（机械设计及理论专业论文）多鼓离心萃取器的设计及理论研究.pdf

多鼓离心萃取器的设计及理论研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho nt h ed e m o n s t r a t i o no nt h e o r ya n dt h ea n a l y s i so nd e s i g n a b o u tas o r to fc e n t r i f u g e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n d c o n c l u s i o n ，w h i c ha r ei n t e r r e l a t e da n di n t e r a c to ne a c ho t h e r f i r s t ，m a k e sa n a l y s i so nc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o nt h e o r e t i c a la n da f f e c t i n gf a c t o r , i n c l u d i n gt h ei n t e r a c t i o n so fl i q u i d d r o p ，t h ef l o wf i e l d sd i s t r i b u t i o na n dl i q u i d p r e s s u r eo ns p e c i e s s e p a r a t i o ne f f e c t s e c o n d ，f o rt h ed e s i g nt ot h e c e n t r i f u g a le x t r a c t i o n ，h a v ei n t r o d u c e dt h e c e n t r i f u g a le x t r a c t i o nm a c h i n es t r u c t u r ea n dt h es e p a r a t e dp r i n c i p l ed e t a i l e d l y , t h e m a j o rp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gd i m e n s i o n ，i n s t a l l a t i o n ，t h ed e s i g n i n g c a l c u l a t i o no ft h eo p e n i n gd r u ma n dt h et h i c k n e s so ft h ed r u m h a v ec a r r i e do u t t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o ds t r a i na n a l y s i so nt h ed r u mp a r to ft h e c e n t r i f u g em a c h i n eb yt h ea i do f c o m m e r c i a ll a r g e s c a l ea n s y ss o f t w a r ea n da n s y s w o r k b e n c h ，m a k ei ts a t i s f yt h ew o r k i n gc o n d i t i o nn e e ds u f f i c i e n t l y , a n dh a v ec a r r i e d o nam o r ed e t a i l e da n a l y s i st ot h ed a n g e r o u ss u r f a c e p r o c e s si nt h e3 - da n a l y s i s ，a i m a tt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no ft h ec e n t r i f u g e ，a d o p tt h ec o n t a c t i n ge l e m e n tm o d u l e o ft h ea n s y ss o f t w a r et ot h ed r u mp a r ta s s u m e so v e r a l la n a l y s i s a tl a s t ，p e o p l et a k em o r ei m p o r t a n ti nt h er e l i a b i l i t yo ft h es e p a r a t o r , t h er o t a t i n g s p e e do ft h ed r u mi sk e e nt ot h es t r e s so ft h ed r u m i nt h ep a p e r , i tu s e sm o n t e c a r l o - f e mt oa n a