水力旋流器溢流管結構對微細顆粒分離的影響

劉鴻雁，王亞,2，韓天龍,2，黃青山

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水力旋流器溢流管結構對微細顆粒分離的影響

劉鴻雁1，王亞1,2，韓天龍1,2，黃青山2,3

（1河北工業大學化工學院，天津 300130；2中國科學院青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101；3中國科學院過程工程研究所，中國科學院綠色過程與工程重點實驗室，北京 100190）

針對直徑為50 mm的小直徑水力旋流器，考察了溢流管插入深度和壁厚以及進口流量對微細物料分離效率的影響，并利用正交分析法得到了溢流管最優的插入深度、壁厚及最適的進口流量。此外，考察了兩種套筒式溢流管對水力旋流器分離性能的影響。最后，在最優溢流管結構的基礎上，探討了分流比對分離效率的影響。結果表明：水力旋流器的直筒段具有一定的分離作用；對于微細物料的分離，溢流管采用薄壁且插入深度與水力旋流器直筒段長度相當的設計，有利于提高微細顆粒的分離效率。針對水力旋流器溢流管插入深度與其直徑的最佳比例，小直徑水力旋流器的比大直徑水力旋流器的大，表明它們的分離行為存在著較大的差異。

分離；粒度分布；流動；水力旋流器；溢流管；分離效率；粒級分離效率

引 言

水力旋流器是利用離心沉降原理將不同密度的兩相或多相混合物進行有效分級與分離的設備。因其具有結構簡單、操作方便、處理量大、成本低、無運動部件、便于維修等優點，被廣泛應用于石油化工、非金屬礦業、農業、環保等眾多領域[1-5]。在液-固分離方面，隨著高性能旋流器的出現，其用途也在不斷擴大。主要應用于微細物料的分級、濃縮、脫水、脫泥、除砂、洗滌等，例如海上采油過程中超細油砂的去除、鉆井泥漿的分離處理、焦化塔進給液的濃縮處理等[6]。根據水力旋流器處理量的大小，一般把直徑小于或等于50 mm的旋流器稱為小直徑水力旋流器[7]，大于50 mm的旋流器稱為大直徑水力旋流器。

分割直徑50是水力旋流器一個重要的分離性能指標，對于固-液分離來說，50越小，水力旋流器分離性能越強[8]。Wang等[9]認為現階段在工程上旋流器的分割直徑最小可達3 μm，再小的顆粒很難被分離。一般水力旋流器的處理量隨其直徑的減小而大幅降低[10]。雖然小直徑水力旋流器分割直徑小、分離精度高，但考慮到設備投資及操作費用等問題，單個水力旋流器處理量在1 m3·h-1以上才有較高的工業實用價值。

水力旋流器內部流場的結構相當復雜，短路流作為旋流器內部一種復雜的流體力學行為，分為頂蓋下短路流和側壁短路流[11]。雖然側壁短路流也影響水力旋流器的分離性能，但側壁邊界層中存在著徑向脈動，使被短路的物料有機會返回分離區，從而削弱了它的影響[11]。因此，頂蓋下短路的流體是引起水力旋流器“溢流跑粗”以及分離產品中粗細顆粒混雜的重要原因之一[11-12]。短路流的存在及其流量大小直接與溢流管的結構形狀密切相關[13]，其流量有時甚至可高達25.1%[14]，不僅影響水力旋流器的分離效率，還會影響水力旋流器的出口能量損失[15]。

溢流管的插入深度對水力旋流器的分離性能具有重要影響[16]，Wang等[17]提出溢流管的最佳插入深度為入口位置底端和圓柱底端之間的某個長度。呂文濤[18]針對直徑100 mm的水力旋流器，研究了溢流管插入深度對分離效率的影響。結果表明，隨著溢流管插入深度從45 mm不斷增大至75 mm的過程中，其壓降和分離效率皆呈現先增大后減小的趨勢，也就是說溢流管存在一個最佳的插入深度，其值為0.6。黃軍等[19]也針對直徑為100 mm的旋流器，進行了石膏的分離實驗，證實了上述結論，然后找出最優插入深度為0.7。蔣巍[20]利用直徑為50 mm的旋流器研究了溢流管的插入深度對壓降和脫水率的影響，發現對原料粒徑中值為29.92 μm的固體顆粒，隨著溢流管插入深度的增加，壓力損失逐漸增加，而脫水率先增加后降低，也存在最優插入深度，約為0.5。由上可知，對于水力旋流器分離粒徑較大的顆粒，幾乎所有的研究者皆認為其分離效率隨著溢流管插入深度的增加，呈先升高后降低的趨勢，最優插入深度約為(0.28～0.93)[16,21]。Martínez等[21-22]認為最佳插入深度與進口物料的粒徑大小及其分布密切相關，通過對直徑為50、100和180 mm的水力旋流器進行理論分析后認為當溢流管的插入深度為水力旋流器長度的10%時，水力旋流器的分離效率最高，溢流管的最優插入深度也在(0.28～0.93)這一范圍內。

