厢式压滤机内盐泥脱水过程的模拟仿真

朱桂华 王 华 陈 勇 阮利超 胡志坤 魏 钊

（中南大学机电工程学院）

卤水净化工艺过程中会产生含固率为10%左右的盐泥浆［1］，其固相成分主要是碳酸钙和氢氧化镁沉淀，盐泥浆通过固液分离设备降低含水率后以固体废弃物的形式排出。目前，大部分井矿盐企业在处理盐泥浆时采用的是直接堆积、填埋及注井等粗放式处理方式，这些处理方式不仅浪费可利用资源，还会对环境造成污染［2］。当前常用的盐泥浆环保处理技术是：水洗去氯离子后，通过固液分离设备排出固相钙镁泥，液相回收制盐，钙镁泥用于制备吸附剂、建材及脱硫剂等，以实现减量化、资源化利用［3］。盐泥浆处理过程中的固液分离设备主要为压滤机和卧螺离心机，其中，卧螺离心机在盐泥固液分离时会发生盐析现象［4］，分离出的泥饼中含盐量高，无法满足处理要求；压滤机相较卧螺离心机具有泥饼含水率低、分离出的清液几乎不含固体沉淀等优点，但该设备无法连续生产且生产效率较低［5］。

研究学者在相关领域进行了大量研究，耿亚梅等开发了一种新型动态扫流板框压滤机，利用计算流体力学（CFD）方法对对角切向进料板框压滤机滤室内的流动形态进行模拟研究，并进行实验验证，仿真结果和实验结果相一致，说明模拟方法对压滤机研究具有可行性［6，7］。邓玲通过建立厢式隔膜压滤机单个滤室内污泥两相流的数学模型，在Fluent软件中采用标准k-ε模型、混合模型及多孔介质模型等对流体速度场和压力场进行模拟仿真，得到滤室内污泥两相流基本流动规律［8］。文献［9～13］从单滤室的角度建立仿真模型，利用Fluent软件对压滤机的进料方式、过滤压力及滤室厚度等参数对过滤效率的影响进行模拟分析，并结合实验进行了验证。万国顺等通过建立单滤室三维物理模型和压滤脱水过程的数学模型，揭示煤粒在滤室中的沉积成饼规律、压力场分布情况及其与煤粒分布间的相关性［14］。

上述研究均以单滤室模型作为分析对象，然而压滤机是由数十个滤板堆叠并通过油缸压紧形成的封闭滤室，单滤室不能反映不同滤室之间流场规律的差异，因此笔者以文献［15］中的数值模拟方法为基础，以厢式压滤机为研究对象，从多滤室的角度对压滤机内的盐泥流动特性进行研究，以期为其固液分离研究提供理论依据。

1 数值模型与计算方法

1.1 几何模型与网格划分

图1为中心进料厢式压滤机过滤部分结构简图，两侧装有滤布的滤板沿水平方向相互堆叠形成多个规则的滤室，每个滤板和滤布中心都有圆形开孔，形成连接各滤室的进料通道。盐泥浆通过隔膜泵从入料口送入各滤室内部，其中液相通过滤布孔隙流出滤室，固相在滤布的阻拦下留在滤室内部，从而实现固液分离。

图1 中心进料厢式压滤机过滤部分结构简图

厢式压滤机主要结构参数如下：

滤室边长 200 mm

滤室间距 20 mm

滤布厚度 1 mm

滤室厚度 10 mm

进料口直径 20 mm

滤室腔厚度 4 mm

厢式压滤机滤室部分结构规则，具有良好的对称性。在此，笔者选用8个滤室的厢式压滤机作为计算仿真模型，在ICEM软件中建立沿滤板堆叠方向的二维几何模型（图2）。模型中心通道为进料通道，各滤室中间区域为滤室内部区域，两侧为过滤介质区域。为保证网格质量，采用四边形结构化网格进行网格划分，网格单元数为34 447。

图2 二维几何模型及结构化网格

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

盐泥浆可视为盐泥干基与卤水混合的固液二相流，其中盐泥干基为固相，卤水为液相，在Fluent中选择欧拉-欧拉法中的Eulerian流体模型［16］模拟二相流运动，其连续性方程如下：