l y z et h ee f f e c to fft h ed r u m a n dr e c e i v et h er e l i a b i l i t y k e y w o r d s c e n t r i f u g a le x t r a c t i o nm a c h i n e ；d r u m ；s t r e n g t ha n a l y s i so ft h e d r u m ；a n s y s ；a n s y sw b r k b e n c h 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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 已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： ；匿机 日期加0 7 年, 9 3 - 日 学位论文版权使用授权书 作者签名：弓召名形 日期：押。年多月厂日i 新鹕。别、醐。聊年石月孑日 硕士学位论文 1 1 课题意义及背景 第1 章绪论 对于石油化工、制药、冶金、废水处理等行业来说，分离处理需要特殊的体 系，如两相的接触时间短，且设备内的存留液量要少，某些密度差较小的体系或 粘度较大的体系一直是一个重要的课题，直接全方位地影响工作效率和经济效益。 因此，两相分离的研究具有十分重要的意义。 实现离心分离操作的机械称为离心机，离心机和其它分离机械相比，不仅能 得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善 劳动条件，具有连续运转、自动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点n 1 。因此， 自1 8 3 6 年第一台工业用三足式离心机在德国问世，迄今一百多年以来己获得很大 的发展。各种类型的离心机品种繁多，各有特色，并正在向提高技术参数、系列 化、自动化方向发展，且组合转鼓结构增多，专用机种越来越多。现在，离心机 已经广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤 炭、选矿、船舶、军工等各个领域。例如：湿法采煤中粉煤的回收，石油钻井泥 浆的回收，放射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，各种石油化工产品的制 造，各种抗菌素、淀粉及农药的制造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、 食用动物油、米糠油等食品的制造，织品、纤维脱水及合成纤维的制造，各种润 滑油、燃料油的提纯等都使用离心机。离心机己成为国民经济各个部门广泛应用 的一种通用机械1 2 j 。 离心机基本上属于后处理设备，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来 的。例如：1 8 世纪产业革命后，随着纺织工业的迅速发展，1 8 3 6 年出现了棉布脱 水机闭。1 8 7 7 年为适应乳酪加工工业的需要，发明了用于分离牛奶的分离机。进入 2 0 世纪之后，随着石油综合利用的发展，要求把水、固体杂质、焦油状物料等除 去，以便使重油当作燃料油使用，5 0 年代研制成功了自动排渣的碟式活塞排渣分 离机，至1 6 0 年代发展成完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理发展的需 要，对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧式螺旋卸料沉降离 心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展i 弘5 1 。 迄今为止，分离设备已广泛用于国民经济的各个领域和很多不同的工艺过程， 并能实现以下目的：回收有用固体；回收液体；回收固体和液体；回收液体和液 体；固体和液体都不回收( 例如防止水的污染) 。近年来，由于电力、石油化工、 食品加工、生物工程、精细加工，环保水处理等部门中新技术的不断发展，对分 多鼓离心萃取嚣的设计及理论研究 离技术与设备提出了新的挑战和更高的要求。不仅要求提供更多更好的品种和规 格，而且迫切需要在分离效率上能有更大的提高1 6 q j 。 离心机的结构、品种及其应用等方面发展迅速，但理论研究落后于实践是个 长期存在的问题。目前在理论研究方面所获得的知识，主要还是用来说明试验的 结果，而在预测机器的性能、选型以及设计计算，往往仍要凭借经验或试验。因 此，研制和改进分离设备，提高分离效率，一直是石油工业领域的重要的研究课 题。针对现在石油化工行业的发展，炼油污水给环境带来很严重的污染后果，所 以油水的分离技术显的尤为重要，本课题采用的离心分离技术是在离心场中由于 两相不相溶液体的密度差异受到的离心力的不同进行分离。由于分离效率、压力、 密度、温度等各种因素的影响，这就加大了分离研究的难度，所以说对于这个动 态分离过程的研究是个十分复杂的过程。 