推料頻率對(duì)雙級(jí)活塞推料離心機(jī)分離效果影響的數(shù)值模擬研究

逄　翀，譚　蔚*，沙恩典，陶淵卿

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072； 2.浙江輕機(jī)實(shí)業(yè)有限公司，浙江 杭州 311401)

臥式活塞推料離心機(jī)是一種連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、自動(dòng)操作、脈動(dòng)卸料的過(guò)濾式離心機(jī)。它在全速下完成進(jìn)料、分離、洗滌、干燥和卸料等所有操作工序。過(guò)濾介質(zhì)為板狀或條形濾網(wǎng)，濾網(wǎng)間隙較大，適合過(guò)濾固相顆粒大于0.1 mm及固相濃度大于30%的結(jié)晶顆?；蚶w維狀物料[1-3]，廣泛應(yīng)用于化肥、化學(xué)工業(yè)、食品及國(guó)防工業(yè)等部門，可分離食糖、無(wú)機(jī)鹽類、重有機(jī)中間體、塑料、纖維及火箭燃料等300多種物料，尤其在碳銨、硫銨、食鹽和尿素生產(chǎn)中應(yīng)用最多[4-6]。

雙級(jí)活塞推料離心機(jī)由于其自身?yè)碛衅渌x心機(jī)不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為活塞推料離心機(jī)中使用最多的一種機(jī)型[7]。隨著工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的加大，雙級(jí)活塞推料離心機(jī)在應(yīng)用上向高產(chǎn)量、高效率和低能耗等方向發(fā)展，這就需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而，由于過(guò)濾理論僅適合于簡(jiǎn)單的過(guò)濾過(guò)程，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙級(jí)活塞推料離心機(jī)，難以通過(guò)理論分析得到離心機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程。近幾年興起的計(jì)算流體力學(xué)方法則為研究離心機(jī)的分離過(guò)程和分離效果提供了新的方法[8-11]。為此，本研究采用大型商業(yè)軟件FLUENT，對(duì)P-100型雙級(jí)活塞推料離心機(jī)建立三維幾何模型并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了推料頻率對(duì)分離效果的影響，為工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。

1　數(shù)值模擬方案

1.1　幾何模型和流場(chǎng)離散

P-100型雙級(jí)活塞推料離心機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于本文研究的是離心機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)分布規(guī)律，故計(jì)算模型只取由一級(jí)轉(zhuǎn)鼓、二級(jí)轉(zhuǎn)鼓、篩網(wǎng)和加速盤組成的轉(zhuǎn)鼓部件，結(jié)構(gòu)尺寸和物性參數(shù)如表1和表2所示。

圖1　P-100型雙級(jí)活塞推料離心機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Overall structure of P-100-type two-stage pusher centrifuge

表1　轉(zhuǎn)鼓部分的主要結(jié)構(gòu)尺寸Table 1　Main structure parameter of the drum part

使用FLUENT前置畫圖軟件GAMBIT對(duì)轉(zhuǎn)鼓部分建立三維幾何模型。針對(duì)雙級(jí)活塞推料離心機(jī)的特征，為提高計(jì)算精度并有效控制計(jì)算量，對(duì)形狀規(guī)整的區(qū)域(如進(jìn)料管和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外表面)采用六面體網(wǎng)格，其余部位(如加速盤和轉(zhuǎn)鼓開(kāi)孔部分)采用四面體網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型劃分成了993 069個(gè)網(wǎng)格，包括3 422 367個(gè)面和1 001 790個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

表2　物料屬性Table 2　Material properties

圖2　網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2　Schematic diagram of grid generation

1.2　數(shù)值計(jì)算方法

由于雙級(jí)活塞推料離心機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，湍流模型的標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程已不滿足數(shù)值模擬的需要，故選用RNGk-ε模型。對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流場(chǎng)采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，該方法是把整個(gè)流場(chǎng)劃分成靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，進(jìn)料管區(qū)域?yàn)殪o止的，而加速盤和轉(zhuǎn)鼓區(qū)域是運(yùn)動(dòng)的，并設(shè)定它們之間的交界面為interface。一級(jí)轉(zhuǎn)鼓邊界采用動(dòng)網(wǎng)格模型，而篩網(wǎng)被簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型。選用瞬態(tài)求解器，采用有限體積法對(duì)三維數(shù)值模型就行離散，壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法，離散格式中壓力插補(bǔ)格式采用PRESTO格式，對(duì)流相采用QUICK格式。在開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先采用歐拉-歐拉多相流方法模擬液-固兩相的運(yùn)動(dòng)。其中，液固之間的曳力系數(shù)采用gidaspow模型。待計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，再加入氣相，模擬氣液固三相流動(dòng)。時(shí)間步選擇1×10-4s，每步迭代100次，99萬(wàn)網(wǎng)格的模型在內(nèi)存96 G的工作站上計(jì)算時(shí)間單次時(shí)長(zhǎng)達(dá)48 h。