式中 t——时间；

ρ——密度；

α——体积分数；

下角标 s——固相。

固相动量守恒方程为：

Ksl——固液两相间的动量传递系数；

p——两相共同的压力；

下角标 l——液相。

1.2.2 滤布的多孔介质模型

将滤布设置为多孔介质模型以简化计算。多孔介质对流体的阻碍作用是通过在动量方程中增加一个动量源项来模拟实现的。动量源项方程为：

式中 a——渗透率；

1/a——粘性阻力系数；

C2——惯性阻力系数；

Si——i方向上的动量源项；

u——流体动力粘度；

v——流速；

vi——固相颗粒物在过滤介质区域的速度。

过滤介质设为均匀多孔介质，孔隙率0.2，各向粘性阻力系数与速度阻力系数相同。文献［15］提及的滤布阻力系数的测定实验中，设置滤布对盐泥液相的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为1.305×1013m-2和8.240×1012m-1，由于盐泥固相并不进入和通过过滤介质，所以设置固相颗粒物在过滤介质区域的速度vi=0。

1.3 求解参数和条件设置

求解器和材料参数设置为：求解器选择基于压力-速度耦合方式求解；设液相卤水（密度ρl=1206 kg/m3，黏度1.97 mPa·s）为主相，固相盐泥颗粒（密度ρs=2161 kg/m3，黏度84.9 mPa·s，颗粒直径ds=0.0124 mm）为次相。同时根据盐泥压滤滤饼实验，设置盐泥固相极限体积浓度αs，max=63%。

边界条件设置为：压滤机压滤阶段入口边界条件采用压力入口（pressure-inlet），设置入口压力为0.6 MPa，盐泥固相体积浓度为12%；出口边界条件为压力出口（pressure-outlet），出口压力为0；壁面边界按照无滑移壁面（wall）进行处理。

初始条件设置为：由于笔者主要研究的是盐泥压滤机压力过滤阶段盐泥浆的固液分离过程，因此初始化设置滤室内部区域盐泥浆固相体积浓度为12%。

2 结果分析

2.1 盐泥浆在滤室中的流动

图3为60 s时盐泥在滤室内的流线分布图，可以看出，盐泥沿中心进料通道进入，并沿程分配给各滤室，由于盐泥在进料通道中沿滤板堆叠方向的流程不断增长，流动中存在沿程水头损失，同时由于各滤室进料口处管路突扩，存在局部水头损失，盐泥在进料通道和各滤室中的流速逐渐减小。

图3 60 s时盐泥在滤室内的流线分布图

为了更清晰地表达滤室内盐泥流动速度的分布规律，选取沿滤板堆叠方向上的第2、4、6、8个滤室绘制滤室中间轴线沿y轴方向上的速度变化曲线（图4）。从图4可以看出，靠近入口端的滤室内盐泥流动速度大于末端滤室，但各滤室在沿y轴方向上的流速变化趋势具有一致性，滤室中心进料位置速度最大，沿滤室入口向滤室末端逐渐减小，同时由于重力作用，盐泥颗粒向下沉积，滤室下部浓度整体偏高，盐泥流动性减弱，各滤室下部流速小于上部。

图4 滤室中间轴线沿y轴方向上的盐泥流速变化曲线

2.2 压力分布

图5a是包含过滤介质区域的滤室内部压力分布云图，可以看出，各滤室滤布层内外存在明显的压差。压滤阶段，盐泥固液两相流会在压力的作用下持续进入各滤室内，由于滤布内外存在压差，固相在滤布的阻拦作用下沉积，液相在内外压差的作用下流出滤布外，实现固液两相分离。图5b是仅滤室内部区域的压力分布云图，可以看出，由于重力的影响，各滤室内部压力分布在竖直方向上始终存在压力梯度。

图5 过滤介质区域和滤室内部区域的压力分布云图

2.3 盐泥固相浓度分布

图6为滤室内盐泥固相浓度分布变化云图。从图6a可以看出，由于盐泥颗粒在滤布表面开始沉积，各滤室靠近滤室两侧过滤介质层固相浓度更高，同时过滤初期由于重力作用，各滤室底部固相浓度增长明显；从图6b可以看出，滤室底部固相浓度最先达到固相极限体积浓度as，max，生成部分滤饼并从滤室底部向上发展；从图6c～f中可以看出，滤室内固相浓度逐渐增高，滤室上下两端先达到极限体积浓度，下部较上部快，最终成饼位置均在中心进料口区域。

