胶乳分离机高速转鼓流体动力学特性分析

2018-02-17刘友江

现代制造技术与装备 2018年8期

刘友江

（湛江市事达实业有限公司，湛江 524094）

我国的橡胶种植加工地主要集中在琼、粤等地区，通过加工便可以得到乳胶。在此过程中，乳胶分离机是得到浓乳和胶清的重要设备，关键部件为高速转鼓。在具体的工程应用过程中，碟式分离机的工程应用显得极为普遍，但在转鼓制造上主要以仿制为主，相关参数设计也并不明确。为确保转鼓能够得到更多高速旋转的机会，人们还可以将CFD分析加入其中。

1 内流场模型与仿真设置

1.1 流体动力学控制方程

流体控制方程在离心分离状态下的类型有很多，如连续方程、动量方程、组分方程等。尽管这些方程在因变量设计过程中存在很多不同类型，但都能将单位体积中的物理量守恒性质显示出来。离心分离机流体动力学主要由连续式方程、微分方程等组成，主要应用特点是这些方程在使用过程中均需要采用柱坐标对其进行配合。在此次研究过程中，涉及很多能量交换等。因此，在控制方程实施上，涉及很多质量方程和动量方程，并在联合状态下实现联立求解，从而反映出离心力场中的粘性液体运动情况。

1.2 分析模型

在分析模型的过程中，主要涉及模型构建、简化与假设、边界类型定义等。为确保研究的深入性程度，研究人员取30张碟片对两相流二维分析模型进行创建，并将其划分成四个不同的区域：第一区域为碟片组及相邻碟片所构成的锥形区域；第二区域为沉渣区，主要指碟片大端之外的所有圆环区域；第三区域为宴流区，主要以流体入口形式进入到碟片组之中；第四区域为出流区，该区域可以分别从轻相和重相将转鼓区域排除，为后续工作开展创造有利条件。

1.3 物料属性和参数设置

在初始条件确定上，鲜胶乳之中的橡胶粒子约占总体积的20%~50%，该数值的大小程度与胶树的品系、树龄等因素直接相关，可对具体的橡胶含量进行表示。而在胶乳粒子大小确定上，由于橡胶中的粒子呈现出非水溶性，以球形外观为主，半径在0.02~3um之间。但在一些特殊的成龄胶树之中，粒子长度几乎全部超过了2um，有部分粒子更是达到了10um，出现这种情况的原因，主要是球型粒子的相互汇聚所引起的。在进料速度的控制上，主要以处理量计算得到的数据为主，最终可以对进料速度进行有效控制，并将初始速度设置成定值。在进料过程中，速度不宜过大，避免制成率下降，这样一来，胶清中的橡胶残留量也会进一步提升。而在转鼓转速和间隙控制上，通过对整个分离过程的仿真，整个工作转速应保持在7250r/min，但由于分离性能的变化，具体转速也会呈现出较大的不同，碟片间隙以0.5mm为主。

2 胶乳分离机高速转鼓流体动力学特性的分析

2.1 轻相与重相的分离速度

为方便研究，研究人员可以假设胶清的动力粘度为n，单位为MPa·s，相关粒子的密度和半径分别用f、f1表示，r代表粒子半径，单位为mm，回转半径为R，单位为mm。在重力场的作用下，橡胶粒子和胶清存在很大的密度差异，在各种外力作用下，橡胶粒子开始上浮，而胶清则会出现下沉现象。在橡胶粒子上浮状态下，受到重力、摩擦力及上浮力的作用，当全部受力达到平衡后，橡胶粒子开始进行匀速上行。整体来看，橡胶粒子与胶清之间存在一定的分离速度，但在重力场的作用下，分离速度难以得到提升，在24h之后上升高度不会超过10mm，不具备较强的实用价值。根据相关研究分析可知，橡胶粒子的直径越大胶清溶液的粘度也会进一步降低。如果胶清与粒子之间的密度相差很大，此时相关物质的回转半径荷载也会增加，并最终在相关装置中完成粒子的清除和分配，提升分离效果。

2.2 碟片间隙内的乳胶流动及运动

在此项研究过程中，研究人员可以对Navier方程进行利用，最终得到碟片间隙中的内液流计标准数值γ，该数值为判定层转变成湍流的具体指标，当γ的具体数值达到2π时，各个碟片之中的层流将会向湍流方向转变。除此之外，碟式分离机γ值的取值范围始终处于5~12的范围内。将所有相关数值统计好之后，可以通过相关参数计算，得到本次研究过程中的γ具体数值，此时，研究人员也可以根据具体结果对层流进行确定。当碟片间隙中的杂质等物质向外移动时，橡胶则会呈现出向内移动的趋势，此时的液流将会沿着母线方向移动，由于距离碟片的表面越来越远，其摩擦力也会逐渐降低，径向速度也会得到提升。

2.3 浓缩极限

研究结果表明，随着分离转速的提升，轻相出口的浓乳体积分数也会呈现出增加趋势，在此种情况下，浓乳平均体积分数也会得到进一步提升，增加了粒子的运动阻力。另外，有浓乳中心运动的出现，回转半径越来越小，离心力也越来越小，从而使浓缩趋势越来越弱。通过该过程的相互作用，可以确定离心浓缩之后的天然乳胶中的干胶含量，并将含量上限突显出来。根据相关文献记载，浓乳之中的最大干胶分数不会超过0.67，这种要求可以通过进料管和出料孔的具体长度调节来实现。从设备操作角度来说，整个过程不应实现过度浓缩，否则很容易导致碟片间隙之中出现大量凝胶，最终引发阻塞问题，恶化分离性能。

2.4 不同路径与杂质的分离

当胶乳浓缩程度达到一定要求后，需要将其从转鼓中排出，而且在排出过程中应选择更短的路径，以转鼓为主。另外，在路径确定上也可以选择一些曲折、迂回的路径，提升胶清在转鼓之中的停留时间，这样一来，更小的橡胶粒子将会被分离出来。由于胶清出口始终处于中心位置，离心力较小，很多杂质便会在转鼓内壁之中沉积下来，促使胶清的清洁度大大提升。例如，当胶泥杂质密度处于2.7g/cm³时，所得到的杂质极限粒径为0.05um，这也能显示出该系统具备较强的清除杂质能力。因此，在浓缩工作开始之前，应采用专用的分离机去除杂质。