（机械制造及其自动化专业论文）多鼓式萃取机内转鼓开孔参数的研究.pdf

顽r i ：学位论文 摘要 多鼓式萃取机是利用转鼓高速旋转使轻重两相液体萃取分离的一种机械 设备。开孔是多转鼓离心萃取机转鼓设计中考虑的一个重要因素。现行的萃取 机设计标准中，对开孔的选取方法，往往依据经验进行开孔，如：参考过滤式 分离机的开孔方式进行开孔，还不能完全适用于液液分离设备一多转鼓离心萃 取机。而多转鼓离心萃取机转鼓的开孔问题又与转鼓的强度和刚度、转鼓内流 场分布有着密切的关系。因此我们有必要对多转鼓离心萃取机开孔转鼓的开孔 问题，做进一步的研究。 本文利用三维实体建模软件p r o e ，分别建立了正三角形、正方形、等腰 三角形和矩形开孔排布下转鼓的三维计算模型，应用a n s y s 有限元分析技术， 模拟了转鼓的应力和变形分布情况，得出了开孔分布对转鼓应力和变形的影响 规律；同时建立了不同孔径大小和孔桥宽度情况下转鼓的三维模型，进行了结 构静力分析，得出了孔径大小和孔桥宽度对转鼓应力和变形的影响规律；利用 g a m b i t 软件分别建立了萃取机- 开孔转鼓的二维平面模型和三维实体模型；借 助计算流体力学软件f l u e n t ，通过模拟在转鼓腔内的单相流场，直观动态显 示了液体在转鼓腔内的运动轨迹、速度、压力分布和湍流度的分布，。得出了孔 径大小和开孔分布对流场特性的影响规律。 目前多鼓式离心萃取机主要依赖进口，关键技术大多掌握在国外一些大公 司手中。本文所获得的结论和数据，对多鼓式离心萃取机的国产化提供了一定 的理论依据，对同类产品的优化设计具有一定的参考价值。 关键词：离心萃取机；开孑l 转鼓；有限元分析；流场分布 a b s t r a c t m u l t i d r u mc e n t r i f u g a le x t r a c t o ri sak i n do fm e c h a n i c a ld e v i c ew h i c hu s e s h i g ：h - s p e e dr o t a t i n gd r u mt om a k el i g h ta n dh e a v y t w o - p h a s el i q u i de x t r a c t i o n o p e n i n gi sa ni m p o r t a n tf a c t o rt o c o n s i d e ri nd e s i g no fm u l t i - d r u mc e n t r i f u g a l e x t r a c t or e x i s t i n ge x t r a c t o rd e s i g ns t a n d a r d s ，o nt h eo p e n i n go ft h es e l e c t i o n m e t h o d u s u a l l yb a s e do ne x p e r i e n c eo p e n i n g s ，s u c ha sr e f e r e n c i n gf i l t e rs e p a r a t o r o p e n i n gw a yo p e n i n g ，i tc a n n o tb ef u l l ya p p l i c a b l et ot h el i q u i d l i q u i ds e p a r a t i o n e q u i p m e n t m u l t i d r u mc e n t r i f u g a l e x t r a c t o r b u tc e n t r i f u g a le x t r a c t o ro p e n i n g 7 s p r o b l e m sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ed r u m ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，f l o wf i e l dw i t h i n t h ed 门j m s ow en e e dt o d of u r t h e rr e s e a r c ht o t h ep r o b l e mo fc e n t r i f u g a l e x t r a c t o r so p e n i n g 0 nt h i sp a p e r , w eu s et h r e e d i m e n s i o n a l s o l i d m o d e l i n g s o f t w a r e - p r o e e s t a b l i s h i n gt r i a n g l e ，s q u a r e ，i s o s c e l e st r i a n g l e ，a n dr e c t a n g u l a ro p e n i n g sa r r a n g e d t h r 毛百d i m e n s i o n a lc - a l c f i l a t i o r im o d e u a p p l i c a t i o n 。