蝶式分离机设计理论和参数优化

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.9MB 68 页 15积分
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摘 要
在普通分离机内，物料的分离过程常常会有湍流产生，从而影响分离效率。
而碟式分离机利用高转速和转鼓内安装的锥形碟片束，当碟片间隙很小时，液体
在这样小的碟片间隙内高速流动，比较易于实现稳定层流，从而能保证较好的分
离效果。碟式分离机的分离效果受碟片尺寸间隙的影响很大，目前国内对碟式分
离机的分离原理研究较少，因此对碟式分离机的物料分离过程进行研究，在保证
分离效果的前提下，进行碟片设计尺寸的优化，对提高碟式分离机的技术水平有
一定的意义。
本文通过对离心分离原理的研究，获取最大生产能力 Q使其能保证在液体流
出碟片间隙时，所含的临界直径为
c
d
的固体颗粒及时沉降到上碟片下表面上。并
将生产能力、分散相含量作为目标函数，结合碟片的尺寸、数量及间隙等作为约
束条件，编制 Matlab 程序。接着讨论了优化后碟片的三维显示，通过解决了软件
协同工作问题并编写自动建模程序后，得到了随参数变化而自动建模的三维显示
程序。随后在 Visual Basic 中编写主体程序和人机界面，利用 COM 技术调用 Matlab
程序进行计算，并最终将其作为插件在 SolidWorks 中显示，实现混合编程。
通过与实际已投入生产的碟式分离机参数进行比较，间接验证优化设计系统
的可靠性和可行性。通过分离效果的算法推导和碟片参数设计的程序编制，将优
化后的参数代入程序中计算并绘制出碟片三维形状。一方面便于设计者直观了解
碟片构造，方便出图纸；另一方面也为碟片研究的后续工作打下了基础，如强度
分析、流体力学分析等。并根据本文的研究成果提出了三种可行性的应用方案以
供进一步的研究。
关键词：碟式分离机 设计理论 优化 参数化设计
碟式分离机设计理论和参数优化
ABSTRACT
In the field of general centrifuge, liquid separation process often produces
turbulence, which affects the efficiency of separation. When the space of dish is small,
disc centrifuge uses high speed and a conical dish in the beam to make liquid flow
highly and achieve steady laminar flow easily, which can guarantee a better liquid
separation. The space of dish has a great effect on the separation of disc centrifuge;
however, the principles of separation are less in our country, thus we research the
material’s separation of disc centrifuge. Under the condition of good separation, we
optimize the size of dish, which enhance the separation of the disc centrifuge
technologies.
Through the principle of the centrifuge research, we get the largest production
capacity. When the liquid is out of disc space, the critical diameter of solid particles on
the disc will timely settle under the surface. We make the production capacity, the
scattered contents as the objective function and make size of disc, quantity and space as
constraint function, and compile Matlab procedures. Then the 3D visualization of
calculation results is discussed, followed with programming of the main program, in
which the cooperation of Matlab and SolidWorks is solved. In Visual Basic, we compile
the main program and human-computer interface, using COM call the Matlab
procedures. At last, we make it as a plug-in to be displayed in SolidWorks and realize
the hybrid-programming.
We compared the theoretical and practical to confirm that the feasibility of the
optimization method. The system of algorithm and programming will be completed, and
then optimized parameters will be calculated to draw the three-dimensional shape of
dishes. On the one hand, designers can understand dish structure to facilitate the
drawings easily; on the other hand, it will help the follow-up work, such as the strength
analysis, fluid dynamics analysis.At last the summarization of this thesis' achievement is
made and three kind of feasible application plans are supplied for the further research.
