朱桂華 王 華 陳 勇 阮利超 胡志坤 魏 釗

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

鹵水凈化工藝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含固率為10%左右的鹽泥漿［1］，其固相成分主要是碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀，鹽泥漿通過(guò)固液分離設(shè)備降低含水率后以固體廢棄物的形式排出。目前，大部分井礦鹽企業(yè)在處理鹽泥漿時(shí)采用的是直接堆積、填埋及注井等粗放式處理方式，這些處理方式不僅浪費(fèi)可利用資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染［2］。當(dāng)前常用的鹽泥漿環(huán)保處理技術(shù)是：水洗去氯離子后，通過(guò)固液分離設(shè)備排出固相鈣鎂泥，液相回收制鹽，鈣鎂泥用于制備吸附劑、建材及脫硫劑等，以實(shí)現(xiàn)減量化、資源化利用［3］。鹽泥漿處理過(guò)程中的固液分離設(shè)備主要為壓濾機(jī)和臥螺離心機(jī)，其中，臥螺離心機(jī)在鹽泥固液分離時(shí)會(huì)發(fā)生鹽析現(xiàn)象［4］，分離出的泥餅中含鹽量高，無(wú)法滿足處理要求；壓濾機(jī)相較臥螺離心機(jī)具有泥餅含水率低、分離出的清液幾乎不含固體沉淀等優(yōu)點(diǎn)，但該設(shè)備無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)且生產(chǎn)效率較低［5］。

研究學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，耿亞梅等開(kāi)發(fā)了一種新型動(dòng)態(tài)掃流板框壓濾機(jī)，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)對(duì)角切向進(jìn)料板框壓濾機(jī)濾室內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模擬研究，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，說(shuō)明模擬方法對(duì)壓濾機(jī)研究具有可行性［6，7］。鄧玲通過(guò)建立廂式隔膜壓濾機(jī)單個(gè)濾室內(nèi)污泥兩相流的數(shù)學(xué)模型，在Fluent軟件中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、混合模型及多孔介質(zhì)模型等對(duì)流體速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，得到濾室內(nèi)污泥兩相流基本流動(dòng)規(guī)律［8］。文獻(xiàn)［9～13］從單濾室的角度建立仿真模型，利用Fluent軟件對(duì)壓濾機(jī)的進(jìn)料方式、過(guò)濾壓力及濾室厚度等參數(shù)對(duì)過(guò)濾效率的影響進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。萬(wàn)國(guó)順等通過(guò)建立單濾室三維物理模型和壓濾脫水過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，揭示煤粒在濾室中的沉積成餅規(guī)律、壓力場(chǎng)分布情況及其與煤粒分布間的相關(guān)性［14］。

上述研究均以單濾室模型作為分析對(duì)象，然而壓濾機(jī)是由數(shù)十個(gè)濾板堆疊并通過(guò)油缸壓緊形成的封閉濾室，單濾室不能反映不同濾室之間流場(chǎng)規(guī)律的差異，因此筆者以文獻(xiàn)［15］中的數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)，以廂式壓濾機(jī)為研究對(duì)象，從多濾室的角度對(duì)壓濾機(jī)內(nèi)的鹽泥流動(dòng)特性進(jìn)行研究，以期為其固液分離研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型與計(jì)算方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

圖1為中心進(jìn)料廂式壓濾機(jī)過(guò)濾部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，兩側(cè)裝有濾布的濾板沿水平方向相互堆疊形成多個(gè)規(guī)則的濾室，每個(gè)濾板和濾布中心都有圓形開(kāi)孔，形成連接各濾室的進(jìn)料通道。鹽泥漿通過(guò)隔膜泵從入料口送入各濾室內(nèi)部，其中液相通過(guò)濾布孔隙流出濾室，固相在濾布的阻攔下留在濾室內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。

圖1 中心進(jìn)料廂式壓濾機(jī)過(guò)濾部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

