双级活塞推料离心机叶片式离心加速盘叶片曲线优化设计

双级活塞推料离心机叶片式离心加速盘叶片曲线优化设计

双级活页离心机是一种持续、高效的过滤过滤设备。它对颗粒、纤维（直径）的过滤性能很好，具有良好的过滤性能。广泛应用于化工、制药、化工、冶金等领域。例如，重量过滤、硫酸法制备的甲基丙烯酸钠提取、氯乙酸分离的干燥系统以及碱泥制备的氯乙酸。重碱过滤对纯碱产品生产和氯化铵的产量和质量起到了关键作用.近百年来,纯碱过滤一直采用真空转鼓过滤机,得到的重碱含湿率为20%～22%.19世纪70年代,随着“新旭法”制碱工艺的出现,离心机才开始应用于重碱分离.目前,为了得到含湿率更低的产品,重碱一般要进行2次脱水,1次脱水后的物料固含量很高,流动性极差,因此,原来的真空转鼓过滤机不再适用于重碱的分离过程,目前生产中过滤设备主要采用双级活塞推料离心机.双级活塞推料离心机在用于高含固量物料处理过程中,普遍存在着进料不均匀、离心机运行不平稳、产品颗粒完整性受到破坏等问题.而离心机的布料系统是影响离心机运行稳定性、产品质量和生产效率的主要部件.物料通过进料管进入离心机后,被布料系统分配到离心机中的筛网表面,这个过程中布料系统中的离心加速盘对物料的分配起到了决定性作用.为此,笔者采用数值模拟与工业试验相结合的方法对双级活塞推料离心机物料分配系统中的离心加速盘结构进行了模拟优化设计研究.1速高效叶片生长离心加速盘的最初形式为圆盘或锥碟形盘,物料加速的动力为摩擦力.这种加速盘结构在小直径处容易发生打滑,速度不能迅速提高;在大直径处物料与安装的螺栓碰撞,由于加速不合理,物料离开加速盘时的线速度与筛网的线速度差距很大,造成再次撞击,物料可能发生擦伤、磨毛、缺损和破碎的状况,严重影响产品的质量.为此,已经出现了隐式的螺栓固定,即不在离心加速盘工作区域中出现螺栓,并在离心加速盘中增加叶片以改变加速效果,避免或降低了这部分碰撞的发生.叶片的发展经历了直叶片—圆柱叶片—扭曲叶片—复合叶片4个阶段.其中圆柱叶片的主要优点是出口部分流面上流动基本相似,有二维流动特征,流体在不同流面上通过叶轮时能量增长和水力损失分布相差不多,湍流度低;缺点是进口处易脱流,背面湍流度较高,会造成冲击损失.扭曲叶片与圆柱叶片的优缺点正好相反.因此,目前复合叶片的应用最为广泛,进口段采用扭曲叶片,出口段采用圆柱叶片,这样既继承了两者的优点,又摒弃了缺点.目前,离心加速盘的研究已经受到广大离心机制造和使用厂家的重视,可查的专利及文献中出现了3种形式,如图1所示.3种离心加速盘都采用了增加叶片的方法,这为离心加速盘的进一步研究奠定了基础.为此在此基础之上,对离心加速盘叶片进行了优化设计.本文中选用复合叶片为离心加速盘叶片,由于复合叶片的影响因素较多,这里只对圆柱部分进行优化.图2中给出了圆柱叶片基本曲线的参数,该曲线参数包括:内半径R1、外半径R2、进口安放角β1、出口安放角β2、包角α,对于曲线上任一点,还包括极角θ和安放角β.到目前为止,圆柱曲线主要包括单圆弧曲线、等变角螺旋线、对数螺旋线、渐开线和可控包角曲线5类.在对其性能进行比较后,选取等变角螺旋线和可控包角曲线作为优化的基本曲线.2流场模拟方法基于重碱工业中使用的P-85双级活塞推料离心机,对其离心加速盘结构建立模型.建立的模型中对等变角螺旋线和可控包角曲线分别选取出口安放角β2和包角α为研究对象,其中可控包角曲线的出口安放角β2是在等变角螺旋线研究结果基础之上选取的.具体曲线优化方案如表1所示.曲线叶片的绘制采用取点法,点的选取参照文献进行.式(1)和式(2)给出了等变角螺旋线的方程;式(3)给出了可控包角曲线的方程.得到的极坐标(r,θ)经过变换得到笛卡尔坐标用于绘图.目前,CFD已经广泛应用于流体过程模拟中,大量研究人员利用其对气体泵、液体泵、飞机等机械的叶片进行了研究,并取得了可信的结果.因此,本文选取常用的流体力学计算软件Fluent6.3.26进行流场模拟,利用Gambit2.3.16进行三维模型绘制.图3给出了三维模型及网格划分情况.模型采用四面体非结构网格,工作时模型z轴为水平轴.由于物料固含量很高,呈现固体颗粒状,采用螺旋输送进料,进料中含有大量气体,因此设置2个进口,进口1为物料进口,进口2为气体进口,2个进口的总面积为螺旋输送装置的有效面积,即进料管的面积减去螺旋所占面积,2个进口面积比例按照实际生产中估算的物料在进料管中的体积比例确定,设定物料进口与空气进口面积比为1∶3.对离心加速盘模拟进行了三维瞬态计算,选用了欧拉多相流模型和RNGk-ε湍流模型进行隐式分离求解,选用压力和速度耦合的SIMPLE计算方法.