操作參數(shù)對(duì)固-液-液三相水力旋流器分離效率的影響

郭廣東,鄧松圣,張福倫

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院,重慶 401031)

操作參數(shù)對(duì)固-液-液三相水力旋流器分離效率的影響

郭廣東,鄧松圣,張福倫

(中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院,重慶 401031)

固-液-液三相水力旋流器是水環(huán)境污染治理的主要設(shè)備之一。分離效率是衡量水力旋流器性能的最重要參數(shù)。對(duì)分離效率與進(jìn)料流量、進(jìn)料濃度等操作參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并通過受力分析從理論上對(duì)細(xì)顆粒易受參數(shù)影響的原因進(jìn)行了闡述。

三相水力旋流器;分離效率;進(jìn)料濃度;進(jìn)口流量

Abstract:Solid-liquid-liquid three-phase hydrocyclone isone of themajor important equipments for treatment of polluted water.The separation efficiency is the most important technical indication for evaluating whether the separating process is perfect or not.In this study,the relationships bet ween separation efficiency and inlet flowrate,feed concentration were investigated.The reason why particlesof s maller-diameterwere more sensitiveto the changes of parameters is explained through a force balance analysis.

Key words:three-phase hydrocyclone;separation efficiency;feed concentration;inlet flowrate

固-液-液三相水力旋流器是一種分離固體和兩種互不相容液體的設(shè)備,在離心力的作用下根據(jù) 3相之間的密度差來實(shí)現(xiàn) 3相分離,可以廣泛應(yīng)用于油田含油污水、冶金及機(jī)械加工制造業(yè)含油廢水、國(guó)防污水等的處理[1-4]。

在實(shí)際應(yīng)用中,水力旋流器有 2個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)[5],即分離效率和壓力損失。提高分離效率和降低壓力損失也就成為水力旋流器研究的重點(diǎn)。本文將利用試驗(yàn)的方法著重研究進(jìn)口流量和進(jìn)口濃度對(duì)其分離效率的影響。

1 試驗(yàn)裝置

3相分離試驗(yàn)裝置流程如圖1所示,試驗(yàn)時(shí)將預(yù)先配好的石英砂加入料斗中,通過引射的方式將一定比例的油和水充分混合后再攜帶石英砂進(jìn)入三相水力旋流器,分離出去的砂通過集砂罐排出,油從溢流口進(jìn)入油收集罐,水經(jīng)底流口進(jìn)入水收集罐。在旋流器的進(jìn)液管路、溢流管路和底流管路出口處都裝有取樣裝置;流量計(jì)在試驗(yàn)工況調(diào)節(jié)時(shí)只作參考用;實(shí)際上,流人旋流分離器的流量是通過“桶量計(jì)時(shí)”的方法,分別計(jì)量各收集罐的量而得出。試料烘干后的質(zhì)量由精密數(shù)字天平計(jì)量,儀器的精度為 0.01 g。本試驗(yàn)所用水力旋流器的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 3相分離試驗(yàn)流程

試驗(yàn)所用方法是首先控制某幾個(gè)量不變,進(jìn)而觀察某 2個(gè)量對(duì)分離效率的影響。試驗(yàn)所用介質(zhì)為輕柴油、水、石英砂的 3相混合物,其物性參數(shù)是:ρ油=830 kg/m3,ρ水=1 000 kg/m3,ρ砂=2 650 kg/m3;溫度穩(wěn)定在室溫。

圖2 試驗(yàn)所用固-液-液三相水力旋流器結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 進(jìn)口流量對(duì)分離效率的影響

水力旋流器的總效率可以表述為液滴、顆粒與總的懸浮液質(zhì)量之比,油相的分離效率E0可以表示為

對(duì)于固相的分離效率ES可以表示為

或者考慮物料平衡,根據(jù)式 (1)可以得到

這里油、水、砂各組分的分離效率分別為

式中,Q、Q0,Qs,Qu分別為進(jìn)口、溢流口、橫向流、底流口的流量;k,k0,ks,ku分別為進(jìn)料口、溢流、橫向流、底流中分散相的體積百分?jǐn)?shù);E0,Es分別為油和砂的分離效率。

試驗(yàn)中首先控制分流比和進(jìn)料濃度,觀察進(jìn)口流量對(duì)分離效率的影響。從圖3可以看出,提高進(jìn)口流量,油和砂的分離效率都會(huì)隨之提高,但油的分離效率在進(jìn)口流量達(dá)到 4 m3/h時(shí)急劇的下降;砂的分離效率也在同時(shí)下降,但下降幅度不大。

圖3 進(jìn)料濃度為 0.1%,分流比為 0.2時(shí)進(jìn)料流量對(duì)分離效率的影響

首先隨著進(jìn)口流量的增大,入口的速度也在增大,進(jìn)而決定著產(chǎn)生的離心力也增大,所以分離效率也就隨之提高。

為什么離心力過大分離效率卻不能隨之增大,反而減小呢?首先隨著進(jìn)口流量的增大,油滴破碎嚴(yán)重導(dǎo)致的乳化現(xiàn)象嚴(yán)重,使分離效果急劇下降,砂相則受影響小一點(diǎn)。矯學(xué)成等學(xué)者[6]認(rèn)為,隨著流入量Q的增大,聚集在底流排出口 (圓錐簡(jiǎn)頂端)附近的微粒子,由于分離空氣柱的存在,上升流也隨著增大,使已經(jīng)被分離微粒子的一部分在底流口附近被卷起向上,隨上升流一起排出;在極端情況下,若底流口直徑一定,一味地增大流量,不僅不能提高分離效率,而且容易使底流口堵塞,使分離器不能正常工作。

