碟式離心機流場分析及筋條結(jié)構(gòu)優(yōu)化
技術(shù)支持
碟式離心機具有處理量大、分離精度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、藥學(xué)及食品等行業(yè)的分離及澄清等工藝中。碟式離心機雖然已經(jīng)有很多年的發(fā)展歷史，但是近些年國內(nèi)外對碟式離心機的研究報道不多，可見報道中大部分是關(guān)于轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力分析與動平衡方面的研究，及一些分離性能數(shù)據(jù)的測試。碟式離心機是一種典型的流體機械，流體的流動規(guī)律對其分離性能及運行有重大的影響，可是由于內(nèi)部碟片的高速運行導(dǎo)致內(nèi)部流場很難直接測試，因此數(shù)值模擬就成了研究碟式離心機內(nèi)部流場的重要手段?，F(xiàn)有研究報道中有關(guān)流場動力學(xué)分析的內(nèi)容主要體現(xiàn)在流體和固相粒子的受力、速度場、流場壓力降以及采用的數(shù)學(xué)模型等方面。這些對流場的分析研究都基于直線型筋條徑向排列、周向均布且關(guān)于中性孔對稱分布，較少考慮筋條在周向上對流場的影響，存在一定的局限性。然而筋條作為碟式離心機的碟片上的重要結(jié)構(gòu)，設(shè)計參數(shù)的變化將會直接影響到碟片間薄層流場的分布，從而決定了整個碟式離心機的分離效率的高低。
本工作通過對徑向排列、周向均布且關(guān)于中性孔對稱的傳統(tǒng)直線型筋條（簡稱直均筋條）的流場分析，了解物料在進入碟片間隙后的流向及分布規(guī)律，從而提出了對筋條的優(yōu)化方案。
1 直均筋條碟片建模與數(shù)值模擬
1.1 建模與網(wǎng)格劃分
以DHC603-MK型碟式離心機為研究對象。模擬所采用的幾何模型為相鄰兩碟片之間的流場區(qū)域，采用Gambit前處理軟件進行等比建模。對流場區(qū)域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為102232。
1.2 模擬方法
因為碟式離心機流場具有強旋流、高速旋轉(zhuǎn)的特點，所以選用Eulerian多相流模型和RNG k-e湍流模型。Eulerian多相流模型可模擬多相的流動及相間的相互作用。這種模型的特點是各相共享單一的壓力場，對每一相都求解動量和連續(xù)性方程，粒子相可以根據(jù)顆粒動力學(xué)理論計算顆粒擬溫度、粒子相剪切和體積黏性、摩擦黏性；所有的k-e湍流模型都是有效的，可以用于所有各相或混合物。RNG k-e模型是對瞬時的Navier-Stokes方程用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來的模型。模型中的常數(shù)與標準k-e模型不同，同時增加了一些修正參數(shù)，這些參數(shù)使得RNG k-e模型相比于標準k-e模型對瞬變流和流線彎曲的影響能做出更好的反映?？梢杂嬎愕屠字Z湍流，考慮到旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，對強旋流計算精度也有出色的表現(xiàn)。
采用ANSYS Fluent19.0模擬軟件進行非穩(wěn)態(tài)模擬計算。物料為2.5%（φ）的Ca(OH)2乳濁液，設(shè)置水為主相，液相密度為1000kg/m3；均一粒度5μm的Ca(OH)2為第二相，固相密度為2240kg/m3；模擬轉(zhuǎn)速范圍為7500～11000r/min；旋向為逆時針方向（俯視）。邊界條件設(shè)置：入口類型為velocity-inlet，速率0.1m/s；出口類型為pressure-outlet，初始壓力0.13MPa；Cell Zone Condition為Frame Motion；壁面為動壁面，轉(zhuǎn)速與流場區(qū)域轉(zhuǎn)速一致，摩擦值為0.5。動量方程、湍動能方程及湍流擴散率方程均采用對流項二次迎風差值格式進行離散。殘差值為10-3，模擬時長設(shè)為6s，所用的步長和步數(shù)分別設(shè)為0.002s和3000步。
2 結(jié)果與討論
2.1 直均筋條的流場分析
2.1.1 壓力場
流場的壓力從轉(zhuǎn)鼓周邊到碟片小端輕相出口逐漸減??；同一徑向位置處壓力基本相等，這符合流場的壓力分布由周邊向中心遞減的規(guī)律。但值得注意的是，中性孔左右兩側(cè)壓力分布不均，靠近前側(cè)（與旋轉(zhuǎn)方向一致）筋條的壓力偏小，靠近后側(cè)筋條的壓力偏大。這是因為物料由中心孔進入碟片間隙，由于受物料的黏性影響，旋轉(zhuǎn)速度在中性孔與筋條之間形成了滯后區(qū)，發(fā)生在中性孔后側(cè)，這也是此區(qū)域壓力值較大的原因。當中性孔兩側(cè)的壓力相差較大時可能產(chǎn)生渦流。
2.1.2 速度場
