碟片間距對碟式離心機性能的影響

胡煜緯 ，袁惠新 ，付雙成 ，周發戚

（1.常州大學 機械工程學院，江蘇常州 213164；2.江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇常州 213164）

0 引言

碟式離心機因其具有分離精度高、處理量大等優點，被廣泛用于石油、化工、食品加工、生物制藥等工業領域中的固-液、液-液或者液-液-固等混合物的分離過程［1-6］。對于油品脫水這種液-液離心分離過程，混合液在進入轉鼓后，經由中性孔進入各層碟片間隙內，在離心力的作用下，重分散相——水沉降在上層碟片下表面，而后從碟片大端排出，并聚集在轉鼓沉渣腔，另一方面輕相——油為連續相，由碟片小端排出，從而實現混合物的分離。

索柯羅夫對碟片間隙的計算提出過確定原則，即保證所有大于臨界粒徑的顆粒都能獲得分離，并能從碟片間隙進入轉鼓沉渣區［7-8］。孫步功等［9-10］都以此為基礎，分別根據2種不同的物料的特性進行設計計算，得到相應的碟片間距的數值，并且以此來調整碟片間隙進行試驗，發現試驗所得到的排渣效果有了改善。耿樂天等［11］利用ICEM軟件對碟式離心機的轉鼓區域建立了三維流動模型，并模擬油水兩相分離，分析了轉鼓內分離特性，研究發現轉速和顆粒粒徑對碟片間隙內分離效果有影響。JANOSKE等［12］通過對單個碟片間隙建立模型，列出無量綱的參數，得出了判定碟片間隙內流體特性的特征參數，并且試驗驗證了層流狀況下的分離效率與計算值相吻合。然而，其都沒有研究碟片間距對碟片間隙內流場的影響［13-14］。實際上，之所以要加碟片，且碟片間距要控制在一定范圍，就是因為要使重相在碟片間隙內更容易完成分離并排除。因此，碟片間距是影響分離性能的重要參數，而這方面的研究鮮見報道。本文以碟式離心機油品脫水過程為對象，研究碟式離心機碟片間距對各層碟片間隙內流量及濃度分配的影響，以及對碟式離心機分離性能的影響規律，為碟式離心機的設計和應用提供依據。

1 研究方法

1.1 試驗方法

1.1.1 試驗裝置

本文試驗在江蘇某公司的DRHY 614型碟式離心機實驗平臺上進行。碟式離心機的最大轉鼓半徑為276 mm，所采用的碟片尺寸：大端半徑235 mm，小端半徑85 mm，碟片間距0.5 mm，碟片半錐角40°，碟片數目190個。

1.1.2 物料

本試驗以含水航空煤油作為離心分離的對象。物料的物性參數見表1。

表1 物料物性參數Tab.1 Physical parameters of materials

1.1.3 試驗過程

（1）檢查管路法蘭及螺紋；油箱內液位在2/3以上，操作水箱內液位在3/5以上；所有閥門處于關閉狀態，緊急制動按鈕處于打開狀態。

（2）連接好各條管路后，按下電機柜上的啟動按鈕，先將碟式離心機轉速提至11 000 r/min，在啟動過程中，檢查各管路是否漏水；待碟式離心機穩定后，開啟進料泵并多次部分排渣，排除離心機內多余的空氣，達到內外壓力平衡；

（3）將碟式離心機的轉速調整至6 000 r/min，待碟式離心機處于穩定狀態后，可以在進出口管道上多次取樣；

（4）試驗完成后，先關閉進料泵，待排渣結束后，重新用清水進料，清洗碟式離心機，最后按下停機按鈕，等碟式離心機停止后關閉所有電源，清洗實驗平臺。

1.1.4 分析方法

將取好的樣品用TP653型全自動微量水分測定儀測得樣品中的水含量。采用電量滴定法，測量混合液中的微量水分含量（3 μg～100 mg），其高精度滿足本試驗用航空煤油中微量水分含量的測定。

1.2 模擬方法

1.2.1 碟式離心機內流場模型及網格劃分

本文采用碟式離心機內流場的簡化模型進行CFD模擬。簡化模型主要包含了進料道區域、輕重相出料道區域和轉鼓成渣腔區域，其中分離過程主要發生在轉鼓沉渣腔內設置的一組碟片的間隙內。碟式離心機的主要結構參數見表2。

表2 碟式離心機主要結構參數Tab.2 Main structural parameters of disc centrifuge

由于本文的變量參數為碟片間距，因此以不同的碟片間隙來進行建模，碟片間距分別取為0.2，0.4，0.5，0.6，0.8 mm，其余的結構參數數值不變。筆者利用GAMBIT軟件建立了模型，并對模型劃分了結構化網格，網格模型如圖1所示。

