以往实验依据此类膜管平均膜通量为200L/(m2·h)，而单位时间的磨削液处理量为250L/h，则膜管面积为250/200=1.25㎡。
需要膜管总数量：n=1.25/0.209 ≈5.981（根），根据公司的实际情况及安装设计余量需要，设计取6根，采用2个标准膜组件，分别装填3根膜管，实际过滤面积：0.209m2*6=1.254m2。实际处理能力为：1.254*200/1000=250.8L/h。
膜元件外壳：三通道圆柱形支撑外壳，圆行通道，材质选用SUS316L不锈钢。
3.3清洗槽体积计算
清洗系统，鉴于客户要求结构简单、节约现场布置空间等要求，热水罐、酸、碱罐共用用一台；向陶瓷膜装置提供清洗剂，而膜装置及管路的容积在0.14m³左右；为了充分保证冲洗效果，清洗槽的体积为0.2m³。
3.4泵的性能及空压机的选择
循环泵：为了节约能耗及增加调控方式采用变频控制
Q=5*3600*37*3*3.14*(3.6/2000)²=20.327m³/h
H=15m+15m+2m+2m+2m=36m
N e=QHg=20.327*36*1150*9.8/(3600*1000)=2.29Kw
N=1.25 N e=1.25*2.29=2.86Kw
具体型号为：XA50/32，Q=24m3/h，H=36m，功率=5.5Kw，转速1450r/min。生产厂家：肯富来
空压机（依据对方的现场设备而定，如对方现场已有操作气源且工作压力在0.8Mpa左右，则空压机选型可以取消）：排气量：0.5m3/min工作压力：0.8Mpa。
3.5预处理段的计算及选择
虽然无机陶瓷膜操作强度高、耐磨性好，但一旦有大颗粒进入膜系统，由于架桥作用，大颗粒很容易堵塞膜通道，因此有必要在物料进入系统前将大颗粒拦截下来；并且磨削液里若含有大量的浮油，会在膜元件分布孔表面形成油膜，从而给膜组件的正常运行带来不必要的麻烦，增加了清洗的周期及其时间。所以我们选用了两套“U”型沉降槽作为磨削液进入膜组件的预处理，这样可以祛除待处理物料中的大部分细小杂物、磨削金属颗粒，并且也能除去磨削液中含有大量的浮油；同时我们提供了两套并联拦截粒径为0.5mm的“Y”型过滤器，以此来初步除去磨削液中含有较大直径的杂物，当其一套通过流量有所下降时，将其中的一套切换出来清洗，另外一套继续工作。
为了保证“U”型槽的除油、磨削金属颗粒的处理效果，两个“U”型槽的体积大小都在2m³左右，规格为：直端规格：0.8m×0.8m×1.5m，半圆柱端高的规格为：0.3m
由于磨削后的金属颗粒具有很大的板结性质，一旦在沉积板结后，就很难清除干净。所以，膜组件的循环槽与第二个“U”型槽共用，节约空间及投资的同时，减轻沉积的磨削金属颗粒处理难度；并且，分别在两个“U”型槽的底端添加两个小型轴式绞龙，以此来确保磨削液在静置过程中沉积的磨削金属颗粒处于流动状态，不会出现在沉寂后板结在设备表面上，从而增加处理的难度，流动状态的磨削金属颗粒，连续从底部排出进行集中再处理利用。
在第一个“U”型槽内部添加五块格栅，增加磨削金属颗粒沉积的效果，以及进一步除去在经“Y”型过滤器过滤后的磨削液中含有的杂物；在第一个“U”型槽的顶端，安装一个与格栅空间对应的六段连轴式刮油机，充分地去除磨削液中含有的废油，增加膜装置的处理能力及延长运行周期。
在第一个“U”型槽内部靠近出口处添加一块斜板式格栅，去除磨削液在经膜组件浓缩后累积出来的大颗粒磨削金属颗粒的同时，再一次保证进入膜组件的磨削液内不含有大颗粒金属颗粒。
4、 工艺流程说明
4.1简单工艺流程示意图：
无机陶瓷膜组件
除杂、除油
磨削液
渗透液再利用
浓缩液在处理
4.2简易工艺流程叙述：
收集集中后的磨削液经过“Y”型管道过滤器初步过滤掉烟头、抹布等直径比较大的杂物后再进入成套控制系统进行除杂、除菌、除油等深度处理。
过滤后的磨削液先进入第一个“U”型沉降槽，在格栅及其连轴式刮油机的作用下进行去除浮油及磨削金属颗粒隔离处理，磨削液在经初步沉降静置后，磨削液表面累积的浮油用刮油机刮出进行集中回收再处理利用；而在“U”型沉降槽的底端用圆柱形绞龙连续将沉淀下来的金属颗粒流动带出进行集中再处理利用，中间的初步清夜进入下一个程序。
上一程序过来的清夜进入第二个“U”沉降槽，进行第二次沉降磨削金属颗粒及其做膜装置的浓缩液收集槽之用；同样在“U”型沉降槽的底端用圆柱形绞龙连续将沉淀下来的金属颗粒流动带出进行集中再处理利用，中间的二次清夜在经过斜板式格栅过滤后进入下一个程序。
上一程序过来的清夜在经循环泵进行加压输送，先后从两套膜组件顶部进入形成串联操作，初步处理后的磨削液先后在膜组件内进行除杂、除菌处理；两套膜组件渗透出来的清夜集中回收后供磨削机床使用，膜组件的浓缩液返回到第二个“U”型沉降槽，进行浓缩液金属颗粒再次沉降处理。
4.3磨削液成套处理装置控制说明：
磨削液在进入第一个“U”沉降槽采用液位联动式控制系统控制磨削液的进入，即：槽内液位下降到下限后，自动开启磨削液进入的控制阀门，待槽内液位上升到上限后，自动关闭磨削液进入的控制阀门。（注：当集中收集后的待处理磨削液，用户采取直接加入到“U”型槽里面而并非输送泵输送时，第一个“U”沉降槽液位联动式控制系统，此时可以取消）
在初步过滤后的磨削液进入第二个“U”沉降槽仍是采用液位联动式控制系统控制磨削液的进入，即：槽内液位下降到下限后，自动开启磨削液进入的控制阀门，待槽内液位上升到上限后，自动关闭磨削液进入的控制阀门；待槽内的磨削液浓缩到最大浓缩倍数时，将槽内浓缩液体排出进行后期再处理，待浓缩液排完后，再通过自动控制系统补入初步粗过滤的磨削液进行下一次浓缩处理。
为防止膜组件在停机过程中，从顶端进入的浓缩液慢慢地积累在膜管表面上；并且为了简化简单停机过程中的清洗操作性，在两套膜组件的顶端进口处分别安装两个清水自动控制阀门，以此用来在简单的停机过程中，自动开启清水控制阀冲刷膜管表面，避免浓缩液积累在膜管表面之上而让金属粉末堵塞膜孔。
在两组膜组件上安装一套公司自行开发的“膜过滤瞬时脉冲反冲装置”获国家专利（专利号：ZL02224060.8），通过采用膜过滤反冲装置可在工艺上更有效地降低了膜污染，提高了膜通量，延长了设备的清洗周期，缩短清洗时间，减少了清洗剂和清水用量，清洗费用低。
4.4磨削液成套处理装置工艺流程图：

