廂式壓濾機內鹽泥脫水過程的模擬仿真

朱桂華 王 華 陳 勇 阮利超 胡志坤 魏 釗

（中南大學機電工程學院）

鹵水凈化工藝過程中會產生含固率為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，鹽泥漿通過固液分離設備降低含水率后以固體廢棄物的形式排出。目前，大部分井礦鹽企業在處理鹽泥漿時采用的是直接堆積、填埋及注井等粗放式處理方式，這些處理方式不僅浪費可利用資源，還會對環境造成污染［2］。當前常用的鹽泥漿環保處理技術是：水洗去氯離子后，通過固液分離設備排出固相鈣鎂泥，液相回收制鹽，鈣鎂泥用于制備吸附劑、建材及脫硫劑等，以實現減量化、資源化利用［3］。鹽泥漿處理過程中的固液分離設備主要為壓濾機和臥螺離心機，其中，臥螺離心機在鹽泥固液分離時會發生鹽析現象［4］，分離出的泥餅中含鹽量高，無法滿足處理要求；壓濾機相較臥螺離心機具有泥餅含水率低、分離出的清液幾乎不含固體沉淀等優點，但該設備無法連續生產且生產效率較低［5］。

研究學者在相關領域進行了大量研究，耿亞梅等開發了一種新型動態掃流板框壓濾機，利用計算流體力學（CFD）方法對對角切向進料板框壓濾機濾室內的流動形態進行模擬研究，并進行實驗驗證，仿真結果和實驗結果相一致，說明模擬方法對壓濾機研究具有可行性［6，7］。鄧玲通過建立廂式隔膜壓濾機單個濾室內污泥兩相流的數學模型，在Fluent軟件中采用標準k-ε模型、混合模型及多孔介質模型等對流體速度場和壓力場進行模擬仿真，得到濾室內污泥兩相流基本流動規律［8］。文獻［9～13］從單濾室的角度建立仿真模型，利用Fluent軟件對壓濾機的進料方式、過濾壓力及濾室厚度等參數對過濾效率的影響進行模擬分析，并結合實驗進行了驗證。萬國順等通過建立單濾室三維物理模型和壓濾脫水過程的數學模型，揭示煤粒在濾室中的沉積成餅規律、壓力場分布情況及其與煤粒分布間的相關性［14］。

上述研究均以單濾室模型作為分析對象，然而壓濾機是由數十個濾板堆疊并通過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規律的差異，因此筆者以文獻［15］中的數值模擬方法為基礎，以廂式壓濾機為研究對象，從多濾室的角度對壓濾機內的鹽泥流動特性進行研究，以期為其固液分離研究提供理論依據。

1 數值模型與計算方法

1.1 幾何模型與網格劃分

圖1為中心進料廂式壓濾機過濾部分結構簡圖，兩側裝有濾布的濾板沿水平方向相互堆疊形成多個規則的濾室，每個濾板和濾布中心都有圓形開孔，形成連接各濾室的進料通道。鹽泥漿通過隔膜泵從入料口送入各濾室內部，其中液相通過濾布孔隙流出濾室，固相在濾布的阻攔下留在濾室內部，從而實現固液分離。

圖1 中心進料廂式壓濾機過濾部分結構簡圖

廂式壓濾機主要結構參數如下：

濾室邊長 200 mm

濾室間距 20 mm

濾布厚度 1 mm

濾室厚度 10 mm

進料口直徑 20 mm

濾室腔厚度 4 mm

廂式壓濾機濾室部分結構規則，具有良好的對稱性。在此，筆者選用8個濾室的廂式壓濾機作為計算仿真模型，在ICEM軟件中建立沿濾板堆疊方向的二維幾何模型（圖2）。模型中心通道為進料通道，各濾室中間區域為濾室內部區域，兩側為過濾介質區域。為保證網格質量，采用四邊形結構化網格進行網格劃分，網格單元數為34 447。

圖2 二維幾何模型及結構化網格

1.2 數學模型

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］模擬二相流運動，其連續性方程如下：

式中 t——時間；

ρ——密度；

α——體積分數；

下角標 s——固相。

固相動量守恒方程為：

Ksl——固液兩相間的動量傳遞系數；

p——兩相共同的壓力；

下角標 l——液相。

1.2.2 濾布的多孔介質模型

將濾布設置為多孔介質模型以簡化計算。多孔介質對流體的阻礙作用是通過在動量方程中增加一個動量源項來模擬實現的。動量源項方程為：

式中 a——滲透率；

1/a——粘性阻力系數；

C2——慣性阻力系數；

Si——i方向上的動量源項；

u——流體動力粘度；

v——流速；

vi——固相顆粒物在過濾介質區域的速度。

過濾介質設為均勻多孔介質，孔隙率0.2，各向粘性阻力系數與速度阻力系數相同。文獻［15］提及的濾布阻力系數的測定實驗中，設置濾布對鹽泥液相的粘性阻力系數和慣性阻力系數分別為1.305×1013m-2和8.240×1012m-1，由于鹽泥固相并不進入和通過過濾介質，所以設置固相顆粒物在過濾介質區域的速度vi=0。

1.3 求解參數和條件設置

求解器和材料參數設置為：求解器選擇基于壓力-速度耦合方式求解；設液相鹵水（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。同時根據鹽泥壓濾濾餅實驗，設置鹽泥固相極限體積濃度αs，max=63%。

邊界條件設置為：壓濾機壓濾階段入口邊界條件采用壓力入口（pressure-inlet），設置入口壓力為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；壁面邊界按照無滑移壁面（wall）進行處理。