1 2 离心萃取器国内外研究现状 近3 0 年来，萃取设备在理论研究和工业应用方面都得到了迅速的发展，出现 了多种性能优越、新型、高效的萃取设备。离心萃取器与其他萃取设备比较具有 相分离能力强、接触时间短、传质效率高、处理能力大、结构紧凑、溶剂滞留量 小、操作简便等特点。但现已广泛使用的离心萃取器存在着结构复杂、加工要求 高、制造成本贵、维修不便等缺点，因此它的应用受到了一定的限制。而国内外 新近开发的环隙式圆筒离心萃取器不仅具有一般离心萃取器的优点，而且在很大 程度上克服了一般离心萃取器的上述不足之处p 】。当原料和萃取剂密度差很小 或粘度很大时、两相的接触状况不佳，特别是很难靠重力使萃取相与萃余相分离。 这时，可以用离心力来完成萃取所需的混合、沉降两过程。随着基础研究的深入， 生产经验的积累，萃取设备的扩大设计方法也在不断的发展。 1 2 1 各种离心萃取器的介绍 目前，在萃取分离机械中，作为液液分离设备，种类和规格很多，所处理的 物料特性差异。因此，应在对物料特性可靠分析的基础上、工艺过程和经济性等 方面要求来衡量所选的萃取机是否最为合理。萃取途径有三种可供选择：塔式分 离、混合澄清槽分离和离心萃取分离。箭二种分离方法投资大、分离效果差，不 理想；而离心萃取分离具有结构紧凑、处理能力大、运转平稳、功耗低、清洗维 护方便等特点，是处理含油废水首选设备。如表1 1 介绍了几类萃取器的优缺点u 引。 2 表1 1 几类萃取设备的优缺点 设备分类优点缺点 相接触好，级效率高；处理能力大，操滞留量大，需要的厂房面积 混合澄清槽 作弹性好；在很宽的相比范围内均可稳大；投资较大；级间可能需要 定操作；扩大设计方法比较可靠用泵输送流体 结构简单，设备费用低；操作和维修费 传质效率低，需要高的厂房； 无机械搅拌萃取塔对密度差小的体系处理能力 用低；容易处理腐蚀性物料 低；不能处理相比很高的情况 理论级当量高度低，处理能力大，结构 对密度差小的体系处理能力 机械搅拌萃取塔较低；不能处理相比很高的情 简单操作，操作弹性好 况；处理易乳化的体系难 能处理两相密度差小的体系；设备体积 设备费用大，操作费用高，维 离心萃取器小，接触时间短，传质效率高；滞留量 修费用大 小，溶剂积压量小 由于离心力通常可达重力的几百倍，所以离心萃取器特别适合处理两相密度 差小、粘度大和易乳化的体系。如在重力分相的分离中要求两相密度差大于 o 1 9 c m 3 ，而在离心萃取器中，两相密度差可以小至o o l g e m 3 。在离心萃取器内， 两相物流的滞留量小，其相应的停留时间短。停留时问短使得离心分离器使用于 要求接触时间短的体系。同时它具有生产能力大、分离效率高、接触时问短、设 备中滞留量小的特点。离心萃取器它可使物流的混合与分离比一般设备有较高的 性能。一般设备对于两相密度差很大或粘度很大的体系不易混合，而离心萃取器 具有强大的混合功能，可使二相物流充分混合，使二相物流间很容易的进行反应 或传质。而对比重差较小或粘度大的体系，也很容易的进行分离。这是因为离心 萃取器的分离靠的是非常大的离心力。在离心萃取器中两物流混合时的分散度很 高，使它们之间的反应或传质可在很短的时间内完成。而分离时又因为有强大的 离心力而使分离的时间大大缩短。所以混合物的混合与分离是在一个设备内几乎 是同时完成，而分离效果又特别好，因而可提高产品质量和增加产品产量，简化 流程，降低生产成本。离心萃取器可以有多种分类方法，例如按其安装方法可分 为立式和卧式，按其转速可以分为高速( 每分钟几万转) 和低速( 每分钟几千转) ， 按每台装置所包含的级数可分为单台单级和单台多级，而按两相在离心萃取器内 的接触方式，又可以分为逐级接触式和微分接触式两大类。现国内外已经开发出 很多不同种类的离心萃取器。如图1 1 所示为各种类的一些型号。 3 多鼓离心草取器的设计及理论研究 离心萃取器 圜筒式l u w o s t a 式 蟊i 1 离心萃取器分类 以下针对国内外常见的几种离心萃取器的工作原理作简单介绍： l 环隙式离心萃取器 环隙式离心萃取器的结构如图1 2 所示，主要分为外壳和转鼓两不分，图1 1 环 隙式离心萃取器可以拆卸，外壳和转鼓之间是环行的空隙，所以称为环隙式离心 萃取器，外壳是固定在支架上的，而转鼓可以随转轴做高速旋转运动。两相分别 由各自入口流入腔体内，当液面没过转鼓时，便在转鼓的高速旋转带动下转动， 并在挡板的搅混作用与器壁的瘴擦作用。以及液层闯的剪切作用下，两相液体迅 速混合，环隙就是环隙式离心萃取器的混合室。在转鼓下端中心线处有一个小孔， 连通转鼓内简与环隙，在离心力作用下混合液体经过该小孔进入转鼓。转鼓是 离心分离器的分相区，由挡板对称分为几个室，混合液体进入室内后，由于挡板 豹阻挡不能反混，只能随转鼓一起作相同速度的高速旋转运动。高速旋转产生巨 大的离心力，在离心力作用下。混合液体开始分相。重相被甩到转鼓内壁处，越 过重相挡扳。通过重相通道流到重相堰处，越过重相堰被甩到重相收集室，然后 通过管道流出萃取器；轻相则被挤到中心线处，越过轻相堰，经过轻相通道，被 甩到轻相收集室，从这里离开分离器i 1 3 1 。 圈1 2 环隙式离心萃取器 4 轻 相 出 口 硕t 学位论文 2 圆筒式离心萃取器 圆筒式离心萃取器的混合室内装有桨叶，依靠桨叶的搅拌作用使两相液体混 合。