碟式离心机因其具有分离精度高、处理量大等优点，被广泛用于石油、化工、食品加工、生物制药等工业领域中的固-液、液-液或者液-液-固等混合物的分离过程。对于油品脱水这种液-液离心分离过程，混合液在进入转鼓后，经由中性孔进入各层碟片间隙内，在离心力的作用下，重分散相——水沉降在上层碟片下表面，而后从碟片大端排出，并聚集在转鼓沉渣腔，另一方面轻相——油为连续相，由碟片小端排出，从而实现混合物的分离。

索柯罗夫对碟片间隙的计算提出过确定原则，即保证所有大于临界粒径的颗粒都能获得分离，并能从碟片间隙进入转鼓沉渣区。孙步功等都以此为基础，分别根据2种不同的物料的特性进行设计计算，得到相应的碟片间距的数值，并且以此来调整碟片间隙进行试验，发现试验所得到排渣效果有了改善。耿乐天等利用ICEM软件对碟式离心机的转鼓区域建立了三维流动模型，并模拟油水两相分离，分析了转鼓内分离特性，研究发现转速和颗粒粒径对碟片间隙内分离效果有影响。JANOSKE等通过对单个碟片间隙建立模型，列出无量纲的参数，得出了判定碟片间隙内流体特性的特征参数，并且试验验证了层流状况下的分离效率与计算值相吻合。然而，其都没有研究碟片间距对碟片间隙内流场的影响。实际上，之所以要加碟片，且碟片间距要控制在一定范围，就是因为要使重相在碟片间隙内更容易完成分离并排除。因此，碟片间距是影响分离性能的重要参数，而这方面的研究鲜见报道。本文以碟式离心机油品脱水过程为对象，研究碟式离心机碟片间距对各层碟片间隙内流量及浓度分配的影响，以及对碟式离心机分离性能的影响规律，为碟式离心机的设计和应用提供依据。

1 研究方法

1.1 试验方法

1.1.1 试验装置

本文试验在江苏某公司的DRHY614型碟式离心机实验平台上进行。碟式离心机的转鼓半径为276mm，所采用的碟片尺寸：大端半径235mm，小端半径85mm，碟片间距0.5mm，碟片半锥角40°，碟片数目190个。

1.1.2 物料

本试验以含水航空煤油作为离心分离的对象。物料的物性参数见下表：

1.13 试验过程

（1）检查管路法兰及螺纹；油箱内液位在2/3以上，操作水箱内液位在3/5以上；所有阀门处于关闭状态，紧急制动按钮处于打开状态。

（2）连接好各条管路后，按下电机柜上的启动按钮，先将碟式离心机转速提至11000r/min，在启动过程中，检查各管路是否漏水；待碟式离心机稳定后，开启进料泵并多次部分排渣，排除离心机内多余的空气，达到内外压力平衡。

（3）将碟式离心机的转速调整至6000r/min，待碟式离心机处于稳定状态后，可以在进出口管道上多次取样。

（4）试验完成后，先关闭进料泵，待排渣结束后，重新用清水进料，清洗碟式离心机，按下停机按钮，等碟式离心机停止后关闭所有电源，清洗实验平台。

1.1.4 分析方法

将取好的样品用TP653型全自动微量水分测定仪测得样品中的水含量。采用电量滴定法，测量混合液中的微量水分含量（3μg～100mg），其高精度满足本试验用航空煤油中微量水分含量的测定。

1.2 模拟方法

1.2.1 碟式离心机内流场模型及网格划分

本文采用碟式离心机内流场的简化模型进行CFD模拟。简化模型主要包含了进料道区域、轻重相出料道区域和转鼓成渣腔区域，其中分离过程主要发生在转鼓沉渣腔内设置的一组碟片的间隙内。碟式离心机的主要结构参数如下：

由于本文的变量参数为碟片间距，因此以不同的碟片间隙来进行建模，碟片间距分别取为0.2、0.4、0.5、0.6、0.8mm，其余的结构参数数值不变。利用GAMBIT软件建立了模型，并对模型划分了结构化网格。

1.2.2 模型计算及边界条件

为了探究碟式离心机内流场的情况，将划分好网格的模型导入FLUENT软件中进行计算。模型的入口边界条件设置为速度入口，水相占比10%；轻重相出口边界条件设置为自由出口，轻重相出口流量比重为9：1；在每一层碟片间隙内上下出口以及中性孔及其相交的面设置为内部面，用来观察每层碟片间隙间的进出口情况；其余与流体接触的壁面均采用无滑移条件。根据碟式离心机的实际情况，设置了流体区域的类型，进料道设置为静区域，其余流体都设置为绕轴顺时针旋转的动区域，转速设置为6000r/min。

碟式离心机的内流场主要以旋转为主，因此采用RSM湍流模型较为精确。本模拟涉及到两相流动，采用Eulerian模型能够精确地模拟两相的流动性和分离性能。

通过FLUENT15.0进行数值模拟，稳态模拟到30000步后，残差曲线已经稳定，表明流场也已稳定。

1.2.3 可靠性验证

影响碟式离心机分离性能的因素多种多样，一般采用分离效率来表示离心机的分离性能，能够得到较好的判定。

采用碟片间距=0.5mm，转速为6000r/min，进料量为60m³/h时，试验得到的分离效率为99.98%。而在相同条件下，CFD模拟得到分离效率为99.4%，模拟中得到的分离效率要略小于试验中得到的分离效率，这是因为模拟中采用的水相以等粒径的颗粒模型，与试验中的非均一粒径不同，而且试验中会出现水滴的不断聚并，从而更利于分离。因此，在相同条件下，模拟得到的分离效率自然会略低一点，但模拟值与试验值很接近，验证了模拟的可靠性。