初始條件設置為：由于筆者主要研究的是鹽泥壓濾機壓力過濾階段鹽泥漿的固液分離過程，因此初始化設置濾室內部區域鹽泥漿固相體積濃度為12%。

2 結果分析

2.1 鹽泥漿在濾室中的流動

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

圖3 60 s時鹽泥在濾室內的流線分布圖

為了更清晰地表達濾室內鹽泥流動速度的分布規律，選取沿濾板堆疊方向上的第2、4、6、8個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鹽泥流動速度大于末端濾室，但各濾室在沿y軸方向上的流速變化趨勢具有一致性，濾室中心進料位置速度最大，沿濾室入口向濾室末端逐漸減小，同時由于重力作用，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是包含過濾介質區域的濾室內部壓力分布云圖，可以看出，各濾室濾布層內外存在明顯的壓差。壓濾階段，鹽泥固液兩相流會在壓力的作用下持續進入各濾室內，由于濾布內外存在壓差，固相在濾布的阻攔作用下沉積，液相在內外壓差的作用下流出濾布外，實現固液兩相分離。圖5b是僅濾室內部區域的壓力分布云圖，可以看出，由于重力的影響，各濾室內部壓力分布在豎直方向上始終存在壓力梯度。

圖5 過濾介質區域和濾室內部區域的壓力分布云圖

2.3 鹽泥固相濃度分布

圖6為濾室內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始沉積，各濾室靠近濾室兩側過濾介質層固相濃度更高，同時過濾初期由于重力作用，各濾室底部固相濃度增長明顯；從圖6b可以看出，濾室底部固相濃度最先達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展；從圖6c～f中可以看出，濾室內固相濃度逐漸增高，濾室上下兩端先達到極限體積濃度，下部較上部快，最終成餅位置均在中心進料口區域。

圖6 濾室內鹽泥固相濃度分布變化云圖

3 過濾壓力的影響

3.1 不同過濾壓力的模擬結果

過濾壓力直接影響壓濾機的工作效率，過濾壓力過低會導致壓濾時間過長，生產效率低；過濾壓力過高，則需要更多的能耗，效益降低，同時對濾板強度和密封性提出更高的要求。圖7是過濾壓力為0.2、0.6、1.0 MPa時的鹽泥含水率隨時間的變化曲線，可以看出，相同時刻下，過濾壓力越大，泥餅含水率越低，過濾效果越好。但是，隨著壓濾的進行，含水率下降速度變緩，這是因為隨著濾室內固相濃度的增加，對液相的流動阻力變大，其流動性變差。

圖7 不同過濾壓力下鹽泥含水率隨時間的變化曲線

3.2 實驗驗證與分析

3.2.1 實驗材料及裝置

實驗用鹽泥漿為湖南某鹽化公司鹵水凈化工藝的副產物，通過電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）對鹽泥固相干基成分進行檢測，得到其化學成分及其質量分數（表1）。固液相物性參數為：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 實驗用鹽泥固相成分及其質量分數 %

實驗裝置（圖8）包括XASGI/350-10U小型實驗廂式壓濾機、鹽泥漿液儲存罐、壓力表、入料泵及濾液回收箱等。

圖8 實驗裝置示意圖

3.2.2 實驗方法

準備好攪拌均勻的含固率為12%的鹽泥漿液，過 濾 壓 力 分 別 設 置 為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，其他參數和實驗條件不變，5組實驗各重復3次，壓濾時間均為180 s。壓濾結束后卸下整機泥餅稱重，并用微波爐烘干再次稱重，計算出泥餅平均含水率。

3.2.3 實驗結果與討論

不同過濾壓力下鹽泥濾餅含水率結果見表2，可以看出，隨著過濾壓力的增大，鹽泥濾餅的平均含水率減小；過濾壓力0.2～0.6 MPa時，鹽泥濾餅的平均含水率下降明顯；過濾壓力0.6～1.0 MPa時，鹽泥濾餅的平均含水率下降變緩。考慮到增大過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較低的過濾壓力0.6 MPa。

表2 不同過濾壓力下鹽泥濾餅含水率

圖9為實驗與仿真得到的不同過濾壓力下的鹽泥濾餅含水率曲線。

圖9 實驗與仿真得到的不同過濾壓力下的鹽泥濾餅含水率曲線

從圖9可知，仿真結果小于實驗結果，這是因為濾布的實際結構復雜，在模擬過程中將其簡化為多孔介質，會導致仿真結果與實驗結果存在偏差。實驗和仿真得到的鹽泥濾餅含水率均隨著過濾壓力的增大而降低，變化趨勢一致，證明了壓濾機內過濾流場模擬的可靠性，對于工程研究具有一定的現實意義。

4 結論

4.1 各濾室進料口處管路突擴和沿濾板堆疊方向流程增長，存在水頭損失，同時隨著壓濾的進行，濾室內鹽泥濃度升高，鹽泥在濾室內的流動性沿入料口近端向遠端降低。因此在壓濾機的實際應用中可適當減少濾室個數，降低沿程流動損失，提高固液分離效率。

4.2 數值模擬得到的過濾壓力0.6 MPa時的鹽泥固相濃度變化云圖，反映了濾室內鹽泥沉積成餅規律，為壓濾機的優化設計提供了理論參考。濾室內鹽泥固相先從濾布表面開始沉積，濾室底部固相濃度增長最快，最先達到極限濃度形成部分濾餅，隨著壓濾的持續進行，濾室內固相濃度逐漸升高，濾餅從濾室上下兩端向中心入料通道生長，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 在極限過濾壓力范圍內，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，過濾壓力對固液分離效率的影響降低。從高效節能的角度出發，合適的過濾壓力為0.6 MPa。