2　離心分離過(guò)程的計(jì)算結(jié)果與分析

雙級(jí)活塞推料離心機(jī)是一種連續(xù)操作的過(guò)濾式離心機(jī)，物料由進(jìn)料管以一定的初速度進(jìn)入，經(jīng)過(guò)加速盤的加速到達(dá)一級(jí)轉(zhuǎn)鼓。在離心力的作用下，固相將向篩網(wǎng)壁運(yùn)移，并被篩網(wǎng)截留形成濾餅，同時(shí)大部分液相經(jīng)篩網(wǎng)縫隙排出轉(zhuǎn)鼓外。由于一級(jí)轉(zhuǎn)鼓不僅做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故在推程階段，濾餅將在一級(jí)轉(zhuǎn)鼓向前移動(dòng)一定距離后到達(dá)二級(jí)轉(zhuǎn)鼓。在二級(jí)轉(zhuǎn)鼓處，濾餅將承受更大的離心力，從而固相的濃度也進(jìn)一步增大。當(dāng)濾餅到達(dá)離心機(jī)的出口時(shí)，其固含量也將到達(dá)最大值。

圖3給出了固含量隨時(shí)間的變化，從圖3中很容易看出，在t為21.5 s以后固含量分布基本無(wú)變化。

為進(jìn)一步細(xì)致的分析流場(chǎng)的固含量變化情況，本研究選取了離心力出口平面上的一點(diǎn)來(lái)研究并監(jiān)視其點(diǎn)最大固含量隨時(shí)間的變化，如圖4所示。

在最開(kāi)始，出口處充滿了空氣；20.25 s以后固含量數(shù)值開(kāi)始增大，并在20.25和20.40 s這個(gè)區(qū)間內(nèi)得到了迅速的增長(zhǎng)；最終，在21.40 s以后達(dá)到了穩(wěn)定，這時(shí)的數(shù)值為98.4%，與試驗(yàn)值99.5%吻合的較好。另外，澄清液的平均含固量C1為1.3%，且固相回收率η高達(dá)95.8%，可見(jiàn)多孔介質(zhì)(篩網(wǎng))對(duì)物料產(chǎn)生了很好的過(guò)濾作用。

圖5給出了22.00 s時(shí)兩級(jí)轉(zhuǎn)鼓的近篩網(wǎng)區(qū)固含量的分布情況。

從圖5中可以看出，固含量隨著軸向位置的增大而不斷增大，同時(shí)一級(jí)轉(zhuǎn)鼓向二級(jí)轉(zhuǎn)鼓過(guò)渡的位置出現(xiàn)了數(shù)值的階躍。造成這種現(xiàn)象的原因，是由于二級(jí)轉(zhuǎn)鼓的直徑突然變大，物料速度隨著鼓壁的速度也突然增大，從而使物料中的水分獲得了更大的離心力，增加了甩向轉(zhuǎn)鼓外的量，故固含量會(huì)階躍增大。同時(shí)可見(jiàn)，一級(jí)轉(zhuǎn)鼓上總體固含量要比二級(jí)轉(zhuǎn)鼓上的小，且在z為0.405 m處就達(dá)到了最大值。

3　推料頻率對(duì)離心分離效果的影響

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB)-JB/T 447-2004《活塞推料離心機(jī)》[12]，P-100型雙級(jí)活塞推料離心機(jī)的推料頻率區(qū)間為30～80 次/min。為此，本研究在上述推料頻率為60 次/min模型基礎(chǔ)上，為了全面地研究推料次數(shù)對(duì)分離效果造成的影響，又分別選取45、50、55和65、70、75 次/min推料頻率進(jìn)行模擬計(jì)算，其他參數(shù)(如結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量和濃度、篩網(wǎng)滲透性等)保持不變。評(píng)價(jià)雙級(jí)活塞推料離心機(jī)分離效果的主要指標(biāo)有：澄清液含固率C1、濾餅固含量CS、固相回收率η和離心分離達(dá)到穩(wěn)定的最初時(shí)間T0。濾餅固含量CS和固相回收率η越大，澄清液含固率C1和離心分離達(dá)到穩(wěn)定的最初時(shí)間T0越小，說(shuō)明離心機(jī)的分離效果越好。同時(shí)，研究一、二級(jí)轉(zhuǎn)鼓上固含量的分布情況，也將有助于優(yōu)化轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)。

