碟式離心機(jī)碟片間薄層兩相流分析
技術(shù)支持
碟式離心機(jī)因其高轉(zhuǎn)速、高效率、大處理量等優(yōu)點，在石油、化工、醫(yī)療和環(huán)保等領(lǐng)域被廣泛使用，其碟片間流場內(nèi)沉降分離過程是影響碟式離心機(jī)分離性能的關(guān)鍵。碟式離心機(jī)碟片間的薄層多相流動主導(dǎo)著碟式離心機(jī)性能。
對于碟片間薄層流場的流動特性，國際上不少學(xué)者利用理論計算和試驗嘗試探究其流動規(guī)律。本文研究主要針對離心力場下薄層流場內(nèi)的兩相沉降過程，以多相流理論為基礎(chǔ)，建立碟式離心機(jī)碟片間隙內(nèi)流場及多組碟片間薄層流場的三維流動模型，并以CFD模擬，通過理論計算懸浮液內(nèi)顆粒的受力情況及沉降速度，結(jié)合數(shù)值模擬分析多組碟片間薄層流場內(nèi)兩相流動性；通過對比輕、重相的相對流動性，研究了離心力場下薄層流場內(nèi)重相在連續(xù)相的沉降過程。研究結(jié)果對優(yōu)化碟式離心機(jī)結(jié)構(gòu)、提高離心機(jī)的性能、拓展離心機(jī)新的應(yīng)用、實現(xiàn)技術(shù)突破，具有重要的意義。
1 離心力場下薄層流動模型及可行性驗證
1.1 碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)薄層流動模型
碟片間薄層流場結(jié)合了超重力沉降和淺池原理，即懸浮液中的顆粒在離心場下作沉降運(yùn)動，其生產(chǎn)能力正比于沉降面積。此流動過程的優(yōu)勢是利用碟片將沉降池均分為若干薄層流動場，以此降低離心機(jī)內(nèi)懸浮液的沉降高度，在一定的離心機(jī)高度下增加碟片數(shù)，從而增加沉降面積，進(jìn)而加速懸浮液在離心場下的沉降過程，有效地提高了離心機(jī)的離心分離性能。
通過CFD模擬研究轉(zhuǎn)鼓內(nèi)薄層流場，并做假設(shè)如下：
（1）轉(zhuǎn)鼓內(nèi)充滿液體且流動穩(wěn)定；
（2）液相為連續(xù)不可壓縮流體；
（3）固相為密度均勻等粒徑球形顆粒，且運(yùn)動過程中不發(fā)生絮凝、破碎和變形；
（4）不考慮重力；
（5）不考慮沉渣擠壓作用帶來的熱影響。
使用ANSYS15.0前處理軟件ICEM建立5層碟片間兩相流動區(qū)域及轉(zhuǎn)鼓成渣腔的三維流動模型，進(jìn)料口與定距筋條作網(wǎng)格局部加密處理，以提高結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量。
1.2 流動模型的邊界條件
根據(jù)OCM305標(biāo)準(zhǔn)碟式離心機(jī)分離處理5號噴氣燃料油（RP-5），相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國內(nèi)航空使用的重煤油標(biāo)準(zhǔn)。碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)及重煤油的相關(guān)物理特性見下表：
碟片組高度（m） | 0.11 | 油相密度（kg/m3） | 814 |
碟片厚度（mm） | 0.3 | 水相密度（kg/m3） | 998.2 |
碟片錐角（°） | 45 | 水粒徑（μm） | 10 |
轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑（mm） | 235 | 流量（m3/h） | 1 |
油相黏度（mPa·s） | 6.919 | 水相體積分?jǐn)?shù)（%） | 1 |
水相黏度（mPa·s） | 1.003 | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 6000～10000 |
研究碟式離心機(jī)碟片間兩相流動場，由于無需考慮渦黏性各項同性假設(shè)，湍流模型比雷諾應(yīng)力模型更加精準(zhǔn)。在碟片間兩相流動場中，物料受離心作用處于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動且其流場為強(qiáng)制渦。因此模擬中采用RSM湍流模型，其計算原理是質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、應(yīng)力運(yùn)輸方程。碟片間兩相流動屬于多相流動，采用Eulerian模型能夠精準(zhǔn)地研究碟片間兩相流動性及其分離性能。計算模型對兩相間的相互作用，計算模型中不僅包含了不同相間的相對運(yùn)動，而且不同相間相對運(yùn)動的速度大小不同，因此計算模型能夠比較全面地分析碟片間兩相流動過程。
