寬域水力旋流器液—固分離性能研究

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司，河北 石家莊 050000）

寬域水力旋流器液—固分離性能研究

王巖

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司，河北 石家莊 050000）

提出一種可同時(shí)分離重質(zhì)和輕質(zhì)固體顆粒物的液—固旋流器。針對(duì)不同密度的顆粒，進(jìn)行了分離效率、流速、分流比之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究；確定了此水力旋流器的最佳工況參數(shù)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)得出分離效率與各個(gè)主要工況參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果表明，對(duì)于重質(zhì)顆粒，當(dāng)流量為25m3/h，分流比為6%時(shí)分離效率最高；對(duì)于輕質(zhì)顆粒，流量25m3/h，分流比為8%時(shí)分離效率最佳。并在此基礎(chǔ)上對(duì)旋流分離器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提出建議。

液固分離；寬域；水力旋流器；分級(jí)效率；分流比

旋流分離器在工業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用，一般主要研究方向是分離氣體中的顆粒物，針對(duì)分離液體中的顆粒雜質(zhì)的研究仍較少。任福安設(shè)計(jì)出了一種適用于船舶壓載水處理的水力旋流器，并經(jīng)過了數(shù)值模擬的驗(yàn)證。蔣明虎優(yōu)化了旋流分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)流量和分流比對(duì)壓力損失的影響進(jìn)行了分析，并開發(fā)出一種可分離粒徑小于50μm顆粒物的水力旋流器。但均只用于從液相中分離重質(zhì)顆粒。經(jīng)調(diào)查，所需處理的物料包含重質(zhì)和輕質(zhì)兩種雜質(zhì)顆粒，因此，設(shè)計(jì)出一種可同時(shí)分離重質(zhì)顆粒和輕質(zhì)顆粒的寬域水力旋流器是十分必要的。

1 新型旋流器的設(shè)計(jì)

在旋流器頂端插入一個(gè)排輕管，用來排出輕質(zhì)顆粒，稱之為排輕口。溢流口頂端加入蝸殼，利用溢流管流體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)化為流體流向動(dòng)能，減小壓頭損失。旋流器內(nèi)有短路流的存在，使一些顆粒在短路流的作用下在旋流器內(nèi)部循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能及時(shí)排出，故在旋流器筒體上方加入環(huán)形條縫，使短路流中的輕質(zhì)顆粒被卷入上部斜腔，輕質(zhì)顆粒從排輕口排出。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，石膏粉（密度2.0×103kg/ m3），非破壁松花粉（密度0.5 kg/ m3），實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：固液兩相流流量20～35m3/h，旋流器筒體直徑為200mm，石膏粉質(zhì)量濃度為0.01%，松花粉質(zhì)量濃度為0.003%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在旋流分離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將事先稱量好的固相顆粒投放入水箱內(nèi)，通過攪拌器使其充分混合均勻，實(shí)驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)水泵，將水箱內(nèi)的物料抽入到旋流器內(nèi)。為保證水量和入口濃度的穩(wěn)定，底流口和溢流口的出水都通過水泵抽入到水箱內(nèi)循環(huán)使用。底流口，溢流口和排輕口均裝有用于控制流量的閥門，在水力旋流器前后均安裝電磁流量計(jì)，用于讀取并控制流量。采用激光顆粒計(jì)數(shù)儀檢測(cè)顆粒物。

3 結(jié)果

3.1 重質(zhì)顆粒分離結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，通過改變?nèi)肟诹魉倥c分流比對(duì)旋流器的分離效率進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中采用的石膏粉中位徑約為40mμ。

本次實(shí)驗(yàn)中流量為203/mh，253/mh，303/mh，353/mh，分流比為4%，6%，8%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在各種分流比下， 均為253/mh時(shí)分級(jí)分離效率最高；為獲得最佳的操作工況參數(shù)，須比較流量253/mh時(shí)不同分離比的分級(jí)分離效率。

圖1 25/t h下不同分流比分離效率

由圖1可知，當(dāng)操作工況為流量為25/t h，分流比為6%時(shí)，分離效率達(dá)到最佳。對(duì)于50mμ左右的顆粒效率可以達(dá)到85%以上。100mμ的顆粒達(dá)到94%。當(dāng)分流比一定，流量為20～253/mh時(shí)，分級(jí)分離效率隨著流量的升高而增加，流量位于25～353/mh時(shí)，分級(jí)分離效率會(huì)隨著流量的升高而降低。