工艺流程图：
平面布置图：

5、 设备部件的主要技术参数及要求
1) 无机陶瓷膜组件：
膜面积
1.254m2
组件个数
两组件
组件排布组合方式
串联
材质
SUS316L不锈钢
密封件材质
EPDM
运行压力
0.12～0.15MPa
运行温度
50～65℃
2) 循环泵
型号
XA50/32
材质
与物料接触部分采用SUS316不锈钢
启动方式
变频启动
数量
1台
生产商
肯富来
3) 气动开关阀
阀门形式
蝶阀
阀体材质
SUS316不锈钢
密封材质
EPDM
安装方式
卡箍式
口径
DN15、DN25
压力等级
1．0MPa
数量
各3只
4) 气动调节阀
阀门形式
球阀
阀体材质
SUS316不锈钢
密封材质
EPDM
安装方式
卡箍式
口径
DN32、DN50
压力等级
1．0MPa
数量
各1只
5) 格栅
型号
0.8m×1.6m×0.025m
分布孔径
0.1mm
材质要求
耐腐蚀、高温
安装方式
上下错开式
数量
6块（其中斜板式1块）
6) 沉降槽
形式
U型
材质
SUS316不锈钢
体积
2m³左右
规格
0.8m×0.8m×1.5m，其中半圆柱端高：0.3m
数量
2个
7) 刮油机
形式
六段连轴式
材质
SUS316不锈钢
数量
1台
8) 绞龙
形式
圆轴式
材质
SUS316不锈钢
安装方式
平行“U”型槽底端
规格
0.8m×0.2m，转速112r/min
数量
2套
9) 清洗槽
材质
SUS316不锈钢
形式
圆柱形
体积
0.2m³左右
工作介质
采用硝酸、草酸或者NaClO，酸洗时罐内配料浓度2%左右； 采用NaOH，碱洗时罐内配料浓度2％左右
压力等级
1．0MPa
数量
1台
10) 浮球液位控制系统
形式
浮球感应自控阀门
阀体材质
SUS316不锈钢
数量
2套
11) 空压机
排气量
0.5m3/min
工作压力
0.8MPa
数量
1台