从结构上性能上与其他类型的分离机相比，具有高强度混合分离、处理量大、 时间短、功耗低、运转平稳、清洗维护方便、操作安全可靠、占地面积小、节省 劳力、减轻劳动强度，改善劳动条件等优点。可单机使用，也可多机串联使用， 而不需外加物料的输送装置，从混合分离到分离都是连续操作。该机还可根据不 同分离体系及使用条件通过调整转速、搅拌浆叶直径及重相堰直径等参数来改善 分离时两相混合程度，提高分离效果和分离效率【1 4 l 。 图1 3 圆筒式离心萃取器 3 厢形离心萃取器 两相液流分别沿侧面切向进入转筒与外套筒的环隙区，进入后向下流动，借 助于转筒壁高速转动与液体的摩擦作用使两相充分混合，混合液经固定在外套筒 底部的防涡流向心叶片再次被混合，同时送入转筒内，转筒里的径向叶片使混合 液与转筒基本同步旋转，在离心力的作用下，重相被甩到筒壁附近，轻相靠近转 筒中心从而使两相分离澄清。澄清后的重相经转筒内的重相入口流入重相收集室 中的重相堰叶轮从重相中心出液管把重相导出并引入厢形澄清槽中再次澄清，轻 相经轻相堰叶轮从轻相中心出液管把其导出也引入厢形澄清槽中再次澄清如图 1 4 ，多级串联可实现逆流分离【”】。 多鼓离心萃取器的设计及理论研究 一i i i 皇曹皇詈寡鲁喜鼍_ 凰i 4 厢形离，b 萃取器 4 芦威式离心萃取器 芦威式离心萃取器，它是立式逐级接触式离心萃取器的一种。图1 5 所示为三 级离心萃取器，其主体是固定在壳体上并随之作高速旋转的环形盘。壳体中央有 固定不动的垂直空心轴，轴上也装有圆形盘，盘上开有若干个喷出孔。 萃取操作时，原料液与萃取剂均由空心轴的顶部加入。重液沿空心轴的通道 向下流至萃取器的底部而进入第三级的外壳内，轻液由空心轴的通道流入第一级。 在空心轴内，轻液与来自下一级的重液相混合，再经空心轴上的喷嘴沿转盘与上 方固定盘之问的通道被甩至外壳的四周。重液由外部沿转盘与下方固定盘之间的 通道而进入轴的中心。并由顶部排出。其流向为由第三级经第二级再到第一级， 然后进入空心轴的排出通道，如图中实线所示；轻液则由第一级经第二级再到第 三级，然后进入空心轴的排出通道，如图中虚线所示。两相均由萃取器顶部排出。 馕i 吞芦戚式离心萃取器 硕十学位论文 5 波德式离心萃取器 波德式离心萃取器亦称离心薄膜萃取器，简称p o d 离心萃取器，是一种微分 接触式的萃取设备，其结构如图1 6 所示。波德式离心萃取器由一水平转轴和随其 高速旋转的圆形转鼓以及固定的外壳组成。转鼓由一多孔的长带卷绕而成，其转 速很高，一般为2 0 0 0 5 0 0 0 r m i n ，操作时轻、重液体分别由转鼓外缘和转鼓中心 引入。由于转鼓旋转时产生的离心力作用，重液从中心向外流动，轻液则从外缘 向中心流动，同时液体通过螺旋带上的小孔被分散，两相在逆向流动过程中，于 螺旋形通道内密切接触进行传质。最后重液和轻液分别由位于转鼓外缘和转鼓中 心的出口通道流出。它适合于处理两相密度差很小或易乳化的物系。波德式离心 萃取器的传质效率很高，其理论级数可达3 1 2 。 重液进 轻液 图1 6 波德式离心萃取器 1 3 离心分离简介 1 3 1 分离过程 物质的混合是个自发完成的过程，而分离工程是一个熵值减少的过程，即外 界必需对系统做功。即使系统从无序到有序的过程。做功的分离剂分为两大类： 一类为能量添加剂，如热、电、压力等能量；另一类为物质添加剂，如吸附剂、 表面活性剂、膜等材料。图1 7 所示为一个基本的分离过程。广义地讲，质量也是 能量的一种形式。分离装置的主要部分是分离场或分离介质。混合物的分离是在 内因和外因的作用下发生的。内因是混合物分离的内在动力，即混合物内组分或 相在物理、化学、生物等方面的性质的差异：外因是相应形式( 物理、化学、生物) 分离剂的加入。混合物的分离过程就是在混合物内、外因的作用下，在分离场或 分离介质内发生组分物质选择性的反应、相变、传递、迁移或截留而分开，得到 组成互不相同的两种或几种产品的操作，以达到产品的提纯、提取、净化、浓缩 7 多鼓离心萃取器的设计及理论研究 一i i 曼置墨量舅曩量詈一 或干燥的要求。分离是一种重要的单元操作，人们之所以对它产生浓厚的兴趣， 主要因为，第一- 液液分离以及其他两相分离装置已成为一种量大面广的通用设 备，广泛应用于国民经济的各个方面：第二；分离的适用领域到目前为止仍不断 的扩大并显示出巨大的经济效益和社会效益i ”。 分离剂( 能量或质量) 产品( 不同组分的物流) 霭1 7 分离过程衙图 在工业生产中。实现混合物分离操作方法分沉降与过滤两大类，过滤机和离 心机在工业生产过程中基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、澄清、净 化及固体颗粒分级等工艺过程，它是随各工业部门的发展而发展起来的。 l - 3 2 离心机分离 利用离心力以分离非均肉混合物的设备离心枧所分离的混合物中至少有一相 是液体，即为悬浮液或乳浊液。它与旋液分离器的主要区别在于离心机是由设备 本身的旋转产生离心力，后者则是内被分离的混合物以切线方向进入设备而引起 9 1 。离心机的主要部件是一个载着物料以高速旋转的转鼓。产生韵应力很大，故保 证设备的机械强度以保证安全是极重要的要求。离心机由于可产生很大的离心力， 固可以分离出用一般过滤方法不除去的小颗牧，叉可以分离包含顼种密度不同的 液体混合物。