2 结果与分析

2.1 碟片间距对各碟片间进出流量的影响

为了分析碟片间隙内的流量情况，在建模过程中，在各层碟片的中性孔、碟片小端和碟片大端处分别设置了观察面，用以在后处理中读出流量大小。

当碟片间隙内的流体流量一定时，流经碟片间隙内某一位置的液流流速随着碟片间距的增大而减小。

假设流体流经中性孔均匀分配到各层碟片间，则碟式离心机中各层碟片间隙在中心孔、碟片小端出口和碟片大端出口处的流量分配应当相同。然而，实际上各层碟片间隙内的流量分配并不均匀。它们都存在着这种现象：靠近底层和顶层的碟片间隙内流量大。这是因为料液在离心力场下经进料道加速由底层进入碟片组中性孔内后，会大量的进入底层碟片间隙内，然后从碟片小端出口流出，其余的会较均匀的分配到中间段碟片间隙内，但在每层碟片间隙位于中性孔处存在回流，这些重新进入中心孔流道的液流会被夹带着到达顶层碟片处，从而导致靠上层的碟片间隙小端出口处流量也相对较大。

碟片大端出口处流量分配不均匀，且无规律可循。这是因为转鼓腔内的空间较大，其当量直径大约为2H（H为碟片束总高度），当液流从碟片大端流出时，速度保持不变，但雷诺数数值变大，使得液流极易形成湍流，造成不稳定的现场，且在碟片大端出口处存在回流。

2.2 碟片间距对各碟片间隙重相浓度分布的影响

当碟片间距h=0.2mm时，此时碟片间距小，这意味着沉降距离也短，重相在由中性孔流道分配入各层碟片间隙后所需沉降的时间相对少，导致在中性孔处监测得到的重分散相浓度比较高，但同时由于碟片间距过小，导致碟片间隙内的液流速度很快，在重相分离过程中也有相当多一部分被液流夹带向碟片小端出口，导致了碟片小端出口处重分散相比较高。而其它4种碟片间距下的碟片小端出口重相浓度分布相对均匀，且都比较低。

中性孔处重相浓度大致趋势是先缓慢降低，在顶层陡然升高。这是因为重分散相从底层碟片开始分离，分离出的重相液会被中性孔流道内的液流夹带向上并反复进行分离，导致进入顶层碟片间隙的液流含重相浓度高。

碟片大端出口浓度分布相对均匀，中间段碟片间隙的略微高一点，这是因为在中间段碟片间隙内的流量分布都相对均匀且较小，此时液流速度相对不大，使得液流的稳定性更好，不易变为湍流。

重相体积分数随径向位置分布的大致趋势为，径向位置越远，重相体积分数越大，且在中心孔外靠碟片大端侧陡增，在转鼓壁面处达到极值。

2.3 碟片间距对分离效率的影响

当碟片间隙过小（h=0.2mm）或者过大（h=0.8mm）时，各层碟片间隙内的分离效率都比其他3种碟片间距下的要低，这是因为碟片间距过小时，各层碟片间隙小端出口的含重相浓度都要比其它4种间距下的大，导致其分离效率的降低。同样的碟片间距过大时，重相沉降距离增大，在间隙内停留的时间更长，容易被液流夹带从碟片小端流出，导致分离效率的降低。其他3种碟片间距下，各层碟片间隙内的分离效率都比较高。

碟式离心机的分离效率随着碟片间距呈现先增高后缓慢降低的趋势。当间距h=0.2mm时，各层碟片间隙内的分离效率都比较低，所以其总的分离效率也很低，所以过小的碟片间隙不利于重分散相的分离，当间距小到一定程度时碟式离心机分离效率会显著降低。在模拟结果的对比下，当碟片间隙h=0.5mm时，碟式离心机的分离效率较大，达到了99.4%。

3 结论

（1）碟式离心机内各层碟片间隙的进料流量、进料浓度和分离效率是不一样的，特别当碟片间距过大或过小时。

（2）碟片间隙过大，相对的其各层碟片间隙的进出流量较为不均匀，不利于碟片间隙内流场的稳定性，同时碟片间隙的增大，增加了需要颗粒完成沉降的距离，不利于颗粒的分离，从而分离效率会略微下降。

（3）碟片间距非越小越好。当碟片间距过小时，虽然减小了需要颗粒完成沉降的距离，但是靠上层的碟片间隙内会出现重相液被液流从碟片小端出口带出，导致碟片小端出口重相体积分数变大，存在短板效应，使分离效率变低。

（4）存在合适的碟片间距，此时，各层碟片间隙进出流量以及浓度分配会更均匀，重相颗粒的离心沉降运动既有较小的沉降距离，且不易被液流从碟片小端出口带走，从而碟式离心机的分离效率好。