碟式离心机内流场及固液两相分离过程的研究

范凤山，袁惠新，付双成

(常州大学，江苏常州 213016)

碟式离心机内流场及固液两相分离过程的研究

范凤山，袁惠新，付双成

(常州大学，江苏常州 213016)

以碟式离心机为研究对象，建立了其转鼓内20层碟片间隙以及沉渣区域的三维物理模型，用流体分析软件FLUENT对转鼓内固液两相分离过程进行了数值模拟，并进行了分离效果的试验验证。结果显示，周向速度上，固液两相速度基本相同，在碟片间隙液体相对碟片滞后小，转鼓沉渣区域液体运动相对转鼓滞后较大，且滞后程度随转鼓转速的增加而增加；固液两相在径向上存在速度差；模拟得到的转鼓内最大离心液压比理论计算得到的结果小；碟片进料颗粒浓度逐层降低，碟片排液口浓度也逐层减小；在碟片进料孔附近会出现进料分布不均的现象；两相分离效率随着转鼓转速增加而提高；试验测得的分离效果与模拟结果较为吻合。研究结果对碟式离心机转鼓的有限元分析以及分离过程的优化具有指导意义。

碟式离心机；数值模拟；固液两相分离；分离效率

1 前言

碟式离心机的分离效率高、处理量大，特别是针对一些密度差小、粒径小的物料有较为出色的分离效果，现已广泛应用于石油、化工、医药、食品等行业[1～4]。在碟式离心机内，物料依靠离心力来实现不同相之间的分离，但在距离很小的碟片间隙内，流体在高速旋转下进行运动，是一种比较复杂的物理现象，单纯用理论很难描述这些现象，而一些试验也是基于单层碟片间隙流动得到的结果，近年来，随着计算流体力学(CFD)技术的迅速发展，为碟式离心机的研究提供了重要研究途径。

国内外学者对碟式离心机的研究主要集中在转鼓等部件的有限元分析、转鼓动平衡等问题上，对于离心机转鼓内流场及分离效率的研究很少，赵志国等针对润滑油分离机，建立了二维模型，对油水固分离过程和分离效率进行了数值模拟[5,6]；孙步功、张总等对适用于黄河水泥沙分离的碟式离心机建立了二维模型，研究了各个参数对分离效果的影响[7,8]；这些二维的研究忽略了物料在碟片空间流动的细节，如进料孔附近进料分布不均的现象等。袁惠新等对碟式离心机建立了三维模型，但只针对离心机内的单相流场进行了模拟分析[9]。

针对以上问题，本文对20层碟片间隙及碟片边缘到转鼓壁面的沉降区域建立三维物理模型，在FLUENT软件中采用多相流Mixture模型和RSM湍流模型对离心机内的流场及固液两相流动进行数值模拟，并进行分离效果的试验验证。

2 模型建立与网格划分及求解方法

2.1 模型建立与网格划分

本文以某公司生产的DRS 230/4-00-99碟式离心机碟片为例进行研究，其结构如图 1 所示，结构尺寸见表 1。

图1 碟片模型

表1 碟片模型结构尺寸 mm

在对实体模型做适当的简化基础之上，建立了20层碟片间隙和沉降区域的三维物理模型，对物理模型采用cooper方式划分网格，并在进料口附近进行加密处理，生成的结构化网格质量如图2所示。

图2 物理模型网格划分质量示意

2.2 计算方法及边界设定

雷诺应力模型没有采用涡黏性各项同性假设，在理论上比其它的湍流模型更加精确，特别是对于一些强旋流动的模拟往往能得到更加准确的结果，碟片式离心机内的液体做高速的旋转运动，显然RSM湍流模型对于本文的研究更加合适。RSM法数值计算原理是运用数值方法来求解湍流三维瞬态质量守恒方程、动量守恒方程和Reynolds应力运输方程。碟式离心机内的固液两相运动，属于多相流的范畴，而多相流模型中的Mixture模型可以很好地模拟颗粒的沉降与分离，因此本文选择Mixture模型来模拟碟片离心机的分离过程。

质量守恒方程:

(1)

动量守恒(Navier—Stokes)方程：

(2)

Reynolds应力输送方程：

(3)

