推料頻率對雙級活塞推料離心機分離效果影響的數值模擬研究

逄　翀，譚　蔚*，沙恩典，陶淵卿

(1.天津大學化工學院，天津 300072； 2.浙江輕機實業有限公司，浙江 杭州 311401)

臥式活塞推料離心機是一種連續運轉、自動操作、脈動卸料的過濾式離心機。它在全速下完成進料、分離、洗滌、干燥和卸料等所有操作工序。過濾介質為板狀或條形濾網，濾網間隙較大，適合過濾固相顆粒大于0.1 mm及固相濃度大于30%的結晶顆粒或纖維狀物料[1-3]，廣泛應用于化肥、化學工業、食品及國防工業等部門，可分離食糖、無機鹽類、重有機中間體、塑料、纖維及火箭燃料等300多種物料，尤其在碳銨、硫銨、食鹽和尿素生產中應用最多[4-6]。

雙級活塞推料離心機由于其自身擁有其他離心機不具備的諸多優點，已成為活塞推料離心機中使用最多的一種機型[7]。隨著工業化生產規模的加大，雙級活塞推料離心機在應用上向高產量、高效率和低能耗等方向發展，這就需要對其進行優化設計。然而，由于過濾理論僅適合于簡單的過濾過程，對于結構復雜的雙級活塞推料離心機，難以通過理論分析得到離心機的內部流動過程。近幾年興起的計算流體力學方法則為研究離心機的分離過程和分離效果提供了新的方法[8-11]。為此，本研究采用大型商業軟件FLUENT，對P-100型雙級活塞推料離心機建立三維幾何模型并對其進行數值計算，研究了推料頻率對分離效果的影響，為工業應用提供依據。

1　數值模擬方案

1.1　幾何模型和流場離散

P-100型雙級活塞推料離心機整體結構如圖1所示。由于本文研究的是離心機內部的流場分布規律，故計算模型只取由一級轉鼓、二級轉鼓、篩網和加速盤組成的轉鼓部件，結構尺寸和物性參數如表1和表2所示。

圖1　P-100型雙級活塞推料離心機整體結構圖Fig.1　Overall structure of P-100-type two-stage pusher centrifuge

表1　轉鼓部分的主要結構尺寸Table 1　Main structure parameter of the drum part

使用FLUENT前置畫圖軟件GAMBIT對轉鼓部分建立三維幾何模型。針對雙級活塞推料離心機的特征，為提高計算精度并有效控制計算量，對形狀規整的區域(如進料管和轉鼓內外表面)采用六面體網格，其余部位(如加速盤和轉鼓開孔部分)采用四面體網格劃分。整個模型劃分成了993 069個網格，包括3 422 367個面和1 001 790個節點，如圖2所示。

表2　物料屬性Table 2　Material properties

圖2　網格劃分示意圖Fig.2　Schematic diagram of grid generation

1.2　數值計算方法

由于雙級活塞推料離心機是高速旋轉的設備，湍流模型的標準k-ε方程已不滿足數值模擬的需要，故選用RNGk-ε模型。對轉鼓內的流場采用滑移網格進行計算，該方法是把整個流場劃分成靜止和轉動區域，進料管區域為靜止的，而加速盤和轉鼓區域是運動的，并設定它們之間的交界面為interface。一級轉鼓邊界采用動網格模型，而篩網被簡化為多孔介質模型。選用瞬態求解器，采用有限體積法對三維數值模型就行離散，壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法，離散格式中壓力插補格式采用PRESTO格式，對流相采用QUICK格式。在開始進行計算時，首先采用歐拉-歐拉多相流方法模擬液-固兩相的運動。其中，液固之間的曳力系數采用gidaspow模型。待計算達到穩定時，再加入氣相，模擬氣液固三相流動。時間步選擇1×10-4s，每步迭代100次，99萬網格的模型在內存96 G的工作站上計算時間單次時長達48 h。

2　離心分離過程的計算結果與分析

雙級活塞推料離心機是一種連續操作的過濾式離心機，物料由進料管以一定的初速度進入，經過加速盤的加速到達一級轉鼓。在離心力的作用下，固相將向篩網壁運移，并被篩網截留形成濾餅，同時大部分液相經篩網縫隙排出轉鼓外。由于一級轉鼓不僅做回轉運動，還做往復運動，故在推程階段，濾餅將在一級轉鼓向前移動一定距離后到達二級轉鼓。在二級轉鼓處，濾餅將承受更大的離心力，從而固相的濃度也進一步增大。當濾餅到達離心機的出口時，其固含量也將到達最大值。

圖3給出了固含量隨時間的變化，從圖3中很容易看出，在t為21.5 s以后固含量分布基本無變化。

為進一步細致的分析流場的固含量變化情況，本研究選取了離心力出口平面上的一點來研究并監視其點最大固含量隨時間的變化，如圖4所示。

在最開始，出口處充滿了空氣；20.25 s以后固含量數值開始增大，并在20.25和20.40 s這個區間內得到了迅速的增長；最終，在21.40 s以后達到了穩定，這時的數值為98.4%，與試驗值99.5%吻合的較好。另外，澄清液的平均含固量C1為1.3%，且固相回收率η高達95.8%，可見多孔介質(篩網)對物料產生了很好的過濾作用。

