吳 青， 郝麗燕， 任京生， 李 楠

(1.北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100048；2.首鋼工學(xué)院 機(jī)電工程系, 北京 100144)

室式分離機(jī)是一種用于澄清含有少量固體顆粒懸浮液的高速分離機(jī)械，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1. 該機(jī)有3～7個(gè)分離室，分離因數(shù)高，懸浮液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流程長(zhǎng)，固相顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間也長(zhǎng). 同時(shí)分離室從中心向外的當(dāng)量沉降面積增大，懸浮液在分離室內(nèi)呈薄層流動(dòng)，固相顆粒沉降時(shí)間短，固液相分離效率高，可得到澄清度高的液體. 室式分離機(jī)適用于食品工業(yè)中酒類(lèi)、油類(lèi)、果汁、飲料等含微量固體、固液兩相較難分離的液相澄清. 室式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造后可用于醫(yī)藥工業(yè)中青霉素的萃取. 室式分離機(jī)適宜處理固相顆粒粒度大于0.1 μm，固相濃度小于1%～2%的懸浮液的澄清，每小時(shí)處理能力為2.5～10 m3.

圖1 室式分離機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of centrifugal separator

室式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2. 轉(zhuǎn)鼓由鼓體和上蓋組成. 上蓋與鼓體用螺栓聯(lián)結(jié)，并用密封圈密封，以便能打開(kāi)轉(zhuǎn)鼓排卸固相濾渣. 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有多個(gè)與軸線同心的圓筒，將轉(zhuǎn)鼓分成有若干個(gè)同心環(huán)形間隙的分離室，同心圓筒一端從內(nèi)到外等距間隔交錯(cuò)地固結(jié)在上蓋和鼓底上，另一端形成串聯(lián)的流動(dòng)通道. 各分離室的流道串聯(lián)，沉降面積較大，澄清效果好.

圖2 室式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)Fig.2 Barrate structure of centrifugal separator

懸浮液從底部進(jìn)料孔進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓最里端的第一圓筒與中心軸間的第一分離室，在離心力的作用下進(jìn)行初步分離. 懸浮液中的粗顆粒沉降在第一圓筒壁上，含有較細(xì)顆粒的懸浮液由第一分離室的上端轉(zhuǎn)彎向下流入第一圓筒與第二圓筒間的第二分離室，又有一部分次粗顆粒沉降在第二圓筒壁上，懸浮液繼續(xù)由第二分離室的下端流出轉(zhuǎn)彎向上流入第二圓筒與第三圓筒間的第三分離室. 懸浮液如此從內(nèi)向外依次流經(jīng)其余各分離室，受到逐漸增大的離心力場(chǎng)作用連續(xù)分離. 結(jié)果是懸浮液中的粗顆粒沉降在靠?jī)?nèi)的分離室的筒壁上，較細(xì)的顆粒沉降在靠外的分離室的筒壁上，清液最終從轉(zhuǎn)鼓頂部的開(kāi)孔溢流排出. 環(huán)狀分離室從內(nèi)到外回轉(zhuǎn)半徑增大，分離因數(shù)也隨之增加. 各分離室內(nèi)的外壁上形成了不同粒度、不同厚度的沉渣層. 最里層分離因數(shù)小，沉降顆粒最大，最外層分離因數(shù)大，沉降顆粒最小. 機(jī)器運(yùn)行一段時(shí)間后，分離液澄清度變差，各分離室的沉渣層達(dá)到一定厚度，分離過(guò)程則不能正常進(jìn)行. 這時(shí)須停止加料，停機(jī)拆開(kāi)轉(zhuǎn)鼓上蓋，將轉(zhuǎn)鼓中各分離室內(nèi)的沉渣卸出并清理干凈，再裝好上蓋進(jìn)行下一次分離工作.