廂式壓濾機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

濾室邊長(zhǎng) 200 mm

濾室間距 20 mm

濾布厚度 1 mm

濾室厚度 10 mm

進(jìn)料口直徑 20 mm

濾室腔厚度 4 mm

廂式壓濾機(jī)濾室部分結(jié)構(gòu)規(guī)則，具有良好的對(duì)稱性。在此，筆者選用8個(gè)濾室的廂式壓濾機(jī)作為計(jì)算仿真模型，在ICEM軟件中建立沿濾板堆疊方向的二維幾何模型（圖2）。模型中心通道為進(jìn)料通道，各濾室中間區(qū)域?yàn)闉V室內(nèi)部區(qū)域，兩側(cè)為過(guò)濾介質(zhì)區(qū)域。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為34 447。

圖2 二維幾何模型及結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程

鹽泥漿可視為鹽泥干基與鹵水混合的固液二相流，其中鹽泥干基為固相，鹵水為液相，在Fluent中選擇歐拉-歐拉法中的Eulerian流體模型［16］模擬二相流運(yùn)動(dòng)，其連續(xù)性方程如下：

式中 t——時(shí)間；

ρ——密度；

α——體積分?jǐn)?shù)；

下角標(biāo) s——固相。

固相動(dòng)量守恒方程為：

Ksl——固液兩相間的動(dòng)量傳遞系數(shù)；

p——兩相共同的壓力；

下角標(biāo) l——液相。

1.2.2 濾布的多孔介質(zhì)模型

將濾布設(shè)置為多孔介質(zhì)模型以簡(jiǎn)化計(jì)算。多孔介質(zhì)對(duì)流體的阻礙作用是通過(guò)在動(dòng)量方程中增加一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)量源項(xiàng)方程為：

式中 a——滲透率；

1/a——粘性阻力系數(shù)；

C2——慣性阻力系數(shù)；

Si——i方向上的動(dòng)量源項(xiàng)；

u——流體動(dòng)力粘度；

v——流速；

vi——固相顆粒物在過(guò)濾介質(zhì)區(qū)域的速度。

過(guò)濾介質(zhì)設(shè)為均勻多孔介質(zhì)，孔隙率0.2，各向粘性阻力系數(shù)與速度阻力系數(shù)相同。文獻(xiàn)［15］提及的濾布阻力系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置濾布對(duì)鹽泥液相的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為1.305×1013m-2和8.240×1012m-1，由于鹽泥固相并不進(jìn)入和通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)，所以設(shè)置固相顆粒物在過(guò)濾介質(zhì)區(qū)域的速度vi=0。

1.3 求解參數(shù)和條件設(shè)置

求解器和材料參數(shù)設(shè)置為：求解器選擇基于壓力-速度耦合方式求解；設(shè)液相鹵水（密度ρl=1206 kg/m3，黏度1.97 mPa·s）為主相，固相鹽泥顆粒（密度ρs=2161 kg/m3，黏度84.9 mPa·s，顆粒直徑ds=0.0124 mm）為次相。同時(shí)根據(jù)鹽泥壓濾濾餅實(shí)驗(yàn)，設(shè)置鹽泥固相極限體積濃度αs，max=63%。

邊界條件設(shè)置為：壓濾機(jī)壓濾階段入口邊界條件采用壓力入口（pressure-inlet），設(shè)置入口壓力為0.6 MPa，鹽泥固相體積濃度為12%；出口邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），出口壓力為0；壁面邊界按照無(wú)滑移壁面（wall）進(jìn)行處理。

初始條件設(shè)置為：由于筆者主要研究的是鹽泥壓濾機(jī)壓力過(guò)濾階段鹽泥漿的固液分離過(guò)程，因此初始化設(shè)置濾室內(nèi)部區(qū)域鹽泥漿固相體積濃度為12%。

2 結(jié)果分析

2.1 鹽泥漿在濾室中的流動(dòng)

圖3為60 s時(shí)鹽泥在濾室內(nèi)的流線分布圖，可以看出，鹽泥沿中心進(jìn)料通道進(jìn)入，并沿程分配給各濾室，由于鹽泥在進(jìn)料通道中沿濾板堆疊方向的流程不斷增長(zhǎng)，流動(dòng)中存在沿程水頭損失，同時(shí)由于各濾室進(jìn)料口處管路突擴(kuò)，存在局部水頭損失，鹽泥在進(jìn)料通道和各濾室中的流速逐漸減小。

