流体机械

参数	数值
塔径D_c/mm	55
有效高度H_c/mm	1000
筛板数量N/个	18
筛板厚度e/mm	1.5
筛板直径d_p/mm	33
筛板孔径d_h/mm	2
筛板孔间距(三角形布置)P/mm	4
筛板间距h_c/mm	45
筛板自由面积S/%	27.2
进出口接管直径D/mm	10

参数	数值
塔径D_c/mm	55
有效高度H_c/mm	1000
筛板数量N/个	18
筛板厚度e/mm	1.5
筛板直径d_p/mm	33
筛板孔径d_h/mm	2
筛板孔间距(三角形布置)P/mm	4
筛板间距h_c/mm	45
筛板自由面积S/%	27.2
进出口接管直径D/mm	10

最大网格尺寸/mm	磁感应强度/T	计算时间/s
2	1.48454	774.5
4	1.48492	643.5
6	1.48492	610.4
8	1.48493	613.7
10	1.48494	589.1

最大网格尺寸/mm	磁感应强度/T	计算时间/s
2	1.48454	774.5
4	1.48492	643.5
6	1.48492	610.4
8	1.48493	613.7
10	1.48494	589.1

试验体系	密度/（kg⋅m^-3）	黏度/（mPa⋅s）	界面张力/（mN⋅m）
水-煤油	998.20	1.06	22
810.25	2.1

试验体系	密度/（kg⋅m^-3）	黏度/（mPa⋅s）	界面张力/（mN⋅m）
水-煤油	998.20	1.06	22
810.25	2.1

基于电控永磁技术的节能型振动筛板塔研究

张红升 ¹ , 张德强 ¹ , 郭凯 ¹ , 孟林园 ¹ , 张怡然 ¹ , 钱洪波 ²

流体机械 | 设计计算 2025,53(4): 30-37

收起

流体机械 |设计计算 2025 , 53 (4) : 30 -37

基于电控永磁技术的节能型振动筛板塔研究

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张红升¹, 张德强¹, 郭凯¹, 孟林园¹, 张怡然¹, 钱洪波²

作者信息

¹燕山大学河北省水体重金属深度修复与资源利用重点实验室，河北秦皇岛 066004

²中国石油辽阳石化公司，辽宁辽阳 111003

通讯作者:

郭凯（1989），男，副教授，主要从事过程装备安全与流致振动研究工作，通信地址：066004河北省秦皇岛市河北河北省秦皇岛市河北大街西段438号燕山大学环境与化学工程学院，E-mail：zhs@ysu.edu.com。

作者简介:

张红升（1982），男，副教授，高级工程师，主要从事承压设备研发及相关制造技术的研究工作，通信地址：066004

Research on energy saving reciprocating plate column based on electro‑permanent magnet technology

Hongsheng ZHANG¹, Deqiang ZHANG¹, Kai GUO¹, Linyuan MENG¹, Yiran ZHANG¹, Hongbo QIAN²

Affiliations

¹Hebei Key Laboratory of Heavy Metal Deep‑Remediation in Water and Resource Reuse，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China

²Petrochina Liaoyang Petrochemical Company，Liaoyang 111003，China

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.005

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摘要

收起

为了提升振动筛板塔的流体力学特性和降低能耗，提出了一种基于电控永磁技术的节能型振动筛板塔。通过磁场有限元模拟得到电控永磁装置平均磁感应强度为1.48 T，满足其作为驱动机构的可行性。随后在内径为55 mm的振动筛板塔中，使用水-煤油体系进行试验研究。结果表明，分散相持液率随振动频率的增加先减小后增大，最高可达16.7%；平均液滴直径则随振动频率的增加而减小，最小值为2.75 mm；由于电控永磁装置的引入，振动筛板塔可以在高于1 次/min的振动频率时进入分散区状态；在低频振动下，振动筛板塔最大传质比表面积为314.5 m^-1；电控永磁装置能耗仅为450.8 J/min，节能效果明显。研究为基于电控永磁技术的振动筛板塔在混合、分离等过程中的推广及应用提供理论依据。