1 室式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的室式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓的分離室是由若干個(gè)具有多個(gè)同心環(huán)狀間隙的同心直圓筒組成. 懸浮液進(jìn)入室式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓后在各層分離室中沿軸向流動(dòng)，流向與離心力的方向垂直，固相顆粒沉降在各層分離室筒壁上，會(huì)使層間流道逐漸變窄，流速增加，壓力下降，分離效率降低. 同時(shí)沉降層的厚度不均勻，也會(huì)使流動(dòng)不穩(wěn)定，加大流動(dòng)損失. 因此為消除這些缺點(diǎn)，需要對(duì)室式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行改進(jìn).

2 室式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

離心分離是利用離心力來(lái)分離非均相系混合物. 其分離因數(shù)為：

(1)

從式(1)可看出，若物料確定后,離心力Fr與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，與轉(zhuǎn)鼓的半徑R成正比. 當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，增加轉(zhuǎn)鼓半徑可提高表示離心機(jī)分離能力的分離因數(shù). 由于是高速離心機(jī)，為滿足離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度，在不特別增加轉(zhuǎn)鼓直徑的條件下，適當(dāng)改進(jìn)轉(zhuǎn)鼓的形狀，以提高分離效率，同時(shí)也利于加速排渣.

轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)改為一段直筒壁與一段斜筒壁連接，其改進(jìn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

圖3 室式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓的改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig.3 Improvement structure of centrifugal separator barrate

此結(jié)構(gòu)是對(duì)傳統(tǒng)的多個(gè)同心環(huán)狀間隙的同心直圓筒進(jìn)行改進(jìn). 直圓筒的形狀變?yōu)橐话肴允侵眻A筒，另一半是稍向外擴(kuò)展的圓臺(tái)筒. 相鄰圓筒反向交錯(cuò)安裝,直圓筒段焊接在上蓋或鼓底上，圓臺(tái)筒口敞開(kāi). 物料進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓各分離室，都是先流經(jīng)直圓筒段，再流過(guò)圓臺(tái)筒段.

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以加快固液分離，防止固體顆粒在分離室的通道中堵塞，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排渣.

除第一分離室外的其余各分離室，在入口內(nèi)的前段區(qū)域，外筒的直筒段與相鄰內(nèi)筒圓臺(tái)段的通道由窄逐漸變寬，根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性方程

υA=const,

(2)

得知：流通面積A增加，懸浮液流速v就會(huì)減小. 而根據(jù)伯努利方程，在忽略位能與其它能量損失的情況下，有：

(3)

式(3)中ρ——物料密度；p——壓力；u——流速.

動(dòng)能減小了，壓力能則會(huì)增加，利于保持通道的流暢.

懸浮液通過(guò)流道中部后，內(nèi)筒的直筒段與相鄰?fù)馔矆A臺(tái)段的通道變得更寬，外筒壁母線與轉(zhuǎn)鼓軸向有一擴(kuò)散角，固體顆粒在分力作用下，沿筒壁移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排渣.

3 室式分離機(jī)改進(jìn)轉(zhuǎn)鼓中懸浮液的流動(dòng)分析

懸浮液在轉(zhuǎn)鼓中的流動(dòng)受到離心力與液流壓力的聯(lián)合作用，流動(dòng)從內(nèi)到外，在穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后接近于層流狀態(tài). 進(jìn)料口處沒(méi)有加速裝置，液體稍有周向滯后狀態(tài). 雖然總體是軸向流入，但在轉(zhuǎn)鼓分離室內(nèi)液體流向略呈螺旋形. 由于轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，需對(duì)懸浮液在轉(zhuǎn)鼓中分段進(jìn)行研究. 另外固相顆粒與液流也應(yīng)分別考慮.

3.1 轉(zhuǎn)鼓直筒段

1) 層流狀態(tài):建立圓柱坐標(biāo)系，利用Navier-Stokes方程，經(jīng)簡(jiǎn)化可得

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中ur、uφ、uZ——分別為液體速度在r、φ、Z方向的投影；r——計(jì)算位置的半徑；ρ——液體的密度；μ——液體的運(yùn)動(dòng)粘度.