關于溢流管插入深度的分離機理，一些研究者針對直徑為75 mm的水力旋流器進行了數值模擬方面的研究[17,23-24]，但結論有所不同。Tang等[23]的結果表明：在柱段長度范圍內，隨著溢流管插入深度的增加，不利于小顆粒的分離，而對大顆粒影響不大。Wang等[17]認為隨著溢流管插入深度的增加，小顆粒的分離效率在不斷減小，而大顆粒的分離效率是不斷增加的。Ghodrat等[24]認為當進料濃度較低（體積濃度為4.14%）時，在溢流管插入深度從0增至2的過程中，細顆粒的分離效率略有下降，粗顆粒的分離效率卻有一定的提高；然而在高濃度（體積濃度為30%）時，細顆粒的分離效率增加卻比較明顯。

關于溢流管厚度對顆粒分離的影響，也存在著較大的爭議。Xu等[14]通過在直徑為82 mm的水力旋流器中分離大顆粒的實驗研究發現：增加溢流管厚度，可提高旋流器的分離效率和降低旋流器的內部損失。黃軍等[19]通過直徑為100 mm的水力旋流器對石膏的分離實驗表明，分離效率隨著溢流管壁厚的增加而提高，但是當壁厚達到一定值后，分離效率反而降低。Hwang等[25]通過對直徑為10 mm的水力旋流器數值模擬研究發現，溢流管壁厚的增加增大了離心力，提高了顆粒的分離效率。許敏[26]利用直徑為75 mm的水力旋流器的數值模擬也得出了同樣的結論。然而，一些研究者[17,23]對直徑為75 mm的水力旋流器數值模擬研究發現，溢流管壁厚的增加，對小顆粒影響不大，但會使大顆粒的分離效率降低。但是，張萬忠等[27]利用直徑為100 mm的水力旋流器進行數值模擬的結果卻表明小顆粒的分離效率隨著壁厚的增加而提高。

水力旋流器一般由上部圓柱段和下部圓錐段組成。通常人們把上部圓柱段視為預分離區域，而把下部圓錐形空間視為主分離區域。一些研究者[28-30]卻認為直筒段無分離作用，其影響可以忽略，真正的分離過程是在下部圓錐形空間內完成的。然而，另外一些研究者[23,31-33]認為固相顆粒在上部圓柱形空間和下部圓錐形空間內均有分離行為。

目前，小直徑旋流器用于微細物料的分級和分離是水力旋流器的主要研究方向之一。由上可知，文獻中關于溢流管插入深度的比例、壁厚對分離效率的影響不僅存在著相互矛盾的報道，而且溢流管插入深度的比例、壁厚對于小直徑水力旋流器分離細顆粒、超細顆粒的影響是否與大直徑水力旋流器得到的規律一致還缺乏相關的實驗研究。近年來，文獻中對于水力旋流器結構優化的數學仿真模擬偏多，然而現階段小顆粒在水力旋流器中的運動行為的仿真模擬結果與實驗卻有較大差異[34]，因此，亟需加強微細顆粒在小直徑水力旋流器中分離行為的實驗研究。