进口采用速度进口条件，流速根据处理量的要求进行换算，取0.4m/s(处理量Q=900L/h)且固液两相进料速度相等，给流体区域设置一个旋转速度，根据要求分离的物料铝粉的密度和颗粒大小，在FLUENT软件的材料库中找到相对应的物料，设置颗粒粒度为10μm，根据分离要求，控制颗粒相的进料体积分数在5%。出口采用outflow边界条件，颗粒与壁面采用无滑移边界条件。

3 速度场及压力场分析

3.1 两相速度分析

周向速度是离心机转鼓内部流动状况的主导性因素；固液两相径向速度差一定程度上反映了沉降速度；由于计算中设置固液两相轴向速度相等，且轴向速度主要受进料速度影响，因此本文不再研究轴向速度。下文主要研究两相周向速度和径向速度。

3.1.1 周向速度

图3为离心机在不同转速下，r=125mm处液相与固相的周向速度，从图3可以看出，固相对液相的滞后很小，这是因为固相相对液相的跟随性较好。

图4为不同径向位置处、不同转速下的液相的周向速度。

图4 不同径向位置液相的周向速度

从图4中可以看出，在碟片区域模拟得到液体的周向速度与根据vt=ωr算得的理论值基本吻合，因为在碟片区域，液体在很小的碟片间隙内跟随性非常好，液相滞后也很小；在x=-0.085m(进料孔)附近处的周向速度理论值和模拟值稍有偏差，因为进料口轴向进料方式会对此处的液体运动造成干扰。在碟片外缘到转鼓壁面的沉渣区域，模拟所得周向速度都比理论值小，说明此处的液体相对转鼓存在一定的滞后，滞后是由于液体具有粘性所引起的，从图4也可以看到这种滞后程度随着转鼓转速的增加而增加，最大可达42.8%。这种滞后现象在卧螺卸料离心机的转鼓中非常明显，而且已经得到了试验的验证[10～12]；与卧式螺旋卸料离心机不同，碟式离心机内的物料旋转滞后主要出现在沉渣区域；在碟片没有筋条的情况下液体运动滞后很小，可以推测有筋条的话液体的滞后将会更小。

3.1.2 径向速度

在碟片式离心机中，固液两相在径向方向上的速度复杂多变无明显规律，也没有实际的研究意义，两相径向速度差才是实现固体颗粒分离的重要因素，靠着径向速度差，颗粒才得以在径向方向上从碟片间隙向碟片壁面靠近，最终完成沉降过程。图5为不同转速下，在第一层碟片进料口处固液两相径向速度差。

图5 两相径向速度差

从图5中可以看出，两相的径向速度差在数值上很小，速度差值随着转鼓转速的增加而增加，因为转速增加，颗粒径向上的沉降加速度α=γω2会增大。两相径向速度差增大，一定程度上反应了沉降速度增加，这也能很好地解释转鼓转速增加分离时间变短、分离效率变高的原因。

3.2 转鼓内的离心液压分布

在FLUENT软件中静压才是反应转鼓内离心液压的压力值，图6为n=3000r/min时,第20层碟片间隙及降空间的离心液压分布云图。

图6 离心液压分布

从图6可以看出，在转鼓内离心液压随着半径的增加而增大，同一半径处压力基本相等，在靠近转鼓壁面的区域压力最大，最大离心液压为：

(4)

式中ρf——混合物密度，kg/m3ω——转鼓转速，rad/s

图7为不同转速下，转鼓内最大离心液压随转速的变化情况。

图7 不同转速下转鼓内最大离心液压

由图7可以看出,模拟得到的最大的离心液压随转速的增加而呈抛物线形式变化，在转速n=5000r/min时，离心液压最大可达1.75MPa。模拟得到的最大离心液压值与根据理论得到的数值存在一定的偏差，这是因为靠近转鼓壁面的沉渣区域液体速度有滞后，实际的ω会小一些；转速越高滞后越大，偏差也会增加。数值模拟计算得到的离心液压，对离心机转鼓有限元分析具有促进作用，对生产实践具有指导意义。