进口为VelocityInlet,出口为Outlet,壁面处设置标准壁面函数,无滑移,离心加速盘旋转区域设置为MovingMesh,转速1,300,r/min.计算时间步长为0.005,s,每个时间步长迭代次数为100步,计算收敛条件为10-4.物料选用重碱,固含量为85%.模拟中气体按照空气相设置,物料由于固含量很高,成分呈颗粒状,因此设置为一项固相,密度为1,993.7,kg/m3,粒径为0.15,mm.进口速度为1.26,m/s,由于物料和空气都是在螺旋的推动下进入加速盘,因此设为同一速度,该速度由螺旋推进速度决定.3结果表明，规划计算结果与分析3.1产品约束条件流场中的能量损失一般分为两类,分别是由主流和边界层分离引起的.只有流场中没有出现流动分离的叶片才是最有效的,但旋转过程中流动的分离是不可避免的,而且受到底板和盖板的影响,流场中速度分布很不均匀.大量研究表明,在相对半径0.5处的出口中间宽度上的圆周无回流作为约束条件是比较可靠的,式(4)给出了相对半径公式.式中:R1为内半径;R2为外半径;r为相对半径为0.5时的半径;本模型中半径为r=211,mm;r为相对半径.同时,由于离心加速盘的作用是加速物料,且物料到达筛网时与筛网线速度差越小,物料发生破损的可能性就越低,因此选取了物料到达筛网时的切向速度作为另一个研究参量.由于本研究尚处于初始阶段,因此选取了多个截面(h=10,mm、20,mm、30,mm、40,mm、50,mm、60,mm)的速度进行研究.3.2最大径向速度模型图4是等变角螺旋线模型计算得到的速度结果,图4中横坐标表示数据选取的高度位置,纵坐标表示物料的速度.由图4(a)～(d)可以看出,所有模型在中径处的最大径向速度分布相似;出口安放角为15°和25°时径向最小速度在-0.02～0,m/s范围内,回流较小;40°模型的物料在出口处拥有最大的切向速度,但分布不均匀;15°和35°时物料在不同高度上的最大切向速度分布比较均匀;15°时物料在出口处的最小切向速度最大.综合以上可以得出,15°时物料在中径处和出口处都有很好的流动性能.3.3包角模型的模拟可控包角曲线是近年来为改变包角不可控状况而出现的一种新型曲线,根据对等变角螺旋线结果的分析,选取可控包角曲线的出口安放角为15°,只对不同包角模型的性能进行讨论.图5是速度模拟结果,从图5(a)和5(b)中可以看出,在不同包角时物料在中径处的最大径向速度基本一致,包角为90°时的回流最小;从图5(c)和5(d)中可以看出,100°和90°的最大切向速度最大,90°的最小切向速度最大.由此可见,90°的可控包角曲线适宜在离心加速盘上使用.3.4等变角螺旋线.将得到的两种较优曲线进行对比分析研究.选取出口处半高度处物料的切向速度和径向速度为研究对象,具体结果如图6所示.从图6中可以看出,等变角螺旋线对物料的切向加速效果较弱,但径向加速效果好;可控包角曲线对物料的切向加速效果较优.由于研究的重点是物料到达筛网时与筛网的线速度差,因此包角为90°的可控包角曲线是最佳选择4试验物料粒度分布为了验证模拟结果的可信度和可行性,将模拟结果应用于工业生产进行试验.试验物料为重碱,试验选用某厂的双级活塞推料离心机,图7中给出了试验现场和加速盘照片.在其他条件相同的情况下,分别对试验前物料、经15°的等变角螺旋线和经90°的可控包角曲线加速盘加速并分离后物料,用激光粒度分布仪(济南微纳仪器有限公司Winner2116)对试验物料的粒度分布进行测试,分布模式为R-R分布.图8是3种情况下物料粒度分布情况,表2中给出了粒度分布中的主要参数.从图8中可以看出,经等变角螺旋线后得到的物料在小直径处比例明显增加,物料被破坏严重.结合表2中的数据,经等变角螺旋线得到的物料直径小于5,µm的比例为3.318%,远大于经可控包角曲线得到的0.469%.可以看出,90°的可控包角曲线对物料破坏较小,与模拟结果一致.5离心加速盘加速性能针对双级活塞推料离心机在物料分配过程中存在的问题,对其内部构件(离心加速盘)进行了设计优化研究.采用CFD模拟计算方法,得到了等变角螺旋线和可控包角曲线2种叶片式离心加速盘的径向和切向速度分布,并通过综合分析其对物料的加速性能,得到如下结论:(1)离心加速盘叶片为等变角螺旋线、出口安放角为15°时,模拟计算结果表明物料在不同高度上的最大切向速度分布比较均匀,在出口处的最小切向速度最大,加速盘对物料加速的综合性能最好,物料在中径处