6、 控制设计与过程检测
6.1控制系统简介
控制方式采用PLC系统实现，控制对象为循环泵、刮油机、轴式绞龙、空压机等马达及所有自控阀门。所有监控数据如各槽液位、膜组件运行压力、运行温度、渗透液流量等均通过现场仪表显示出来。
在运行过程中相关报警信息能通过PLC系统实时显示出来，并且及时发出报警信号。通过PLC系统控制各气动阀门的开与关，循环泵以及刮油机、轴式绞龙的启动与停止，循环泵采用变频控制，具有过热、短路、缺相保护、调速启动减少对膜系统的冲击。
温度、液位等测量仪表采用4-20mA标准信号输出。其他现场仪表及传输都采用4-20mA标准信号。
6.2电缆铺设
循环泵的动力电线采用四角插孔直接现场铺设，其余控制电缆和动力电缆用柜内桥架和管道槽铺设，控制电缆与动力电缆分走不同的桥架。
6.3检测和控制项目
“U”型槽温度、液位；循环泵频率及电流，出口压力，渗透液流量，膜组件出口端压力、温度；清洗槽温度、液位，储气罐压力，反冲、渗透液及进储气罐调节阀开关，“U”型槽液位联动控制调节阀的开度。
6. 4关键控制点的调节
本套装置的监控系统主要元器件有压力传感器、温度传感器、液位传感器、阀门的位置开关、开度及PLC系统等组成。
采用气动蝶阀实现自动切换各管路，电磁调节阀起调节液位参数作用。
温度传感器用于检测各段料液的温度。
液位传感器起到监控各料液槽的液位情况，到液位过高或过低时系统自动做出报警、并发出报警信号。
无机陶瓷膜过滤装置由PLC进行集中监控，阀门的控制为自动控制；据工艺要求，其过程检测和控制根据膜分离系统的需要进行设计，设计中将采用仪表对工艺过程进行监视和管理，确保所有检测点的满足工艺要求。
7、 膜元件的清洗和再生
膜元件使用一段时间后，磨削液料液中的各种组分均有可能在膜的内部和表面形成堵塞，而磨削液中对膜的污染源主要是细菌、细小磨削金属颗粒等。这些吸附在膜层表面和膜内部的污染物如不及时去除，将会影响膜的过滤性能，主要表现为膜过滤通量衰减。因此必须周期性的对膜进行清洗再生以恢复膜元件的过滤性能。滤膜是否能够耐受污染并且能否便捷经济的再生恢复是判定膜过滤过程可靠性和经济性的一项至关重要的指标！
膜元件的清洗方法通常可分为物理方法和化学方法，物理方法是指采用高流速水冲洗，海绵球机械清洗等去除污染物，化学方法是采用对膜材料本身没有破坏、对污染物有溶解作用或置换作用的化学试剂对膜进行清洗。
无机膜以其优异的化学稳定性和高的机械强度可采用更广泛的清洗方法进行清洗，理论上可以不用考虑清洗剂对膜材质本身的影响而采用任何化学试剂对膜进行清洗，但是鉴于清洗费用及清洗效果考虑，一般仅需要浓度为2％左右的普通酸碱清洗剂即可使膜的性能恢复。
无机陶瓷膜化学清洗的一般规律为：无机强酸使污染物中一部分不溶性物质变为可溶性物质；有机酸主要是清除无机盐的沉积；螯合剂可与污染物中的无机离子络合生成溶解度大的物质，减少膜表面和孔内沉积的盐和吸附的无机污染物；表面活性剂主要清除有机污染物；强氧化剂和强碱是清除油脂和蛋白、藻类等生物物质的污染；而对于细胞碎片等污染体系，多采用酶清洗剂。对于污染非常严重的膜，通常采用强酸、强碱交替清洗，并加入次氯酸钠等氧化剂与表面活性剂。在这些清洗过程中，常采用高速低压的操作条件，同时配以反冲，以发挥物理方法的作用，最大程度地恢复膜通量。化学清洗结束后用清水漂洗至中性。如生产许可，最好采用工业软水进行清洗液的配置，以防止自来水中可能存在的杂质对陶瓷膜形成新的污染源。常规条件：PH 0～14, T＝60～75℃， P=0.2~0.3MPa
常规清洗剂：
碱性
NaOH
酸性
HNO3,NaClO,草酸
清洗剂
工业软水