4 两相分离过程及分离效率的分析

4.1 进料分布不均现象

图8为n=2000 r/min时第5层碟片间隙固相体积分数分布云图。从图8可以看出,在碟片进料孔附近物料分布不均，进料孔处包含有相当数量固体颗粒的的液流逆着转鼓旋转方向运动，从而出现进料孔附近的固相体积分数偏高的现象，这种现象是由于物料刚进入碟片间隙后随碟片旋转，导致物料来不及完全扩散引起的。

图8 碟片间隙固相体积分布云图

4.2 固液两相分离过程

图9为转鼓转速n=3000r/min时的固相体积分数分布云图。

图9 x=0截面固相体积分数云图

从图9可以看出，固液混合物在经过进料孔后，在离心力的作用下，在碟片间隙实现了分离，大部分液体相经碟片间隙向上排出，大部分的固体颗粒经碟片外缘沉降到转鼓的沉渣区域，在靠近转鼓壁面的地方实现了堆积，从图9还可以看出,碟片进料浓度呈递减趋势，这是因为物料在流动通道内是自下而上流动的，部分固体颗粒在经过下面的碟片间隙后被分离出来，进料颗粒总数减少。

图10为在20层碟片间隙出口处在不同转速的情况下的固相体积分数。

图10 每层碟片间隙固相体积分数

从图10可以看出,在转速分别为n=1000和2000r/min时，20层碟片间隙出口处的固相体积分数是逐渐降低的；在转速达到n=3000r/min以上时，碟片间隙内的固体颗粒很快就完成分离沉降过程，20层碟片间隙口处的固相体积分数数值很小，几乎为零。

4.3 固液两相分离效率

4.3.1 两相分离效率的模拟结果分析

图11为分离效率随转速的变化。本文的分离效率以澄清效率表示，通过公式Eτ=1-Co/Ci进行计算，在转速n=1000～3000r/min范围内，分离效率随转鼓转速增加而显著增加；在转速达到3000r/min以后，离心机的分离能力达到了极限，分离效率不再随转速增加而明显增加。

图11 不同转速下的分离效率

4.3.2 分离效率的试验验证

针对试验物料铝粉，使用Malvern激光粒度仪测得颗粒中径d(0.5)=9.72μm，试验前，将铝粉和水制备成一定浓度的混合物料，放置在搅拌釜内搅拌均匀，利用试验室的DRS 230/4-00-99 型碟式离心机进行试验，保证离心机的碟片数为20层碟片，在保证试验过程安全的前提下，调节离心机的频率，使离心机的转速增加到3000r/min,调节阀门使进料流量Q=900L/h，待离心机分离过程稳定后，对离心机的进料口和出料口进行取样。将取得的样品放在烤箱烘干后称重，根据质量换算得到进出口物料的浓度，再根据Eτ=1-Co/Ci算出分离效率。

试验测得转速n=3000r/min的时，离心机的分离效率为99.2%， 而数值模拟计算得到的分离效率为98%，通过对比发现模拟得到分离效率比试验所得稍低，分析其原因主要是建模过程简化了碟片表面的筋条所致，因为筋条在分离过程中起着一定的强化作用。试验结果和模拟结果偏差很小，这也说明了模拟的可靠性。

5 结论

(1)在周向，固液两相周向速度基本一致；除进料口受到轴向进料的影响外，碟片间液体的周向速度与理论计算所得数值基本吻合，液体相对碟片滞后很小；在碟片外缘到转鼓壁的沉渣区域流体运动存在较大的滞后，且滞后程度会随着转鼓转速的增加而增加。

(2)在径向，固相与液相之间存在一定的速度差，差值随转速增加而增加。

(3)在进料口附近由于物料来不及扩散，会出现小范围的进料分布不均的现象。

(4)由于液体在沉渣区域运动存在滞后，所以模拟得到的离心机转鼓内最大离心液压比用理论方法得到的数值小。

(5)物料在碟片进料孔内自下而上的流动过程中，由于颗粒发生离心沉降，其颗粒浓度逐层递减，从而导致各碟片间隙出口浓度也逐层递减。

(6)提高转鼓转速可以提高分离效率，在本文研究条件下，转速达到3000r/min后，分离效率不再明显增加。

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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业创业基金项目(08C26213200648)

TH138

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.005

范凤山(1991-)，男，硕士研究生,E-mail:514287750@qq.com。