n s y s f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s t e c h n i q u e s ，b ys i m u l a t i n gt h ed r u m ss t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o ni nt h ed i f f e r e n t d i s t r i b u t i o n s a n dd i f f e r e n t a p e r t u r eo p e n i n g ，w eo b t a i n e dr e l a t i o n s h i p b e t w e e n o p e n i n g s ，d i s t r i b u t i o n ，t h es i z eo fo p e n i n ga n ds t r e s s ，d e f o r m a t i o n ；a t t h es a m e t i m e , e s t a b l i s h i n gd i f f e r e n tp o r es i z ea n dp o r eb r i d g ew i d t h m o d e lo ft h ed r u m ，f o r s t a t i cs t r u c t u r ea n a l y s i s ，o b t a i n e dt h ee f f e c t sb e t w e e np o r es i z e ，p o r eb r i d g ew i d t h a n d8 t r e s s ，d e f o r m a t i o n ；u s i n gg a m b i t s o f t w a r et ob u i l dp l a n em o d e la n de n t i t y m o d e lo ft h ec e n t r i f u g a le x t r a c t o r , u s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e f l u e n t ，t h r o u g hs i m u l a t i n gt h es i n g l e p h a s ef l o wi nt h ed r u m ，i tv i s u a ld y n a m i c d i s p l a y s t h e l i q u i d s v e l o c i t y , p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n ，t u r b u l e n c e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o na n dt h et r a j e c t o r i e si nt h ed r u m ，o b t a i n e dt h er e g u l a rp a t t e r nb e t w e e n t h eo p e n i n g s d i s t r i b u t i o na n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s c o n c l u s i o n so b t a i n e di nt h i sp a p e ra n dd a t a ，i tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i st ot h e l o c a l i z a t i o no fc e n t r i f u g a le x t r a c t o ra n dh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o ro p t i m i z i n g d e s i g no nt h es a m ep r o d u c t s k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a le x t r a c t o r ；o p e n i n g sd r u m ；f i n i t e _ e l e m e n ta n a l y s i s ； f l o wd i s t r i b u t i o n 硕士学位论文 插图索引 图1 1 平板开孔三角形分布图6 图2 1 多鼓式萃取机示意图9 图2 2 圆柱壳弯曲时纵向截面受力分布图1 0 图2 3 旋转的薄壁圆筒应力分布示意图1 0 图2 4 两端支承承受内压圆柱壳的受力图一l 2 图3 1 开孔分布平面图1 9 图3 2 。