圖3 60 s時(shí)鹽泥在濾室內(nèi)的流線分布圖

為了更清晰地表達(dá)濾室內(nèi)鹽泥流動(dòng)速度的分布規(guī)律，選取沿濾板堆疊方向上的第2、4、6、8個(gè)濾室繪制濾室中間軸線沿y軸方向上的速度變化曲線（圖4）。從圖4可以看出，靠近入口端的濾室內(nèi)鹽泥流動(dòng)速度大于末端濾室，但各濾室在沿y軸方向上的流速變化趨勢(shì)具有一致性，濾室中心進(jìn)料位置速度最大，沿濾室入口向?yàn)V室末端逐漸減小，同時(shí)由于重力作用，鹽泥顆粒向下沉積，濾室下部濃度整體偏高，鹽泥流動(dòng)性減弱，各濾室下部流速小于上部。

圖4 濾室中間軸線沿y軸方向上的鹽泥流速變化曲線

2.2 壓力分布

圖5a是包含過(guò)濾介質(zhì)區(qū)域的濾室內(nèi)部壓力分布云圖，可以看出，各濾室濾布層內(nèi)外存在明顯的壓差。壓濾階段，鹽泥固液兩相流會(huì)在壓力的作用下持續(xù)進(jìn)入各濾室內(nèi)，由于濾布內(nèi)外存在壓差，固相在濾布的阻攔作用下沉積，液相在內(nèi)外壓差的作用下流出濾布外，實(shí)現(xiàn)固液兩相分離。圖5b是僅濾室內(nèi)部區(qū)域的壓力分布云圖，可以看出，由于重力的影響，各濾室內(nèi)部壓力分布在豎直方向上始終存在壓力梯度。

圖5 過(guò)濾介質(zhì)區(qū)域和濾室內(nèi)部區(qū)域的壓力分布云圖

2.3 鹽泥固相濃度分布

圖6為濾室內(nèi)鹽泥固相濃度分布變化云圖。從圖6a可以看出，由于鹽泥顆粒在濾布表面開(kāi)始沉積，各濾室靠近濾室兩側(cè)過(guò)濾介質(zhì)層固相濃度更高，同時(shí)過(guò)濾初期由于重力作用，各濾室底部固相濃度增長(zhǎng)明顯；從圖6b可以看出，濾室底部固相濃度最先達(dá)到固相極限體積濃度as，max，生成部分濾餅并從濾室底部向上發(fā)展；從圖6c～f中可以看出，濾室內(nèi)固相濃度逐漸增高，濾室上下兩端先達(dá)到極限體積濃度，下部較上部快，最終成餅位置均在中心進(jìn)料口區(qū)域。

圖6 濾室內(nèi)鹽泥固相濃度分布變化云圖

3 過(guò)濾壓力的影響

3.1 不同過(guò)濾壓力的模擬結(jié)果

過(guò)濾壓力直接影響壓濾機(jī)的工作效率，過(guò)濾壓力過(guò)低會(huì)導(dǎo)致壓濾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；過(guò)濾壓力過(guò)高，則需要更多的能耗，效益降低，同時(shí)對(duì)濾板強(qiáng)度和密封性提出更高的要求。圖7是過(guò)濾壓力為0.2、0.6、1.0 MPa時(shí)的鹽泥含水率隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，相同時(shí)刻下，過(guò)濾壓力越大，泥餅含水率越低，過(guò)濾效果越好。但是，隨著壓濾的進(jìn)行，含水率下降速度變緩，這是因?yàn)殡S著濾室內(nèi)固相濃度的增加，對(duì)液相的流動(dòng)阻力變大，其流動(dòng)性變差。

