動(dòng)態(tài)錯(cuò)流過濾回收木質(zhì)素時(shí)旋轉(zhuǎn)附件壓力仿真研究

□ 吳俊飛 □趙文捷

青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 研究背景

回收制漿黑液中難降解的大分子物質(zhì)木質(zhì)素，是解決造紙工業(yè)污染環(huán)境的根本問題[1-3]。當(dāng)前,膜分離、電絮凝等技術(shù)在處理制漿黑液與大分子物質(zhì)木質(zhì)素回收再利用的過程中得到了國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員的關(guān)注與青睞[4-5]。膜分離技術(shù)通過不同切割分子量的膜,不僅能夠除硅降黏,而且可以使制漿黑液得到一定程度的濃縮,將大分子量的木質(zhì)素與小分子量的糖類及有機(jī)物分開,進(jìn)而獲得含有分子量分布均勻、結(jié)構(gòu)單一的木質(zhì)素的制漿黑液[6-7]。然而，隨著分離時(shí)間的增加,濾餅的形成增大了過濾阻力。采用錯(cuò)流膜分離最大的特點(diǎn)就是旋轉(zhuǎn)附件葉片或圓盤帶動(dòng)液體對(duì)膜表面產(chǎn)生高剪切力[8],減小濾餅造成的過濾阻力,從而提高過濾效率，延長(zhǎng)膜的使用壽命[9]。

綜合國(guó)內(nèi)外膜分離制漿黑液中木質(zhì)素的研究,動(dòng)態(tài)錯(cuò)流過濾過程中旋轉(zhuǎn)附件具有一定的轉(zhuǎn)速,會(huì)受到來(lái)自黑液的壓力,壓力的大小與旋轉(zhuǎn)速度、附件半徑息息相關(guān)。對(duì)此，筆者應(yīng)用Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)錯(cuò)流過濾回收木質(zhì)素時(shí)旋轉(zhuǎn)附件葉片和圓盤所受的壓力進(jìn)行數(shù)值模擬[10],研究在不同轉(zhuǎn)速、相同跨膜壓差下,葉片和圓盤在過濾過程中所受壓力的變化,分析所受壓力隨葉片、圓盤徑向距離的變化趨勢(shì)。所做研究可以為葉片或圓盤錯(cuò)流過濾設(shè)備的優(yōu)化提供了技術(shù)參考。

2 數(shù)值模擬前處理

數(shù)值模擬之前，建立過濾腔室?guī)缀文Ｐ?。在建立葉片及圓盤過濾腔室?guī)缀文Ｐ瓦^程中,嚴(yán)格按照試驗(yàn)設(shè)備的尺寸建立過濾腔室三維模型。過濾腔室的寬度為137 mm,過濾腔室的厚度為30 mm。旋轉(zhuǎn)附件為葉片和圓盤,葉片和圓盤與膜之間的間隙為15 mm,葉片和圓盤的直徑為128 mm。葉片式動(dòng)態(tài)錯(cuò)流過濾腔室三維模型如圖1所示。

▲圖1 葉片式動(dòng)態(tài)錯(cuò)流過濾腔室三維模型

創(chuàng)建三維模型后，建立計(jì)算模型。將葉片和圓盤作為動(dòng)區(qū)域,將過濾腔室內(nèi)制漿黑液作為靜區(qū)域,另外在過濾腔室的出口附近建立一個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)域。將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)上述三個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。檢查生成網(wǎng)格的質(zhì)量,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.82,網(wǎng)格質(zhì)量合格。過濾腔室模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

▲圖2 過濾腔室網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分后對(duì)幾何邊界類型進(jìn)行設(shè)置,包括壁面、進(jìn)口、出口、靜區(qū)域、動(dòng)區(qū)域、膜區(qū)域。將入口邊界設(shè)置為壓力入口,將出口邊界設(shè)置為壓力出口。過濾腔室模型幾何邊界類型設(shè)置如圖3所示。