萃取机内转鼓实体模型2 0 图3 3 正三角形开孔分布转鼓网格划分图2 1 图3 4 边界约束条件施加图2 2 图3 5 正三角形开孔分布时转鼓的分析云图2 2 图3 6 正方形开孔分布时转鼓的分析云图一2 3 图3 7 等腰三角形开孔分布时转鼓的分析云图2 3 图3 8 矩形开孔分布时转鼓的分析云图j ：2 3 图4 1 三角形开孔分布示意图2 5 图4 21 2 r a m 孔径下转鼓的三维实体模型k j2 6 图4 3 单元类型的定义2 6 图4 4 材料性质的定义2 7 图4 51 2 m m 孔径下内鼓的应力位移云图一2 7 图4 6 最大等效应力随孔径变化的趋势图2 9 图4 7 一次应力最大值随孔径变化的趋势图一2 9 图辱8 最大变形量随孔径大小变化的趋势图2 9 图4 9 孔径不同时，应力集中系数q 随开孔特性系数r 变化曲线图3 0 图4 1 0 设定标量参数3 2 图4 1 1 部分转鼓参数化模型一3 3 图4 1 2 模型网格划分图3 3 图4 1 3 边界条件加载示意图3 3 图4 1 4 孔桥宽度为3 0 m m 时应力分布图3 4 图4 1 5 孔桥宽度为5 m m 时应力分布图3 4 图4 1 6 最大应力随孔桥宽度变化的关系图3 5 图4 1 7 变形量随孔桥宽度变化的关系3 5 图4 1 8 孔桥宽不同时，应力集中系数q 随开孔特性系数r 变化曲线图3 6 多致式萃驭杉l 内转鼓丌j l 参数f l f j 研究 图5 1 萃取机二维简化模型图4 4 图5 2 模型局部放大图4 4 图5 3 二维模型网格划分图4 5 图5 4 确定边界条件4 5 图5 5 确定求解模型4 6 图5 6 设定边界条件4 7 图5 7 残差控制曲线4 7 图5 8 压力分布等值线图4 8 图5 9 速度分布等值线图4 8 图s 1 0 速度分布矢量图4 8 图5 1 1 湍流分布图4 9 图5 1 2 流体压力与孔径之间的关系图5 0 图5 1 3 流体流速与开孔孔径之间的关系图5 0 图5 1 4 湍动能与孔径之间的关系图5 0 图6 1 三角形开孔分布时转鼓实体建模5 2 图6 2 转鼓网格划分图5 3 图6 3 迭代运算：5 3 图6 4 内转鼓固壁压力分布5 4 图6 5 内部流体压力分布o 一5 7 4 图6 6 内部流体速度分布一5 5 图6 7 内部流体湍流情况分布5 5 图6 8 流体流动的速度和湍流情况二维图一5 6 图6 9 正方形开孔分布时转鼓实体建模5 6 图6 1 0 正方形开孔分布时，转鼓内流体的流场分布图5 7 图6 1 1 转鼓内流体的速度和湍流情况二维分布图5 7 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：彳芍传拳日期：q 咖年厂月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：狮 日期：山，o 年脚，o ， 白月6日 6 具g 4 卞 如芗 吖，jr， 付垒 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 离心式萃取机是一类独特的加工系统，广泛用于不含固体或含少量固体体 系的液液萃取或分离领域。如：油水分离、制药、中药提取、农药、生物工 程、化工、精细化工等。转鼓开孔是离心机研发过程中一个很重要的课题。一 方面开孔后的壳体壁材料被削弱，引起应力的增大和结构强度的减弱。由于结 构的连续性被破坏，在开孔处的局部区域，产生了相当大的局部应力，再加上 还有外载荷所产生的热应力，材质和制造缺陷等各种因素的综合作用，开孔附 近就成为转鼓的薄弱环节。另一方面开孔的方式直接影响离心萃取机的安全性 能、分离效率和使用寿命。因此对离心萃取机内转鼓的开孔问题单独进行研究， 具有很强的现实意义和应用价值。 目前多鼓式离心萃取机内转鼓开孔问题，往往依据经验进行开孔，如：参 考过滤式分离机的开孔方式进行开孔，但苯取机与过滤式离心机分离的物料不 同，物料分离的机理也不同。过滤式离心机主要是分离固体和液体的混合液， 依靠离心力使固体和液体分开，这之间没有发生液体的传质。离心萃取机主要 用于分离两相液体的混合液，分离过程中两相液体发生了广泛的传质。同时， 孔径大小和开孔分布又对多转鼓离心萃取机转鼓内液体流动的速度、压力分 布、湍流度分布等有重要的影响，这些因素都决定了转鼓内两相液体传质的效 率和水力学特性。