Key Word ：Disc centrifuge, Design theory, Optimization, Parameter
design
目 录
中文摘要
Abstract
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 前言 ....................................................... 1
§1.2 碟式分离机的发展及其应用 ................................... 1
§1.2.1 分离机研究的时代背景 ....................................1
§1.2.2 离心分离机的发展现状及分类 .............................. 1
§1.2.3 碟式分离机简介 .......................................... 2
§1.2.4 我国分离机行业的现况 .................................... 3
§1.3 国内外在碟式分离机领域的先进技术及研究现状 ................. 3
§1.4 本文研究的意义和主要内容 ................................... 4
§1.4.1 课题研究意义 ............................................4
§1.4.2 课题研究的主要内容 ......................................5
第二章 碟式分离机分离原理及相关生产参数 .............................. 7
§2.1 概述 ....................................................... 7
§2.2 碟式分离机的基本结构和分离原理 .............................. 7
§2.2.1 碟式分离机的基本结构 .................................... 7
§2.2.2 碟式分离机中分离过程 .................................... 9
§2.3 碟式分离机的生产能力 ....................................... 11
§2.3.1 重力分离的生产能力 ..................................... 11
§2.3.2 离心分离的生产能力 ..................................... 14
§2.4 离心分离生产能力 Q 的相关参数选择 ........................... 16
§2.4.1 碟片母线锥角
.........................................16
§2.4.2 碟片数 Z ................................................16
§2.4.3 碟片间隙
h
............................................. 17
§2.4.4 碟片的内、外径 .........................................19
§2.4.5 临界固体颗粒的沉降速度 .................................19
§2.5 分离因数
r
F
................................................ 20
§2.6 结论 ...................................................... 22
第三章 碟式分离机的参数优化设计 ..................................... 23
§3.1 概述 ...................................................... 23
§3.2 离心分离的数学建模 ........................................ 23
碟式分离机设计理论和参数优化
§3.2.1 离心分离最佳化目的 .....................................23
§3.2.2 离心分离的数学模型的建立 ...............................23
§3.2.3 离心分离数学模型的应用 .................................25
§3.3 运用 Matlab 工具箱进行优化 ................................. 26
§3.3.1 优化函数的选择 ......................................... 26
§3.3.2 fgoalattain 函数的简要介绍 ............................. 26
§3.3.3 建立优化模型 ...........................................27
§3.3.4 编写 M 函数文件 .........................................28
§3.4 计算实例 .................................................. 30
§3.4.1 计算数据 ...............................................31
§3.4.2 优化结果与实际参数对比 .................................31
§3.5 结论 ...................................................... 33
第四章 转鼓碟片三维建模及宏编制 ..................................... 35
§4.1 概述 ...................................................... 35
§4.2 碟片主要尺寸的确定 ........................................ 35
§4.3 VBA 开发简介 ............................................... 36
§4.4 绘图程序编制 .............................................. 37
§4.4.1 绘图过程 ...............................................37
§4.4.2 录制宏 .................................................38
§4.4.3 变量描述与程序连接关系 ................................. 38
§4.4.4 修改 VBA 代码 ...........................................39
§4.4 结论 ...................................................... 40