圖1 碟式離心機內流場簡化模型Fig.1 Simplified model of flow field in disc centrifuge

1.2.2 模型計算及邊界條件

為了探究碟式離心機內流場的情況，將劃分好網格的模型導入FLUENT軟件中進行計算。模型的入口邊界條件設置為速度入口（Velocityinlet），水相占比10%；輕重相出口邊界條件設置為自由出口（Outflow），輕重相出口流量比重為9：1；在每一層碟片間隙內上下出口以及中性孔與其相交的面設置為內部面（Interior），用來觀察每層碟片間隙間的進出口情況；其余與流體接觸的壁面均采用無滑移條件。根據碟式離心機的實際情況，設置了流體區域的類型，進料道設置為靜區域，其余流體域都設置為繞軸順時針旋轉的動區域，轉速設置為6 000 r/min。

碟式離心機的內流場主要以旋轉為主，因此采用RSM湍流模型較為精確。本模擬涉及到兩相流動，采用Eulerian模型能夠精確地模擬兩相的流動性和分離性能。

通過FLUENT 15.0進行數值模擬，穩態模擬到30 000步后，殘差曲線已經穩定，表明流場也已穩定。

1.2.3 可靠性驗證

影響碟式離心機分離性能的因素多種多樣，一般采用分離效率來表示離心機的分離性能，能夠得到較好的判定。碟式離心機的分離效率E計算式為：

式中 Co——輕相出口處重相的體積濃度；

Ci——進料中的重相體積濃度。

采用碟片間距h=0.5 mm，轉速為6 000 r/min，進料量為60 m3/h時，試驗得到的分離效率為99.98%。而在相同條件下，CFD模擬得到分離效率為99.4%，模擬中得到的分離效率要略小于試驗中得到的分離效率，這是因為模擬中采用的水相以等粒徑的顆粒模型，與試驗中的非均一粒徑不同，而且試驗中會出現水滴的不斷聚并，從而更利于分離。因此，在相同條件下，模擬得到的分離效率自然會略低一點，但模擬值與試驗值很接近，驗證了模擬的可靠性。

2 結果與分析

2.1 碟片間距對各碟片間進出流量的影響

為了分析碟片間隙內的流量情況，在建模過程中，在各層碟片的中性孔、碟片小端和碟片大端處分別設置了觀察面，用以在后處理中讀出流量大小。不同碟片間距下各層碟片流量情況如圖2所示。圖2中（a）示出了中性孔處的流量情況，圖2（b）示出了碟片小端出口處的流量情況，圖2（c）示出了碟片大端出口處的流量情況。

碟片間隙內的液流流速vl計算式為：

式中 q ——單層碟片間隙內的液體流量；

r ——徑向位置；

h ——碟片間距。

根據上述公式可以看出，當碟片間隙內的液體流量一定時，流經碟片間隙內某一位置的液流流速隨著碟片間距的增大而減小。

假設流體流經中性孔均勻分配到各層碟片間，則碟式離心機中各層碟片間隙在中心孔、碟片小端出口和碟片大端出口處的流量分配應當相同，即：

式中 Q ——碟式離心機處理量；

N ——碟片數目。

然而，從圖2可以看出，實際上各層碟片間隙內的流量分配并不均勻。如圖2（a）所示，在5種碟片間距下，中性孔處流量大致趨勢為中間段流量相對均勻，兩端依次遞增，呈U型分布。如圖2（b）所示，碟片小端出口處流量也有這樣的趨勢。它們都存在著這種現象：靠近底層和頂層的碟片間隙內流量大。這是因為料液在離心力場下經進料道加速由底層進入碟片組中性孔內后，會大量的最先進入底層碟片間隙內，然后從碟片小端出口流出，其余的會較均勻的分配到中間段碟片間隙內，但在每層碟片間隙位于中性孔處存在回流，這些重新進入中性孔流道的液流會被夾帶著到達最頂層碟片處，從而導致靠上層的碟片間隙小端出口處流量也相對較大。

由圖2（c）可以看出，碟片大端出口處流量分配不均勻，且無規律可循。這是因為轉鼓腔內的空間較大，其當量直徑大約為2H（H為碟片束總高度），當液流從碟片大端流出時，速度保持不變，但雷諾數數值變大，使得液流極易形成湍流，造成不穩定的現象，且在碟片大端出口處存在回流。

2.2 碟片間距對各碟片間隙重相濃度分布的影響

圖3分別示出了不同碟片間隙下，各層碟片間隙進出的重相體積分數。圖4示出不同碟片間隙下，碟片大端處的重相濃度分布。

圖3 不同碟片間隙下各層碟間的重相體積分數Fig.3 The volume fraction of the heavy phase between the discs of each layer under different disc gaps

