A computational fluid dynamics (CFD)-discrete element modeling (DEM) investigation of centrifugal separation processes of particle-laden flows

Abstract

İnek sütündeki Somatik hücre sayısı (Somatic Cell Count-SCC) aşırı yüksek değerleri ürün kalitesine ve üretim kapasitesine önemli zararlar veren 'Mastitis' hastalığının açık belirtisi haline gelmesi sebebiyle, süt tesisinde sürü sağlığının önemli değişkenlerinden biridir. Dolayısıyla, SCC indeksinin, süt işleme tesisine kabulü sırasında yasalarla belirlenmiş sınırların altına indirilmesi gerekir. Bu çalışmada, süt temizleme işlemi, somatik hücrelerin ayrık partiküller, sütün ise partikül içeren, iki fazlı saf ve sürekli bir akışkan olarak modellenmesi yoluyla araştırılmıştır. Disk tipi bir santrifüj içerisinde partiküllerin çökelme davranışları yanısıra sürekli akışkan karakteristiği, Euler-Lagrange bileşimi kullanan Ayrık Eleman Modelleme (AEM) ile bağlaşık Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yardımıyla incelenmiştir. Somatik hücreler için kabul edilen 6-20μm aralığında, 16.5μm ortalama partikül çapı için doğrulama noktasında %87.83'lük ölçüm verisine karşılık %91.05'luk ayrıştırma kabiliyeti hesaplanmıştır. Farklı besleme ve devir hızlarında, ayrıca farklı disk sayılarında gerçekleştirilen benzetimler, artan merkezkaç kuvvetler ve azalan besleme hızlarının partikül ayrışım oranlarını en üst düzeye çıkardığını göstermektedir. Ancak işlemin elverişliliği açısından bu üç değişkenin eniyilenmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır.

Somatic cell count (SCC) in bovine milk is an important parameter of cattle health in a dairy farm, the exceeding numbers of which heavily indicate an infection in milk called 'Mastitis', reducing the overall quality of product and crippling the yield. Therefore, the SCC index of milk must be reduced below legal limits when admitted to a dairy compound. In this study, the clarification process of milk is investigated by modeling the somatic cells in milk as discrete particles, meanwhile the milk is assumed to be a continuous, pure substance; constituting a two-phase, particle-laden medium. The sedimentation behavior of particles along with flow characteristics of the continuous medium in a disk-stack centrifuge is investigated in terms of Computational Fluid Dynamics (CFD) coupled with Discrete Element Modeling (DEM) where a Euler-Lagrange scheme is employed. A 6-20μm range for somatic cells is assumed, yielding an 87.89% separation efficiency against an 87.83% validation point; that is for 16.5μm of average diameter of particles. Simulations performed on different throughput rates, rotational speeds of solid-bowl and number of disks employed imply that increasing centrifugal forces, applied with minimum throughput rates maximize the particle sedimentation, reducing the SCC index. However, an optimization between the three parameters are required to maintain operation feasibility.