劉仁桓 王金花 謝知峻 焦慧娟 孟慶宇 金有海

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)；2. 中國(guó)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(jiǎn)單，沒(méi)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(guò)程得到廣泛應(yīng)用[1]。

近年來(lái)，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(shì)[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(guò)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(kāi)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(chǎng)，進(jìn)行一次分離；一次分離后的重相在離心力場(chǎng)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(guò)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(cè)設(shè)備和測(cè)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(kāi)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(cè)設(shè)備(組合式水力旋流器)中。旋流器經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)得，體積用量筒測(cè)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(guò)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(zhǎng)度L475mm

二級(jí)導(dǎo)向葉片出口角θ220°

二級(jí)直筒長(zhǎng)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(cè)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)?，流量較低時(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?，徑向沉降速度降低，因而分離效率降低。由于底流口直徑限制，分離出來(lái)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?？梢皂樌谋粠С鲈斐煞蛛x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)?，隨著入口濃度升高，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(cè)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)?，底流率的增大，使得底流流量加大，誘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?，使得一?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)?，入口流量升高，使得入口流速增加，旋流器?nèi)離心力場(chǎng)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(guò)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)?，旋流器的壓力降代表了分離過(guò)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(guò)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(guò)大，分離效率會(huì)降低。

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