改變推料頻率后濾餅固含量CS、固相回收率η越大和澄清液含固率C1對(duì)比情況如圖6所示，圖7則顯示了離心分離達(dá)到穩(wěn)定的最初時(shí)間T0變化情況。

由圖6可以看出，隨著推料頻率的增大，濾餅的固含量開(kāi)始變化不大，在頻率達(dá)到65 次/min以后，逐漸變??；當(dāng)頻率小于65 次/min，固相回收率呈現(xiàn)逐步變大的趨勢(shì)，之后增大的趨勢(shì)不明顯；而澄清液含固率則跟隨著頻率的增大逐漸變小。這是由于推料頻率過(guò)快，物料在轉(zhuǎn)鼓上的停留時(shí)間變短，使得濾餅脫水不徹底，且固相甩出量也減少。

圖3　轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固含量隨時(shí)間的變化云圖Fig.3　Solid content cloud images with the time change within drums

圖4　點(diǎn)最大固含量的模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比曲線Fig.4　Comparison of the maximum vertex solid concentration gained from simulation and experiments

圖5　固含量在兩級(jí)轉(zhuǎn)鼓上的分布曲線圖Fig.5　Solid concentration distribution on two stages drum

圖6　推料頻率對(duì)分離效果的影響曲線圖Fig.6　Curve of the effect of pusher frequency on separation efficiency

從圖7中可以得到離心分離達(dá)到穩(wěn)定的最初時(shí)間隨推料頻率改變的變化規(guī)律，即隨著推料頻率的增大，T0不斷減小。這是因?yàn)橥屏项l率增大，物料的更新速度也變大，從而使離心機(jī)能夠更快的處理懸浮液。

圖7　推料頻率對(duì)穩(wěn)定的最初時(shí)間T0的影響圖Fig.7　Influence diagram of pusher frequency on initial stability time T0

為了更直觀的反映隨著推料頻率的改變整個(gè)離心機(jī)內(nèi)部固含量的分布狀況，本研究將不同推料頻率下的靠近一二級(jí)轉(zhuǎn)鼓區(qū)域的固含量分布圖展示如圖8所示。

圖8　推料頻率對(duì)兩級(jí)轉(zhuǎn)鼓的固含量分布的影響圖Fig.8　Influence diagram of the pusher frequency on the solid content distribution on the two-stage drums

從圖8中可以看出，不論推料頻率如何改變，靠近鼓壁區(qū)域的固含量都是隨著軸向位置的增加而增大，且在一二級(jí)轉(zhuǎn)鼓之間存在數(shù)值的階躍。所不同的是，濾餅的最大固含量的數(shù)值以及達(dá)到最大固含量的最初始軸向位置。表3列出了隨著推料頻率的改變?yōu)V餅最大固含量達(dá)到最大值的最初始軸向坐標(biāo)z0的變化情況，從表中可以看出，z0基本上是隨著推料頻率的增加而逐漸變大的，且推料頻率小于65 次/min時(shí)，相鄰兩數(shù)值之間差距較小，而后其差值較大。同時(shí)，還可以看出，在推料頻率為45～75 次/min這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，z0值都是小于一二級(jí)轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)度之和的?？梢?jiàn)，在物料還沒(méi)到達(dá)出口之前，已經(jīng)很好的完成了離心分離過(guò)程，這將為離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)值計(jì)算上的根據(jù)。

表3　濾餅達(dá)到最大固含量的最初始軸向坐標(biāo)z0隨推料頻率改變的變化情況Table 3　Change of filter cake to achieve the maximum solid content of the initial axial coordinate with pusher frequency

4　結(jié)論

推料頻率是雙級(jí)活塞推料離心機(jī)的一個(gè)很重要的參數(shù)，在很大程度上決定著離心機(jī)的生產(chǎn)能力和分離效果。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到結(jié)果如下：

1)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明推料頻率越高，達(dá)到穩(wěn)定的最初時(shí)間T0越短，相應(yīng)的離心機(jī)生產(chǎn)能力越大。但較高的推料頻率會(huì)造成濾餅含固率的減小，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的下降。

2)針對(duì)研究的P-100型雙級(jí)活塞推料離心機(jī)，在綜合澄清液含固率C1、濾餅固含量CS、固相回收率η、離心分離達(dá)到穩(wěn)定的最初時(shí)間T0以及固含量在兩級(jí)轉(zhuǎn)鼓上的分布情況來(lái)看，相對(duì)于其他推料頻率數(shù)值，推料頻率為65次/min時(shí)，可以達(dá)到最優(yōu)的分離效果。

3)通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到了在不同的推料頻率條件下，濾餅達(dá)到最大固含量所需要的轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)度，這為離心機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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