碟式離心機內(nèi)流場及固液兩相分離過程的研究

范鳳山，袁惠新，付雙成

(常州大學(xué)，江蘇常州 213016)

碟式離心機內(nèi)流場及固液兩相分離過程的研究

范鳳山，袁惠新，付雙成

(常州大學(xué)，江蘇常州 213016)

以碟式離心機為研究對象，建立了其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)20層碟片間隙以及沉渣區(qū)域的三維物理模型，用流體分析軟件FLUENT對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固液兩相分離過程進行了數(shù)值模擬，并進行了分離效果的試驗驗證。結(jié)果顯示，周向速度上，固液兩相速度基本相同，在碟片間隙液體相對碟片滯后小，轉(zhuǎn)鼓沉渣區(qū)域液體運動相對轉(zhuǎn)鼓滯后較大，且滯后程度隨轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加而增加；固液兩相在徑向上存在速度差；模擬得到的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)最大離心液壓比理論計算得到的結(jié)果??；碟片進料顆粒濃度逐層降低，碟片排液口濃度也逐層減??；在碟片進料孔附近會出現(xiàn)進料分布不均的現(xiàn)象；兩相分離效率隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增加而提高；試驗測得的分離效果與模擬結(jié)果較為吻合。研究結(jié)果對碟式離心機轉(zhuǎn)鼓的有限元分析以及分離過程的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

碟式離心機；數(shù)值模擬；固液兩相分離；分離效率

1 前言

碟式離心機的分離效率高、處理量大，特別是針對一些密度差小、粒徑小的物料有較為出色的分離效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)[1～4]。在碟式離心機內(nèi)，物料依靠離心力來實現(xiàn)不同相之間的分離，但在距離很小的碟片間隙內(nèi)，流體在高速旋轉(zhuǎn)下進行運動，是一種比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象，單純用理論很難描述這些現(xiàn)象，而一些試驗也是基于單層碟片間隙流動得到的結(jié)果，近年來，隨著計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的迅速發(fā)展，為碟式離心機的研究提供了重要研究途徑。

國內(nèi)外學(xué)者對碟式離心機的研究主要集中在轉(zhuǎn)鼓等部件的有限元分析、轉(zhuǎn)鼓動平衡等問題上，對于離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場及分離效率的研究很少，趙志國等針對潤滑油分離機，建立了二維模型，對油水固分離過程和分離效率進行了數(shù)值模擬[5,6]；孫步功、張總等對適用于黃河水泥沙分離的碟式離心機建立了二維模型，研究了各個參數(shù)對分離效果的影響[7,8]；這些二維的研究忽略了物料在碟片空間流動的細節(jié)，如進料孔附近進料分布不均的現(xiàn)象等。袁惠新等對碟式離心機建立了三維模型，但只針對離心機內(nèi)的單相流場進行了模擬分析[9]。

針對以上問題，本文對20層碟片間隙及碟片邊緣到轉(zhuǎn)鼓壁面的沉降區(qū)域建立三維物理模型，在FLUENT軟件中采用多相流Mixture模型和RSM湍流模型對離心機內(nèi)的流場及固液兩相流動進行數(shù)值模擬，并進行分離效果的試驗驗證。

2 模型建立與網(wǎng)格劃分及求解方法

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文以某公司生產(chǎn)的DRS 230/4-00-99碟式離心機碟片為例進行研究，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，結(jié)構(gòu)尺寸見表 1。

圖1 碟片模型

表1 碟片模型結(jié)構(gòu)尺寸 mm

在對實體模型做適當(dāng)?shù)暮喕A(chǔ)之上，建立了20層碟片間隙和沉降區(qū)域的三維物理模型，對物理模型采用cooper方式劃分網(wǎng)格，并在進料口附近進行加密處理，生成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量如圖2所示。