第五章 碟式分离机碟片参数化设计 ..................................... 41
§5.1 概述 ...................................................... 41
§5.2 运用 VB 语言整合子程序 ..................................... 41
§5.2.1 程序整体结构图 .........................................41
§5.2.2 生成含 Matlab 程序的 COM 组件 ............................41
§5.2.3 在 VB 程序中访问 COM 组件 ................................ 42
§5.2.4 COM 组件在 VB 中的引用 .................................. 44
§5.2.5 创建用于生成 SolidWorks 插件的 VB 工程 ...................45
§5.3 程序功能的实现 ............................................ 47
§5.3.1 调试方法与程序加载 ..................................... 47
§5.3.2 程序功能的框图 .........................................47
§5.4 程序界面与流程 ............................................. 49
§5.4.1 程序界面 ...............................................49
§5.4.2 碟片间隙的程序编写 .....................................49
§5.5 运行程序 .................................................. 50
§5.6 结论 ...................................................... 52
第六章 总结与展望 ................................................... 55
§6.1 主要研究进展及成果 ........................................ 55
§6.2 关于今后研究工作的设想与展望 .............................. 55
附录一 .............................................................. 57
附录二 .............................................................. 61
参考文献 ............................................................ 65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 67
致 谢 .............................................................. 69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 前言
碟式分离机通过转鼓高速旋转产生巨大的离心力，对具有不同密度且互不相
容的轻、重液相和固相实行分离。它主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及
固体颗粒分级等工艺过程。碟式分离机与其他分离机械相比，不仅能得到含湿量
低的固相和高纯度的液相，而且生产能力大、分离效率高、分离效果好，具有连
续运转、自动控制、操作安全可靠、劳动强度和占地面积小等优点。
目前碟式分离机广泛应用于化工、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、
船舶、军工等各个领域，并向高分离效率、系列化、自动化方向发展。
§1.2 碟式分离机的发展及其应用
§1.2.1 分离机研究的时代背景
随着全球能源短缺、资源贫乏、水资源及环保问题的日益突出，有效利用资
源、重视资源以及环境保护成为了当务之急；同时随着科学技术水平的不断提高，
生物化工新材料、精细化工、制药、食品等行业的迅速崛起，要求过滤与分离设
备向高纯度、高分离精度发展，都为当今过滤与分离技术的发展提供了极大的机
遇。
§1.2.2 离心分离机的发展现状及分类
离心分离机的分类方法很多，按分离原理可分为过滤式分离机和沉降式分离
机；按结构型式可分为卧螺式分离机、碟式分离机、三足式分离机等等；而碟式
分离机又有喷嘴排渣、活塞排渣和人工排渣之分。
离心分离机的生产制造有近百年的历史，主要的生产制造厂有法国 ALFA－
LAVAL 公司，西德 WESTFALIA 公司，美国 SHARPLES 公司，BIRD 公司及日本
的石川岛播磨株式会社，巴工业株式会社，三菱重工株式会社等十几家大公司。
这些公司都有完整的系列产品，同时又着力发展专用机型，产品规格系列化使得
这些大公司的产品广泛应用于化工、食品、医药等领域，在市场上有很强的竞争
力。
我国在建国后开始发展离心分离机械制造业，科研上由机械部合肥通用机械
研究所牵头，以北京化工学院、成都科大和天津大学为主，负责信息交流、课题
研究及技术方案的论证工作。并逐步涌现出了一批离心分离机械制造企业，如四
川江北机械厂、南京绿洲机械厂、无锡分离机械厂及上海航发等。
碟式分离机设计理论和参数优化
2
§1.2.3 碟式分离机简介
碟式分离机按工艺操作原理，有离心澄清型和离心分离型两大类。离心澄清
型用于固体颗粒粒度为 0.5～500 微米悬浮液的固液分离；离心澄清型主要用于农
业、食品加工中以玉米、木薯、小麦、土豆等为原料的淀粉生产。对粗制淀粉乳
和蛋白进行分离、浓缩和洗涤实现固－液两相分离。
离心分离型用于两种不相溶液体所组成的乳浊液的分离，即液－液分离，乳
浊液中也常含少量固相，形成液－液－固，三相分离。离心分离型主要用于船上
或陆上清除润滑油、冷冻机油、液压油和机油中的水分和机械杂质，以减少机器
的磨损和延长润滑油使用时间。下图为碟式分离机的外观图
图1-1 碟式分离机
碟式分离机由机座、电动机、水平轴、立轴、转鼓等部分组成，而分离关键
部件转鼓则由碟片组转鼓体、锁环、颈盖、转鼓盖等部分组成。
摘要：

摘要在普通分离机内，物料的分离过程常常会有湍流产生，从而影响分离效率。而碟式分离机利用高转速和转鼓内安装的锥形碟片束，当碟片间隙很小时，液体在这样小的碟片间隙内高速流动，比较易于实现稳定层流，从而能保证较好的分离效果。碟式分离机的分离效果受碟片尺寸间隙的影响很大，目前国内对碟式分离机的分离原理研究较少，因此对碟式分离机的物料分离过程进行研究，在保证分离效果的前提下，进行碟片设计尺寸的优化，对提高碟式分离机的技术水平有一定的意义。本文通过对离心分离原理的研究，获取最大生产能力Q使其能保证在液体流出碟片间隙时，所含的临界直径为cd的固体颗粒及时沉降到上碟片下表面上。并将生产能力、分散相含量作为目标...

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