因此，对不同孔径和孔分布下，转鼓应力变形情况、内部流 场分布情况进行研究是很有必要的。 目前多鼓式离心萃取机关键技术大多掌握在欧美等发达国家的一些大公 司手中，其技术资料也是严格保密的。本文的研究结果可以为多转鼓离心萃取 机的国产化提供必要的理论基础，对同类产品的设计优化也有很好的参考价 值。 1 2 离心萃取机的种类介绍及发展状况 离心机是利用转鼓产生的离心惯性力来实现悬浮液、乳浊液及其它物料的 分离或浓缩的机械。它具有结构紧凑、体积小、分离效率高、生产能力大以及 附属设备少等的优点。所以广泛应用在资源开发、化工等生产过程以及三废的 治理等工业生产上。溶剂萃取是一种常用的分离方法，即在含有两种或者多种 物质的溶液中，加入互不相溶的另一种有机溶剂，利用物质在两相液体中分配 多毁瓦卒耿刀l 网转敢y r 扎爹奴刖针咒 能力的差异，使它们得到完全或部分分离。该法是一种不需要进行固液分离的 化工单元操作，其分离过程对所需物质有很好的选择性。萃取是一个重要的提 取方法和分离混合物的单元操作。这是因为萃取法具有传质速度快、生产周期 短，便于连续操作、容易实现自动控制等一系列优点，所以应用相当普遍。目 前对萃取设备的分类方法各有不同，按作用力不同可分为重力式和离心式两 种；从液体流动方式上可分为连续微分型接触器和分级接触器( 混合澄清型) ； 按输入能量方式可分为转动搅拌，脉冲搅拌和无搅拌三种。 国外从2 0 世纪3 0 年代开始离心萃取机的研究，到4 0 年代制造出样机。自 离心萃取机问世以来，发展迅速。我国从l9 6 3 年开始离心萃取机的研究，到 8 0 年代；试制了小型单级的离心萃取机，并取得了二些实验数据和成果。但是 因为没有相应的技术标准和专门的生产制造单位，这以后的一段时期一直未有 大的进展，与国外发达国家的差距逐渐拉大。从2 0 0 2 年开始，在结合前人的 研究成果同时吸收和借鉴国外如美国、法国等发达国家离心萃取机优点的基础 上，自行研制开发了第一代c t l 型离心萃取机，并在第一代萃取机的实际应用 过程中积累经验、改进不足，不断完善。机器规格从转鼓直径5 0 q15 0 、2 5 0 、 3 5 0 、4 5 0 m m 直到5 5 0 m m ，混合通量从0 0 0 2m 3 h 直到4 0 m 3 h ，基本可以满足 不同行业的应用需求【_ 。一 目前工厂生产过程中常用的离心萃取机主要有以下几种： 1 a - l a v a l 离心萃取机 a l a v a l 离心萃取机的主要组成部分为高速旋转的转鼓，转鼓中有1 1 个同 心圆筒，从中心往外排列顺序为第l 、2 、3 1 l 同心圆筒，每个筒均在一端 开孔，单数筒的孔在下端，双数筒在上端。在转鼓的两端各有轻重液的进出口。 重液进入转鼓后，经第4 筒上端开孔进入第5 简，沿螺旋形通道往外顺次流经 各筒，最后由第1 1 筒经溢流环到向心泵室，被向心泵排出转鼓。轻液由装于 主轴端部的离心泵吸入，从中心管进入转鼓，流至第10 筒，从其下端进入螺 旋形通道，向内顺次流过各筒，最后从第1 筒经出口排出转鼓。转鼓两端有轻 重液的进出口装置和机械传动部分，整个设备结构比较紧凑，但比较复杂。 2 倾析式离心机 三相倾析式离心机可同时分离重液、轻液和固体，主要应用于生物技术中。 倾析器是8 0 年代首先由前西德的we s t f a l i a 公司研制的新型设备，英国b e e c h a m ( 比切姆) 公司、日本东洋酿造公司己将其用于青霉素生产。 逆流萃取倾析器是具有圆锥形转鼓的高速度离心萃取分离机。它由圆柱一 圆锥形转鼓及螺旋输送器、差速驱动装置、进料系统、润滑系统及底座组成。 转鼓与螺旋输送器在摆线针形行星轮的带动下，料液从重相进料管进入转鼓的 逆流萃取区后受到离心场的作用，在此与中心管进入的轻相相接触，迅速完成 顷j 二：f 市；仑文 相之问的物质转移和液一固分离，固体渣子沉积于转鼓内壁，借助于螺旋转子 缓慢推向转鼓锥端，并连续地排出转鼓。而萃取液则由转鼓柱端经调节环进入 向心泵室，借助向心泵的压力排出。 3 p o d 式离心萃取机 p o d 式离心萃取机是一种可以使互不相溶，密度不等的溶液和溶剂两种液 相进行萃取，以实现溶液中的溶质向溶剂中转移的萃取过程的离心机。该设备 有一个水平转动的转鼓，鼓中有数十个同心圆筒，筒面上均匀地开有小孔，此 种同心圆筒几乎充满整个转鼓，但在靠近转轴和鼓壁处为空隙区域，分别为轻、 重液的澄清区。转鼓和同心圆筒均为不锈钢制成，鼓的直径为4 5 0 - - 1 2 0 0 m m ， 宽度约为5 0 0 - - 1 2 0 0 m m ，转速为l7 5 0 - 5 0 0 0 r m i n 。在离心萃取机中，重液由 鼓中心进入，逐层向外缘流出，轻液则由鼓的外缘进入，逐层向内流动，最后 在鼓中心流出。可用于抗生素的分离、提取，如在青霉素萃取时，最大理论级 数可大于2 级，当溶媒比为1 6 时，回收率可达9 6 。 