碟片參數(shù)對(duì)碟式離心機(jī)流場(chǎng)及分離性能影響的數(shù)值模擬研究

馬躍，李海峰，董賀峰，付雙成

1海裝北京局駐北京地區(qū)第四軍事代表處 北京 100094

2中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院 北京 100094

3常州大學(xué) 江蘇常州 213164

碟式離心機(jī)具有占地面積小、分離精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、石油、制藥、食品等行業(yè)。碟式離心機(jī)利用轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場(chǎng)，從而達(dá)到固-液、液-液以及液-液-固分離的目的。碟式離心機(jī)內(nèi)多層碟片組將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)分成若干層沉降分離區(qū)域，不僅減小了沉降距離，同時(shí)增加了沉降面積，加快了物料的離心沉降分離過(guò)程。碟式離心機(jī)關(guān)鍵技術(shù)受到國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)碟式離心機(jī)的研究較少，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)多是靠經(jīng)驗(yàn)和仿制，缺少理論支撐和核心技術(shù)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)碟式離心機(jī)發(fā)展較慢，且與國(guó)際先進(jìn)水平差距明顯。國(guó)內(nèi)外對(duì)碟式離心機(jī)的研究主要集中在轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力以及設(shè)備振動(dòng)方面，而對(duì)其內(nèi)部流體流動(dòng)研究較少，而決定分離性能的就是流體的流動(dòng)規(guī)律。在對(duì)碟式離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的模擬研究中，趙志國(guó)等人[1]對(duì)碟式離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行二維流場(chǎng)數(shù)值模擬，并對(duì)油滴的軌跡進(jìn)行了追蹤，分析了油-水分界面的形成原因。袁惠新等人[2-3]不僅在理論方面推導(dǎo)了碟式離心機(jī)的生產(chǎn)能力，而且采用數(shù)值模擬了碟式離心機(jī)內(nèi)的三維流場(chǎng)，分析了碟片間隙中流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文以煤油脫水為研究背景，采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究碟片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤油脫水效率的影響，以期得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為工程應(yīng)用提供參考。

1 碟式離心機(jī)模型結(jié)構(gòu)

碟式離心機(jī)是高轉(zhuǎn)速的離心設(shè)備，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的物料在多組薄層流場(chǎng)內(nèi)做離心運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的主要組件包括碟片組、比重環(huán)、向心泵等[4]，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。混合液經(jīng)入口流道進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后，通過(guò)碟片中性孔進(jìn)入各層碟片間隙，高速旋轉(zhuǎn)的碟片帶動(dòng)物料做高速離心旋轉(zhuǎn)，輕重相由于密度差的原因，輕相液向轉(zhuǎn)鼓中心運(yùn)動(dòng)至輕相流道流出，重相向邊壁運(yùn)動(dòng)至轉(zhuǎn)鼓腔內(nèi)經(jīng)重相出口排出。

圖1 碟式離心機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of disc centrifuge

由于碟式離心機(jī)中的分離過(guò)程主要發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓腔內(nèi)碟片之間，為簡(jiǎn)化模型，本文考察 5 層碟片模型，并在碟片大端增加一轉(zhuǎn)鼓區(qū)。碟式離心機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所列。

表1 碟式離心機(jī)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of disc centrifuge

2 數(shù)值計(jì)算模型及方法

2.1 計(jì)算模型

由于碟片間隙內(nèi)的流體具有強(qiáng)旋流、各向異性等特點(diǎn)，所以計(jì)算模型選用 Eulerian 多相流模型和 RNGκ-ε湍流模型。RNGκ-ε模型的κ方程和ε方程如下所示[5-7]：

Eulerian 多相流模型可以有效模擬出碟片間隙中兩相流體的運(yùn)動(dòng)情況，且會(huì)對(duì)每一相都單獨(dú)求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。此外，Granular 顆粒相還可以根據(jù)顆粒動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算出顆粒擬溫度和摩擦黏性、體積黏性等。RNGκ-ε模型是對(duì)瞬時(shí) Navier-Stokes 方程用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出的模型。該模型中的某些常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型不同，同時(shí)增加了一些修正參數(shù)，這些參數(shù)在瞬變流和流線彎曲等方面會(huì)使得RNGκ-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型能做出更好的反應(yīng)，能在旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和強(qiáng)旋流計(jì)算方面有出色的表現(xiàn)[8-10]。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