圖2 物理模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量示意

2.2 計算方法及邊界設(shè)定

雷諾應(yīng)力模型沒有采用渦黏性各項同性假設(shè)，在理論上比其它的湍流模型更加精確，特別是對于一些強旋流動的模擬往往能得到更加準確的結(jié)果，碟片式離心機內(nèi)的液體做高速的旋轉(zhuǎn)運動，顯然RSM湍流模型對于本文的研究更加合適。RSM法數(shù)值計算原理是運用數(shù)值方法來求解湍流三維瞬態(tài)質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和Reynolds應(yīng)力運輸方程。碟式離心機內(nèi)的固液兩相運動，屬于多相流的范疇，而多相流模型中的Mixture模型可以很好地模擬顆粒的沉降與分離，因此本文選擇Mixture模型來模擬碟片離心機的分離過程。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動量守恒(Navier—Stokes)方程：

(2)

Reynolds應(yīng)力輸送方程：

(3)

進口采用速度進口條件，流速根據(jù)處理量的要求進行換算，取0.4m/s(處理量Q=900L/h)且固液兩相進料速度相等，給流體區(qū)域設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)要求分離的物料鋁粉的密度和顆粒大小，在FLUENT軟件的材料庫中找到相對應(yīng)的物料，設(shè)置顆粒粒度為10μm，根據(jù)分離要求，控制顆粒相的進料體積分數(shù)在5%。出口采用outflow邊界條件，顆粒與壁面采用無滑移邊界條件。

3 速度場及壓力場分析

3.1 兩相速度分析

周向速度是離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流動狀況的主導(dǎo)性因素；固液兩相徑向速度差一定程度上反映了沉降速度；由于計算中設(shè)置固液兩相軸向速度相等，且軸向速度主要受進料速度影響，因此本文不再研究軸向速度。下文主要研究兩相周向速度和徑向速度。

3.1.1 周向速度

圖3為離心機在不同轉(zhuǎn)速下，r=125mm處液相與固相的周向速度，從圖3可以看出，固相對液相的滯后很小，這是因為固相相對液相的跟隨性較好。

圖4為不同徑向位置處、不同轉(zhuǎn)速下的液相的周向速度。

圖4 不同徑向位置液相的周向速度

從圖4中可以看出，在碟片區(qū)域模擬得到液體的周向速度與根據(jù)vt=ωr算得的理論值基本吻合，因為在碟片區(qū)域，液體在很小的碟片間隙內(nèi)跟隨性非常好，液相滯后也很小；在x=-0.085m(進料孔)附近處的周向速度理論值和模擬值稍有偏差，因為進料口軸向進料方式會對此處的液體運動造成干擾。在碟片外緣到轉(zhuǎn)鼓壁面的沉渣區(qū)域，模擬所得周向速度都比理論值小，說明此處的液體相對轉(zhuǎn)鼓存在一定的滯后，滯后是由于液體具有粘性所引起的，從圖4也可以看到這種滯后程度隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加而增加，最大可達42.8%。這種滯后現(xiàn)象在臥螺卸料離心機的轉(zhuǎn)鼓中非常明顯，而且已經(jīng)得到了試驗的驗證[10～12]；與臥式螺旋卸料離心機不同，碟式離心機內(nèi)的物料旋轉(zhuǎn)滯后主要出現(xiàn)在沉渣區(qū)域；在碟片沒有筋條的情況下液體運動滯后很小，可以推測有筋條的話液體的滯后將會更小。

3.1.2 徑向速度

在碟片式離心機中，固液兩相在徑向方向上的速度復(fù)雜多變無明顯規(guī)律，也沒有實際的研究意義，兩相徑向速度差才是實現(xiàn)固體顆粒分離的重要因素，靠著徑向速度差，顆粒才得以在徑向方向上從碟片間隙向碟片壁面靠近，最終完成沉降過程。圖5為不同轉(zhuǎn)速下，在第一層碟片進料口處固液兩相徑向速度差。

圖5 兩相徑向速度差

從圖5中可以看出，兩相的徑向速度差在數(shù)值上很小，速度差值隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加而增加，因為轉(zhuǎn)速增加，顆粒徑向上的沉降加速度α=γω2會增大。兩相徑向速度差增大，一定程度上反應(yīng)了沉降速度增加，這也能很好地解釋轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增加分離時間變短、分離效率變高的原因。