3.2 輕質(zhì)顆粒分離結(jié)果

輕質(zhì)顆粒選取非破壁松花粉，顆粒從中心排輕口排出，需對(duì)排輕口分離效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)選用的非破壁松花粉粒徑分布約為35mμ。

將側(cè)向排輕口和底流口的閥門關(guān)閉，改變?nèi)肟诹髁亢椭行呐泡p口分流比來確定最佳工況。本次實(shí)驗(yàn)中流量為203/mh，253/mh，303/mh，353/mh；中心排輕口分流比為2%，5%，8%（圖2）。

圖2 30/t h下不同分流比分離效率

顯然，當(dāng)流量一定時(shí)，輕質(zhì)顆粒的分離效率隨著中心排輕口分流比的增加而增加。在分流比為8%時(shí)，對(duì)于50mμ的顆粒分離效率為40%左右，100mμ的顆粒分離效率達(dá)到60%左右（圖3）。

圖3 8%分流比下不同流量分離效率

當(dāng)分流比一定時(shí)，隨著流量的變化，分離效率的變化趨勢(shì)與重相介質(zhì)相同，流量253/mh時(shí)分離效率最佳。

4 結(jié)果討論

4.1 分離效率隨流量增加而降低

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)流量超過25/t h，無論重質(zhì)顆粒和輕質(zhì)顆粒的分級(jí)效率都會(huì)隨著流量的增加而降低。許多研究者一直認(rèn)為固液水力旋流器的入口速度越高，水力旋流器的分離效率就越高。這種說法是不全面的，每種型號(hào)的水力旋流器均對(duì)有相匹配的流量，當(dāng)流量大于所匹配的流量，分離效率會(huì)隨之降低。原因有兩點(diǎn)：一為當(dāng)流量過高時(shí)，旋流器內(nèi)部流速會(huì)增加，內(nèi)部流場(chǎng)的紊流程度隨之增加，導(dǎo)致部分處于底流口顆粒又隨流場(chǎng)卷入旋流器中，使位于底流口顆粒不能從底流口流出，導(dǎo)致分離效率有所下降。二為隨著流速的增大，離心力對(duì)顆粒物的作用效果增大，會(huì)使大顆粒破碎成小顆粒，從而降低分離效率。

4.2 小顆粒隨流量的增加降低明顯

在隨流量增加的過程中，小顆粒的分離效率降低明顯，當(dāng)流量達(dá)到353/mh時(shí)，小顆粒的分離效率降低的非常明顯。分流比為4%時(shí)，與流量303/mh相比，流量353/mh下的10mμ～20mμ的顆粒分離效率大大降低。隨著分流比的增大，小顆粒雜質(zhì)的分離效率在逐漸上升。原因是雖然流量的增大引起流速的增加，會(huì)提高顆粒物的分離效果，但是，當(dāng)?shù)琢骺诓荒芗皶r(shí)把位于旋流器底部的顆粒排出時(shí)，停滯在旋流器底部的顆粒物會(huì)隨旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)上升，從溢流口排出，從而降低分離效率。對(duì)于小顆粒雜質(zhì)，其質(zhì)量更小，更容易隨旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)上升，因此小顆粒雜質(zhì)分離效率減少特別突出。隨著分流比的增大，更多的小顆粒雜質(zhì)可以從順利底流排出，所以，流量353/mh時(shí)小顆粒的分離效率隨著分流比的增大而增大。

5 結(jié)語

（1）作為一種結(jié)構(gòu)緊湊，性能高效的新型旋流器，可同時(shí)分離重質(zhì)、輕質(zhì)顆粒雜質(zhì)。

（2）253/mh時(shí)旋流分離器分離效率最佳，分離重質(zhì)顆粒底流開度6%最佳，分離輕質(zhì)顆粒中心排輕口最佳開度為8%。

（3）超過253/mh時(shí)，小顆粒的分離效率受到底流口大小影響明顯。

[1]任福安，殷佩海. 船舶壓載水旋流分離裝置[J].現(xiàn)代船機(jī)維修技術(shù) ，2005,280～284.

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TQ018

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1671-0711（2017）04（上）-0102-02