离心机的分离速率也较大，例如悬浮液用过滤方法处理着需l 小时 用离心分离只需要几分钟。 设离心机能够分离当量直径为氏的颗粒，认为该当量直径的颗粒在径向上走 完半径为唁的液流自由表面( 即液流内表面) 到半径为r 的转鼓壁的路程，在轴向上 正好走完转鼓轴向长度日的路程，认为该直径的颗粒会从悬浮液中分离掉，对颗 粒的轨迹方程进行积分得到式 i 1 ) 的离心机分离过程数学模型l l 舡蚰墨 蟊2 i 葡i 而r o 这也是确定离心机基本结构的理论依据。 1 3 3 分离因数 设质量为坍的颗粒在半径为，处以角速度t o ) 转动，则该颗粒在径向受离心力 删作用。两在垂直方向受重力作用。离心力与重力之比以口表示，即； 8 硕士学位论文 球- ：竺：二( 2( 1 2 ) gg3 0 口是离心机内半径r 分离能力的衡量尺度，其值随径向位置而变化。若以转鼓 半径r 代替上式中的r ，得： 窃，- 丝：一r 习n # 2( 1 3 ) 窃= 一卜r li j ， gg3 u 口成为离心机的分离因数，作为衡量离心机分离能力的尺度。由于离心机的转 速很高，每分钟上千转到几万转，因而，分离因数可以达几千以上。 1 4 结构可靠性 现代产业发展表明，产品的质量不仅是国家工业整体技术水平的主要标志， 而且是产品及企业生存和竞争力的标志。产品质量指标主要包括：性能指标、可 靠性指标和维修性指标。性能指标代表产品的实际使用价值，是先进性和经济性 的直接反映，可靠性和维修性指标是产品在实际使用中实现其价值的最有效保证。 产品的可靠性研究是为了表明产品在规定的时间内完成规定功能的能力。从 近几十年的发展状况来看，国外在该领域内的研究己经不只局限于航空航天和电 子技术等部门，进入二十世纪七十年代后，更多的研究已经深入到机械、建筑等 民用工业的应用。尤其在当今国际市场上，产品的可靠性己成为竞争的焦点。在 国内，我国首先在电子工业和国防部门进行可靠性研究和普及工作，继而在机械 工业等其他部门逐步展开。 1 4 1 结构可靠性的发展及现状n 4 】 结构可靠性就是结构在规定的条件下和规定的时问内，完成规定功能的能力。 即在给定的使用寿命期限内，评判研究对象的有效承载能力和正常工作能力的概 率分布，主要内容包括：l 、可靠性预测；2 、可靠性设计；3 、可靠性分析；4 、 相关性分析；5 、可靠性分配；6 、失效模式、影响及风险性分析等。 早期的工程结构比较单一，采用传统的许用应力方法进行计算。由于传统的 设计方法在选取载荷和材料性能数据时仅考虑最大点、最小点和平均值，没有顾 及实际数据的分布性和随机性作用，因此安全系数的确定，带有很大的主观成分， 在使用新材料和设计新产品时，过大的安全系数不能杜绝事故的发生，仅会带来 结构设计性能的下降和材料的浪费。结构可靠性研究是将作用于结构上的真实载 荷和载荷能力考虑为概率意义上的分布量，在分析和设计中引入随机变量和随机 过程量，按一定的分布处理，可更好的贴合实际。依据可靠性设计要求，可以把 失效控制在可接受的范围内。结构可靠性研究的优点在于，是将不确定性事件和 可靠程度表述为量的概念，有利于把握事件的发生的可能性的大小、降低成本和 9 多鼓离心萃取器的设计及理论研究 提高设计性能等。 在结构可靠性的发展史上，将概率论和数理统计的方法用于结构可一靠性分 析可以追溯到2 0 世纪初f o r s e l l 和m a y e r 等人的工作。f o r s e l l 和m a y e r 等指定了 有关概率设计规范的计算过程，但由于当时科技水平，方法缺乏严格的证明，因 此其实用价值不大。后来a m f r e u d e n t h a l 4 s l 首先用全概率分析方法，较系统的阐 述了传统的安全系数法和结构破坏概率之问的内在关系，提出了考虑多种因素。 主要是由初始损伤条件下的结构可靠性分析数学模型，并于1 9 4 7 年，发表了“结 构安全度”一文，奠定了结构可靠性的理论基础，标志着结构可靠性分析理论由经 典向现代过渡。从此结构可靠性研究开始由理论探讨进入实用性研究，h a s o f e 和 l i n d 1 6 j 提出了应力一强度结构可靠性设计的正态一正态模型，并推导出用正态分 布二阶矩表达的可靠性中心安全系数的一般形式。r a c k w i t z 和f i e s s l e r i 】提出了一 种有效的算法将任何非正态随机变量都能在设计点处转化为正态随机变量。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着计算机技术的迅速推广和有限元法理论的迅猛 发展，分析和求解结构可靠度的主要方法可归纳为两大模式：一次二阶矩模式和 蒙特卡洛模式。 一次二阶矩法包括有j c 法、p a l o h e i m 。法以及其他一些优化法，但它们只能 用于求解仅含有一个功能函数构件的可靠性指标，当处理多个功能函数和功能函 数非线性程度比较高时，此时求出的破坏率只与实际值相差较大，甚至可能出现 不收敛的情况。蒙特卡洛法分析结构可靠度精度相对比较高，而且方法简单，收 敛概率和速度与问题的维数无关。对构件和体系的可靠度问题同样适用。蒙特卡 洛法的不足之处在于模拟次数多。丽随着计算机硬件、软件及新技术的出现对于 此方法新的应用前景，随机问题在计算机仿真上可以得到较为完善的模拟和解答。 