為了考察小直徑水力旋流器結構參數對超細顆粒的分離作用，本研究以筒體直徑為50 mm的小錐角水力旋流器為研究對象，利用正交分析法研究了溢流管的插入深度、壁厚及進口流量對分離效率的影響，得到了最適的插入深度和壁厚。然后根據最優尺寸，設計了兩種套筒式溢流管，比較了其與常規溢流管在分離效率、粒級分離效率以及壓降方面的差異，確定了水力旋流器的圓筒段具有一定的分離作用。此外，根據最優結構及最優尺寸討論了不同進口流量下分流比與分離效率、修正分離效率、壓降的關系。最后，通過對分離效率、粒級分離效率[7]的分析，獲得了小直徑水力旋流器的結構參數和操作參數對分離性能的影響機制，為新型、高效水力旋流器的設計、開發與應用奠定了基礎。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

本研究中采用的是小直徑、小錐角的實驗水力旋流器，其結構如圖1所示。進口采用漸近線進口方式，進口與圓柱段相連接位置的切面為矩形，尺寸為18 mm×5 mm。

為了證明圓柱段是否有分離作用，本研究設計并加工了如圖2所示的兩種套筒式溢流管，根據溢流管的結構、插入深度與壁厚的不同進行了組合編號，詳見表1。本研究設計的套筒式溢流管外筒的外壁與水力旋流器內壁之間的距離與入口寬度相等，使進入水力旋流器的流體通道間距保持不變，可防止進口突然擴大導致的能量損失。這種套筒式溢流管具有阻止流體在直筒段的徑向流動、引導輕重兩相在直筒段分層的作用，從而可以確定水力旋流器圓柱段對分離性能的影響。

表1 溢流管結構尺寸編號

1.2 實驗方法

為了減小實驗誤差，本實驗均采用3次以上測量取平均值的方法計算水力旋流器的分離效率。實驗所用固體顆粒為棕剛玉粉，密度為3300 kg·m-3，粒徑中值為13.67 μm，粒徑分布如表2所示。

表2 原料粒徑分布

實驗流程如圖3所示，一定量的固體顆粒與清水在攪拌槽內混合均勻至質量濃度為0.2%，經由螺桿泵輸送至水力旋流器中。進入旋流器中的液固混合物經高速旋轉并在重力的作用下共同向下運動，一部分重質混合物一直向下運動至底流口排出至攪拌槽，而另一部分清潔介質則在錐體的某一位置向上運動由溢流口排出后返回至攪拌槽，從而實現整個流程的循環。

影響水力旋流器分離效率的因素有水力旋流器的結構參數、操作參數及物料的物性參數等。為了找到溢流管合適的插入深度、壁厚等結構參數以及進口流量對水力旋流器分離性能的影響，實驗分別對壁厚為2、5 mm和插入深度為24、28、46和70 mm的溢流管在不同進口流量下進行了正交對比實驗，實驗因素包括溢流管的壁厚、插入深度和進口流量。本實驗是一個三因素多水平的實驗，選用L25（56）安排實驗。在正交實驗中R表示的是第列因素的極差，即該列因素各水平下指標平均值的最大與最小的差，反映的是第列因素水平波動時，實驗指標的變動幅度，值越大說明該因素對實驗指標的影響越大。計算水平指標K和極差R的值[35]，并根據R的大小判斷影響分離效率和壓降的主次順序，根據正交實驗結果并結合綜合平衡分析方法獲得效率最高時溢流管的插入深度、壁厚及進口流量。

在最優的插入深度和壁厚的基礎上，比較兩種套筒式溢流管與常規圓管式溢流管的分離效率與壓降的變化，得到最優的溢流管結構。通過調節溢流口閥門的開度來實現對分流比的控制，探討溢流管最優結構與最優尺寸下，水力旋流器分流比與分離效率、修正分離效率、壓降的關系，并利用激光粒度分析儀測試、分析水力旋流器的粒級效率與分割直徑。根據粒度分析測得每一粒度區域的分離效率，將各區域分離效率作圖得到一定粒度分布區域的級效率曲線。級效率曲線和分離效率可以較完整地評價旋流器的分離性能。

分別記錄進口與溢流口流量、進口和出口的壓力示數，并對溢流口與底流口取樣、抽濾、干燥和稱量。通過稱量樣本干燥后砂子的質量計算分離效率；根據原料和底流口的樣本粒徑分析作級效率分布曲線，找出分割直徑50，從而確定分離精度；通過壓降分析，比較不同結構溢流管的水力旋流器的能耗損失。

