寬域水力旋流器液—固分離性能研究

（河北省眾聯能源環?？萍加邢薰?，河北 石家莊 050000）

寬域水力旋流器液—固分離性能研究

王巖

（河北省眾聯能源環?？萍加邢薰荆颖?石家莊 050000）

提出一種可同時分離重質和輕質固體顆粒物的液—固旋流器。針對不同密度的顆粒，進行了分離效率、流速、分流比之間關系的實驗研究；確定了此水力旋流器的最佳工況參數，并根據此數據得出分離效率與各個主要工況參數的函數關系。研究結果表明，對于重質顆粒，當流量為25m3/h，分流比為6%時分離效率最高；對于輕質顆粒，流量25m3/h，分流比為8%時分離效率最佳。并在此基礎上對旋流分離器的現場應用提出建議。

液固分離；寬域；水力旋流器；分級效率；分流比

旋流分離器在工業中已得到廣泛的應用，一般主要研究方向是分離氣體中的顆粒物，針對分離液體中的顆粒雜質的研究仍較少。任福安設計出了一種適用于船舶壓載水處理的水力旋流器，并經過了數值模擬的驗證。蔣明虎優化了旋流分離器的結構參數，對流量和分流比對壓力損失的影響進行了分析，并開發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顆粒。經調查，所需處理的物料包含重質和輕質兩種雜質顆粒，因此，設計出一種可同時分離重質顆粒和輕質顆粒的寬域水力旋流器是十分必要的。

1 新型旋流器的設計

在旋流器頂端插入一個排輕管，用來排出輕質顆粒，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動能，將其轉化為流體流向動能，減小壓頭損失。旋流器內有短路流的存在，使一些顆粒在短路流的作用下在旋流器內部循環轉動，不能及時排出，故在旋流器筒體上方加入環形條縫，使短路流中的輕質顆粒被卷入上部斜腔，輕質顆粒從排輕口排出。

2 材料與方法

2.1 實驗材料及參數

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

2.2 實驗方法

實驗在旋流分離實驗平臺上進行，實驗時，將事先稱量好的固相顆粒投放入水箱內，通過攪拌器使其充分混合均勻，實驗時啟動水泵，將水箱內的物料抽入到旋流器內。為保證水量和入口濃度的穩定，底流口和溢流口的出水都通過水泵抽入到水箱內循環使用。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，用于讀取并控制流量。采用激光顆粒計數儀檢測顆粒物。

3 結果

3.1 重質顆粒分離結果

實驗中，通過改變入口流速與分流比對旋流器的分離效率進行了研究。實驗中采用的石膏粉中位徑約為40mμ。

本次實驗中流量為203/mh，253/mh，303/mh，353/mh，分流比為4%，6%，8%。

實驗結果表明，在各種分流比下， 均為253/mh時分級分離效率最高；為獲得最佳的操作工況參數，須比較流量253/mh時不同分離比的分級分離效率。

圖1 25/t h下不同分流比分離效率

由圖1可知，當操作工況為流量為25/t h，分流比為6%時，分離效率達到最佳。對于50mμ左右的顆粒效率可以達到85%以上。100mμ的顆粒達到94%。當分流比一定，流量為20～253/mh時，分級分離效率隨著流量的升高而增加，流量位于25～353/mh時，分級分離效率會隨著流量的升高而降低。

3.2 輕質顆粒分離結果

輕質顆粒選取非破壁松花粉，顆粒從中心排輕口排出，需對排輕口分離效果進行實驗研究。實驗選用的非破壁松花粉粒徑分布約為35mμ。

將側向排輕口和底流口的閥門關閉，改變入口流量和中心排輕口分流比來確定最佳工況。本次實驗中流量為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，當流量一定時，輕質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，對于50mμ的顆粒分離效率為40%左右，100mμ的顆粒分離效率達到60%左右（圖3）。

圖3 8%分流比下不同流量分離效率

當分流比一定時，隨著流量的變化，分離效率的變化趨勢與重相介質相同，流量253/mh時分離效率最佳。

4 結果討論

4.1 分離效率隨流量增加而降低

實驗表明，當流量超過25/t h，無論重質顆粒和輕質顆粒的分級效率都會隨著流量的增加而降低。許多研究者一直認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，每種型號的水力旋流器均對有相匹配的流量，當流量大于所匹配的流量，分離效率會隨之降低。原因有兩點：一為當流量過高時，旋流器內部流速會增加，內部流場的紊流程度隨之增加，導致部分處于底流口顆粒又隨流場卷入旋流器中，使位于底流口顆粒不能從底流口流出，導致分離效率有所下降。二為隨著流速的增大，離心力對顆粒物的作用效果增大，會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，當流量達到353/mh時，小顆粒的分離效率降低的非常明顯。分流比為4%時，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，會提高顆粒物的分離效果，但是，當底流口不能及時把位于旋流器底部的顆粒排出時，停滯在旋流器底部的顆粒物會隨旋流器的內部流場上升，從溢流口排出，從而降低分離效率。對于小顆粒雜質，其質量更小，更容易隨旋流器的內部流場上升，因此小顆粒雜質分離效率減少特別突出。隨著分流比的增大，更多的小顆粒雜質可以從順利底流排出，所以，流量353/mh時小顆粒的分離效率隨著分流比的增大而增大。

5 結語

（1）作為一種結構緊湊，性能高效的新型旋流器，可同時分離重質、輕質顆粒雜質。

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

（3）超過253/mh時，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].現代船機維修技術 ，2005,280～284.

[2]趙慶國，張明賢. 水力旋流分離技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3]王立洋等.液固旋流器分離效率的研究[J].力學與實踐 2007，29(2):24～27.

TQ018

A

1671-0711（2017）04（上）-0102-02