关键词

振动筛板塔 / 电控永磁技术 / 流体力学特性 / 能量分析

Abstract

收起

In order to improve the hydrodynamic characteristics and reduce energy consumption of reciprocating plate column，an energy saving reciprocating plate column based on electro‑permanent magnet technology was proposed. Through the finite element simulation of magnetic field，the average magnetic induction intensity of the electro‑permanent magnet device was 1.48 T，which satisfies its feasibility as a driving mechanism. Subsequently，the water-kerosene system was used in a reciprocating plate column with an inner diameter of 55 mm. The results show that with the increase of vibration frequency，the ratio of dispersed holdup decreases first and then increases，up to 16.7%；The sauter mean diameter decreases with the increase of vibration frequency，and the minimum is 2.75 mm；Due to the introduction of the electro‑permanent magnet device，the reciprocating plate column can enter the dispersion zone when the vibration frequency is higher than 1 time/min；Under low frequency vibration，the reciprocating plate column exhibits a mass transfer surface area of up to 314.5 m^-1；The electro‑permanent magnet device consumes only 450.8 J/min，indicating a significant energy‑saving effect.The research provides a theoretical basis for the promotion and application of reciprocating plate column based on electro‑permanent magnet technology in processes such as mixing and separation.

Key words

reciprocating plate column（RPC） / electro‑permanent magnet（EPM） / hydrodynamic characteristics / energy analysis

引用本文

张红升, 张德强, 郭凯, 孟林园, 张怡然, 钱洪波. 基于电控永磁技术的节能型振动筛板塔研究. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 30 -37 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.005

Hongsheng ZHANG, Deqiang ZHANG, Kai GUO, Linyuan MENG, Yiran ZHANG, Hongbo QIAN. Research on energy saving reciprocating plate column based on electro‑permanent magnet technology[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 30 -37 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.005

正文

收起

0　引言

收起

振动筛板塔（reciprocating plate column，RPC）是一种应用于石油、化工、冶金、核电等行业进行原料分离的核心设备，其性能直接影响到整个工艺过程的效率^［1-6］。RPC主要依靠筛板的往复运动将带有溶质的分散相液滴均匀地分布在连续相中，使分散相与连续相的接触面积增加以达到提高传质效率的目的。

目前，已对多种基于RPC的工艺流程进行了深入的研究。黄美英等^［2］设计研制了RPC并成功开发了新的湿法磷酸净化工艺。王学军等^［4］将RPC应用到天然铀提取与纯化工艺中，并取得了很好的效果。将变频调速技术应用于RPC设计中，使工艺过程及操作更简单，系统运行更稳定。吗啡是一种有效的阿片类止痛生物碱，通常从罂粟中提取，传统上使用甲醇和乙醇等醇基溶剂提取吗啡。WU等^［7］使用RPC避免了乳化液的形成，并使用高效有机溶剂进行吗啡提取，得到了天然生物碱提取的新方法。MILADINOVIĆ等^［8］研究了在RPC中对废弃猪油进行甲醇酯化反应生产生物柴油的优化过程，研究表明，RPC适用于KOH催化的废弃猪油甲醇酯化反应。

自RPC概念被提出以来^［9］，主要研究集中于通过结构优化提升其流体动力学性能，如采用带溢流口的筛板形式，使分散相和连续相分别流过不同的通道，可以有效地减少返混现象。为了达到更好的混合效果，GOMAA等^［10］采用2个振动轴实现了相邻筛网的反向振动，并在气液接触系统的试验中证明了其有效性。范正^［11］开发了一种额外的旋转振动筛塔板柱，可以有效减少轴向混合。CHEN等^［12］设计了以筛网为筛板的RPC，在分散相持液率、相间传质、处理能力和能耗方面都优于普通RPC。进一步的，王冰^［13］通过改造塔内降液管结构，并添加与降液管有相同结构的导流挡板，塔内连续相流动得到明显改善、传质过程明显增强。王涛等^［14］设计了一种应用于脉冲塔的锥形穿流塔板，基于动力学规律的研究，得到了存留分数和特性速度之间的经验关联式。

脉冲筛板塔（pulsed extraction sieve column，PESC）作为另外一种具有额外能量输入的分离设备，其工作特性与RPC具有一定的相似之处。SARKAR等^［15］分别针对脉冲圆盘和圆环塔（PDDC）在不同操作条件和结构尺寸下的持液量进行了研究，修正了经验关联式。NIRVIK等^［16］通过试验研究了几何参数和操作参数对空气脉冲塔中液‑液两相流中连续相轴向分散的影响，针对带有筛网结构的空气脉冲柱，提出了一种新的连续相轴向扩散相关性的关联式。近年来，计算流体力学（CFD）模拟已广泛应用于各种设备内流体流动特性的研究^［17］。FELLS等^［18］将广义多流体建模理念用于PESC中的液-液萃取模拟，开发了一种传质建模方法，将计算流体动力学预测的多相流、液滴尺寸分布和分散相含率与传质相关性结合，能够精确预测整体传质。SARKAR等^［19］在随后研究中对PDDC进行了CFD模拟，采用欧拉‑欧拉方法对分散相的动量方程进行修正，研究了液滴间碰撞对分散相持液率的影响。目前，针对RPC的研究主要集中于工艺方法的优化，而从设备整体形式方面的优化，来改善其流体动力学性能的研究尚不充分。