2.2 進(jìn)口濃度對(duì)分離效率的影響

試驗(yàn)分別用進(jìn)料濃度為 0.6%、3.4%、6.1%、8.7%、10.3%、13.6%、15.8%的油、水、砂 3相混合物經(jīng)試驗(yàn)管路進(jìn)入試驗(yàn)用水力旋流器,測(cè)得在不同進(jìn)口速度下的三相水力旋流器砂相和油相的分離效率。從圖4～5可以看出,隨著進(jìn)料濃度的增加,旋流器油相和砂相的分離效率都在減小,這主要是因?yàn)轭w粒間的相互作用隨進(jìn)料濃度的增加而變大,而且混合液的黏度也隨之增加,進(jìn)而影響分離效率;同時(shí)也驗(yàn)證了對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的水力旋流器,其最優(yōu)進(jìn)料流量也是固定的,只是砂相比油相分離所受影響要小得多。

遂急奏，得入見。曰：‘執(zhí)政固為此，欲致臣于死，臣死不足惜，奈國(guó)事何？’上急召呂夷簡(jiǎn)等問之，夷簡(jiǎn)從容曰：‘此誤爾，當(dāng)改正。’弼語益侵夷簡(jiǎn)，晏殊言夷簡(jiǎn)決不肯為此，真恐誤爾。弼怒曰：‘殊奸邪，黨夷簡(jiǎn)以欺陛下。’仁宗召宰相呂夷簡(jiǎn)面問之，夷簡(jiǎn)從容袖其書曰 ：“恐是誤，當(dāng)令改定。”［1］3287

圖4 進(jìn)料濃度對(duì)油相分離效率的影響

圖5 進(jìn)料濃度對(duì)砂相分離效率的影響

3 影響顆粒的參數(shù)

在三相水力旋流器內(nèi),若忽略粒子之間的相互作用,則單個(gè)顆粒在徑向上受到的力主要有離心力fc,向心浮力fb和曳力fd,分別定義為[7]

式中,dp為顆粒直徑,m;r為運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)半徑,m;ρp為顆粒密度,kg/m3;ρι為液相密度,kg/m3;μι為液相粘度,Pa·s;vt為顆粒切向運(yùn)動(dòng)速度,m/s;vpl為徑向上顆粒與液體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,m/s;CD為阻力系數(shù),不同Re范圍內(nèi)阻力系數(shù)為[8]

而雷諾數(shù)是由下式定義

當(dāng)顆粒達(dá)到沉降速度時(shí),在徑向上離心力、向心浮力和曳力達(dá)到平衡,得到

對(duì)于某一顆粒,沉降速度越大,顆粒被分離的概率也就越高。由式 (11)可知,沉降速度與顆粒直徑的平方成正比,因此與大顆粒相比,細(xì)顆粒的分離過程更加取決于來流的流速和液相組成。流速越高或者黏度越低,顆粒被分離的概率也就越大。

4 結(jié)論

1) 提高進(jìn)口流量有利于提高水力旋流器的分離效率。但是,對(duì)于特定的三相分離旋流器,存在著某一最佳進(jìn)口流量,尤其是對(duì)于油水分離,進(jìn)口流量過大容易造成混合液乳化,使分離效率急劇降低。

3) 對(duì)于旋流器分離效率的提高,今后主要研究方向還應(yīng)該在結(jié)構(gòu)尺寸,例如,進(jìn)料口、溢流口插入深度等。

[1] 郭廣東,鄧松圣,張福倫.固-液-液三相分離水力旋流器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(11):16-18.

[2] 歐益宏,杜 揚(yáng).柱型水力旋流器單相流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2006,35(3)∶15-18.

[3] 王尊策,張 雙,呂鳳霞,等.脫水型動(dòng)態(tài)水力旋流器影響因素試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(4):44-47.

[4] 劉曉敏,劉銀梅,蔣明虎.影響動(dòng)態(tài)水力旋流器脫油性能的綜合因素[J].化工機(jī)械,2006,33(2):122-126.

[5] 苗 青,袁恵新.液液旋流分離器內(nèi)流動(dòng)偏心現(xiàn)象的試驗(yàn)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2005,34(1):93-95.

[6] 矯學(xué)成,王貴林,張 勇,等.液體旋流分離器分離效率的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2007(5):139-144.

[7] 趙慶國(guó),張明賢.水力旋流器分離技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:10-11.

[8] CoelhoMAZ,Medronho RA.A model forperfor mance prediction of hydrocyclones[J].Chemical Engineering Journal,2001(84):7-14.

Effects of Operating Conditions on Separation Efficiency of Three-Phase Solid-liquid-liquid hydrocyclones

GUO Guang-dong,DENG Song-sheng,ZHANG Fu-lun
(Logistical Engineering University,Chongqing401031,China)

TE931.101

A

1001-3482(2010)05-0017-03

2009-10-09

重慶市科委自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (CSTC,2008BB7142);后勤工程學(xué)院創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目

郭廣東 (1984-),男,山東莒南人,碩士研究生,主要從事油氣輸運(yùn)方面的研究工作,E-mail:ggdong2007@126.com。