碟片間距對碟式離心機性能的影響
技術(shù)支持
碟式離心機因其具有分離精度高、處理量大等優(yōu)點，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。對于油品脫水這種液-液離心分離過程，混合液在進入轉(zhuǎn)鼓后，經(jīng)由中性孔進入各層碟片間隙內(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，從而實現(xiàn)混合物的分離。
索柯羅夫?qū)Φg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(zhuǎn)鼓沉渣區(qū)。孫步功等都以此為基礎(chǔ)，分別根據(jù)2種不同的物料的特性進行設(shè)計計算，得到相應(yīng)的碟片間距的數(shù)值，并且以此來調(diào)整碟片間隙進行試驗，發(fā)現(xiàn)試驗所得到排渣效果有了改善。耿樂天等利用ICEM軟件對碟式離心機的轉(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等通過對單個碟片間隙建立模型，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(nèi)流場的影響。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(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(nèi)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(guī)律，為碟式離心機的設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。
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DRHY614型碟式離心機實驗平臺上進行。碟式離心機的轉(zhuǎn)鼓半徑為276mm，所采用的碟片尺寸：大端半徑235mm，小端半徑85mm，碟片間距0.5mm，碟片半錐角40°，碟片數(shù)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(shù)見下表：
參數(shù) | 數(shù)值 |
航空煤油的密度（kg/m3） | 814 |
航空煤油的黏度（MPa·s） | 6.919 |
水的密度（kg/m3） | 998.2 |
水的黏度（MPa·s） | 1.003 |
水的粒徑（μm） | 15 |
1.13 試驗過程
（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，按下電機柜上的啟動按鈕，先將碟式離心機轉(zhuǎn)速提至11000r/min，在啟動過程中，檢查各管路是否漏水；待碟式離心機穩(wěn)定后，開啟進料泵并多次部分排渣，排除離心機內(nèi)多余的空氣，達到內(nèi)外壓力平衡。
（3）將碟式離心機的轉(zhuǎn)速調(diào)整至6000r/min，待碟式離心機處于穩(wěn)定狀態(tài)后，可以在進出口管道上多次取樣。
（4）試驗完成后，先關(guān)閉進料泵，待排渣結(jié)束后，重新用清水進料，清洗碟式離心機，按下停機按鈕，等碟式離心機停止后關(guān)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（3μg～100mg），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(nèi)流場模型及網(wǎng)格劃分
本文采用碟式離心機內(nèi)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(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)。碟式離心機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
參數(shù) | 數(shù)值 |
碟片間距（mm） | 0.5 |
碟片厚度（mm） | 0.7 |
碟片數(shù)（個） | 20 |
碟片半錐角（°） | 40 |
碟片大端半徑（mm） | 235 |
碟片小端半徑（mm） | 85 |
轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑（mm） | 552 |
物料入口半徑（mm） | 11 |
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行建模，碟片間距分別取為0.2、0.4、0.5、0.6、0.8mm，其余的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值不變。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。
1.2.2 模型計算及邊界條件
為了探究碟式離心機內(nèi)流場的情況，將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入FLUENT軟件中進行計算。模型的入口邊界條件設(shè)置為速度入口，水相占比10%；輕重相出口邊界條件設(shè)置為自由出口，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及其相交的面設(shè)置為內(nèi)部面，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(jù)碟式離心機的實際情況，設(shè)置了流體區(qū)域的類型，進料道設(shè)置為靜區(qū)域，其余流體都設(shè)置為繞軸順時針旋轉(zhuǎn)的動區(qū)域，轉(zhuǎn)速設(shè)置為6000r/min。
碟式離心機的內(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FLUENT15.0進行數(shù)值模擬，穩(wěn)態(tài)模擬到30000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。
采用碟片間距=0.5mm，轉(zhuǎn)速為6000r/min，進料量為60m3/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(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，但模擬值與試驗值很接近，驗證了模擬的可靠性。
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。
當(dāng)?shù)g隙內(nèi)的流體流量一定時，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。然而，實際上各層碟片間隙內(nèi)的流量分配并不均勻。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。這是因為料液在離心力場下經(jīng)進料道加速由底層進入碟片組中性孔內(nèi)后，會大量的進入底層碟片間隙內(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，這些重新進入中心孔流道的液流會被夾帶著到達頂層碟片處，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。
碟片大端出口處流量分配不均勻，且無規(guī)律可循。這是因為轉(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，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)場，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
當(dāng)?shù)g距h=0.2mm時，此時碟片間距小，這意味著沉降距離也短，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(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。
中性孔處重相濃度大致趨勢是先緩慢降低，在頂層陡然升高。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(nèi)的液流夾帶向上并反復(fù)進行分離，導(dǎo)致進入頂層碟片間隙的液流含重相濃度高。
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(nèi)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(wěn)定性更好，不易變?yōu)橥牧鳌?/span>
重相體積分數(shù)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(shù)越大，且在中心孔外靠碟片大端側(cè)陡增，在轉(zhuǎn)鼓壁面處達到極值。
2.3 碟片間距對分離效率的影響
當(dāng)?shù)g隙過小（h=0.2mm）或者過大（h=0.8mm）時，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(dǎo)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(nèi)停留的時間更長，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。
碟式離心機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。當(dāng)間距h=0.2mm時，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碟式離心機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=0.5mm時，碟式離心機的分離效率較大，達到了99.4%。
3 結(jié)論
（1）碟式離心機內(nèi)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(dāng)?shù)g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(nèi)流場的穩(wěn)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(dāng)?shù)g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(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數(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，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好。