文中提出一种基于电控永磁技术的新型RPC，在现有理论的基础上采用数值模拟和试验的方式对其进行可行性验证，并针对设备的流体力学性能进行试验研究，探讨振动频率和两相流速对分散相持液率的影响，进行设备的能耗分析，论证其在节能方面的巨大优势。

1　新型RPC系统设计

收起

传统RPC依靠电机驱动筛板做往复运动，其运动部件较多，导致设备故障的概率明显增加；驱动电机实时的功率输出必然导致系统的能耗增加，且这种能耗会随着试验装置尺寸的增加而增加。以上两点均降低了振动筛板塔实际应用的可靠性和经济性。因此，本文提出一种新型RPC系统，如图1所示，由三部分组成：塔设备、EPM装置和控制系统。

EPM装置通过磁吸力直接驱动振动轴做往复运动，减少了运动部件。塔主体由透明有机玻璃制成，高1.5 m，直径55 mm。萃取段的有效高度为1 m，塔中心有一个直径为15 mm的振动轴。不锈钢筛板通过定距管固定在振动轴上。系统下方的2个电磁泵分别将水和煤油从储槽输送到塔中。RPC结构参数见表1。

2　EPM装置

收起

RPC系统由EPM装置和位于振动轴顶部的被吸圆盘驱动。磁极单元是EPM装置的核心，结构如图2所示，下部是由AlNiCo材料制成的可逆磁体，外部包裹着一定数量的铜线圈，可逆磁体上方是工业级纯铁，周围由NdFeB材料制成的主磁体包裹。磁极单元整体放在钢壳中，并在缝隙中填充环氧树脂做为隔磁层。强磁材料NdFeB具有高剩磁的特性，一旦磁化，它可以保持极强的磁性，确保停电后的磁性需求。

2.1　磁路设计

图3（a）示出剩磁和矫顽力都很高的硬磁材料的磁滞回线，图3（b）示出具有高剩磁和极低矫顽力的软磁材料的磁滞回线，图中B，H分别表示磁感应强度和磁场强度。环路面积为磁体的磁化和反向磁化所需的能量密度。因此，具有较大面积的硬磁材料适合用作永磁体，它可以提供稳定的自发磁场。由软磁材料制成的可逆磁体除了磁化后具有强大的磁场之外，还易于切换磁极方向，这种特性是设计EPM驱动装磁极单元充、退磁状态如图4所示。图4（a）示出处于充磁状态的磁路，基于软磁材料的特性，线圈绕组通电后产生的磁场可以很容易地改变其磁性。在极短脉冲电流通过线圈之后，AlNiCo顶部的极性被切换到与最近的NdFeB的极性相同（N-N，S-S）。由于磁感线的方向是从N极到S极，因此，通过这种配置可以获得加强的磁性，绝大部分磁感线必须穿过被吸件，这意味着EPM装置与被吸件之间具有极大的磁吸力。

图4（b）示出处于断开状态的磁路。AlNiCo的极性通过施加反向脉冲电流而反转，且与NdFeB的极性相反（N-S，S-N）。在这种情况下，几乎所有的磁感线在EPM装置内部形成闭环，外部磁场非常小，EPM装置和被吸件之间的磁力接近于0。