圖7 不同過(guò)濾壓力下鹽泥含水率隨時(shí)間的變化曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)用鹽泥漿為湖南某鹽化公司鹵水凈化工藝的副產(chǎn)物，通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）對(duì)鹽泥固相干基成分進(jìn)行檢測(cè)，得到其化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表1）。固液相物性參數(shù)為：固相密度ρs=2161 kg/m3，黏度84.9 mPa·s，平均粒徑ds=0.0124 mm，體積濃度12%；液相密度ρl=1206 kg/m3，黏度1.97 mPa·s。

表1 實(shí)驗(yàn)用鹽泥固相成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

實(shí)驗(yàn)裝置（圖8）包括XASGI/350-10U小型實(shí)驗(yàn)廂式壓濾機(jī)、鹽泥漿液儲(chǔ)存罐、壓力表、入料泵及濾液回收箱等。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)備好攪拌均勻的含固率為12%的鹽泥漿液，過(guò) 濾 壓 力 分 別 設(shè) 置 為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，其他參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件不變，5組實(shí)驗(yàn)各重復(fù)3次，壓濾時(shí)間均為180 s。壓濾結(jié)束后卸下整機(jī)泥餅稱重，并用微波爐烘干再次稱重，計(jì)算出泥餅平均含水率。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

不同過(guò)濾壓力下鹽泥濾餅含水率結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，隨著過(guò)濾壓力的增大，鹽泥濾餅的平均含水率減??；過(guò)濾壓力0.2～0.6 MPa時(shí)，鹽泥濾餅的平均含水率下降明顯；過(guò)濾壓力0.6～1.0 MPa時(shí)，鹽泥濾餅的平均含水率下降變緩?？紤]到增大過(guò)濾壓力將增加更多的能耗，最終選擇壓濾效果好且能耗相對(duì)較低的過(guò)濾壓力0.6 MPa。

表2 不同過(guò)濾壓力下鹽泥濾餅含水率

圖9為實(shí)驗(yàn)與仿真得到的不同過(guò)濾壓力下的鹽泥濾餅含水率曲線。

圖9 實(shí)驗(yàn)與仿真得到的不同過(guò)濾壓力下的鹽泥濾餅含水率曲線

從圖9可知，仿真結(jié)果小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)闉V布的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模擬過(guò)程中將其簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差。實(shí)驗(yàn)和仿真得到的鹽泥濾餅含水率均隨著過(guò)濾壓力的增大而降低，變化趨勢(shì)一致，證明了壓濾機(jī)內(nèi)過(guò)濾流場(chǎng)模擬的可靠性，對(duì)于工程研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

4.1 各濾室進(jìn)料口處管路突擴(kuò)和沿濾板堆疊方向流程增長(zhǎng)，存在水頭損失，同時(shí)隨著壓濾的進(jìn)行，濾室內(nèi)鹽泥濃度升高，鹽泥在濾室內(nèi)的流動(dòng)性沿入料口近端向遠(yuǎn)端降低。因此在壓濾機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中可適當(dāng)減少濾室個(gè)數(shù)，降低沿程流動(dòng)損失，提高固液分離效率。

4.2 數(shù)值模擬得到的過(guò)濾壓力0.6 MPa時(shí)的鹽泥固相濃度變化云圖，反映了濾室內(nèi)鹽泥沉積成餅規(guī)律，為壓濾機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。濾室內(nèi)鹽泥固相先從濾布表面開(kāi)始沉積，濾室底部固相濃度增長(zhǎng)最快，最先達(dá)到極限濃度形成部分濾餅，隨著壓濾的持續(xù)進(jìn)行，濾室內(nèi)固相濃度逐漸升高，濾餅從濾室上下兩端向中心入料通道生長(zhǎng)，下部較上部速度更快，最終成餅位置均在濾室中心入料通道處。

4.3 在極限過(guò)濾壓力范圍內(nèi)，壓力越大，形成的泥餅含水率越低，但是由于壓濾后期固相濃度增大，過(guò)濾壓力對(duì)固液分離效率的影響降低。從高效節(jié)能的角度出發(fā)，合適的過(guò)濾壓力為0.6 MPa。