2) 對(duì)于液體稍有周向滯后狀態(tài)，液體角速度為

(8)

式(8)中ω0——轉(zhuǎn)鼓角速度；r1、r2——轉(zhuǎn)鼓中一個(gè)分離室壁內(nèi)半徑、外半徑.

其中a值通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取.

3) 液體在轉(zhuǎn)鼓分離室內(nèi)略呈螺旋形流動(dòng)，因此存在相對(duì)于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的周向速度分量與軸向速度分量. 在層流狀態(tài)下，有

(9)

(10)

式(9)、式(10)中Q——液體體積流量；s——相鄰計(jì)算液體流線的間距.

3.2 轉(zhuǎn)鼓圓臺(tái)筒段

3.2.1 懸浮液流態(tài)速度分析

1) 懸浮液的周向速度

懸浮液進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)筒圓臺(tái)段通道，圓臺(tái)筒壁經(jīng)線與轉(zhuǎn)鼓軸線有一夾角α. 在分力作用下，液體順筒壁方向移動(dòng)，有滯后周向速度和徑向速度. 通道的擴(kuò)大及在離心力的作用下使得直筒壁上的液體稍有分離，形成自由液面.

懸浮液的周向速度為

(11)

邊界條件為r=r2時(shí)，uφ=0；r=ry時(shí)，uφ=ryωy.

代入式(11)，解出

求得：

(12)

式(12)中ωy——自由液面角速度；ry——自由液面半徑.

2) 懸浮液的經(jīng)向速度

由于α角較小,建立近似雙圓錐坐標(biāo)系,假設(shè)液體的流動(dòng)為層流,利用牛頓液體內(nèi)摩擦定律可導(dǎo)出:

(13)

式(13)中h——圓臺(tái)筒間法向?qū)挾龋籷——圓臺(tái)筒中液體流量；k——系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定.

3.2.2 懸浮液中固體顆粒的流動(dòng)分析

懸浮液中的固相微粒主要是受離心力F作用，同時(shí)又隨液體順著圓臺(tái)筒壁運(yùn)動(dòng). 在絕對(duì)坐標(biāo)系中，微粒運(yùn)動(dòng)軌跡為空間曲線，因此微粒上受到離心力、與轉(zhuǎn)鼓壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力、哥氏力和因本身具有加速度而產(chǎn)生的慣性力的作用.

由于圓臺(tái)筒壁經(jīng)線與轉(zhuǎn)鼓軸線的夾角α很小，可利用無(wú)因次量綱分析法，得到：

(14)

式(14)中

其中uφ——固相微粒的周向速度；ω——轉(zhuǎn)鼓角速度；r——微粒處回轉(zhuǎn)半徑；rZ——半徑的Z向分量；Z——轉(zhuǎn)鼓母線方向；p——壓力.

經(jīng)推導(dǎo)可得到幾個(gè)方向的速度：

總周向速度

uφ=uφ1+uφ2.

(15)

軸向速度

uz=(Δuφ-uφ)tgα

(16)

徑向速度

ur=ul·sinα

(17)

式(15)～(17)中uφ1——固相微粒相對(duì)于轉(zhuǎn)鼓的周向速度；uφ2——周向滑動(dòng)速度； Δuφ——固相微粒相對(duì)于轉(zhuǎn)鼓的周向速度差；ul——經(jīng)向速度.

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)目前使用的室式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可以提高懸浮液的分離效率，減小液體的流動(dòng)損失. 流體通道的改變使固體顆粒在分力作用下沿筒壁移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的自動(dòng)排渣. 在對(duì)室式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓不同段流體及固相顆粒的運(yùn)動(dòng)分析基礎(chǔ)上，還需通過(guò)實(shí)驗(yàn)，做出模型，繼續(xù)改進(jìn)，才能使轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)更加合理與完善.