4 多室式离心萃取机 室式分离机的转鼓由转鼓底、转鼓体和上盖组成。上盖与转鼓体用螺栓联 接，并用密封圈密封，以便开启转鼓卸渣。转鼓内装有多个同心的圆筒，将转 鼓分成若干个环状分离室，这些圆筒从内到外依次安装在上盖和转鼓底上；分 别在圆筒的下部和上部开进料孔，形成串联的通道。室式分离机由多个( 一般 3 _ 7 个) 分离室，增长了悬浮液在转鼓内的流动路程，固相颗粒在转鼓内的停 留时间长，固液相分离效率高，可以得到澄清度高的液体，适用于油类、饮料、 药物等澄清要求高的悬浮液的分离。 5 环隙式离心萃取机 环隙式离心萃取机是一种单级接触设备。萃取机由运动的转鼓和静止的外 壳组成，两者之间形成一个环隙。互不相溶的两液相分别自两个进料口进入转 鼓与外壳之间的混合腔，借助转鼓的旋转而快速混合，混合后的液体通过转鼓 底部的抽吸叶片装置进入转鼓内部。具有自吸泵功能的转鼓内部被隔板分为四 个竖直的腔体，进入的液体相互平衡，液体在转鼓内从下而上流动过程中在离 心机作用下逐渐分离分离区从挡流盘直到轻相堰，保证有足够的时间形成液 液分界面。分离开的液液相分别通过轻、重相堰汇集到各自的收集腔，并分 别由各自出口排出。重相堰板设计为可以拆下更换以改变堰板直径。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内方面 1 在转鼓刚度研究方面 多数j ：? ：驭饥内转鼓丌孔参数：脚i 宄 ( 1 ) 四j i l 轻化工学院的王祖荫分析了离心机转鼓的基本刚度要求。作者 认为离心机转鼓应具有必需的刚度以避免发生屈曲，并且给出按基本刚度要求 校核鼓壁厚度的公式，并结合s s n 8 0 0 、w h 8 0 0 两种离心机作了说明【2 】。 ( 2 ) 四川大学的冯立成分析和研究了离心机复杂转鼓的刚度问题，并且 在有限元应力分析的基础上，建立了转鼓强度整体优化的数学模型，并对实际 转鼓进行了优化计算【3 1 。 2 在开孔转鼓强度研究方面 ( 1 ) 天津大学石建明对离心机开孔转鼓应力计算方法进行了论述。工程 计算法不能精确求出转鼓结构较为复杂区域的应力情况及开孔边缘的应力集 中。对结构比较简单、开孔率低、孔间距大的转鼓可以用工程计算法按无孔转 鼓进行应力计算。二维轴对称有限元法可直接计算得到转鼓各个部位的应力分 布。但它仍要用转鼓开孔影响系数来修正应力对开孔率大于0 2 的转鼓。三维 有限元法既能精确地确定复杂结构转鼓壁的应力分布，又能准确地描述转鼓上 孔沿的应力集中【4 j 。 ( 2 ) 天津大学周连刚进行了离心机开孔转鼓应力模拟计算与研究。采用 有限元方法模拟计算了按等边三角形排布开孔的转鼓应力，讨论了鼓壁厚度、 转鼓半径等因素对鼓壁环向应力的影响情况。作者认为转鼓开孔后会产生应力 集中，且存在最大的薄膜应力集中系数。壁厚的改变在小开孔阶段对应力的影 一响不大，一此时不可以通过增加鼓壁厚度来减小应力的数值【5 j 。 ( 3 ) 北京化工大学的高淑之探讨了开孔圆筒形转鼓的应力计算公式。过 滤式离心机中所进行的离心过滤过程绝大多数情况，是在过滤的初始阶段物料 呈流体状态，而且在物料呈流体状态时物料离心力对鼓壁造成的离心压力要比 物料脱液后而成散粒状态时物料对鼓壁的离心压力稍大，进行转鼓强度计算时 应按危险状态考虑。所以过滤式离心机大多数情况是按物料呈流体状态，进行 转鼓应力及壁厚计算的【6 】。 ( 4 ) 兰州理工大学的张凯介绍了离心萃取理论，根据液滴动力学分析模 型对影响因素进行分析，包括液滴间相互作用、流场的分布以及液体压力对分 离效果的影响；对于离心萃取器构件的设计，介绍了离心萃取器的结构和原理， 对离心萃取器主要参数进行计算，包括转鼓的尺寸、安装、开孔转鼓和转鼓壁 厚的计算；并借助于a n s y s 大型商用软件对分离机的转鼓零件进行了三维有 限元应力分析，并对危险面进行了分析1 7j 。 3 在离心机开孔问题研究方面 ( 1 ) 天津大学的谭蔚研究了离心机转鼓强度计算规范中开孔系数。作者 运用有限元分析软件a n s y s ，对开孔后的离心机转鼓进行应力模拟计算，并 与j b t 8 0 51 19 9 6 离心机转鼓强度计算规范得到的结果进行了对比分析。 4 颐r i ：号1 市论文 结果表明，规范中开孔系数的选取对转鼓应力的计算会带来一定的偏差，需要 进一步的修正【8 1 。 ( 2 ) 天津大学的张秀娟针对圆柱壳大开孔结构，采用a n s y s 分析软件， 同时考虑材料非线性和几何非线性的影响，进行有限元模拟应力计算，得到了 塑性区的扩展规律。通过对正交实验模拟计算结果的方差分析，得到了开孔率、 开孔接管与简体的壁厚比和材料屈强比三个因素对结构极限载荷上限值影响 的主次关系【9 1 。 4 在离心机转鼓内流场分布研究方面 ( 1 ) 清华大学工程物理系魏春琳研究了离心机流场非稳态过程。