物料由中性孔進入碟片間隙后產(chǎn)生順時針渦流，首先朝著與轉(zhuǎn)速相反的方向（左側(cè)）運動，然后順時針旋轉(zhuǎn)到中心孔右側(cè)，這個渦流的中心與中性孔不重合，位置在中性孔的左上方。在運動過程中，從碟片間隙進入中性孔的流體只有少部分直接流向轉(zhuǎn)鼓沉渣腔，大部分流體向碟片小端流動，隨著渦流從中性孔右側(cè)向下運動并從碟片大端排出。
2.1.3 濃度場
在每一扇形區(qū)內(nèi)（兩筋條之間的區(qū)域），固相在中性孔與前側(cè)（與旋向同向為前側(cè)）筋條之間濃度較高，輕相出口附近流體含固相較少。造成中性孔與前側(cè)筋條間固相濃度高的原因是大部分流體及顆粒在該處產(chǎn)生渦流。固相在碟片的下表面受到流體Magnus力和Saffman力明顯，這將導(dǎo)致已分離固相重新被帶到碟片輕相出口，不利于固相的分離。由于流體在中性孔上方產(chǎn)生順時針渦流的作用，中性孔與前側(cè)筋條之間為主要分離區(qū)，可以通過調(diào)整筋條結(jié)構(gòu)來優(yōu)化這個主要分離區(qū)的面積實現(xiàn)提高分離效率的目的。
2.2 實驗測試
為了驗證模擬方法的準確性以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性，在實驗室對帶有直均筋條碟片的碟式離心機進行了分離性能實驗。Ca(OH)2漿液存放在儲液罐中，經(jīng)過進料泵進入碟式離心機，經(jīng)離心分離后，澄清液由轉(zhuǎn)鼓上端的輕相出口排出。沉渣則堆積在離心機轉(zhuǎn)鼓壁面，時間達到排渣周期后，通過間歇排渣口排出。
分離效率的實驗值與模擬值都隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，且增幅隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸減小。模擬值與實驗值結(jié)果相差3.2%，說明數(shù)值模擬計算方法具有較高的準確性。
2.3 筋條的優(yōu)化
兩個筋條間碟片下表面區(qū)域的流場會出現(xiàn)渦流，由此導(dǎo)致了流體將帶動沉渣順時針渦流流動，并從中性孔右側(cè)排到轉(zhuǎn)鼓區(qū)域，因此在中性孔右側(cè)向下流動的區(qū)域就成了有效沉降區(qū)域。因此，可從兩個方面入手來提高顆粒的沉降和分離效率：
（1）增大渦流右側(cè)分離區(qū)域，增加有效沉降面積，可通過筋條整體順時針旋轉(zhuǎn)（俯視）一定角度的方法來實現(xiàn)。
（2）在渦流左側(cè)改變流體的速度方向，通過筋條向右傾斜一定角度的方式阻擋流體徑向運動，促使其旋轉(zhuǎn)到渦流右側(cè)，有利于分離。
根據(jù)多次數(shù)值模擬計算確定了優(yōu)化的筋條結(jié)構(gòu)，在中性孔中心的平面上，筋條與前側(cè)中性孔夾角為14°，筋條右側(cè)偏角為15°。該筋條呈斜線狀，簡稱斜筋條。
數(shù)值模擬方法和邊界條件設(shè)置同前，斜筋條碟片中物料在進入中性孔之后擴散得更快，固體顆粒的沉降面積也更大，固相濃集區(qū)域明顯從中性孔的前側(cè)上方下移到中性孔的前側(cè)下方，這對于分離非常有利。
對同一種結(jié)構(gòu)的碟片，數(shù)值模擬計算得到的分離效率略高于實驗值；數(shù)值模擬計算得到的分離效率略高于實驗值；數(shù)值模擬和實驗結(jié)果對比均顯示斜筋條碟片的分離效率高于直均筋條碟片的分離效率。從兩組實驗值來看，當轉(zhuǎn)速達到7500r/min時，斜筋條碟片分離效率達到82.2%左右，比直均筋條碟片分離效率提高6%。分離效率隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸提高，當轉(zhuǎn)速達到10000r/min后，分離效率的增幅變小。
由此可見，斜筋條對比傳統(tǒng)的直均筋條能增加固體顆粒有效沉降面積，進而達到提高分離效率的目的。
3 結(jié)論
（1）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)每兩個筋條間的流域內(nèi)中性孔兩側(cè)流體非對稱分布，在中性孔上方存在明顯渦流現(xiàn)象，固相高濃度區(qū)域集中在中性孔前側(cè)上方。
（2）基于直均筋條的流場特征優(yōu)化了筋條結(jié)構(gòu)和安裝位置，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，斜筋條碟片間的固相高濃度區(qū)域下移到中性孔前側(cè)下方，更有利于分離。
（3）數(shù)值模擬和實驗結(jié)果均表明，斜筋條碟片與傳統(tǒng)直均筋條碟片相比能夠提高碟式離心機的分離效率。
（4）本工作優(yōu)化結(jié)構(gòu)是建立在Ca(OH)2溶液分離工藝基礎(chǔ)上的，由于碟式離心機內(nèi)流體流動規(guī)律受到結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)、物性參數(shù)的影響都很大，不同工況條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)會有所不同，但優(yōu)化手法仍然適用。