物料在碟式離心機(jī)內(nèi)的離心分離主要發(fā)生在多層碟片間隙間，使用 Gambit 前處理軟件建立 5 層碟片間兩相流動(dòng)區(qū)域及轉(zhuǎn)鼓沉渣腔的三維流動(dòng)模型，進(jìn)料口與定距肋條作網(wǎng)格局部加密處理，以提高結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定 5 層碟片模型網(wǎng)格數(shù)量約 46 萬(wàn)個(gè)。模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖 2 所示，圖中入口為中性孔。

圖2 碟片間隙及轉(zhuǎn)鼓成渣腔的三維流動(dòng)模型Fig.2 3D flow model of disc gap and drum forming slag chamber

采用模擬軟件 ANSYS Fluent 18.0 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。主相為煤油 (輕相)，其密度為 814.0 kg/m3，黏度為 0.006 919 Pa·s ；第二相為水 (重相)，其密度為998.2 kg/m3，黏度為 0.001 003 Pa·s，進(jìn)料中水的體積分?jǐn)?shù)為 10%，水滴粒徑為 60 μm。邊界條件采用速度入口，由最下層中性孔直接進(jìn)入碟片間隙，vi=0.036 9 m/s；輕重相出口采用自由出口 outlet，按實(shí)際流場(chǎng)計(jì)算；流道內(nèi)與流體接觸的壁面均采用無(wú)滑移條件。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，設(shè)置碟片區(qū)域的轉(zhuǎn)速為 6 000 r/min，轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針 (俯視)。動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程及湍流擴(kuò)散率方程均采用對(duì)流項(xiàng)二次迎風(fēng)差值格式進(jìn)行離散，殘差值為 10-3。輕相出口設(shè)置監(jiān)測(cè)面，流經(jīng)次監(jiān)測(cè)面的重相體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，殘差曲線小于 10-3且基本穩(wěn)定，表明流場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)定。

碟式離心機(jī)的分離性能可以直接用分離效率表征。分離效率hT的定義為：輕相出口的分散相的體積分?jǐn)?shù)與輕相出口流量的乘積Mu比上入口處分散相的體積分?jǐn)?shù)與入口處流量的乘積Mi，具體如下[11]：

式中，Qu為輕相出口重相的體積流量；Cu為輕相出口重相的體積分?jǐn)?shù)；Qo、Qi分別為輕相的出口流量、入口流量，m3/h；Co、Ci分別為出口和入口處的體積分?jǐn)?shù)。

2.3 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

對(duì)碟式離心機(jī)的理論分析和數(shù)值模擬研究過(guò)程中，均有一定的假設(shè)情況，與實(shí)際的分離過(guò)程可能存在一定偏差，所以必須對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。而通過(guò)試驗(yàn)研究能夠充分考慮到理論、模擬中忽略到的相關(guān)影響因素，因此通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性極為重要。碟式離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)中的流動(dòng)情況極為復(fù)雜且不易觀測(cè)，一般儀器無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此，開(kāi)展了含水煤油的分離試驗(yàn)，再根據(jù)全自動(dòng)微量水分測(cè)定儀測(cè)得進(jìn)出口的含水率，最后計(jì)算出離心機(jī)的分離效率來(lái)與模擬值相比較，以驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性。相同處理量、不同轉(zhuǎn)速下分離試驗(yàn)與數(shù)值模擬的分離效率如圖 3 所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下數(shù)值模擬與分離試驗(yàn)的分離效率Fig.3 Separation efficiency of numerical simulation and separation test at various speed

由圖 3 可知，碟式離心機(jī)的分離效率隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，數(shù)值模擬的分離效率略大于分離試驗(yàn)的分離效率，兩者之間的誤差隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小。存在誤差的主要原因：一是數(shù)值模擬過(guò)程采用單一粒徑進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際情況液滴粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律；二是試驗(yàn)過(guò)程中碟片間流體存在滯后性，導(dǎo)致分離效率較低，而數(shù)值模擬過(guò)程中將流體域賦值轉(zhuǎn)速，未考慮流體的滯后性。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，兩者分離效率的平均偏差為 4.6%，在試驗(yàn)誤差的可接受范圍內(nèi)，證明了數(shù)值模擬方法具有良好的可靠性。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 碟片間隙的影響

碟片間隙減小，一方面可以減小液層厚度，增加流體在間隙內(nèi)層流流動(dòng)的穩(wěn)定性；另一方面也可以減小液滴的沉降距離，減少沉降時(shí)間。碟片間隙變大，會(huì)增加碟片間隙內(nèi)流體流動(dòng)的湍流程度，不利于液滴的沉降、分離。不同碟片間隙下出油口的含水率曲線如圖 4 所示。