實驗利用型號為XFE025Y16F1BM1R、測量范圍為0.53～21 m3·h-1、精度等級為0.5級的電磁流量計進行流量測量；利用型號為XFYL-800-1.6、測量范圍為0～1.6 MPa、精度等級為0.5%的擴散硅壓力變送器進行壓力測量；利用型號為BT-9300Z、測定范圍為0.1～716 μm的激光粒度分析儀對實驗樣品的粒度分布進行離線分析，其工作原理為用激光作光源對顆粒群進行衍射和散射，各顆粒級的量決定對應各特定角處獲得光能量的量，各特定角光能量在總光能量中的比例，反映著各顆粒級的分布豐度。

2 實驗結果與分析

2.1 溢流管的插入深度、壁厚與進口流量對分離性能的影響

2.1.1 正交實驗 正交實驗記錄和實驗數據計算分別見表3和表4。通過對各個指標進行極差數值比較，結合因素對指標影響的主次關系，對結果實行綜合平衡優化分析，選取最優組合。

表3 正交實驗記錄

表4 正交實驗計算

通過表4對R大小的比較可以得出：影響分離效率和壓降的3個因素的主次順序均為進口流量、溢流管的插入深度、溢流管的壁厚。

在液-固分離中，就分離效率而言，其值越大越好。由表4可以看出，插入深度在4水平、壁厚在5水平、進口流量在5水平時對應的值最大，即對應溢流管的插入深度為70 mm、壁厚為2 mm、進口流量為2.72 m3·h-1時分離效率最大，根據補充實驗得出此時分離效率為97.21%，壓降為170 kPa。

就壓降而言，其值越小代表分離所用能耗越小，由表4可以看出，插入深度在1和2水平、壁厚在2水平、進口流量在1水平時對應的值最小，即對應溢流管的插入深度為24 mm和28 mm、壁厚為5 mm、進口流量為1.17 m3·h-1時壓降最低，為20 kPa。結合表3觀察可發現，當進口流量一定時，水力旋流器的壓降隨溢流管的插入深度、壁厚等因素的變化而變化很小，甚至在低進口流量時保持基本不變。這說明溢流管的插入深度和壁厚對壓降的影響很小，進口流量對壓降的影響起主要作用。因此，在后續溢流管插入深度、壁厚等因素的討論中，著重考慮了分離效率對水力旋流器分離性能的影響，忽略了壓降的變化。

2.1.2 綜合平衡確定裝置的最優組合 溢流管的插入深度、溢流管的壁厚、進口流量與分離效率的關系如圖4所示。對于任一壁厚、任一插入深度的溢流管來說，水力旋流器的分離效率均隨著進口流量的增加而不斷增加。在流量小于1.94 m3·h-1時，分離效率呈線性增加，然后增幅有所降低直至增幅不明顯。當溢流管壁厚為2 mm、插入深度為70 mm，進口流量從1.17 m3·h-1增加到1.56 m3·h-1時，水力旋流器的分離效率增長最快可達9.9%；當進口流量從2.33 m3·h-1增加到2.72 m3·h-1時，分離效率的增長速率最慢，僅為0.83%。這是因為隨著進口流量的增加，物料的切向進口速度增加，獲得的離心力不斷增加，會有更多的固體顆粒被分離下來，從而達到更高的分離效率。但是，當進口流量達到某一范圍后繼續增加時，盡管物料獲得的切向速度很大，離心力也會增加，但流體處于高度湍流不穩定狀態，處于強旋湍流中的混合介質會出現劇烈脈動，在增大能耗的同時，導致部分分離后的介質產生二次返混的概率增加，再加上短路流的增大以及流體停留在水力旋流器內的時間縮短而導致二次卷揚的加劇，這些因素共同作用導致分離效率先增大后基本維持不變。

從圖中也可以看出，對相同插入深度、不同壁厚溢流管的水力旋流器來說，2 mm壁厚的分離效率均大于5 mm壁厚的分離效率。在溢流管的插入深度為46 mm、進口流量為2.72 m3·h-1時，壁厚對分離效率的影響最小僅為0.6%；而在溢流管的插入深度為24 mm、進口流量為2.33 m3·h-1時，壁厚影響使分離效率相差最大可達3.98%。

