組合式水力旋流器操作參數(shù)對(duì)其分離性能的影響研究*

劉仁桓 王金花 謝知峻 焦慧娟 孟慶宇 金有海

(1. 中國石油大學(xué)(北京)；2. 中國石油大學(xué)(華東))

水力旋流器是一種高效分離設(shè)備，它結(jié)構(gòu)簡單，沒有運(yùn)動(dòng)部件，因而操作維護(hù)方便，在氣-液-固物系的非均相分離過程得到廣泛應(yīng)用[1]。

近年來，各工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)分離技術(shù)與裝備提出更多的要求，分離設(shè)備的發(fā)展非常迅猛，多元復(fù)合分離技術(shù)得到更多地研究，旋流器組合化成為一種發(fā)展趨勢[2]。目前，一些研究者提出了一些改進(jìn)結(jié)構(gòu)，這些改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)組合后的旋流器分離性能有了不同程度的提升[3，4]。

筆者提出了一種將兩個(gè)水力旋流器串聯(lián)的組合式水力旋流器結(jié)構(gòu)[4]，并通過實(shí)驗(yàn)考察操作參數(shù)對(duì)組合式水力旋流器的性能影響，以期為新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合式水力旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，混合液由第一級(jí)旋流器A的進(jìn)料腔沿一級(jí)導(dǎo)向器流道進(jìn)入一級(jí)筒體內(nèi)，并在筒體內(nèi)形成一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的離心力場，進(jìn)行一次分離；一次分離后的重相在離心力場和軸向壓力的作用下沿一級(jí)筒體和錐體繼續(xù)下行，通過二級(jí)旋流器B的二級(jí)導(dǎo)向器，在二級(jí)旋流器進(jìn)行二級(jí)分離，分離后殘液(重相)由底流管排出，輕相則由二級(jí)溢流口匯集到上一級(jí)旋流器與一級(jí)分離的輕相一同從溢流口排出。

圖1 組合式水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

組合式水力旋流器的分離原理與常規(guī)的水力旋流器相同，結(jié)構(gòu)上更像是兩個(gè)水力旋流器同軸串聯(lián)，但又有所不同：從外觀上看，是一個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口，更像是一個(gè)水力旋流器，但內(nèi)部有兩個(gè)上升通道和兩個(gè)下降通道，巧妙地將一級(jí)旋流器的底流出口和二級(jí)入口合成一體，結(jié)構(gòu)緊湊，在提高分離效率的情況下，減少設(shè)備所占空間以及工業(yè)能耗。

2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)流程如圖2所示，主要由供料系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、被測設(shè)備和測量裝置4部分組成。實(shí)驗(yàn)前，將水和固體顆粒按一定的比例加入料罐，用攪拌器將物料混合均勻；然后開啟泵，物料由泵吸入，經(jīng)流量計(jì)和管路系統(tǒng)進(jìn)入被測設(shè)備(組合式水力旋流器)中。旋流器經(jīng)過兩級(jí)分離后，溢流液經(jīng)流量計(jì)和管路系統(tǒng)流回到料罐，底流液則由管路系統(tǒng)直接返回料罐。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程

實(shí)驗(yàn)中選用石英砂與清水?dāng)嚢杌旌现瞥蓪?shí)驗(yàn)物料，其密度為3 000kg/m3，所用物料的粒度可用Coulter激光粒度儀測得(表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)物料粒度分布

實(shí)驗(yàn)中，記錄壓力和流量數(shù)據(jù)，并采集進(jìn)出口物料試樣。壓力用0.01級(jí)的精密壓力表測量，流量選用浮子流量計(jì)計(jì)量，試樣固含量用濾膜稱重分析法測得，體積用量筒測試，換算所需濃度。

3 操作參數(shù)的影響分析

水力旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有很多，筆者參考前人的文獻(xiàn)[5～8]，所設(shè)計(jì)的組合式旋流過濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

一級(jí)葉片出口角θ115°

一級(jí)直筒直徑D150mm

總長度L475mm

二級(jí)導(dǎo)向葉片出口角θ220°

二級(jí)直筒長度 50mm

二級(jí)直筒直徑D230mm

在前人研究的基礎(chǔ)上[9～11]，研究操作參數(shù)對(duì)組合式旋流器分離性能的影響，主要考察入口濃度、底流率及入口流量等操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響。

3.1入口濃度的影響

當(dāng)實(shí)驗(yàn)底流率為15%時(shí)，入口濃度分別采用1.5、0.8g/L，測得入口流量與分離效率和壓力降的關(guān)系分別如圖3、4所示。