a t t i l a 在h a r b i t z ! ”】方法的基础上提出了一种改进的蒙特卡洛方法，可以用小样本 获得元件失效概率的精确估计。m a r s e g u e r r a ”】提出了非线性蒙特卡洛算法。同样 在国内，沈风生、吴世伟【2 0 】等提出了求解结构可靠度的蒙特卡洛算法及其改进。 高而坤、吴世伟 2 l l 等研究了同时可算出结构可靠度指标和验算点值的快速收敛蒙 特卡洛法。 随着结构可靠性研究对象规模的扩大和复杂性增加，随机有限元己经步入结 构可靠性领域，用来研究载荷情况复杂的构件。有限单元法在结构可靠性领域中 的应用是以一次二阶矩理论的优化算法工具出现的。随机有限元技术应用始于2 0 世纪7 0 年代初，主要用于岩土沦陷应力分析。到8 0 年代，h a n d a 等首先运用t a y o r 技术展开方法提出结构静力分析的随机有限元法，其后h i s a d a 等用摄动法对随机 问题的有限元解法作了较为系统的研究，给出了二阶摄动有限元列式，使得随机 有限元法理论上的研究和在结构可靠性研究中的应用走向成熟，解决了一系列的 工程实际问题。在国内。g u o l i a n gj i n 2 2 l 等提出了基于蒙特卡洛理论的有限元法在 i o 颂e 学位论文 结构可靠性中的应用，刘正兴、王劲松等人提出假定随机变量呈正态分布，用一 阶摄动法建立计算随机载荷和随机运动约束下的随机有限元方程。刘先斌【2 3 j 提出 了二阶摄动随机有限元法等等。 1 4 2 结构可靠性在分离机中的应用 在产品的设计和制造过程中，由于各种原因的影响，零件材料的物理特性、 几何参数等和零件所承受的载荷，都在一定程度上具有不确定性，因而在产品的 设计和制造过程中就相应的提出可靠性设计，可靠性设计广泛的应用于军事、电 子、航空和航天领域，近年来也用于锅炉等压力容器的设计和制造中。由于国内 外在碟式分离机转鼓可靠性方面的研究比较少，本论文将在转鼓的可靠性方面采 用有限元技术，采用广泛应用的a n s y s 软件进行一些应力分析。 1 5 本论文的研究目的和研究内容 离心萃取器主要用于轻、重两相液体的分离和提纯，其操作转速高达每分钟 几千转。尤其是近年来离心机向大直径、高转速方向发展，就更应该要求对转鼓 应力分析作深入系统探讨和作符合实际情况的精确计算。 国内外一些学者用有限元的方法对离心机的转鼓进行应力分析时都比较早， 由于他们当时所应用的软件在功能上还不够完善，因而对某些问题还不能精确求 解。在九十年代，随着计算机技术的高速发展和有限元理论的日趋成熟，国际上 通用的有限元软件得到迅速的发展。其功能及计算精度也得到了进一步提高。因 此本论文用国际上通用的有限元计算软件对离心机的转鼓进行较全面、精确的应 力分析，三维有限元计算对离心机转鼓零件的设计和生产提供更准确更有效的技 术参数，来验证按照传统计算的准确性。 与传统的研究设计方法不同，作者的分析设计主要是利用a n s y s 有限元设 计软件来完成的。a n s y s 软件是一个建立在有限元方法上的设计计算软件，能够 对对象进行包括静力、模态在内的多种分析，在国外已经广泛应用，在国内也正 在处于推广阶段。作者运用此软件来进行设计分析有两方面的原因：一是为了适 应技术发展趋势，不至于在不久的将来发生技术落后的现象：更主要是因为本文 中分析的离心机的各主要部件结构与形状都极不规则，传统的设计方法基本上无 法解决此类部件的设计，只有借助计算机辅助有限元方法才能实现，这是此类机 械的国产化如此缓慢的主要原因之一。 本文研究内容主要分为三个部分： 首先，对离心萃取器工作原理以及影响分离因素进行全面分析。 其次，对转鼓和开孔转鼓进行传统方法的传统理论计算和有限元分析。由于 a n s y s 软件只能是建立在现有模型上进行计算，也就是说用软件进行设计其实是 多鼓离心覃取器的设计及理论研冗 i i i 一种试值法，将计算结果输入程序，然后看它的应力或频率或位移等是否超过了 许用极限，如果超过则要重新设计结构，然后设计结构尺寸使它的结构趋于合理。 最后，运用蒙特卡洛模拟有限元法对离心萃取器的转鼓筒体进行可靠性研究， 并得到相应的可靠度。 硕士学位论文 第2 章离心萃取器的研究 2 1 离心萃取器的原理 液液萃取是分离均相液体混合物的一种单元操作，是利用混合物中各组分在 溶剂中溶解度的差异而使各组分分离的操作。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： l 被萃取的液体混合物与溶剂充分混合，在两液相密切接触情况下，是溶质从 被处理的液体混合物中融入溶剂中。 2 萃取结束后，借助分离器将过程中形成的萃取相和萃余相分开。 3 萃取相经溶剂回收器，以回收溶剂，使之循环使用。 轻柑入口重柯入d轻相出廿重柑出日 图2 1 萃取器原理图 如图2 1 ，离心萃取器利用离心力使两相快速混合，轻相从外圈引入，重相有 中心引入。在离心力作用下，重相由中心向外流，轻相由外圈向中部流，两相形 成逆向流动。最终，重相从最外层流出，轻相从中部流出。萃取流程如图2 2 所示： l l o h l ol l i i j i j 图2 ，2 萃取流程 当在液体接触区域安装多个转鼓时如图2 3 多级萃取过程。 