對于同一種壁厚的溢流管，當插入深度為24 mm，即溢流管的底端與進口位置齊平時水力旋流器的分離效率均最低，小于其他3種溢流管插入深度的分離效率；隨著插入深度的增加，其分離效率也在不斷增加。當壁厚為2 mm、進口流量為2.72 m3·h-1時，插入深度為24 mm的溢流管與插入深度為70 mm溢流管的分離效率相差最小可達1.51%；當壁厚為5 mm、進口流量為1.17 m3·h-1時，插入深度為24 mm的溢流管與插入深度為70 mm的溢流管的分離效率相差最大可達6.88%。這是因為溢流管底端與進口齊平，此時進入水力旋流器內的流體最易形成短路流，造成混合介質未被分離而直接進入溢流管被排出，導致此時的分離效率最低。兩種壁厚下、當溢流管的插入深度為70 mm時，也就是溢流管底端與直筒段底端持平時水力旋流器的分離效率最高，均大于其他3種插入深度的分離效率。這是因為隨著溢流管插入深度的增加，短路流中的顆粒更難通過溢流管底部進入溢流管，從而提高了分離效率。當進口流量在2.72 m3·h-1時，本研究使用的水力旋流器對細微物料的分離效率至最高，可達97.21%。本研究中，溢流管的插入深度在柱段長度范圍內時，小直徑水力旋流器的分離效率是隨著插入深度的增加而不斷增加的，這一結論與文獻[16,18-22]中大直徑水力旋流器的研究結論明顯不同。這可能是兩方面因素的共同作用導致不同尺寸的水力旋流器其溢流管插入深度與直徑的最佳比例有較大差異。一方面，溢流管插入深度的增加有利于水力旋流器頂蓋短路流的減少，從而增大分離效率。另一方面，在溢流管底端尤其是錐體部分，流體從外旋流轉變為內旋流存在一定的徑向速度，水力旋流器溢流管下部適量清潔液體直接進入溢流管有利于減小流體翻轉的徑向速度，從而減小固體顆粒被夾帶至中心內旋流而從頂流溢出的機會。相對于大直徑水力旋流器，小直徑水力旋流器由于柱體高度小導致其頂蓋短路流影響較大，再加上流量較小，溢流管下部清潔液體直接進入溢流管的量有限，流體反轉夾帶的顆粒量也有限，從而導致其溢流管最佳插入深度的比例要比大直徑水力旋流器大得多。

2.2 溢流管結構對分離性能的影響

為了驗證圓柱段是否具有分離作用，基于前面的工作，溢流管采取薄壁2 mm、插入深度70 mm的設計，本研究設計了兩種不同形式的套筒式溢流管，使之能夠達到引導圓筒段內流體流動的目的。

根據套筒式溢流管的尺寸，選取了3種相關尺寸的常規圓管式溢流管作對比。不同結構下進口流量與分離效率的關系曲線如圖5所示。從圖中可以看出，與常規圓管式溢流管相比，兩種套筒式溢流管的分離效率同樣是隨著進口流量的增加先增大后基本維持不變。令人吃驚的是，當進口流量一定時，兩種套筒式溢流管的分離效率均比各個插入深度的圓管式溢流管的分離效率低。與插入深度為70 mm的溢流管分離效率相比，分離效率最大相差高達17.25%，最小相差也有4.58%，這充分說明了溢流管結構對微細物料的分離影響較大。

兩種套筒式結構的溢流管，從尺寸上比較，組合E的外筒長度小于組合F，內筒長度要大于組合F，但其分離效率組合E要高于組合F。進口流量在1.56 m3·h-1時，分離效率相差最大達6.79%，這說明較長的外筒對細顆粒的分離是不利的。從分離效率來看，組合F套筒式溢流管與插入深度為28 mm圓管式溢流管相比，盡管內筒的長度相同，但是由于外筒的存在而導致的分離效率卻大幅下降。在進口流量為1.56 m3·h-1時，分離效率相差最大可達16.92%；而進口流量在1.17 m3·h-1時，分離效率相差最小也有12.90%。同樣，組合E與插入深度為46 mm的溢流管相比，盡管內筒長度大于46 mm、外筒長度等于46 mm，但是在進口流量大于1.56 m3·h-1時，其分離效率均相差在10%以上；進口流量在1.17 m3·h-1時，分離效率相差最小也可達7.53%。這充分說明了外筒的存在雖然引導了圓柱段流體的流動，阻止了固體顆粒向水力旋流器中心的徑向移動，但同時也阻礙了相對清潔的輕質流體向中心流動，從而使圓錐段流體翻轉后徑向速度增大，導致已經被分離的固體顆粒在圓錐段被夾帶的概率增加，從而降低了分離效率。這同時也證明了Chu等[32-33]關于水力旋流器的圓柱段具有一定的分離作用的論斷。

