胡煜緯 ，袁惠新 ，付雙成 ，周發(fā)戚

（1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2.江蘇省綠色過程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

0 引言

碟式離心機(jī)因其具有分離精度高、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于石油、化工、食品加工、生物制藥等工業(yè)領(lǐng)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(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后，經(jīng)由中性孔進(jìn)入各層碟片間隙內(nèi)，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(zhuǎn)鼓沉渣腔，另一方面輕相——油為連續(xù)相，由碟片小端排出，從而實(shí)現(xiàn)混合物的分離。

索柯羅夫?qū)Φg隙的計(jì)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(jìn)入轉(zhuǎn)鼓沉渣區(qū)［7-8］。孫步功等［9-10］都以此為基礎(chǔ)，分別根據(jù)2種不同的物料的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得到相應(yīng)的碟片間距的數(shù)值，并且以此來調(diào)整碟片間隙進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)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(jī)的轉(zhuǎn)鼓區(qū)域建立了三維流動模型，并模擬油水兩相分離，分析了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)分離特性，研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和顆粒粒徑對碟片間隙內(nèi)分離效果有影響。JANOSKE等［12］通過對單個(gè)碟片間隙建立模型，列出無量綱的參數(shù)，得出了判定碟片間隙內(nèi)流體特性的特征參數(shù)，并且試驗(yàn)驗(yàn)證了層流狀況下的分離效率與計(jì)算值相吻合。然而，其都沒有研究碟片間距對碟片間隙內(nèi)流場的影響［13-14］。實(shí)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?yàn)橐怪叵嘣诘g隙內(nèi)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(shù)，而這方面的研究鮮見報(bào)道。本文以碟式離心機(jī)油品脫水過程為對象，研究碟式離心機(jī)碟片間距對各層碟片間隙內(nèi)流量及濃度分配的影響，以及對碟式離心機(jī)分離性能的影響規(guī)律，為碟式離心機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)裝置

本文試驗(yàn)在江蘇某公司的DRHY 614型碟式離心機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行。碟式離心機(jī)的最大轉(zhuǎn)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(shù)目190個(gè)。

1.1.2 物料

本試驗(yàn)以含水航空煤油作為離心分離的對象。物料的物性參數(shù)見表1。

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

1.1.3 試驗(yàn)過程

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

（2）連接好各條管路后，按下電機(jī)柜上的啟動按鈕，先將碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)穩(wěn)定后，開啟進(jìn)料泵并多次部分排渣，排除離心機(jī)內(nèi)多余的空氣，達(dá)到內(nèi)外壓力平衡；

（3）將碟式離心機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整至6 000 r/min，待碟式離心機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，可以在進(jìn)出口管道上多次取樣；

（4）試驗(yàn)完成后，先關(guān)閉進(jìn)料泵，待排渣結(jié)束后，重新用清水進(jìn)料，清洗碟式離心機(jī)，最后按下停機(jī)按鈕，等碟式離心機(jī)停止后關(guān)閉所有電源，清洗實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jī)內(nèi)流場模型及網(wǎng)格劃分

本文采用碟式離心機(jī)內(nèi)流場的簡化模型進(jìn)行CFD模擬。簡化模型主要包含了進(jìn)料道區(qū)域、輕重相出料道區(qū)域和轉(zhuǎn)鼓成渣腔區(qū)域，其中分離過程主要發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓沉渣腔內(nèi)設(shè)置的一組碟片的間隙內(nèi)。碟式離心機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 碟式離心機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Main structural parameters of disc centrifuge

由于本文的變量參數(shù)為碟片間距，因此以不同的碟片間隙來進(jìn)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(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值不變。筆者利用GAMBIT軟件建立了模型，并對模型劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 碟式離心機(jī)內(nèi)流場簡化模型Fig.1 Simplified model of flow field in disc centrifuge

1.2.2 模型計(jì)算及邊界條件

為了探究碟式離心機(jī)內(nèi)流場的情況，將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行計(jì)算。模型的入口邊界條件設(shè)置為速度入口（Velocityinlet），水相占比10%；輕重相出口邊界條件設(shè)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(nèi)上下出口以及中性孔與其相交的面設(shè)置為內(nèi)部面（Interior），用來觀察每層碟片間隙間的進(jìn)出口情況；其余與流體接觸的壁面均采用無滑移條件。根據(jù)碟式離心機(jī)的實(shí)際情況，設(shè)置了流體區(qū)域的類型，進(jìn)料道設(shè)置為靜區(qū)域，其余流體域都設(shè)置為繞軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的動區(qū)域，轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 000 r/min。

碟式離心機(jī)的內(nèi)流場主要以旋轉(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)值模擬，穩(wěn)態(tài)模擬到30 000步后，殘差曲線已經(jīng)穩(wěn)定，表明流場也已穩(wěn)定。

1.2.3 可靠性驗(yàn)證

影響碟式離心機(jī)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(jī)的分離性能，能夠得到較好的判定。碟式離心機(jī)的分離效率E計(jì)算式為：

式中 Co——輕相出口處重相的體積濃度；

Ci——進(jìn)料中的重相體積濃度。

采用碟片間距h=0.5 mm，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，進(jìn)料量為60 m3/h時(shí)，試驗(yàn)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(yàn)中得到的分離效率，這是因?yàn)槟M中采用的水相以等粒徑的顆粒模型，與試驗(yàn)中的非均一粒徑不同，而且試驗(yàn)中會出現(xiàn)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(diǎn)，但模擬值與試驗(yàn)值很接近，驗(yàn)證了模擬的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 碟片間距對各碟片間進(jìn)出流量的影響