圖4 不同碟片間隙下出油口含水率曲線Fig.4 Variation curve of water content at oil outlet at various disc gap

從圖 4 可以看出：隨著碟片間隙的增加，出油口的含水率也逐漸增大，因此采用較小的碟片間隙更加合理；碟片間隙為 0.75 mm，分離效果較好；當(dāng)?shù)g隙小于 0.75 mm 時(shí)，分離效率提升不大。考慮到固體雜質(zhì)顆粒會(huì)阻塞碟片間隙，不宜取過(guò)小間隙，因此0.75 mm 碟片間隙最為合適。

3.2 碟片半錐角的影響

不同碟片半錐角時(shí)碟片間隙水相體積分?jǐn)?shù)分布如圖 5 所示。從圖 5 可以看出：第 1 層碟片的重相體積分?jǐn)?shù)比第 3 層的重相體積分?jǐn)?shù)低，第5 層的重相體積分?jǐn)?shù)最高；碟片半錐角為 35°時(shí)，重相體積分?jǐn)?shù)比碟片半錐角為 45°時(shí)的重相體積分?jǐn)?shù)高；碟片半錐角為45°時(shí)，重相體積分?jǐn)?shù)比碟片半錐角為 40°時(shí)的重相體積分?jǐn)?shù)高。

圖5 碟片半錐角對(duì)碟片間隙分散相體積分?jǐn)?shù)分布的影響Fig.5 Influence of half cone angle of disc on distribution of volume fraction of dispersed phase in disc gap

當(dāng)錐角較大時(shí)，水滴的有效沉降距離增加，這對(duì)水滴的分離是有利的。但是錐角過(guò)大會(huì)影響重相沿著碟片下表面向大端的運(yùn)動(dòng)，特別是有固體顆粒的情況不利于排料。因此一般控制碟片半錐角在 35°～ 40°較合理。不同錐角下出油口含水率模擬結(jié)果如圖 6 所示。可見(jiàn)，半錐角增大，分離效率增加。

圖6 不同錐角下出油口含水率曲線Fig.6 Variation curve of water content at oil outlet at various cone angle

3.3 中性孔直徑的影響

碟片中性孔的開(kāi)孔是以物料順利通過(guò)且能均勻分布的原則，中性孔的形狀采用長(zhǎng)條形圓邊結(jié)構(gòu)，可提高碟式分離機(jī)對(duì)物料的適應(yīng)能力，有利于減少中性區(qū)的流動(dòng)干擾。不同中性孔直徑時(shí)碟片間隙內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)分布如圖 7 所示。圖 8 是不同孔徑下出油口含水率曲線。

由圖 7 可知：第 1 層的重相體積分?jǐn)?shù)比第 3 層的重相體積分?jǐn)?shù)低，第5 層的重相體積分?jǐn)?shù)最高；中性孔當(dāng)量直徑為 10 mm 時(shí)，重相體積分?jǐn)?shù)比中性孔當(dāng)量直徑為 20 mm 時(shí)的重相體積分?jǐn)?shù)高；中性孔當(dāng)量直徑為 30 mm 時(shí)，重相體積分?jǐn)?shù)最低。由圖 8 可知：隨著孔徑的增加，出油口含水率略有增大，分離效率下降。

圖7 中性孔直徑對(duì)碟片間隙內(nèi)分散相體積分?jǐn)?shù)分布影響Fig.7 Influence of diameter of neutral hole on distribution of volume fraction of dispersed phase in disc gap

圖8 不同中性孔徑下出油口含水率曲線Fig.8 Variation curve of water content at oil outlet at various diameter of neutral hole

4 結(jié)論

(1) 碟片間隙減小，一方面可以減小液層厚度，增加流體在間隙內(nèi)層流流動(dòng)的穩(wěn)定性；另一方面也可以減小液滴的沉降距離，減小沉降時(shí)間，出油口含水率也減小，脫水分離效率提高。

(2) 碟片半錐角較大時(shí)，液滴的有效沉降距離增加，有利于物料的分離。但是錐角過(guò)大會(huì)影響重相沿著碟片下表面向大端的運(yùn)動(dòng)，脫水分離效率下降。

(3) 中性孔直徑與流量、碟片數(shù)量有關(guān)，數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著中性孔直徑的增加，出油口含水率略有增大，分離效率下降。