徐繼勇

（金山職業(yè)技術學院 機電系，江蘇 鎮(zhèn)江212200）

0 引言

旋流器作為一種高效的分級、分離和離心沉降設備，因其簡便、易行被廣泛應用于化工、冶金及石油等工業(yè)領域中［1］。旋流器中的旋流場并不是單純的強制渦或者自由渦，而是劇烈的湍流運動以及高剪切應力同時存在。因此，當氣泡、液滴的分離采用旋流器時就可能導致顆粒的破碎，從而使分離效果惡化。所以，研究旋流器中液滴破碎與臨界操作參數之間的影響關系，對旋流器分離效率的提高以及對旋流器結構的開發(fā)設計具有重要意義。

1 旋流場液滴破碎原因分析

實際應用條件下，旋流器內的流動大多處于湍流狀態(tài)，導致液滴破碎的水力學因素可歸納為以下兩個方面［2］：1）由于時間平均速度梯度產生的黏性剪切力；2）由于湍流而產生的瞬時剪切力和局部壓力。

1.1 流場剪切力分析

式中：μ為連續(xù)相黏度；uθ為流體在流場中的切向速度。

旋流器的分離過程主要發(fā)生在準自由渦區(qū)，切向速度表達式為將此式代入式（1）可得，旋流場中的剪切應力表達式為［4］

通過式（1）可以看出，尺寸結構已確定的旋流器的剪切應力主要受液-液體系的黏度以及切向速度的影響。切向速度的大小與入口操作參數的設置有關。而液-液體系的黏度受其兩相的體積比大小影響，當內相的體積比在某個較小的值以下時，體系的黏度會隨內相的增大而線性增大，此時的體系為牛頓型流體。

1.2 液滴變形及破碎判據

分散相液滴直徑為d，表面張力為σ。由于剪切力的作用，液滴會不斷變形，液滴變形的同時也發(fā)生旋轉，原來的球體變?yōu)闄E球體，液滴變形方向與長軸相同。

董守平［5］根據流體動力學，假設液滴界面膜之間的內外壓差與液滴的界面張力相等，得出液滴所受剪切力與液滴形態(tài)及其表面張力的關系為

對于一個振動的液滴，在旋流場中表面經受剪切應力及湍流速度和壓力的變化，這些因素表征使液滴變形破碎的物理量。液滴自身還具有表面能，表征使液滴保持球形和穩(wěn)定的物理量。根據文獻［6］，如果其動能Ek能夠彌補單個液滴和由于破碎而產生的兩個小液滴之間的表面能差，那么這個液滴將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由于粒子的振動動能與ρcu2（d）d3/（σd2）成正比，液滴的最小表面能Es與σd2成正比。所以可根據液滴振動動能Ek與其表面能Es的比值來判斷液滴是否可能發(fā)生破碎，而這一比值稱為Weber數。在液-液旋流器中，對各向同性的均勻流，液滴臨界的Weber數可表示為［7］

圖1 未變形液滴

圖2 變形后液滴

式中：ρc為連續(xù)相密度，kg/m3；Qi為入口流量，m3/h；ΔP 為入口和出口之間的壓降，MPa；dmax為液滴臨界直徑；V為旋流器的體積，m3；σ為表面張力，N/m。

2 臨界操作參數的確定及算例

2.1 臨界操作參數的確定

旋流器發(fā)生腔直徑為D，進料入口直徑為Di。將式（3）中的剪切力表達式代入式（5）可求得液滴破碎的臨界切向速度為

根據文獻［8］，得

式中：Vi為進料平均流速，α為與旋流器結構相關的系數。所以液滴破碎的臨界進料平均流速Vic為

旋流器中液滴發(fā)生破碎可能性較大的地方有：1）進口與旋流器旋流體連接的地方；2）靠近旋流器壁的邊界層。

取 r＝D/2，則

在臨界切向速度條件下，旋流器進料流量為

將Vic取絕對值代入式（11）得到

式（9）和式（12）表明，臨界操作參數(臨界進料速度和臨界進料流量)與液滴的表面張力成正比，與混合物系的黏度及液滴直徑成反比。大液滴破碎為小液滴過程是熵增加的過程，因此小液滴比大液滴更穩(wěn)定，能承受更大的剪切作用。

入口雷諾數計算公式為

式中：Di為旋流器進口直徑；ρm、μm、γm分別為進入旋流器混合液的密度、動力黏度、運動黏度。

將Vic取絕對值代入式（10），得臨界入口雷諾數

將式（9）代入式（11）并整理得到臨界入口流量與臨界入口雷諾數關系

2.2 臨界操作參數的算例

某旋流器旋流發(fā)生腔直徑D＝15 mm，進料入口直徑Di＝3.6 mm。處理煤油與水的混合液，含水量 Ci＝18%，混合液的動力黏度 μ＝0.834×10-3Pa·s（t＝22.5 ℃）,表面張力 σ=0.0012 N/m，液滴直徑d＝500μm＝0.5 mm。連續(xù)相煤油的密度 ρ＝803 kg/m3，運動黏度 γ＝0.756St。根據 Kelsall's的建議，α＝3.7Di/D＝3.7×3.6÷15＝0.888。取 n＝0.75，將數據代入，得臨界進料平均流速＝55.56m/s；臨界進料流量：＝2.03m3/h。

3 結論

1）當旋流器結構尺寸確定時，臨界操作參數(臨界進料速度和臨界進料流量)與液滴的表面張力成正比，與混合物系的黏度及液滴直徑成反比。液滴直徑越小破碎小液滴所需的能量就越大，因此小直徑液滴能夠承受更大的剪切作用。

2）在實際工程應用中，當給定旋流器結構尺寸時，可以根據混合物物性確定最佳的進料流量與合理的進料入口壓力，獲得最佳分離效率。當給定物性時，可以合理設計旋流器的結構尺寸提高旋流器的處理能力。

［1］ 時均，汪家鼎，余國琮，等.化學工程手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1996.

［2］ 褚良銀，陳文梅.旋轉流分離理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社,2002.

［3］ 孔瓏.工程流體力學［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［4］ 袁曉林，袁惠新.旋流場內液滴破碎與臨界入口雷諾數的確定［J］.江南大學學報：自然科學版，2004，3（1）：60-61.

［5］ 胡孟明，董守平.油水乳化液中分散相液滴的力學行為初探［J］.流體力學試驗與測量，2000，14（4）：46-50.

［6］ Listewni K J.Some factors influence in the performance of deoiling hydrocyclones for marine applications［C］//PICKFORD R2nd Int Conf on Hydrocyclones.BHRA：The Fluid Enginering Center，1984：198-199.

［7］ 姜雪梅，董守平，張紅光.液-液旋流器中分散相液滴破碎機理研究［J］.石油天然氣學報，2005，27（1）：306-307.

［8］ Wolber D.軌跡分析法預測液-液水力旋流器的效率［J］.國外石油機械，1997，8（3）：52-60.