3.2 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的離心液壓分布

在FLUENT軟件中靜壓才是反應(yīng)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)離心液壓的壓力值，圖6為n=3000r/min時,第20層碟片間隙及降空間的離心液壓分布云圖。

圖6 離心液壓分布

從圖6可以看出，在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)離心液壓隨著半徑的增加而增大，同一半徑處壓力基本相等，在靠近轉(zhuǎn)鼓壁面的區(qū)域壓力最大，最大離心液壓為：

(4)

式中ρf——混合物密度，kg/m3ω——轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，rad/s

圖7為不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)最大離心液壓隨轉(zhuǎn)速的變化情況。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)鼓內(nèi)最大離心液壓

由圖7可以看出,模擬得到的最大的離心液壓隨轉(zhuǎn)速的增加而呈拋物線形式變化，在轉(zhuǎn)速n=5000r/min時，離心液壓最大可達1.75MPa。模擬得到的最大離心液壓值與根據(jù)理論得到的數(shù)值存在一定的偏差，這是因為靠近轉(zhuǎn)鼓壁面的沉渣區(qū)域液體速度有滯后，實際的ω會小一些；轉(zhuǎn)速越高滯后越大，偏差也會增加。數(shù)值模擬計算得到的離心液壓，對離心機轉(zhuǎn)鼓有限元分析具有促進作用，對生產(chǎn)實踐具有指導(dǎo)意義。

4 兩相分離過程及分離效率的分析

4.1 進料分布不均現(xiàn)象

圖8為n=2000 r/min時第5層碟片間隙固相體積分數(shù)分布云圖。從圖8可以看出,在碟片進料孔附近物料分布不均，進料孔處包含有相當(dāng)數(shù)量固體顆粒的的液流逆著轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)方向運動，從而出現(xiàn)進料孔附近的固相體積分數(shù)偏高的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于物料剛進入碟片間隙后隨碟片旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致物料來不及完全擴散引起的。

圖8 碟片間隙固相體積分布云圖

4.2 固液兩相分離過程

圖9為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速n=3000r/min時的固相體積分數(shù)分布云圖。

圖9 x=0截面固相體積分數(shù)云圖

從圖9可以看出，固液混合物在經(jīng)過進料孔后，在離心力的作用下，在碟片間隙實現(xiàn)了分離，大部分液體相經(jīng)碟片間隙向上排出，大部分的固體顆粒經(jīng)碟片外緣沉降到轉(zhuǎn)鼓的沉渣區(qū)域，在靠近轉(zhuǎn)鼓壁面的地方實現(xiàn)了堆積，從圖9還可以看出,碟片進料濃度呈遞減趨勢，這是因為物料在流動通道內(nèi)是自下而上流動的，部分固體顆粒在經(jīng)過下面的碟片間隙后被分離出來，進料顆?？倲?shù)減少。

圖10為在20層碟片間隙出口處在不同轉(zhuǎn)速的情況下的固相體積分數(shù)。

圖10 每層碟片間隙固相體積分數(shù)

從圖10可以看出,在轉(zhuǎn)速分別為n=1000和2000r/min時，20層碟片間隙出口處的固相體積分數(shù)是逐漸降低的；在轉(zhuǎn)速達到n=3000r/min以上時，碟片間隙內(nèi)的固體顆粒很快就完成分離沉降過程，20層碟片間隙口處的固相體積分數(shù)數(shù)值很小，幾乎為零。

4.3 固液兩相分離效率

4.3.1 兩相分離效率的模擬結(jié)果分析

圖11為分離效率隨轉(zhuǎn)速的變化。本文的分離效率以澄清效率表示，通過公式Eτ=1-Co/Ci進行計算，在轉(zhuǎn)速n=1000～3000r/min范圍內(nèi)，分離效率隨轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速增加而顯著增加；在轉(zhuǎn)速達到3000r/min以后，離心機的分離能力達到了極限，分離效率不再隨轉(zhuǎn)速增加而明顯增加。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的分離效率