不同溢流管結構時，進口流量與壓降的關系如圖6所示。從圖中可以看出，溢流管結構不變時，壓降均隨著進口流量的增加而不斷增加。當進口流量小于1.56 m3·h-1時，幾種溢流管對應的壓降幾乎相等；當進口流量大于1.56 m3·h-1小于2.33 m3·h-1時，壓降相差小于10kPa；當進口流量為2.72 m3·h-1時，溢流管插入深度為46 mm與組合E的壓降相差最大，達20 kPa。這說明套筒式溢流管雖然不利于提高分離效率，但有利于降低能耗。

2.3 分流比對分離效率的影響

分離效率是衡量水力旋流器工作效果的最主要指標，在固-液分離中，分離效率指被分離掉的分散相物料占進口分散相物料的質量分數，而修正分離效率表示的是去除未被分離而隨底流口和溢流口的液體排出水力旋流器的那部分分散相影響后的實際分離效率。在最優結構的基礎上，當流量分別為1.17、1.94、2.72 m3·h-1時，分流比與分離效率和修正分離效率的關系如圖7所示。

從圖中可以看出，對于單一的進口流量，水力旋流器的分離效率和修正分離效率均隨著分流比的增大先逐漸增大然后趨于平穩。分離效率和修正分離效率隨著分流比的增加而增大，這是因為分流比的增大會增大底流流量，導致底流夾帶的固體顆粒數量增多，所以分離效率就越高。由于分離時總有一些液相伴隨著固相進入底流，所以用分離效率來衡量分離性能時只能表達固相顆粒的分流作用，而不能衡量凈分離效果。因此，考察水力旋流器的凈分離性能，就要扣除分流比的存在對分離效率的影響。當分流比為1即溢流口閥門關閉時，根據質量守恒定律，混合物料從進料口進入且只從底流口排出，可以認為混合介質完全被分離，此時的分離效率為1。當扣除分流比的存在對分離效果的影響后，真實的分離效率即修正分離效率為0，此時的實際分離效率最低。因此，可以推斷出水力旋流器的修正分離效率曲線是一個開口向下的拋物線，存在一個最佳的分流比。

當進口流量較小時，隨著分流比的增大，分離效率增長的速率很大。在進口流量為1.17 m3·h-1時，分流比由5%增加到10%的過程中，修正分離效率從38.64%增長到59.11%，增長速率最大可達20.47%。但是，隨著進口流量進一步增大，修正分離效率隨著分流比的增大而增長的趨勢逐漸變緩。進口流量為2.72 m3·h-1時，分流比由5%增加到10%的過程中，分離效率的增長速率最大僅為5.93%。這說明了在進口流量較低時分流比對分離效率的影響是比較大的，當進口流量超過某一范圍后，分流比對分離效率的影響較小。當進口流量發生變化時，同一分流比下進口流量大時分離效率高。當分流比為25%、流量為2.72 m3·h-1時，水力旋流器的分離效率最高為97.28%，遠遠大于進口流量為1.17 m3·h-1時對應的最低分離效率79.71%。這進一步說明了進口流量對分離效率的影響是較大的。

實驗過程中同時記錄了壓降的變化。當進口流量為1.17 m3·h-1時，各分流比下的壓降均為20 kPa；進口流量為1.94 m3·h-1時，各分流比下的壓降均為80 kPa；進口流量為2.72 m3·h-1時，各分流比下對應的壓降均為170 kPa。這也進一步說明，分流比在一定范圍內變化時，其對水力旋流器壓降的影響可以忽略不計。當分流比一定時，其壓降隨進口流量的增加而明顯增加，進一步說明進口流量是影響壓降變化的主要原因。