▲圖3 過濾腔室模型幾何邊界類型設(shè)置

在對(duì)過濾腔室進(jìn)行數(shù)值模擬之前，需要設(shè)置模擬的邊界條件。求解方式選擇壓力基隱式求解法,選用RNGk-ε湍流模型,近壁處理選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。制漿黑液的密度為1 098 kg/m3，黏度為5.85 Pa·s。轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為300 r/min、800 r/min,入口壓力為0.1 MPa,濾液出口壓力為零。多孔介質(zhì)的滲透性、介質(zhì)厚度及壓力階躍因數(shù)由式(1)、式(2)得到。

(1)

(2)

式中：u為液體通過濾層的速度;B為過濾介質(zhì)滲透性;C2為壓力階躍因數(shù);ΔP為跨膜壓差;μ為制漿黒液黏度；C為定值,在此取C=0.98；Ap為膜孔總面積；Af為過濾介質(zhì)總面積;L為過濾介質(zhì)厚度。

3 結(jié)果分析

3.1 葉片與圓盤壓力變化

分離過程中,轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)制漿黑液對(duì)葉片的最大壓力為7.75×104Pa；而轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，最大壓力為1.03×105Pa，是前者的1.3倍左右。另一方面,轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)制漿黑液對(duì)圓盤的最大壓力為7.45×104Pa,而轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)最大壓力為6.74×104Pa。轉(zhuǎn)速為300 r/min、800 r/min時(shí)葉片和圓盤的壓力分布分別如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可以看出,無(wú)論是葉片還是圓盤，所受壓力最大的位置均為半徑處。在相同轉(zhuǎn)速、相同跨膜壓差的條件下,葉片所受壓力明顯大于圓盤。

▲圖4 轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)葉片和圓盤壓力分布

▲圖5 轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)葉片和圓盤壓力分布

3.2 壓力與葉片和圓盤徑向距離關(guān)系

對(duì)過濾腔室內(nèi)葉片和圓盤所受壓力進(jìn)行對(duì)比,分析葉片和圓盤所受壓力隨徑向距離的變化趨勢(shì)，如圖6所示。無(wú)論是葉片還是圓盤,在轉(zhuǎn)速為800 r/min和300 r/min時(shí)，所受壓力都隨徑向距離的增大而增大,在徑向距離為64 mm，即半徑時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min,葉片和圓盤的徑向距離小于25 mm時(shí),葉片和圓盤所受壓力幾乎相同。當(dāng)徑向距離大于25 mm時(shí),葉片所受壓力明顯大于圓盤所受壓力。當(dāng)徑向距離為64 mm時(shí)，葉片所受壓力比圓盤所受壓力大38%。當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min,且葉片和圓盤的徑向距離小于30 mm時(shí),葉片和圓盤所受壓力幾乎相同。當(dāng)徑向距離大于30 mm時(shí),葉片所受壓力大于圓盤所受壓力。當(dāng)徑向距離為64 mm時(shí)，葉片所受壓力比圓盤所受壓力大15%。換言之,在相同轉(zhuǎn)速下,葉片所受壓力大于圓盤所受壓力。隨著使用時(shí)間的增加，設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)老化、腐蝕,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)附件斷裂,進(jìn)而使使用壽命縮短。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)動(dòng)態(tài)錯(cuò)流回收木質(zhì)素時(shí)旋轉(zhuǎn)附件葉片和圓盤所受的壓力進(jìn)行對(duì)比,分析了壓力隨葉片和圓盤徑向距離的變化趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí),葉片和圓

▲圖6 葉片和圓盤壓力隨徑向距離變化趨勢(shì)

盤所受壓力明顯小于轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)所受壓力。葉片和圓盤所受壓力隨徑向距離的增大逐漸增大,在其半徑處達(dá)到最大。在相同轉(zhuǎn)速、相同跨膜壓差條件下,葉片所受壓力明顯大于圓盤。隨著設(shè)備老化與腐蝕,葉片的使用壽命可能會(huì)短于圓盤。