1.3 數(shù)值模擬的可行性驗證
對碟式離心機(jī)的理論分析和模擬研究均是建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，與實際分離情況并不完全吻合，需要進(jìn)行數(shù)值模擬的可靠性驗證，驗證試驗?zāi)軌虺浞挚紤]到理論、模擬中忽略到的相關(guān)影響因素，因此是研究中不可或缺的一部分。由于碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)碟片間薄層流場的復(fù)雜流動性，一般儀器均無法對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流動進(jìn)行準(zhǔn)確的實時測量。
因此通過對含水煤油的試驗?zāi)M，根據(jù)全自動微量水分測定儀測出進(jìn)出口的水分含量，并計算出離心機(jī)的分離效率，計算結(jié)果對轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速及進(jìn)料量對分離效率的影響進(jìn)行討論，根據(jù)試驗結(jié)果來驗證數(shù)值模擬方法的可靠性。
測試在相同進(jìn)料量下，不同轉(zhuǎn)速的分離效率。由測試結(jié)果可知，碟式離心機(jī)的分離效率與轉(zhuǎn)速成正比，模擬與試驗的分離效率值有所偏差，且轉(zhuǎn)速越大偏差值越小。存在偏差的原因在于試驗物料含雜雜質(zhì)，且不是單一粒徑，轉(zhuǎn)速較小時小粒徑的重相較難進(jìn)行離心沉降分離，而隨著轉(zhuǎn)速增加，模擬與試驗的偏差值逐步減小，兩者的平均偏差為26.6%，在試驗誤差范圍內(nèi)，證明了數(shù)值模擬具有較好的可靠性。
測試在同一轉(zhuǎn)速下，不同進(jìn)料量的分離效率。由測試結(jié)果可知，碟式離心機(jī)的分離效率與流量成反比，碟式離心機(jī)的進(jìn)料量越大，分離效率越低；模擬與試驗的分離效率值有所偏差，且進(jìn)料量越大偏差值越大。物料的軸向進(jìn)料速度對碟片間薄層流場的沉降有所干擾，進(jìn)料量越大越不利于物料的離心沉降分離。存在偏差的原因在于試驗過程中流量計數(shù)值波動較大，數(shù)值模擬中主要取流量的平均值進(jìn)行計算。當(dāng)?shù)诫x心機(jī)處理量較小時，其模擬與試驗的偏差值也較小，兩者的平均偏差為18.7%，在試驗誤差范圍內(nèi)，進(jìn)而表明了數(shù)值模擬的可靠性。
2 薄層流場內(nèi)顆粒的沉降速度
2.1 薄層流場內(nèi)顆粒的受力情況
通過建立離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)薄層流場中分散相顆粒的分離模型，進(jìn)一步分析薄層流場內(nèi)分散相顆粒在離心力場下沉降分離的運(yùn)動情況。由于薄層流場內(nèi)的分散相顆粒粒徑很小（一般在3～15μm），可忽略慣性力的影響；由于薄層流場內(nèi)分散相的濃度很低（一般不大于10%），可忽略顆粒間的相互作用以及其布朗運(yùn)動；由于薄層的流場的流速很大（一般在5000～12000r/min），且邊界層的厚度相對較小，相對于中層大流速可忽略其邊界層對離心機(jī)內(nèi)薄層流動的影響。因此研究碟式離心機(jī)內(nèi)薄層流場內(nèi)分散相顆粒，主要考慮其受到的離心力、重力、浮力、離心浮力、流體阻力作用。
經(jīng)測試，分散相顆粒的離心力和阻力與其在薄層流場內(nèi)徑向位置有關(guān)。
2.2 離心沉降速度的理論分析
在離心力場下顆粒做沉降運(yùn)動，分散相顆粒由中性進(jìn)料孔進(jìn)去碟片間薄層流場后做加速運(yùn)動，在連續(xù)相中所受阻力隨速度不斷增大，直到阻力與離心力相等時即達(dá)到重力沉降的飽和穩(wěn)態(tài)速度。
2.3 離心沉降速度的數(shù)值模擬
碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流動分布符合旋轉(zhuǎn)流場的一般規(guī)律。物料在碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的離心沉降過程是在多組碟片間薄層流場內(nèi)進(jìn)行的，物料由中性孔進(jìn)入碟片間薄層流場，由于輕重相所受離心力與密度差的影響，大部分輕相從碟片內(nèi)端出口流出，重相從碟片外端出口流出，從而完成了在碟片間薄層流場內(nèi)的離心沉降分離過程。