h l iu d l 帖 ：广_ ， ：i i 侮 ：广_ ， j i 弋固 ：【一 h j ou i 豳2 3 三级萃取流程 离心萃取器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器内完成的。 l 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，液体通过开孔转鼓流动，此时两相液体得到了充分混合，使溶质由一 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，经环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 1 4 i i i i j i i i i j f i i l j 颂七学位论文 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。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。 2 2 结构分析 如图2 4a 所示，为一个单转鼓离心机，流体在转鼓内的停留时间由下式计算： r = 丢 ， 式中： 矿一转鼓体积； q 一转鼓的生产能力； 有： q = 等= 孚= 砌 ( 2 2 ) ff 式中： m 一重相液体沉降速度： 一一转鼓的沉降面积； h 转鼓半径。转鼓的分离能力正比与沉降面积。 图2 4b 所示，装有个水平板的分离机生产能力 q = a 国n( 2 3 ) 生产能力是图2 4a 所示分离机生产能力的倍 图2 48 单转鼓b 多转鼓 离心萃取器转鼓支承在两端的主轴承座上，转鼓借助其两端轴颈上的轴承安 装在机座上。转鼓的一端装有电机，通过皮带带动转鼓转动。 2 3 分离效果的影响因素 在离心力场中，液滴的沉降速度是不断增大的，这是因为随着液滴的沉降， 回转半径增大，作用在液滴上的离心力也随之增大的缘故。但对整个过程而言， 是一个极短暂的作用力大于阻力的初始阶段，随后是作用力与阻力相等阶段，与 多敛高心萃取器的i 殳计及理论研究 重力沉降不同的是这一阶段中作用力与阻力处于变化的随遇平衡过程。 2 3 1 转鼓内液体的自由表面 当离心萃取器静止的时候，转鼓内液体在受重力作用下，沉降在转鼓的底部 ( 如图2 5a ) ，当萃取器高速旋转时，产生的离心力远远大于液体的重力，这时候 可以忽略重力，液体在鼓内形成一个类似柱状面。 a 静止b 高速 图2 5 离心机转鼓的自由液面 当转速极大，以至重力相对于离心机可以忽略不计时，则自由液面而趋近于 圆柱面，即r o = ro = d o 2 ( 图2 5b ) 。 2 3 2 液滴间的相互作用 当流场中有多个液滴且相距较近时，彼此间就会产生流体上的相互影响，这 种影响的大小取决于液滴的形状、大小、彼此间的距离、方位等。图2 6 为两液滴 在流场中的串行沉降【2 4 1 。 图2 6 两液滴在流场中的串行沉降 是以相邻两液滴在静止流体中的自由沉降为例，若b 液滴在a 液滴之上，当 液滴雷诺数n e e p o 2 5 时，两液滴所受阻力均为： 1 6 硕士学位论文 昂= 6 巧c 觑以 ( 2 4 ) 式中：k 校正系数，护0 6 4 5 l ，两液滴间距小时取小值，间距大时取大值： p 一流体粘度； 一液滴直径； l 卜液滴相对于流体的运动速度； f d 一液滴所受阻力； 当雷诺数0 2 5 _ - - 7 0 时才发生内环流；滴内环流主要由外部流体的摩擦阻力引起：表面活 性物质虽会降低表面张力，但也能抑制液滴表面的活性及内部环流 2 6 l 。 考虑内环流影响时，液滴的终端沉降速度可由h r 公式计算，即： 4 _ - 三旆2 筹( 舄 ( 2 s ) 式2 5 与斯托克斯公式相比得： 簪u - 3 篆“ ( 2 9 ) 2 + 3 k 、 式中，k = 丝是亮相粘度的比，口= 三万。对于油中水滴封沉降，当取 p f z e = l m p a j 、d ，= 5 0 m p a s 时，k = 寺，则有兰长生= 1 4 8 5 。可见，考虑内环流 影响后，液滴的沉降速度是刚性球沉降速度的1 5 倍这是因为表面可动使得流体中 的速度梯度较刚性球时小，使得在流体中耗散的能量减小，也即阻力减小的缘故， 因此，液滴的沉降速度当然会比刚性球的沉降速度大。 2 3 4 流场分布不均的影响 当流场内速度分布不均。有较大的速梯度时，由于液滴所受曳力不对称，就 会产生旋转：对于非球形液滴即使在均匀流场中，由于受力不均，也会产生旋转， 加上粘性效应，液滴一侧的绕流速度就会变大。另一侧则会变小，于是两侧压力 不对称，从而产生一个横向力，使液滴移向速度较高的一侧，这种现象，也称为 m a g n u s ( 1 9 5 2 年) 效应。 r u b i n o w 和k e l l e r 在较小雷诺数下，对刚性圆球的三维绕流，推导出的这种 横向力为： f = 所以国一互1 等 ( 2 1o ) 式中：万一圆球直径m s 阼一流体对圆球相对速度的绝对值，m s ； 嚣一流体的横向速度梯度，1 s ； 沪圆球的旋转速度，j 居。 在剪切流中，由于横向速度分布不均匀而使流体对圆球的绕流不对称，也会 产生一个横向力，s a f f m a n 对此提出的计算公式为： r 翌彤 f = 彬2 迪 ( 2 1 1 ) 、， 式中；一流体的动力粘度，p a s ； 丫_ 流体的运动粘度，加； 多鼓离心筚取器的设计及理论研究 伊系数，当- 了茜1 时，妒2 1 6 1 5 。 