作者从 非稳态线性离心机流场运动方程出发，利用有限体积法，采用交错网格得到离 散方程。通过数值求解得到了存在温度驱动情况下，离心机内形成小扰动流场 的过程。从形成小扰动流场的非稳态过程看出扰动流场在开始和稳定阶段的影 响因素不同而引起的轴向环流【1 0 】。 ( 2 ) 沈阳化工学院的赵春波研究管式离心机固液两相流场。介绍了管式 离心机的主要技术状况、不足及f l u e n t 软件；在简化的基础上，从单一相连 续方程入手建立了管式离心机内的固、液两相流动数学模型，通过计算网格划 分和边界条件的确定，用f l u e n t 二维数值模拟了该机内的两相流流场及髓时 间变化的分离状况，得出了直观的机内不同截面上的速度分布及分离颗粒的体 积分布云图】_ 。 ( 3 ) 兰州理工大学流体学院的王浩进行了旋风分离器内两相流动的数值 模拟研究。作者通过计算流体力学的方法对s t a i r m a n dh e 型旋风分离器内部 的两相流动进行了数值仿真研究。针对旋风分离器内三维强旋流的特点，对于 颗粒相的计算采用了基于l a g r a n g e 观点的d p m 模型。经过仿真计算，获得 了分离器内气体的速度、压力分布、湍流度的分布和颗粒的运动轨迹，并由此 揭示了分离器的能量损失和分离机理【1 2 】。 ( 4 ) 兰州理工大学的宋永奇以湍流超细粉碎机的实验设备为基础，利用 三维实体建模软件p r o e n g i n e e r ，建立了实验设备的整机计算模型，借助c f d 技术，对计算模型进行了验证，模拟了粉碎腔内的单相流场，直观、动态显示 了粉碎腔内流场的流场特性和流动状态，建立了有利于设备模型的主叶片截面 的曲线方程【1 3 】。 1 3 2 国外方面 1 三角形开孔分布时应力的集中问题 渡边教授，鹈户口教授，l i n g ，w e i n e d 等用数值的方法对多个圆孔成正三 角形排列的无限平板承受单轴或者双轴力的情况进行了研究【1 4 】。研究分为两种 多鼓式荦! 取机内转鼓丌孔参数的百 究 情况，如图1 1 所示。 在研究a ) 和b ) 两种排列形式时，作者又各自分成以下几种情况分别进行了 讨论： a 0 l o ，0 2 = 0 ，即单向拉伸( 压缩) 。 b q o ，o 2 = o 5 q ，即承受内压的薄壁圆筒等产生的应力状态。 c q o ，0 2 = q ，即各向均匀拉伸或者压缩。 d q o ，0 2 = 一q ，即纯剪切时。 一 _ p 一 巧1 一 一 - - 一 g2 fff f ff i ll i q2 a ) - - - ：g1 - - _ - q 一 卜一 盯1 一 一 j 一 q 。2 ff ff ff l l 叮2 b ) 图1 1 平板开孔三角形分布图 2 在转鼓强度研究方面一 美国国立阿贡研究所研制了a n l 4 离心萃取机，并分析了转鼓的强度和 应力问题。这种分离机转鼓轴线的最大摆动量小于o 0 0 3 英寸，对容易焊接的 部件采用氩弧焊焊接，对不易焊接的部件采用真空电子束焊接，以减小变形。 转鼓和主轴之间采用莫氏锥度配合，为了保证加工精度，其配合面经过了精细 的研磨。 3 在转鼓内流场分布方面 印度孟买大学的s a n d e s h 、d e s h m u k h 研究了环隙式离心萃取机内部的流场 分布。并运用计算流体力学软件进行了模拟计算，运用多普勒测速仪和粒子图 像测速仪进行了现场观测实验。作者通过计算流体力学的方法模拟了萃取机环 隙之间的泰勒涡流，并与两种仪器的测量结果做了比较和分析：作者最后分析 了萃取机底部的挡板、开停机等因素对流场的影响【l 引。 瑞士联邦技术研究所的s t e i n e r 、g e b a u e r 、h a r t l a n d 研究了两相液体在转 鼓内逆向流动时的状态。 美国萨凡纳河研究所的科研人员研究了s r l 。1 、5 、1 0 等几种规格的离心 萃取机的水力学性能和流场分布特征。弄清了料液夹带空气对流场分布和操作 的影响，最大分离容量与转速之间的关系【i6 1 。 硕十学位论文 1 4 本文的研究内容和方法 开孔问题是离心萃取机内转鼓设计时考虑的一个重要因素，孔径大小和开 孔分布方式对萃取机内转鼓的使用寿命和内部流场分布都产生了重要影响。因 此本文从以下几个方面对萃取机内转鼓的开孔问题进行了探讨。 探讨开孔分布对转鼓应力的影响规律时，本文采用三维建模软件p r o e 分 别建立正方形、正三角形、等腰三角形和矩形开孔分布时转鼓的实体模型，通 过中性文件导入有限元分析软件a n s y s ，进行应力分析，并对结果进行了对 比。 探讨孔径大小对转鼓应力的影响规律时，本文分别建立了不同开孔孔径下 转鼓的实体模型，进行有限元分析，对转鼓应力大小和变形量进行了分析对比； 探讨孔桥宽度对转鼓应力的影响规律时，本文采用了参数化建模，建立了部分 转鼓模型，进行有限元静力分析，并对结果分析对比。 