2.4 粒級效率分析

在進口流量為2.72 m3·h-1、分流比為20%時，不同溢流管結構、不同插入深度和不同壁厚時，水力旋流器的粒級效率曲線如圖8所示。從圖中可以看出，幾種不同結構尺寸的溢流管，其粒級效率均是先隨著粒徑的增大而不斷增大，在粒級效率達到一個峰值后又隨著粒徑的增大而降低，然后又隨著粒徑的增大而增大，最后趨于平穩。粒級效率隨著粒徑先增大又降低然后再增大最后趨于平穩的現象，即為水力旋流器分離微細顆粒時存在的“魚鉤效應”[36]。

結合原料顆粒的粒徑分布可以看出，粒級效率曲線存在一個極大值和一個極小值。當粒徑小于極大值時，顆粒的粒級分離效率是隨著粒徑的增大而逐漸增加的。這是因為在此區間的顆粒粒徑很小，容易出現小顆粒聚并及小顆粒跟隨大顆粒的現象，此現象可以減小流動阻力，也稱為“介尺度效應”。同時，顆粒粒徑越大，其質量越大，慣性也越大，被清潔流體夾帶而從溢流管流出的可能性越小。所以，在此粒徑范圍內，隨著粒徑的增大，盡管顆粒的跟隨性有所變差，但顆粒被夾帶的可能性也在不斷降低，故此范圍內的粒級效率隨著粒徑的增加而不斷增大。當顆粒粒徑超過極大值且小于極小值時，其粒級分離效率又隨著粒徑的增大而減小，這是因為固體顆粒粒徑的增大使小顆粒跟隨大顆粒的可能性及被翻轉流體夾帶的可能性均降低，但跟隨性降低得更快，所以粒級效率降低。當粒徑繼續增大超過極小值后，顆粒的分離效率隨著粒徑的增大而逐漸加大，這是因為此范圍內的顆粒已基本喪失了跟隨性，并且被清潔流體夾帶的概率也越來越小，粒徑越大，受到的離心力越大，因此分離效率越高。當達到某一較大粒徑后，其粒級分離效率達到接近極限后不再繼續增大，這是因為該粒徑范圍內的分離效率已經很高，極少部分顆粒由于流體的湍動及擾動而未能被分離，故分離效率達到最高且基本保持不變。

50是在級效率曲線上獲得的關于水力旋流器分離性能的一個重要信息。從圖上可以看出，溢流管插入深度70 mm，壁厚2 mm和壁厚5 mm時的50分別為5.04 μm和5.87 μm，插入深度46 mm、壁厚2 mm時的50為4.92 μm，E組合的50為5.34 μm，而F組合的50為5.7 μm。當插入深度為70 mm時，兩種壁厚下的溢流管對大于9 μm左右顆粒的分離效率皆達到80%以上，且二者沒有明顯差別，但是其分割直徑50卻有明顯差別。這說明水力旋流器的溢流管薄壁設計有利于細顆粒利用“魚鉤效應”進行分離，切割直徑變小。這可能是因為隨著溢流管壁厚的增加，柱段分離區域減小，顆粒在水力旋流器內停留的時間減小，導致水力旋流器的分離效率降低，這與一些研究者[17,23]的數值模擬結論一致。

壁厚為2 mm時，溢流管插入深度為46 mm與插入深度為70 mm相比，其分割直徑變小，對10 μm以下顆粒的分離與之相當甚至略好，而對10 μm以上較大顆粒的分離效率要略小，這說明插入深度增加使分割直徑增大，有利于對微細物料中較大顆粒的分離，不利于細顆粒中較小顆粒的分離，結論與部分相關模擬結果[17,24]一致。這也說明插入深度的選擇應與進口物料的粒徑分布密切相關，并不是插入深度越大越好。也就是說，當顆粒粒徑大于水力旋流器50的比例較多時應選擇較大的插入深度，而顆粒粒徑小于水力旋流器50時選擇較小的插入深度更有利于提高整體分離效率。此外，從圖中也可以看出，采用壁厚為2 mm、插入深度為70 mm的常規圓管式溢流管時，其總效率高達97.21%，而大于10 μm的固體顆粒在此條件下的級效率僅為81%左右，這充分說明對于微細物料的高效分離，必須充分利用水力旋流器中的“魚鉤效應”才能達到目的。插入深度為70 mm時，壁厚為2 mm與5 mm的溢流管的粒級分離效率相比，薄壁有利于對微細物料中較小顆粒的分離，兩者對微細物料中較大顆粒的分離相差不大，這一規律與大直徑水力旋流器中的分離行為也明顯不同。

