膠乳分離機(jī)高速轉(zhuǎn)鼓流體動(dòng)力學(xué)特性分析

劉友江

（湛江市事達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，湛江 524094）

我國(guó)的橡膠種植加工地主要集中在瓊、粵等地區(qū)，通過(guò)加工便可以得到乳膠。在此過(guò)程中，乳膠分離機(jī)是得到濃乳和膠清的重要設(shè)備，關(guān)鍵部件為高速轉(zhuǎn)鼓。在具體的工程應(yīng)用過(guò)程中，碟式分離機(jī)的工程應(yīng)用顯得極為普遍，但在轉(zhuǎn)鼓制造上主要以仿制為主，相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)也并不明確。為確保轉(zhuǎn)鼓能夠得到更多高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)會(huì)，人們還可以將CFD分析加入其中。

1 內(nèi)流場(chǎng)模型與仿真設(shè)置

1.1 流體動(dòng)力學(xué)控制方程

流體控制方程在離心分離狀態(tài)下的類型有很多，如連續(xù)方程、動(dòng)量方程、組分方程等。盡管這些方程在因變量設(shè)計(jì)過(guò)程中存在很多不同類型，但都能將單位體積中的物理量守恒性質(zhì)顯示出來(lái)。離心分離機(jī)流體動(dòng)力學(xué)主要由連續(xù)式方程、微分方程等組成，主要應(yīng)用特點(diǎn)是這些方程在使用過(guò)程中均需要采用柱坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行配合。在此次研究過(guò)程中，涉及很多能量交換等。因此，在控制方程實(shí)施上，涉及很多質(zhì)量方程和動(dòng)量方程，并在聯(lián)合狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)聯(lián)立求解，從而反映出離心力場(chǎng)中的粘性液體運(yùn)動(dòng)情況。

1.2 分析模型

在分析模型的過(guò)程中，主要涉及模型構(gòu)建、簡(jiǎn)化與假設(shè)、邊界類型定義等。為確保研究的深入性程度，研究人員取30張碟片對(duì)兩相流二維分析模型進(jìn)行創(chuàng)建，并將其劃分成四個(gè)不同的區(qū)域：第一區(qū)域?yàn)榈M及相鄰碟片所構(gòu)成的錐形區(qū)域；第二區(qū)域?yàn)槌猎鼌^(qū)，主要指碟片大端之外的所有圓環(huán)區(qū)域；第三區(qū)域?yàn)檠缌鲄^(qū)，主要以流體入口形式進(jìn)入到碟片組之中；第四區(qū)域?yàn)槌隽鲄^(qū)，該區(qū)域可以分別從輕相和重相將轉(zhuǎn)鼓區(qū)域排除，為后續(xù)工作開(kāi)展創(chuàng)造有利條件。

1.3 物料屬性和參數(shù)設(shè)置

在初始條件確定上，鮮膠乳之中的橡膠粒子約占總體積的20%~50%，該數(shù)值的大小程度與膠樹(shù)的品系、樹(shù)齡等因素直接相關(guān)，可對(duì)具體的橡膠含量進(jìn)行表示。而在膠乳粒子大小確定上，由于橡膠中的粒子呈現(xiàn)出非水溶性，以球形外觀為主，半徑在0.02~3um之間。但在一些特殊的成齡膠樹(shù)之中，粒子長(zhǎng)度幾乎全部超過(guò)了2um，有部分粒子更是達(dá)到了10um，出現(xiàn)這種情況的原因，主要是球型粒子的相互匯聚所引起的。在進(jìn)料速度的控制上，主要以處理量計(jì)算得到的數(shù)據(jù)為主，最終可以對(duì)進(jìn)料速度進(jìn)行有效控制，并將初始速度設(shè)置成定值。在進(jìn)料過(guò)程中，速度不宜過(guò)大，避免制成率下降，這樣一來(lái)，膠清中的橡膠殘留量也會(huì)進(jìn)一步提升。而在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和間隙控制上，通過(guò)對(duì)整個(gè)分離過(guò)程的仿真，整個(gè)工作轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在7250r/min，但由于分離性能的變化，具體轉(zhuǎn)速也會(huì)呈現(xiàn)出較大的不同，碟片間隙以0.5mm為主。

2 膠乳分離機(jī)高速轉(zhuǎn)鼓流體動(dòng)力學(xué)特性的分析

2.1 輕相與重相的分離速度

為方便研究，研究人員可以假設(shè)膠清的動(dòng)力粘度為n，單位為MPa·s，相關(guān)粒子的密度和半徑分別用f、f1表示，r代表粒子半徑，單位為mm，回轉(zhuǎn)半徑為R，單位為mm。在重力場(chǎng)的作用下，橡膠粒子和膠清存在很大的密度差異，在各種外力作用下，橡膠粒子開(kāi)始上浮，而膠清則會(huì)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。在橡膠粒子上浮狀態(tài)下，受到重力、摩擦力及上浮力的作用，當(dāng)全部受力達(dá)到平衡后，橡膠粒子開(kāi)始進(jìn)行勻速上行。整體來(lái)看，橡膠粒子與膠清之間存在一定的分離速度，但在重力場(chǎng)的作用下，分離速度難以得到提升，在24h之后上升高度不會(huì)超過(guò)10mm，不具備較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)相關(guān)研究分析可知，橡膠粒子的直徑越大膠清溶液的粘度也會(huì)進(jìn)一步降低。如果膠清與粒子之間的密度相差很大，此時(shí)相關(guān)物質(zhì)的回轉(zhuǎn)半徑荷載也會(huì)增加，并最終在相關(guān)裝置中完成粒子的清除和分配，提升分離效果。