為了分析碟片間隙內(nèi)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(shè)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(nèi)的液流流速vl計(jì)算式為：

式中 q ——單層碟片間隙內(nèi)的液體流量；

r ——徑向位置；

h ——碟片間距。

根據(jù)上述公式可以看出，當(dāng)?shù)g隙內(nèi)的液體流量一定時(shí)，流經(jīng)碟片間隙內(nèi)某一位置的液流流速隨著碟片間距的增大而減小。

假設(shè)流體流經(jīng)中性孔均勻分配到各層碟片間，則碟式離心機(jī)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(yīng)當(dāng)相同，即：

式中 Q ——碟式離心機(jī)處理量；

N ——碟片數(shù)目。

然而，從圖2可以看出，實(shí)際上各層碟片間隙內(nèi)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(xiàn)象：靠近底層和頂層的碟片間隙內(nèi)流量大。這是因?yàn)榱弦涸陔x心力場下經(jīng)進(jìn)料道加速由底層進(jìn)入碟片組中性孔內(nèi)后，會大量的最先進(jìn)入底層碟片間隙內(nèi)，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(nèi)，但在每層碟片間隙位于中性孔處存在回流，這些重新進(jìn)入中性孔流道的液流會被夾帶著到達(dá)最頂層碟片處，從而導(dǎo)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(guī)律可循。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)鼓腔內(nèi)的空間較大，其當(dāng)量直徑大約為2H（H為碟片束總高度），當(dāng)液流從碟片大端流出時(shí)，速度保持不變，但雷諾數(shù)數(shù)值變大，使得液流極易形成湍流，造成不穩(wěn)定的現(xiàn)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(jìn)出的重相體積分?jǐn)?shù)。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?jǐn)?shù)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(shí)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(dāng)?shù)g距h=0.2 mm時(shí)，此時(shí)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(shí)間相對少，導(dǎo)致在中性孔處監(jiān)測得到的重分散相濃度比較高，但同時(shí)由于碟片間距過小，導(dǎo)致碟片間隙內(nèi)的液流速度很快，在重相分離過程中也有相當(dāng)多一部分被液流夾帶向碟片小端出口，導(dǎo)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?yàn)橹胤稚⑾鄰牡讓拥_始分離，分離出的重相液會被中性孔流道內(nèi)的液流夾帶向上并反復(fù)進(jìn)行分離，導(dǎo)致進(jìn)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(diǎn)，這是因?yàn)樵谥虚g段碟片間隙內(nèi)的流量分布都相對均勻且較小，此時(shí)液流速度相對不大，使得液流的穩(wěn)定性更好，不易變?yōu)橥牧鳌?/p>

圖5示出第10層碟片間隙內(nèi)重相體積分?jǐn)?shù)隨徑向位置的分布。由圖5可以看出，重相體積分?jǐn)?shù)隨徑向位置分布的大致趨勢為，徑向位置越遠(yuǎn)，重相體積分?jǐn)?shù)越大，且在中心孔外靠碟片大端側(cè)陡增，在轉(zhuǎn)鼓壁面處達(dá)到最大值。結(jié)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(nèi)重相體積分?jǐn)?shù)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(nèi)的分離效率En計(jì)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(nèi)的分離效率。由圖5可知，當(dāng)?shù)g隙過?。╤=0.2 mm）或者過大（h=0.8 mm）時(shí)，各層碟片間隙內(nèi)的分離效率都比其他3種碟片間距下的要低，這是因?yàn)榈g距過小時(shí)，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(dǎo)致其分離效率的降低。同樣的碟片間距過大時(shí)，重相沉降距離增大，在間隙內(nèi)停留的時(shí)間更長，容易被液流夾帶從碟片小端流出，導(dǎo)致分離效率的降低。其他3種碟片間距下，各層碟片間隙內(nèi)的分離效率都比較高。

圖6 各層碟片間隙內(nèi)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(jī)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(jī)的分離效率隨著碟片間距呈現(xiàn)先增高后緩慢降低的趨勢。由圖6也可以知道，當(dāng)間距h=0.2 mm時(shí)，各層碟片間隙內(nèi)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(dāng)間距小到一定程度時(shí)碟式離心機(jī)分離效率會顯著降低。在模擬結(jié)果的對比下，當(dāng)?shù)g隙h=0.5 mm時(shí)，碟式離心機(jī)的分離效率最大，達(dá)到了99.4%。

3 結(jié)論

（1）碟式離心機(jī)內(nèi)各層碟片間隙的進(jìn)料流量、進(jìn)料濃度和分離效率是不一樣的，特別當(dāng)?shù)g距過大或過小時(shí)。

（2）碟片間隙過大，相對的其各層碟片間隙的進(jìn)出流量較為不均勻，不利于碟片間隙內(nèi)流場的穩(wěn)定性，同時(shí)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(dāng)?shù)g距過小時(shí)，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(nèi)會出現(xiàn)重相液被液流從碟片小端出口帶出，導(dǎo)致碟片小端出口重相體積分?jǐn)?shù)變大，存在短板效應(yīng)，使分離效率變低。

（4）存在合適的碟片間距，此時(shí)，各層碟片間隙進(jìn)出流量以及濃度分配會更均勻，重相顆粒的離心沉降運(yùn)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(jī)的分離效率最好。