物料進(jìn)入中心孔后做加速沉降運(yùn)動，中心孔內(nèi)中心線上顆粒所受的離心浮力、離心力與阻力平衡，其沉降速度為零；由中性孔往大端，顆粒所受離心浮力與離心力不斷增大，在離心力場下的沉降速度沿碟片間薄層流場朝外；由中心孔往內(nèi)端，顆粒所受阻力大于離心浮力與離心力之和，在離心力場下的沉降速度沿碟片間薄層流場朝內(nèi)。研究結(jié)果表明，中心孔內(nèi)多層碟片間的進(jìn)料逐層增多，碟片間薄層流場內(nèi)物料的相對沉降速度往內(nèi)、外端逐漸增大。
碟式離心機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)鼓作逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，物料由中性孔進(jìn)入碟片間薄層流場后做離心加速運(yùn)動直到相對穩(wěn)定速度，其相對穩(wěn)定速度小于碟片旋轉(zhuǎn)速度；沿碟片旋轉(zhuǎn)方向，定距筋條前側(cè)物料沿筋條側(cè)壁面往碟片內(nèi)端流動，定距筋條后側(cè)物料具有較好的跟隨性，其相對速度基本為零；相鄰兩個定距筋條中間區(qū)域薄層流場內(nèi)，流體受水平剪切力作用，物料的相對穩(wěn)定速度大于碟片旋轉(zhuǎn)速度。研究結(jié)果表明，物料由中性孔進(jìn)入薄層流場內(nèi)，在定距筋條外側(cè)物料流動相對滯后，在相鄰兩個定距筋條中間區(qū)域的物料流動超前于碟片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
3 薄層流場內(nèi)輕重相分布情況
碟式離心機(jī)中性孔內(nèi)重相體積分布由 層往上逐步升高；中性孔內(nèi)中心線往碟片內(nèi)端的重相體積分布較小于中心線往碟片外端。研究結(jié)果表明，碟式離心機(jī)中性孔內(nèi)重相體積分布不均，中性孔上端重相體積分布較大，輕重相分界面較為明顯且徑向位置在中性孔中心線附近。
碟片間薄層流場內(nèi)輕重相形成較明顯的分界面，碟片間薄層流場內(nèi)向下表面往上重相體積分布逐步升高，大部分輕相沉積在薄層流場的下表面，重相堆積在薄層流場的上表面；碟片間薄層流場內(nèi)由碟片外端往碟片內(nèi)端重相體積分布逐步升高，大部分輕相從碟片內(nèi)端流出； 層碟片間薄層流場內(nèi)重相體積分布較大。研究結(jié)果表明，各層碟片間薄層流場內(nèi)重相體積分布不均，大量重相進(jìn)入 層碟片間薄層流場進(jìn)行離心沉降分離，碟片間薄層流場內(nèi)形成明顯的輕重相分界面，重相堆積在碟片下表面。
沿碟片逆時針旋轉(zhuǎn)方向，中性孔前后側(cè)的重相體積分布較小，往碟片外端的重相體積分布較大；定距筋條后側(cè)重相體積分布較小，定距筋條前側(cè)的重相體積分布較大；相鄰兩個定距筋條中間區(qū)域的薄層流場內(nèi)，重相體積分布沿逆時針方向逐步減小，且碟片內(nèi)端重相體積分布較小。研究結(jié)果表明，碟片間薄層流場內(nèi)重相體積分布不均且輕重相分界面較為明顯，重相堆積在定距筋條前側(cè)，中性孔前后側(cè)重相體積分布較小，大部分輕相從碟片內(nèi)端流出。
4 水滴粒徑對分離性能的影響
由于物料中液滴的粒徑大小不同，對碟式離心機(jī)分離效率的影響較大。在液滴粒徑為10～30μm的范圍內(nèi)，分離效率隨液滴粒徑的增加而顯著增加。在粒徑達(dá)到30μm以后，離心機(jī)的分離能力達(dá)到了極限，輕相出口的重相體積分布不再隨粒徑增加而明顯增加。
5 結(jié)論
（1）轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑重相的離心力和阻力與其在薄層流場內(nèi)的徑向位置有關(guān)，多層碟片間的進(jìn)料量自下往上逐層增大，碟片間薄層流場內(nèi)物料的相對沉降速度由中性孔向端口逐步增大。
（2）靠近碟片外端口物料流動具有相對滯后性，定距筋條間區(qū)域的物料流動超前于碟片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
（3）碟式離心機(jī)中性孔內(nèi)重相體積分布不均，中性孔內(nèi)上端重相體積分布較大，輕重相分界面較為明顯且徑向位置在中性孔中心線附近。
（4）碟片間薄層流場內(nèi)重相體積分布不均且輕重相分界面較為明顯，重相堆積在定距筋條前側(cè)，大部分輕相從碟片內(nèi)端流出。
（5）各層碟片間薄層流場內(nèi)重相體積分布不均，大量重相在 層碟片間薄層流場進(jìn)行離心沉降分離。