2.2　磁场有限元分析

为了验证所设计EPM装置的可行性，对其进行静磁场有限元分析。根据麦克斯韦电磁场理论：

∇ · D ⃗ = ρ 0

（1）

∇ × E ⃗ = - ∂ B ⃗ ∂ t

（2）

∇ · B ⃗ = 0

（3）

∇ × H ⃗ = J ⃗ s + J ⃗ 0 + J ⃗ v + ∂ D ⃗ ∂ t

（4）

式中，∇∙为散度算子；

D ⃗

为电通量密度矢量，V/m；

ρ 0

为电荷密度，C/m；∇×为旋度算子；

E ⃗

为电场强度矢量，N/C；

B ⃗

为磁感应强度矢量，T；t为时间，s；

H ⃗

为磁场强度矢量，A/m；

J ⃗ s

为施加的源电流密度矢量，A/m²；

J ⃗ 0

为感应涡电流密度矢量，A/m2；

J ⃗ v

为初速电流密度矢量，A/m²。

静磁场分析时不用考虑时间变化，也没有传导电流的影响，磁场旋度为0，因此，可以得到标量磁势的拉普拉斯方程：

∇²ϕ_m=0（5）

式中，ϕ_m为标量磁势。

为了验证磁极单元在充磁和退磁状态下的磁场分布和磁力大小，使用标量磁势算法进行三维静磁场分析，以求解公式（5）所示的拉普拉斯方程。

在进行静磁场分析之前，需对模型进行网格无关性测试。分别采用2，4，6，8，10 mm的网格进行网格无关性测试。如表2所示，网格尺寸的变化对平均磁感应强度的影响非常小，因此网格尺寸对磁吸力的影响可忽略不计。此外，表2还包含网格尺寸对计算时间的影响：当网格为2 mm时计算时间最长，而当网格尺寸大于2 mm后，计算时间相差不大。综合来看，网格尺寸对磁场模拟的结果影响有限，本文采用的网格尺寸为6 mm。

图5（a）示出了充磁状态下的磁感应强度矢量的有限元分析结果，可以看出，大量高强度的磁感线从一侧磁极发出，通过被吸件进入另一侧磁极，被吸件中的磁通密度非常高，能够保证EPM装置与被吸件之间有很强的磁吸力。图5（b）示出了退磁状态下的磁感应强度矢量，与图5（a）不同的是，这种状态下通过被吸件的磁通密度将变得极小，大部分磁感线在磁极单元内部实现闭环，因此，对外几乎不显磁力。

图6示出了EPM装置表面的磁感强度云图，平均值约为1.48 T，总磁吸引力约为8041 N（单位面积约146.2 N/cm²）。退磁后被吸件底面的平均磁感应强度约为0.02 T，表明被吸件与磁极单元之间几乎没有磁吸引力。因此，将EPM装置固定在塔体正上方一定距离处，被吸件通过螺纹与振动轴相连，当上述两种状态交替时，完全可以满足筛板往复运动的要求。

3　EPM-RPC性能试验研究

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3.1　试验原理及试验流程

试验采用无传质的水-煤油两相流系统，在不同的操作条件下测量EPM-RPC的分散相持液率和液滴直径。水作为连续相从塔顶进入，煤油作为分散相从塔的底部进入。两相流速通过安装在水和煤油入口管道上的转子流量计进行调节。连续相流速范围为7.08~28.30 mm/s，分散相流速为10.30~44.28 mm/s，试验操作条件远离塔的液泛点。试验测量原理如图7所示。连续相和分散相的物性参数如表3所示。

分散相持液率表示为塔中分散相的体积与塔的有效体积的比：

φ d = V d / V e

（6）

试验中，采用排水法对持液率进行测量。当两相流稳定后，标记此时的界面位置，然后关闭连续相和分散相的进出口。当塔中所有分散相液滴都上升到界面位置以上时，打开分散相出口阀，使塔中液位返回到标记位置。此时，从分散相出口排出的分散相体积与塔的有效体积之比，即为在该操作条件下的分散相持液率。

传质过程发生在液滴表面，因此，液滴的大小和分布是影响传质效果的重要因素。采用高分辨率相机拍摄塔中分散相的液滴，然后使用图像分析软件Nano Measurer 1.2对这些图像进行进一步分析。使用平均直径d₃₂表征液滴尺寸，计算公式如下：

d 32 = ∑ i = 1 n n i d i 3 ∑ i = 1 n n i d i 2

（7）

式中，n_i为液滴数量；d_i为单个液滴直径，mm。

传质比表面积由持液率和液滴直径共同决定，传质比表面积可以估计设备中的传质情况，计算公式为：

a=6φ_d/d₃₂（8）

3.2　试验结果及分析

基于上述理论和方法，研究了EPM-RPC在不同操作条件下的分散相持液量。振幅A=5 mm时，筛板的振动频率对持液率的影响如图8所示。可以看出，持液率随频率的增加表现出先减小后增加的规律，这主要是因为：当频率为0时，较大的分散相液滴不能迅速破碎，液滴较多的聚集在筛板下方，故持液率较高；当频率增加后，大液滴被分解形成小液滴，然后迅速穿过筛板，导致持液率有所下降；随着频率的继续增加，液滴尺寸进一步减小，液滴向上移动速度降低，小液滴均匀地分布在连续相中，使得分散相持率再次增加。