圖5給出了22.00 s時兩級轉鼓的近篩網區固含量的分布情況。

從圖5中可以看出，固含量隨著軸向位置的增大而不斷增大，同時一級轉鼓向二級轉鼓過渡的位置出現了數值的階躍。造成這種現象的原因，是由于二級轉鼓的直徑突然變大，物料速度隨著鼓壁的速度也突然增大，從而使物料中的水分獲得了更大的離心力，增加了甩向轉鼓外的量，故固含量會階躍增大。同時可見，一級轉鼓上總體固含量要比二級轉鼓上的小，且在z為0.405 m處就達到了最大值。

3　推料頻率對離心分離效果的影響

根據機械行業標準(JB)-JB/T 447-2004《活塞推料離心機》[12]，P-100型雙級活塞推料離心機的推料頻率區間為30～80 次/min。為此，本研究在上述推料頻率為60 次/min模型基礎上，為了全面地研究推料次數對分離效果造成的影響，又分別選取45、50、55和65、70、75 次/min推料頻率進行模擬計算，其他參數(如結構尺寸、轉速、進料量和濃度、篩網滲透性等)保持不變。評價雙級活塞推料離心機分離效果的主要指標有：澄清液含固率C1、濾餅固含量CS、固相回收率η和離心分離達到穩定的最初時間T0。濾餅固含量CS和固相回收率η越大，澄清液含固率C1和離心分離達到穩定的最初時間T0越小，說明離心機的分離效果越好。同時，研究一、二級轉鼓上固含量的分布情況，也將有助于優化轉鼓的結構。

改變推料頻率后濾餅固含量CS、固相回收率η越大和澄清液含固率C1對比情況如圖6所示，圖7則顯示了離心分離達到穩定的最初時間T0變化情況。

由圖6可以看出，隨著推料頻率的增大，濾餅的固含量開始變化不大，在頻率達到65 次/min以后，逐漸變小；當頻率小于65 次/min，固相回收率呈現逐步變大的趨勢，之后增大的趨勢不明顯；而澄清液含固率則跟隨著頻率的增大逐漸變小。這是由于推料頻率過快，物料在轉鼓上的停留時間變短，使得濾餅脫水不徹底，且固相甩出量也減少。

圖3　轉鼓內固含量隨時間的變化云圖Fig.3　Solid content cloud images with the time change within drums

圖4　點最大固含量的模擬值與試驗值的對比曲線Fig.4　Comparison of the maximum vertex solid concentration gained from simulation and experiments

圖5　固含量在兩級轉鼓上的分布曲線圖Fig.5　Solid concentration distribution on two stages drum

圖6　推料頻率對分離效果的影響曲線圖Fig.6　Curve of the effect of pusher frequency on separation efficiency

從圖7中可以得到離心分離達到穩定的最初時間隨推料頻率改變的變化規律，即隨著推料頻率的增大，T0不斷減小。這是因為推料頻率增大，物料的更新速度也變大，從而使離心機能夠更快的處理懸浮液。

圖7　推料頻率對穩定的最初時間T0的影響圖Fig.7　Influence diagram of pusher frequency on initial stability time T0

為了更直觀的反映隨著推料頻率的改變整個離心機內部固含量的分布狀況，本研究將不同推料頻率下的靠近一二級轉鼓區域的固含量分布圖展示如圖8所示。

圖8　推料頻率對兩級轉鼓的固含量分布的影響圖Fig.8　Influence diagram of the pusher frequency on the solid content distribution on the two-stage drums

從圖8中可以看出，不論推料頻率如何改變，靠近鼓壁區域的固含量都是隨著軸向位置的增加而增大，且在一二級轉鼓之間存在數值的階躍。所不同的是，濾餅的最大固含量的數值以及達到最大固含量的最初始軸向位置。表3列出了隨著推料頻率的改變濾餅最大固含量達到最大值的最初始軸向坐標z0的變化情況，從表中可以看出，z0基本上是隨著推料頻率的增加而逐漸變大的，且推料頻率小于65 次/min時，相鄰兩數值之間差距較小，而后其差值較大。同時，還可以看出，在推料頻率為45～75 次/min這個區間范圍內，z0值都是小于一二級轉鼓的長度之和的。可見，在物料還沒到達出口之前，已經很好的完成了離心分離過程，這將為離心機轉鼓長度的優化設計提供了數值計算上的根據。

表3　濾餅達到最大固含量的最初始軸向坐標z0隨推料頻率改變的變化情況Table 3　Change of filter cake to achieve the maximum solid content of the initial axial coordinate with pusher frequency

4　結論

推料頻率是雙級活塞推料離心機的一個很重要的參數，在很大程度上決定著離心機的生產能力和分離效果。通過數值模擬計算，得到結果如下：

1)數值模擬計算結果表明推料頻率越高，達到穩定的最初時間T0越短，相應的離心機生產能力越大。但較高的推料頻率會造成濾餅含固率的減小，從而導致產品質量的下降。

2)針對研究的P-100型雙級活塞推料離心機，在綜合澄清液含固率C1、濾餅固含量CS、固相回收率η、離心分離達到穩定的最初時間T0以及固含量在兩級轉鼓上的分布情況來看，相對于其他推料頻率數值，推料頻率為65次/min時，可以達到最優的分離效果。

3)通過數值計算，得到了在不同的推料頻率條件下，濾餅達到最大固含量所需要的轉鼓的長度，這為離心機結構的優化設計提供了依據。

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