套筒式結構組合E的分割直徑要比組合F分割直徑略小。在粒徑分別大于8.87 μm和11.7 μm時，二者的最大級效率皆為70%左右，明顯低于常規圓管式溢流管。與常規圓管式溢流管相比，組合E的分割直徑與插入深度70 mm、壁厚2 mm的分割直徑差別不大，甚至小于插入深度為70 mm、壁厚為5 mm的分割直徑。這說明套筒式溢流管雖然有利于減小水力旋流器的分割直徑50，但是不利于較大顆粒（粒徑大于50的顆粒）的分離，導致水力旋流器的總分離性能降低。

3 結 論

（1）影響小直徑水力旋流器分離細微顆粒分離效率和壓降的因素的主次順序為進口流量、溢流管的插入深度、溢流管的壁厚，進口流量在提高分離效率和降低壓降方面起著決定性的作用。

（2）針對小直徑水力旋流器對細微顆粒的分離，水力旋流器的分離效率隨著溢流管插入深度的增加而不斷增加，當溢流管的底端與柱段底部齊平時，分離效率最大。這與大直徑水力旋流器中溢流管的插入深度的增加對分離效率先增大后減小的影響規律明顯不同。粒級效率分析表明插入深度的增加，有利于微細物料中較大顆粒的分離。

（3）在一定情況下，薄壁溢流管有利于水力旋流器對固體顆粒的分離，更有利于微細物料中較小顆粒的分離，這與大直徑水力旋流器中的規律明顯不同。

（4）水力旋流器的圓柱段具有輔助分離的作用。

（5）不同結構、尺寸的溢流管的粒級效率曲線均符合“魚鉤效應”的趨勢。對于水-砂的分離，直徑為50 mm的小直徑水力旋流器，其50可減小至5 μm，9 μm以上顆粒的級分離效率高達80%以上，可用于微細顆粒的分離與分級。

符 號 說 明

D——筒體直徑，mm d50——分割直徑，mm Kij——水平指標 l——溢流管的插入深度，mm ΔP——壓降，kPa Qi——進料流量，m3·h-1 Rj——極差 δ——溢流管的壁厚，mm η——分離效率，% η0——修正分離效率，% 下角標 i——進口 in——內筒 out——外筒

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Influence of vortex finder configurations on separation of fine particles

LIU Hongyan1, WANG Ya1,2, HAN Tianlong1,2, HUANG Qingshan2,3

(1School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, Shandong, China;3Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The separation efficiencies were compared under different vortex finder lengths, thickness and flow rates in a small hydrocyclone with the diameter of 50 mm, and the optimal insertion depth, wall thickness of the vortex finder and flow rate were obtained by using the method of orthogonal design. In addition, the influence of vortex finders with tube-in-tube structure in the hydrocyclone on the separation efficiency was investigated. Finally, the relationship between the split ratio and separation efficiency was analyzed on the basis of the optimal structure for the vortex finder. The experimental results show that the cylindrical part of the hydrocyclone plays an important preliminary separation role. For the separation of fine particles, a thin vortex finder which is extended to the junction between the cylindrical and the conical parts is beneficial to the separation efficiency. The results show that the optimum proportion of the vortex finder insertion depth to the hydrocyclone diameter in the small hydrocyclone is bigger than those in the big ones, and it is indicated that there is a remarkable difference of separation between them.

separation; particle size distribution; flow; hydrocyclone; vortex finder; separation efficiency; grade separation efficiency

10.11949/j.issn.0438-1157.20161478

TQ 028.54

A

0438—1157（2017）05—1921—11

黃青山。

劉鴻雁（1971—），女，副教授。

國家重點研發計劃項目(2016YFB0301701)；國家自然科學基金項目(91434114，21376254)；中國科學院科研裝備研制項目（YZ201641）。

2016-10-19收到初稿，2017-02-13收到修改稿。

2016-10-19.

HUANG Qingshan, qshuang@ipe.ac.cn

supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0301701), the National Natural Science Foundation of China (91434114, 21376254) and the Instrument Developing Project of the Chinese Academy of Sciences (YZ201641).