图8中虚线位置的振动频率为1 次/min，此时塔内处于混合澄清区，持液率最低。超过此临界状态后，塔内进入到分散区状态，具有较大的传质比表面积，有利于传质。

图9示出分散相流速对持液率的影响，可以看出，随着分散相流速的增加，持液率持续增加，这是由于单位时间进入塔内的分散相体积增加所致。图10示出连续相流速对持液率的影响，不同于分散相，连续相流速对持液率的影响几乎可以忽略不计。图11示出振动频率对液滴直径的影响。液滴直径随频率的增加而减小。随着振动频率的增加，单位时间内输入到塔内的能量也会增加，使得液滴直径迅速减小，而当频率大于2 次/min时，液滴直径的减小速度变缓。这表明，当液滴直径减小到一定程度时，其瞬时表面能将显著大于初始表面能，即使在外部有较高能量输入的情况下，液滴也不易破碎。

与持液率不同，两相流速对液滴直径的影响很小，在流速范围内液滴直径的变化幅度不超过1 mm，如图12所示。振动筛板塔中造成液滴破碎的原因是外部能量输入引起的筛网的往复运动，因此，外部能量对筛板塔的流体动力学参数影响显著。

由图13可知，随着分散相流速的增加，传质比表面积在不断增加。从振动频率的情况也可看出，振动频率越大，传质比表面积越大，这主要是因为流速增加导致单位时间内进入塔内的分散相体积增加，而振动频率增大导致了更多小液滴的出现，二者的综合作用使得传质比表面积明显增加。

通过试验可知，相较于传统RPC，所设计的EPM-RPC，在较低的振动频率下，即可实现工作状态的转换，得到较高的持液率和较小的液滴直径，进而获得较大的传质比表面积，证明设备在低频条件下操作的可行性。

3.3　节能效率分析

EPM-RPC通过较低的振动频率即可表现出较好的性能，在能耗方面显示出巨大优势。改变了传统RPC在低频操作下效果不显著的状况^［20］。在一个振动周期内，EPM装置只在充、退磁的瞬间接入低强度脉冲直流电流，其他时间不需要提供任何的外部能量，因此，具有极低的能耗，具体的能耗Q可用下式计算：

Q=（I_m²+I_dm²）Rt（9）

式中，Q为能耗，J；I_m，I_dm分别为充磁和退磁的电流强度，A；R为线圈电阻，Ω，R=13 Ω；t为完成一次充磁和退磁操作周期，s，t=0.02 s。

用试验条件下的往复频率进行分析，EPM装置的充磁电流I_m为15 A，退磁电流I_dm为8 A。图14示出EPM装置在4种振动频率下的能耗。EPM装置以6 次/min的频率振动时，能耗仅为450.8 J，试验中还观察到，EPM装置可在I_m低于15 A的情况下完成充磁，所以，实际能耗应低于计算值。即使增加振动频率，EPM装置的能耗仍然可以保持在较低的水平，但更高的往复频率显然不再适用于EPM-RPC。因此，EPM-RPC在能耗方面具有绝对优势。

4　结论

收起

（1）提出了采用电控永磁技术驱动的新型振筛板塔，操作过程中不需持续供电来维持筛板的上下移动，具有效率高、节能效果好、安全可靠的优点，装置能耗仅为450.8 J/min。在改进现有工艺设备方面有很好的应用前景。

（2）EPM装置磁吸引力可达到146.2 N/cm²，能够满足工艺要求。

（3）分散相持液率随振动频率的增加先减小再增大，随分散相流速的增加而增加，连续相流速对持液率几乎没有影响。设备可以在1 次/min的振动频率下完成由混合澄清区转换到分散区，说明EPM装置对塔内流体作用明显。平均液滴直径随着振动频率的增加而减小，两相流速对液滴直径影响不大。

（4）设备的传质比表面积随分散相流速以及振动频率的增加而增加，传质比表面积最高可达314.5 m^-1，高的传质比表面积有利于两相流体接触，提高传质效率。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第4期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.005

接收时间：2024-09-16
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-09-16
修回日期：2025-01-20

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¹燕山大学河北省水体重金属深度修复与资源利用重点实验室，河北秦皇岛 066004

²中国石油辽阳石化公司，辽宁辽阳 111003

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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