、7a y 此力对分散相沉降或浮升过程的影响，随液滴在流道中所处位置及其旋转方 向的不同面变化。 2 3 5 液滴形状的影响 液滴的形状取决于作用其上的力、这些力的相对大小，一可用无因次数表示， 其中主要无因次数有n r 印，n e 。，n m 。这里p = 等等是液滴雷诺数，代表了惯 ， 性力与黏性力之比；：竺望：堂丝是奥托斯数，表示离心力与表面张 o r 5 力之比；n m o ：埠是莫顿数，表示连续相的性质，特别是粘度的影响。 po 依照上述三个无因次数的不同，液滴的形状也不同，在低n e 。数( 表面张力 为主) 或低n r 却数( 粘性力为主) 的情况下，液滴为球形：两者都较大时，即惯性 力占主要地位时，则为椭球或球帽形。 关于分离设备中液滴动力学的分析，以往考虑的假设条件：流场是无限大 均匀流。液滴等效为刚性小球；液滴间不分散、不聚结且无相互作用，即其 力学行为可等效为单滴。对假设条件的研究发现：根据液滴动力学分析模型与实 际液滴动力学模型之间的差别分析显示液滴群在连续相中运动，由于液滴间的相 互作用及聚结效应，同单滴情况相比，更有助于分散相的沉降分离：非无限均匀 流场中，流场的有限性使液滴所受阻力有所增大，不利于液滴的沉降分离；针对 刚性圆球液滴模型，考虑溶液的变形效应后，随着液滴直径的增加，其液滴沉降 速度并不总像s t o k e s 公式描述的那样，与其成二次关系增加，而是趋向于稳定常 数。 2 4 两相分离主分界面控制问题 2 4 1 转鼓内液体的压力 计算离心压力的意义在于确定转鼓的离心应力，同时离心压力是离心机的驱 动力，由于是高速旋转，离心力远远大于重力的影响，故可以忽略重力。 _ 1 ，一一一 1 t 一，百壬 r d r 图2 8 最内物科中任一微分体 在鼓内物料取一单元或微分体积图2 8 。 晰争d 删 ( 2 1 2 ) 因其以角度旋转运动，故旋转产生的离心力为： p ：d v ( ，+ 争2 乃( ，+ 争2 m 2 删 ( 2 1 3 ) 微分体积上压力的径向平衡条件为 慨+ 誓训，圳d 础一乃例2 啪+ 譬跏2 删 ( 2 14 ) 忽略二次项，化简得： 誓御2 。 ( 2 1 5 ) 沿转鼓径向积分得 乃= i 1 乃2 ( ，2 一2 ) ( 2 16 ) 由上面的理论公式可得如下的结果： 一2 互1 国2 r m ( p w 一弛) ( 2 17 ) 另外，在一般情况下，由于r o 随着轴向位置z 而变，所以沿鼓壁不同高度l 处，鼓壁所受的离心力是不同的。由图b 可以看出，当r o - - - - 0 时，离心压力达到 最大值： 弓= i 1 乃国2 r 2 ( 2 18 ) 2 4 2 液位控制 两相液体的入1 3 和出1 ：3 的压力的准确测量对离心力的分离效率尤为重要。四 个出入i = l 的压力差可以决定分离机内部的工作状况，还可以来测试机械的密封问 2 l 多鼓离心苹取器的设计及理论研究 题。当只有一相液体流入物料压力很小，但当第二股流体进入后压力平衡需要靠 密度及转速来确定。 最大转速首先要从安全角度考虑，其次是一些辅助设备。由公式： 1 p = 2 r 2( 2 19 ) 从而可以计算处内部靠进外壁的设计压力： v r h = 0 5 x 1 0 0 0 x 2 0 9 2 o 4 5 2 = 4 4 2 m p n 压力计如图2 9a 分布，得出如下理论公式： ， 一= 去印2 r 2 m ( 一他)( 2 ，2 0 ) 二 p l l l f 阳p h l o 两处压力，毗l j 液相出入口安装半径，p 。，为中相液体和轻相 液体的密度。 所以当主分界面处于不同位置的时候可以得如图2 9b 结果： 自 主 童 i f 崖 a b 图2 9 主液面分布图 所以由各个液体出入口的压力即可以测出转鼓内部液体的主分界面的位置， 这对内部各相液体的量提供了直观描述。 从式上图2 9 可以看出，只要给定各个液体出入口的压力就可以确定内部主分 界面，内部液体主分界面可以通过调节压力值来改变。为了保证分离效率，这个 过程的实现需要通过自动控制理论实现。其根本原理如图2 1 0 ： 围2 1 0 控制原理图 对于油水界面的控制，可以根据自动控制理论原理采取光电控制或者机械控 制的方式实现，采用机械装置控制有利与维修，操作可靠。 2 5 本章小结 首先对离心萃取器的结构及分离原理进行分析，继而充分考虑到影响分离效 果的因素，根据液滴动力学分析模型对各主要影响因素的分析结果表明： 1 液滴群在连续相中运动，由于液滴间的相互作用及聚结效应，同单滴情况相 比，更有助于分散相的沉降分离。 2 。非无限均匀流场中，流场的有限性使液滴所受阻力有所增大，即不利于液滴 的沉降分离；流场的非均匀性则使流场中的液滴受到m a g n u s 效应的作用，从而产 生一个横向力，此力会在一定程度上导致液滴在沉降分离的过程中重新被扬起。 3 针对刚性圆球液滴模型，比尔德在考虑了溶液的变形效应后，得出的结论是： 随着液滴直径的增加，其终端沉降速度并不总像斯托克斯公式描述的那样，与其 成二次关系增加，面是趋向于某个常数；加纳对内环流影响