2.2 碟片間隙內(nèi)的乳膠流動(dòng)及運(yùn)動(dòng)

在此項(xiàng)研究過(guò)程中，研究人員可以對(duì)Navier方程進(jìn)行利用，最終得到碟片間隙中的內(nèi)液流計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值γ，該數(shù)值為判定層轉(zhuǎn)變成湍流的具體指標(biāo)，當(dāng)γ的具體數(shù)值達(dá)到2π時(shí)，各個(gè)碟片之中的層流將會(huì)向湍流方向轉(zhuǎn)變。除此之外，碟式分離機(jī)γ值的取值范圍始終處于5~12的范圍內(nèi)。將所有相關(guān)數(shù)值統(tǒng)計(jì)好之后，可以通過(guò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算，得到本次研究過(guò)程中的γ具體數(shù)值，此時(shí)，研究人員也可以根據(jù)具體結(jié)果對(duì)層流進(jìn)行確定。當(dāng)?shù)g隙中的雜質(zhì)等物質(zhì)向外移動(dòng)時(shí)，橡膠則會(huì)呈現(xiàn)出向內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)的液流將會(huì)沿著母線方向移動(dòng)，由于距離碟片的表面越來(lái)越遠(yuǎn)，其摩擦力也會(huì)逐漸降低，徑向速度也會(huì)得到提升。

2.3 濃縮極限

研究結(jié)果表明，隨著分離轉(zhuǎn)速的提升，輕相出口的濃乳體積分?jǐn)?shù)也會(huì)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，在此種情況下，濃乳平均體積分?jǐn)?shù)也會(huì)得到進(jìn)一步提升，增加了粒子的運(yùn)動(dòng)阻力。另外，有濃乳中心運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)，回轉(zhuǎn)半徑越來(lái)越小，離心力也越來(lái)越小，從而使?jié)饪s趨勢(shì)越來(lái)越弱。通過(guò)該過(guò)程的相互作用，可以確定離心濃縮之后的天然乳膠中的干膠含量，并將含量上限突顯出來(lái)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，濃乳之中的最大干膠分?jǐn)?shù)不會(huì)超過(guò)0.67，這種要求可以通過(guò)進(jìn)料管和出料孔的具體長(zhǎng)度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從設(shè)備操作角度來(lái)說(shuō)，整個(gè)過(guò)程不應(yīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)度濃縮，否則很容易導(dǎo)致碟片間隙之中出現(xiàn)大量凝膠，最終引發(fā)阻塞問(wèn)題，惡化分離性能。

2.4 不同路徑與雜質(zhì)的分離

當(dāng)膠乳濃縮程度達(dá)到一定要求后，需要將其從轉(zhuǎn)鼓中排出，而且在排出過(guò)程中應(yīng)選擇更短的路徑，以轉(zhuǎn)鼓為主。另外，在路徑確定上也可以選擇一些曲折、迂回的路徑，提升膠清在轉(zhuǎn)鼓之中的停留時(shí)間，這樣一來(lái)，更小的橡膠粒子將會(huì)被分離出來(lái)。由于膠清出口始終處于中心位置，離心力較小，很多雜質(zhì)便會(huì)在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁之中沉積下來(lái)，促使膠清的清潔度大大提升。例如，當(dāng)膠泥雜質(zhì)密度處于2.7g/cm3時(shí)，所得到的雜質(zhì)極限粒徑為0.05um，這也能顯示出該系統(tǒng)具備較強(qiáng)的清除雜質(zhì)能力。因此，在濃縮工作開(kāi)始之前，應(yīng)采用專用的分離機(jī)去除雜質(zhì)。

3 總結(jié)

綜上所述，碟片內(nèi)的膠乳流動(dòng)方式主要以層流為主，而一些橡膠粒子、膠清等運(yùn)動(dòng)軌跡主要以徑向和周向的合成運(yùn)動(dòng)為主，該種運(yùn)動(dòng)軌跡與母線存在嚴(yán)重的偏離問(wèn)題。而在濃乳及膠清的路徑設(shè)計(jì)上，可以有效避免凝膠出現(xiàn)，甚至還能將雜質(zhì)充分去除，去除的極限值始終保持在0.05um左右，具備細(xì)微雜質(zhì)的去除功能。