探讨孔径大小和开孔分布对转鼓内流场影响规律时，本文采用前处理软件 g a m b i t 分别建立了二维平面模型和三维实体模型，并进行了网格划分和边界 类型的定义。把网格文件导入计算流体力学软件f l u e n t ，最后输出转鼓内流 体的速度、压力一等分布图。通过对比得出孔径大小和开孔分布对萃取机内流场 分布的影响规律。 7 多鼓式苹取机内转鼓开孔参数的研究 第2 章多鼓式萃取机的原理及基础理论 2 1 多鼓式离心萃取机的分离原理 萃取是利用化合物在两种互不相溶( 或微溶) 的溶剂中溶解度或分配系数 的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中的一种方法。原料液中 含有a 和原溶剂b ，b 也成为稀释剂，为使a 和b 分离，需加入一种溶剂s ， 称为萃取剂；溶质a 在s 中的溶解度较大，然后利用b 和s 的密度差将两相 分开，得到两个液相，从而将a 和b 进行分离。主要操作流程由下列三部分 组成： ( 1 ) 将混合液与萃取剂加入萃取机中，利用萃取机高速旋转带来的离心 力使混合液与萃取剂充分混合，在两液相密切接触情况下，溶质从被处理的液 体混合物中融入溶剂中。 ( 2 ) 传质结束后，借助离心力将过程中形成的萃取相和萃余相分开。 ( 3 ) 最后，萃取相经溶剂回收器，以回收溶剂，使之循环使用。 多鼓式离心萃取机转鼓的排列为径向排列，由多个不同直径的转鼓同轴安 装，形成多个分离室，增加了液滴在转鼓间传质的时间。内部各个转鼓上都开 有小孔，两相液体可以在各个分离室间自由流动，由于两相液体的密度不同， 由于离心力的作用，两相液体的运动方向相反，能够充分混合，从而提高了萃 取机分离的性能。 多转鼓离心萃取机分离包括两个过程即液体的混合传质过程与两相分离 过程，而这两个过程都是在离心萃取机内完成的。 ( 1 ) 混合传质过程 轻重两相溶液按一定比例分别从内侧入口和外侧入口进入混合室。在离心 力的作用下，液体在开孔转鼓间流动，开孔转鼓降低了两相液体在混合室内的 流动速度，两相液体得到了充分混合，溶质由一相液体中传递到另一相液体中， 从而完成了混合传质整个过程。 ( 2 ) 分离过程 混合液在转鼓带动下很快与转鼓同步回转，经开孔转鼓借助转鼓的离心吸 力进入腔体。在离心力场下，两相互相分离，比重大的重相液体在向上流动过 程中逐步远离转鼓中心而靠向鼓壁；比重小的轻相液体逐步远离鼓壁靠向中 心。两相形成逆向流动，最终两相液体分别通过各自出口进入收集室由引管接 出机外，完成两相分离过程。多鼓式萃取机的示意图如图2 1 所示： 8 硕十学位论文 图2 1 多鼓式萃取机示意图 2 2 旋转薄壁壳体的基本理论 壳体是指中间为一几何曲面，且中面各点均有一定厚度的物体。当壳体的 厚度与其它两方向的尺寸比是小量时，称为薄壳。如果壳体的中面是一个由一 平面曲线围绕其平面内的轴线旋转一周形成的曲面，则该薄壳称为旋转薄壳。 常见的薄壳有圆柱壳、圆锥壳、球壳、椭球壳、圆环壳等。化工容器大多由旋 转薄壳组成的。旋转薄壳受到轴对称约束的作用时，壳中的应力、应变和位移 的分布与旋转轴对称。 2 2 1 薄壁圆筒旋转时的应力分析 中压和低压薄壁压力容器的圆筒形零部件以及管道的直段部分均属于圆 柱壳。圆柱壳的中面是由与固定轴平行的直线绕该轴回转而成。在均匀内压( 气 压) 作用下的薄壁圆筒的纵向薄膜力和环向力，可以由薄膜理论算出。在这类 压力容器设计的过程中，必须注意：第一纵焊缝要采取加强措施；第二如果需 要在圆筒上开口，应该尽量开成椭圆形，并且使椭圆的短轴平行于圆筒轴线， 以尽量减小纵截面的削弱程度，使坏向应力增加得少一些。但是无论是开圆孔 还是椭圆孔，在孔附近的局部地区都会产生应力集中。在实际结构中，开口附 近可以采取补强措施。此外，在筒身与封头的连接处，由于部分的薄膜位移不 一致，因而将产生附加的横向力和力矩，从而产生弯曲应力。 圆柱壳体弯曲时，弯曲部分壳体中面在平行圆方向要发生变形( 收缩或者 扩张) ，于此相应，在纵截面上便产生环向拉力或者应力。横截面上的弯矩 9 多鼓式葶取机内转鼓开孔参数的研究 m ；和剪力q x 沿圆周方向连续分布；纵向截面上的弯矩m 口和环向力沿轴向 方向连续分布。如图2 2 所示： r 1 ) ( ， (r 曲胎 弯曲首a 截面圆周 图2 2 圆柱壳弯曲时纵向截面受力分布图 对于薄壁圆筒，由于壁很薄，因而旋转时所产生的应力，可以假定沿厚度 方向均匀分布，因此其应力分析具有静定性质，可由平衡方程得到应力计算公 式。 考察平均直径为d 的薄壁圆筒，当圆筒以等角速度c o 旋转时，各点均受有 附加的一惯性力。，如图+ 2 3 所示： 叁t q 莨l y 一 j i 尖丛一 图2 3 旋转的薄壁圆筒应力分布示意图 根据达朗贝尔原理，单位弧长上的惯性力为： 口：m c o 2 r ：( r d o h t ) p c 0 2 r ：p ( 0 2 尺 f。 r d or d o 其中p 为薄壁圆筒的密度。 