圖4 不同碟片間距時碟片大端出口的重相分布Fig.4 Distribution diagram of the heavy phase at the big-end exit of the disc under different disc gaps

由圖3（a）（b）可以看出，當碟片間距h=0.2 mm時，此時碟片間距最小，這意味著沉降距離也是最短的，重相在由中性孔流道分配入各層碟片間隙后所需沉降的時間相對少，導致在中性孔處監測得到的重分散相濃度比較高，但同時由于碟片間距過小，導致碟片間隙內的液流速度很快，在重相分離過程中也有相當多一部分被液流夾帶向碟片小端出口，導致了碟片小端出口處重分散相比較高。而其它4種碟片間距下的碟片小端出口重相濃度分布相對均勻，且都比較低。

由圖3（a）可以看出，中性孔處重相濃度大致趨勢是先緩慢降低，在最頂層陡然升高。這是因為重分散相從底層碟片開始分離，分離出的重相液會被中性孔流道內的液流夾帶向上并反復進行分離，導致進入最頂層碟片間隙的液流含重相濃度最高。

從圖3（c）看出，碟片大端出口濃度分布相對均勻，中間段碟片間隙的略微高一點，這是因為在中間段碟片間隙內的流量分布都相對均勻且較小，此時液流速度相對不大，使得液流的穩定性更好，不易變為湍流。

圖5示出第10層碟片間隙內重相體積分數隨徑向位置的分布。由圖5可以看出，重相體積分數隨徑向位置分布的大致趨勢為，徑向位置越遠，重相體積分數越大，且在中心孔外靠碟片大端側陡增，在轉鼓壁面處達到最大值。結合圖4也可以看出，重相在靠碟片大端出口處的濃度比較高。

圖5 第10層碟片間隙內重相體積分數徑向分布Fig.5 The radial distribution of the volume fraction of the heavy phase in the disc gap of the 10th layer

2.3 碟片間距對分離效率的影響

由式（1）可以得出單層碟片間隙內的分離效率En計算式為：

式中 Cno—— 第n層碟片小端出口含重相的濃度；

Cni——第n層中性孔處含重相濃度。

圖6示出了各層碟片間隙內的分離效率。由圖5可知，當碟片間隙過小（h=0.2 mm）或者過大（h=0.8 mm）時，各層碟片間隙內的分離效率都比其他3種碟片間距下的要低，這是因為碟片間距過小時，各層碟片間隙小端出口的含重相濃度都要比其它4種間距下的大，導致其分離效率的降低。同樣的碟片間距過大時，重相沉降距離增大，在間隙內停留的時間更長，容易被液流夾帶從碟片小端流出，導致分離效率的降低。其他3種碟片間距下，各層碟片間隙內的分離效率都比較高。

圖6 各層碟片間隙內的分離效率Fig.6 Separation efficiency in the disc gap of each layer

圖7示出不同碟片間隙下碟式離心機的分離效率。

圖7 碟式間距對分離效率的影響Fig.7 The effect of dish spacing on separation efficiency

由圖7可以看出，碟式離心機的分離效率隨著碟片間距呈現先增高后緩慢降低的趨勢。由圖6也可以知道，當間距h=0.2 mm時，各層碟片間隙內的分離效率都比較低，所以其總的分離效率也很低，所以過小的碟片間隙不利于重分散相的分離，當間距小到一定程度時碟式離心機分離效率會顯著降低。在模擬結果的對比下，當碟片間隙h=0.5 mm時，碟式離心機的分離效率最大，達到了99.4%。

3 結論

（1）碟式離心機內各層碟片間隙的進料流量、進料濃度和分離效率是不一樣的，特別當碟片間距過大或過小時。

（2）碟片間隙過大，相對的其各層碟片間隙的進出流量較為不均勻，不利于碟片間隙內流場的穩定性，同時碟片間隙的增大，增加了需要顆粒完成沉降的距離，不利于顆粒的分離，從而分離效率會略微下降。

（3）碟片間距非越小越好。當碟片間距過小時，雖然減小了需要顆粒完成沉降的距離，但是靠上層的碟片間隙內會出現重相液被液流從碟片小端出口帶出，導致碟片小端出口重相體積分數變大，存在短板效應，使分離效率變低。

（4）存在合適的碟片間距，此時，各層碟片間隙進出流量以及濃度分配會更均勻，重相顆粒的離心沉降運動既有較小的沉降距離，且不易被液流從碟片小端出口帶走，從而碟式離心機的分離效率最好。