圖3 不同入口濃度時(shí)入口流量與分離效率的關(guān)系

圖4 不同入口濃度時(shí)入口流量與壓力降的關(guān)系

從圖3可以看出，當(dāng)入口流量小于1.8m3/h時(shí)，低濃度分離效率高。在入口流量為1.3m3/h時(shí)，濃度為1.5g/L的分離效率為75%，濃度為0.8g/L的分離效率為81%；當(dāng)入口流量達(dá)到1.8m3/h時(shí)，兩濃度的分離效率相當(dāng)。這是因?yàn)椋髁枯^低時(shí)，進(jìn)料口懸浮液顆粒濃度較大，底流口排出的固體顆粒濃度增大；但濃度的增大會(huì)使在二級(jí)旋流器內(nèi)進(jìn)行分離時(shí)，由于顆粒間摩擦、碰撞使得旋流器內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)由自由沉降轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮娉两担瑥较虺两邓俣冉档停蚨蛛x效率降低。由于底流口直徑限制，分離出來的固體顆粒不能及時(shí)快速排出而堆積在底流口附近，使底流口的有效流通面積減小，導(dǎo)致部分分離至底流中的顆粒又被內(nèi)旋中心流夾帶逃逸到溢流，降低了分離效率；當(dāng)流量增大到一定值時(shí)，由于流量增大底流口排出的固體顆粒可以順利的被帶出造成分離效率升高。

從圖4可以看出，入口濃度越高壓力降就越大，在入口流量為1.8m3/h時(shí)，1.5g/L濃度的壓力降為0.135MPa，0.8g/L濃度的壓力降為0.130MPa。這是因?yàn)椋S著入口濃度升高，顆粒間以及顆粒與器壁間出現(xiàn)碰撞摩擦而增加能耗；顆粒濃度越大，這種的碰撞和摩擦就越大，阻力也就越大，產(chǎn)生能量損失也越大，壓力降也就越大。

3.2底流率的影響

當(dāng)實(shí)驗(yàn)入口濃度為1.5g/L時(shí)，底流率分別采用5%、10%、15%，測得入口流量與分離效率和壓力降的關(guān)系分別如圖5、6所示。

從圖5可以明顯看出，隨著底流率的增大，組合式水力旋流器的分離效率有顯著的提高。這是因?yàn)椋琢髀实脑龃螅沟玫琢髁髁考哟螅T使一部分小顆粒跟隨流體從底流一起排出，同時(shí)液體流量增大能夠及時(shí)帶走底流口附近已分離的顆粒，減少了內(nèi)旋流對(duì)小顆粒的返混夾帶，故而分離效率有所上升。

從圖6可以看出，隨著底流率的增大壓力降也隨著上升，但增幅很小，這與普通的水力旋流器規(guī)律相反。這是因?yàn)椋琢髀实脑龃螅沟靡患?jí)旋流器分離后進(jìn)入二級(jí)旋流器的入口流量增大；二次分離的流量增大使得在二次分離中產(chǎn)生的能耗也增大。造成此能耗的主要原因是旋流器內(nèi)的內(nèi)部能耗，固體顆粒之間的摩擦、碰撞以及固體顆粒和旋流器壁的摩擦和碰撞。由于能耗的增大，導(dǎo)致壓力降略有增大。

圖5 不同底流率時(shí)入口流量與分離效率的關(guān)系

圖6 不同底流率時(shí)入口流量與壓力降的關(guān)系

3.3入口流量的影響

從圖3、5都可以明顯看出，隨著入口流量的增大，組合式水力旋流器的分離效率有顯著的提高。這是因?yàn)椋肟诹髁可撸沟萌肟诹魉僭黾樱髌鲀?nèi)離心力場加劇，顆粒更容易克服流體的阻力達(dá)到器壁而分離，所以較容易被帶到底流口排出，從而獲得較高的分離效率。但是流速過大會(huì)導(dǎo)致分離效率降低，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)娜肟诹髁俊?/p>

從圖4、6都可以明顯看出，隨著入口流量的增大，組合式水力旋流器的壓力降有顯著的增大。這是因?yàn)椋髌鞯膲毫荡砹朔蛛x過程所必須的能量，包括進(jìn)口能量損失、出口能量損失、錐段縮小能量損失及沿程能量損失等幾部分。這幾種能量損失均隨進(jìn)口流速的增大而增加，因而使得組合式水力旋流器的壓力降上升。

4 結(jié)論

4.1入口流量小于臨界值時(shí)，入口濃度越高分離效率越低；當(dāng)入口流量達(dá)到或超過臨界值時(shí)，高濃度和低濃度介質(zhì)的分離效率相當(dāng)；入口濃度越高，壓力降就越大。

4.2底流率越高，分離效率越高，壓力降也越大，但壓力降增幅不大。

4.3入口流量越大，分離效率越高，壓力降越大，但流量過大，分離效率會(huì)降低。

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