图6 滤室内盐泥固相浓度分布变化云图

3 过滤压力的影响

3.1 不同过滤压力的模拟结果

过滤压力直接影响压滤机的工作效率，过滤压力过低会导致压滤时间过长，生产效率低；过滤压力过高，则需要更多的能耗，效益降低，同时对滤板强度和密封性提出更高的要求。图7是过滤压力为0.2、0.6、1.0 MPa时的盐泥含水率随时间的变化曲线，可以看出，相同时刻下，过滤压力越大，泥饼含水率越低，过滤效果越好。但是，随着压滤的进行，含水率下降速度变缓，这是因为随着滤室内固相浓度的增加，对液相的流动阻力变大，其流动性变差。

图7 不同过滤压力下盐泥含水率随时间的变化曲线

3.2 实验验证与分析

3.2.1 实验材料及装置

实验用盐泥浆为湖南某盐化公司卤水净化工艺的副产物，通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）对盐泥固相干基成分进行检测，得到其化学成分及其质量分数（表1）。固液相物性参数为：固相密度ρs=2161 kg/m3，黏度84.9 mPa·s，平均粒径ds=0.0124 mm，体积浓度12%；液相密度ρl=1206 kg/m3，黏度1.97 mPa·s。

表1 实验用盐泥固相成分及其质量分数 %

实验装置（图8）包括XASGI/350-10U小型实验厢式压滤机、盐泥浆液储存罐、压力表、入料泵及滤液回收箱等。

图8 实验装置示意图

3.2.2 实验方法

准备好搅拌均匀的含固率为12%的盐泥浆液，过 滤 压 力 分 别 设 置 为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，其他参数和实验条件不变，5组实验各重复3次，压滤时间均为180 s。压滤结束后卸下整机泥饼称重，并用微波炉烘干再次称重，计算出泥饼平均含水率。

3.2.3 实验结果与讨论

不同过滤压力下盐泥滤饼含水率结果见表2，可以看出，随着过滤压力的增大，盐泥滤饼的平均含水率减小；过滤压力0.2～0.6 MPa时，盐泥滤饼的平均含水率下降明显；过滤压力0.6～1.0 MPa时，盐泥滤饼的平均含水率下降变缓。考虑到增大过滤压力将增加更多的能耗，最终选择压滤效果好且能耗相对较低的过滤压力0.6 MPa。

表2 不同过滤压力下盐泥滤饼含水率

图9为实验与仿真得到的不同过滤压力下的盐泥滤饼含水率曲线。

图9 实验与仿真得到的不同过滤压力下的盐泥滤饼含水率曲线

从图9可知，仿真结果小于实验结果，这是因为滤布的实际结构复杂，在模拟过程中将其简化为多孔介质，会导致仿真结果与实验结果存在偏差。实验和仿真得到的盐泥滤饼含水率均随着过滤压力的增大而降低，变化趋势一致，证明了压滤机内过滤流场模拟的可靠性，对于工程研究具有一定的现实意义。

4 结论

4.1 各滤室进料口处管路突扩和沿滤板堆叠方向流程增长，存在水头损失，同时随着压滤的进行，滤室内盐泥浓度升高，盐泥在滤室内的流动性沿入料口近端向远端降低。因此在压滤机的实际应用中可适当减少滤室个数，降低沿程流动损失，提高固液分离效率。

4.2 数值模拟得到的过滤压力0.6 MPa时的盐泥固相浓度变化云图，反映了滤室内盐泥沉积成饼规律，为压滤机的优化设计提供了理论参考。滤室内盐泥固相先从滤布表面开始沉积，滤室底部固相浓度增长最快，最先达到极限浓度形成部分滤饼，随着压滤的持续进行，滤室内固相浓度逐渐升高，滤饼从滤室上下两端向中心入料通道生长，下部较上部速度更快，最终成饼位置均在滤室中心入料通道处。

4.3 在极限过滤压力范围内，压力越大，形成的泥饼含水率越低，但是由于压滤后期固相浓度增大，过滤压力对固液分离效率的影响降低。从高效节能的角度出发，合适的过滤压力为0.6 MPa。