8、 占地面积及设备高度
8.1主体设备
膜主机长×宽×高：1.5m×0.8m×1.5m
成套设备现场安装空间为长×宽×高：2.5m×2.5m×2.5m
成套设备安装需浇注地坑基础，泵电机电缆预埋，通信电缆采用桥架或地沟。
8.2控制柜
控制柜兼操作面盘长×宽×高：0.8m×0.5m×1m
9、 陶瓷膜成套处理系统设备一览表
序号
设备名称
规格
材质
单位
数量
1
膜装置管路及装置支架
规格：2.5m×2.5m×2.5m
在底座各边平均布置10个滑轮
SUS316
套
1
2
陶瓷膜组件
筒体外壳：SUS304
膜组件：含法兰、压板和筒体；
膜管规格：Ø41-37ch-500,200nm
3管组，单组膜面积：0.627 m2
支撑体/膜：TiO2，/ZrO2；
组
2
3
循环泵
型号：XA50/32，Q=24m3/h，H=36m，功率5.5Kw，转速1450r/min
SUS316
台
1
4
管道过滤器
DN32，0.5mm，Y型过滤器
SUS316
套
2
5
气动蝶阀
DN65，PN=1.0MPa，卡箍式
SUS316
台
4
6
手动蝶阀
DN32，PN=1.0MPa，卡箍式
SUS316
台
5
7
手动球阀
DN25，PN=1.0MPa，螺纹式
SUS316
台
2
8
手动球阀
DN15，PN=1.0MPa，螺纹式
SUS316
台
1
9
气动碟阀
DN25，PN=1.0MPa，卡箍式
SUS316
台
3
10
气动碟阀
DN15，PN=1.0MPa，卡箍式
SUS316
台
3
11
气动球阀
DN32，PN=1.0MPa，卡箍式
SUS316
台
1
12
气动球阀
（备选）
DN32，PN=1.0MPa，卡箍式
SUS316
台
1
13
刮油机
耐腐蚀、耐高温，六段连轴式刮油机
SUS316
台
1
14
格栅
型号：0.8m×1.6m×0.025m，0.1mm耐腐蚀、耐高温
塑料
块
5
15
温度表
量程0～150℃，卡箍式，耐腐蚀
SUS316
台
4
16
现场压力表
量程0～1.0Mpa，隔膜式，耐腐蚀
SUS316
台
2
17
转子流量计
量程0～1m3/h，耐腐蚀、耐高温
SUS316
台
1
18
现场液位计
量程0～0.5m，耐腐蚀、耐高温
塑料管
台
1
19
现场控制柜
0.8m×0.5m×1m，箱体：喷塑,
不锈钢
套
1
20
变频器
5.5KW，与循环泵适配

台
1
21
反冲装置

SUS316
套
1
22
浮球液位阀

SUS316
只
2
23
“U”沉降槽
规格：0.8m×0.8m×1.5m
容积为2m3左右
SUS316
台
2
24
清洗槽
密闭，容积为：0.2 m3
SUS316
个
1
25
空压机
（备选）
排气量：0.5m3/min
工作压力：0.8Mpa

台
1
26
斜板式格栅
型号：0.8m×1.6m×0.025m，0.1mm耐腐蚀、耐高温
塑料
块
1
27
轴式绞龙
规格：0.8m×0.2m、转速112r/min
SUS316
套
2
10、 项目方案主要优势
1、 总投资低，设备性价比及综合利用程度高
2、 动力配置低，能耗小
3、 清洗用水少，运行成本相对较低
4、 有效地解决了磨削金属颗粒沉降板结的难题
5、 能充分保证磨削液的回收再利用
6、 成套处理装置自动化程度高，操作灵活方便
7、 现场空间布置合理，且便于移动方便。