根据薄壁圆筒的平衡条件： 2 c r a ( h t ) 一q ( 2 r ) = 0 由此解得：= p c 0 2 r 2 为薄壁圆筒环向应力表达式。 1 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 硕士学何论文 2 2 2 薄壁圆筒的弯曲理论 1 薄壁圆筒弯曲时的微分方程 薄壁圆筒在受力时将产生弯曲变形，容器承受内压后，筒身要向外膨胀， 而厚平板的封头在内压作用下沿半径方向的变形很小。在连接处筒身的变形便 受到封头的限制而不能自由膨胀。结果，除了内压引起的变形外，筒身在连接 处附近还将产生弯曲变形【17 1 。 壳体的弯曲变形在很多情况下虽然具有局部的性质，但它所产生的应力有 时可以达到相当可观的数值，因而在设计中必须加以考虑。 圆柱壳体发生弯曲时的位移微分方程： 窘+ 4 4 踟卫d + 旦d r 以 ( 2 3 )一+ 仃1 打l = l + 一 ，、 出4 一尸 。 一。 ( 2 3 ) 其中：缈一未知函数 d 一壳体的抗弯强度 d 2 讫而7 , t r - 一为引进记号4而e t p ：一z 方向的载荷 t 一壳体的厚度 对于两端封闭承受内压p 的圆柱壳体：见= 一p ，虬= 等 位移微分方程解得一般形式为： f ( x ) _ _ 鲁+ 镫一鲁( 1 _ o 却) ( 2 4 ) 当圆柱壳体两端有支承并承受内压时壳体将向外膨胀。 2 两端支承并承受内压圆柱壳的弯曲解 如图2 4 所示：在两端施加某种约束后，端部的径向位移便受到限制，因 而在其附近区域将产生弯曲，对于长圆柱壳，两端的弯曲互不影响。 内压p 引起的挠度为： 彩= 翕 p m 0 ( s i 唯一脚_ q o c 酬一鲁 ( 2 5 ) 其中m 。、q 0 由边界条件确定。 对于两端简支的情形，在端部= 0 ( 简支边不能承受弯矩) ，o o 仍就由 端部缈20 的条件确定，即 多鼓式葶取机内转鼓开孑l 参数的研究 一旦一丛：o 2 8 3 d e t ( 2 6 ) 由此可得 q o = 。p i 图2 4 两端支承承受内压圆柱壳的受力图 2 2 3 各类应力对壳体结构强度的影响 在壳体结构中，除了内压引起的薄膜应力外，还存在由于边界效应产生的 不连续应力以及由于热膨胀受到的限制而产生的热应力。此外，在接管根部、 开孔附近以及壁厚或者曲率不连续部分也将产生有别于薄膜应力的局部应力。 应力可以分为：一次应力、二次应力和峰值应力。现分述如下： 1 一次应力 一次应力又称为基本应力，它是由外部载荷所引起的，这些外部载荷包括 内压、外压、自重及其它外力和外加力矩。一次应力还可以再分为如下三种： ( 1 ) 一次薄膜应力 这是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力。它对容器强度的危害性很 大，在一次薄膜应力达到材料的屈服极限后，整个容器将出现屈服现象。 ( 2 ) 一次弯曲应力 是由内压或其它机械载荷作用产生的沿壁厚方向线性分布的应力。这种应 力不像总体薄膜应力那样容易使壳体失效，允许有较高的许用应力。当最大应 力达到材料的屈服极限而进入塑性状态时，其它部分的材料仍处于弹性状态， 仍能继续承受载荷。 ( 3 ) 一次局部薄膜应力 这是指由内压或其它机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力( 一次的) 和结构不连续效应产生的薄膜应力( 二次的) 的统称，这种应力和一次薄膜应 力不同，只发生在较小的局部范围内。 1 2 硕十学位论文 2 二次应力 二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或 剪应力，基本特征是具有自限性。当二次应力的应力强度达到材料的屈服极限 时，只引起结构的局部地区发生屈服，而大部分区域仍处于弹性状态，机构仍 能继续工作。 3 峰值应力 峰值应力是扣除了薄膜应力和弯曲应力( 包括一次应力和二次应力) 后， 沿壁厚方向非线性分布的那部分应力。峰值应力最主要的特点是高度的局部 性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。 对分类后的应力进行叠加，计算出应力强度，对不同类型的应力强度给予 不同的限制条件，以保证结构不发生各类强度破坏。其中对一次应力强度的限 制是防止过度的弹性变形和延性破坏，对一次应力加二次应力强度的限制是防 止塑性变形引起的增量破坏，对峰值应力强度的限制是防止由周期性载荷引起 的疲劳破坏。 2 3 萃取机内鼓载荷的确定和应力分析 2 3 1 多鼓式萃取机内鼓载荷的确定 进行多鼓式离心萃取机内转鼓开孔问题的研究，主要运用有限元的方法， 对内鼓载荷的确定是首要的条件。 多鼓式离心萃取机正常工作时内鼓受到的力主要包括转鼓旋转自身受到 的离心力、液体对转鼓的压力两