4.3.2 分離效率的試驗驗證

針對試驗物料鋁粉，使用Malvern激光粒度儀測得顆粒中徑d(0.5)=9.72μm，試驗前，將鋁粉和水制備成一定濃度的混合物料，放置在攪拌釜內(nèi)攪拌均勻，利用試驗室的DRS 230/4-00-99 型碟式離心機進行試驗，保證離心機的碟片數(shù)為20層碟片，在保證試驗過程安全的前提下，調(diào)節(jié)離心機的頻率，使離心機的轉(zhuǎn)速增加到3000r/min,調(diào)節(jié)閥門使進料流量Q=900L/h，待離心機分離過程穩(wěn)定后，對離心機的進料口和出料口進行取樣。將取得的樣品放在烤箱烘干后稱重，根據(jù)質(zhì)量換算得到進出口物料的濃度，再根據(jù)Eτ=1-Co/Ci算出分離效率。

試驗測得轉(zhuǎn)速n=3000r/min的時，離心機的分離效率為99.2%， 而數(shù)值模擬計算得到的分離效率為98%，通過對比發(fā)現(xiàn)模擬得到分離效率比試驗所得稍低，分析其原因主要是建模過程簡化了碟片表面的筋條所致，因為筋條在分離過程中起著一定的強化作用。試驗結(jié)果和模擬結(jié)果偏差很小，這也說明了模擬的可靠性。

5 結(jié)論

(1)在周向，固液兩相周向速度基本一致；除進料口受到軸向進料的影響外，碟片間液體的周向速度與理論計算所得數(shù)值基本吻合，液體相對碟片滯后很??；在碟片外緣到轉(zhuǎn)鼓壁的沉渣區(qū)域流體運動存在較大的滯后，且滯后程度會隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加而增加。

(2)在徑向，固相與液相之間存在一定的速度差，差值隨轉(zhuǎn)速增加而增加。

(3)在進料口附近由于物料來不及擴散，會出現(xiàn)小范圍的進料分布不均的現(xiàn)象。

(4)由于液體在沉渣區(qū)域運動存在滯后，所以模擬得到的離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)最大離心液壓比用理論方法得到的數(shù)值小。

(5)物料在碟片進料孔內(nèi)自下而上的流動過程中，由于顆粒發(fā)生離心沉降，其顆粒濃度逐層遞減，從而導(dǎo)致各碟片間隙出口濃度也逐層遞減。

(6)提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速可以提高分離效率，在本文研究條件下，轉(zhuǎn)速達到3000r/min后，分離效率不再明顯增加。

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Study on the Flow Field and Solid-liquid Two-phase Separation Process in a Disc Centrifuge

FAN Feng-shan,YUAN Hui-xin,FU Shuang-cheng

(Changzhou University,Changzhou 213016,China)

Using disc centrifuge as the research object,the three-dimensional physical model of 20 floors of disc clearances and sediment area inside the drum was established,the fluid dynamics analysis software of fluent for numerical simulation was applied on solid-liquid two-phase separation study,the experimental separation was compared and analyzed.The results show that Solid-liquid two-phase substantially the same on circumferential velocity,the liquid in the disc area is almost no lag relative to the disc,while,in sediment bowl area exist lag relative to the drum ,the degree of hysteresis increases with drum speed ;there is little difference in the radial velocity for solid-liquid two-phase;the largest centrifugal hydraulic inside drum get from simulation is small than theoretical calculation results;it appeared the phenomenon of uneven distribution of incoming material near the feed opening;the two-phase separation efficiency increased with the drum speed;the separation efficiency by experimental measured consistent with the simulation results.The results could be used as a guide for finite element analysis and of separation process optimization.

disc centrifuge;numerical simulation;solid-liquid two-phase separation;separation efficiency

1005-0329(2017)03-0021-05

2016-06-17

科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng)業(yè)基金項目(08C26213200648)

TH138

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.005

范鳳山(1991-)，男，碩士研究生,E-mail:514287750@qq.com。