付鵬波，黃淵，王劍剛，范軼，呂文杰，黃聰，邱陽(yáng)，袁威，汪華林

（1 華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237；2 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海200235；3 上海理工大學(xué)，上海200093）

改革開(kāi)放四十年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度舉世矚目，正在快速地從“工業(yè)大國(guó)”向“工業(yè)強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)。但是，在工業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的大氣污染、水污染和固廢污染，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)以及整個(gè)人類社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)之一[1-3]。為了改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，習(xí)近平總書(shū)記提出了“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)論斷和環(huán)保理念，并將“節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境”確定為必須堅(jiān)持的基本國(guó)策。雖然隨著法規(guī)的日趨嚴(yán)格、企業(yè)以及公眾環(huán)保意識(shí)的增加以及國(guó)家在環(huán)保領(lǐng)域大量財(cái)政資金的投入，我們國(guó)家的生態(tài)環(huán)境保護(hù)取得了階段性的進(jìn)展，但目前仍然存在很多問(wèn)題，國(guó)家的環(huán)保形勢(shì)依然相當(dāng)嚴(yán)峻，不容樂(lè)觀。隨著環(huán)保技術(shù)以及環(huán)保理念的發(fā)展，環(huán)境污染物控制也從傳統(tǒng)的以“末端治理”為主的思路，轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸搭^控制、過(guò)程減排、末端治理”全流程控制。Chu 等[4]在《Science》展望未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)時(shí)指出，提高分離過(guò)程效率及降低分離能耗是解決當(dāng)前能源短缺、環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)鍵。

環(huán)境污染物分離都是以消耗能源或物質(zhì)為代價(jià)的，從全球能量消耗分布情況來(lái)看，全球工業(yè)消耗的能量占全球總能量消耗的32%，高于商用（19%）、民用（21%）以及交通（28%）的能量消耗，其中分離過(guò)程消耗的能量占工業(yè)上總能量消耗的45%～55%，而分離過(guò)程中的熱分離（包括蒸餾、干燥和蒸發(fā)等）消耗的能耗占分離過(guò)程總能耗的80%，非熱分離消耗的能量?jī)H占分離過(guò)程總能耗的20%[5]，如圖1 所示。因此，Sholl 等[5]在《Nature》評(píng)述里指出：“非熱分離可降低全球能耗、排放及污染，并為能源發(fā)展開(kāi)辟一條新航線”。評(píng)述最后得出結(jié)論：物理分離是一種低能耗、低排放、低污染的資源化分離方法。

圖1 全球能量消耗分布情況［5］

旋流分離作為一種典型的非熱物理分離方法，主要利用分散相顆粒和連續(xù)相流體圍繞旋流器中心軸線高速公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，實(shí)現(xiàn)具有密度差的兩相或多相在旋流器徑向上不同位置分布，重相往旋流器邊壁遷移，最終從底流口排出，而輕相往旋流器中心遷移，最終從溢流管排出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非均相混合物分離。自從Finch[6]在1885 年發(fā)明第一個(gè)用于空氣中固體顆粒分離的旋風(fēng)分離器專利和Bretney[7]在1891 年發(fā)明第一個(gè)水力旋流器專利以來(lái)，旋流分離技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一百三十多年的歷史。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不懈努力，旋流分離技術(shù)的分離精度也從微米級(jí)拓展到納米級(jí)，甚至是能實(shí)現(xiàn)離子分子態(tài)污染物的分離[8]。旋流分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、處理能力大、運(yùn)行和維護(hù)成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在石油、化工、環(huán)保、采礦等眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，為各行各業(yè)中廢水、廢氣、固廢高效分離及資源化提供了技術(shù)支撐，尤其是在高溫、高壓、高濃度、高黏度、強(qiáng)腐蝕、劇毒、深冷、易燃、易爆等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定、連續(xù)發(fā)揮其他分離技術(shù)無(wú)法替代的作用。但因受湍流擴(kuò)散的制約，常規(guī)的旋流分離精度往往只能達(dá)到微米級(jí)，難以去除納米顆粒、離子、分子態(tài)污染物。如何通過(guò)對(duì)連續(xù)相三維旋轉(zhuǎn)湍流流動(dòng)和分散相顆粒運(yùn)動(dòng)的調(diào)控，將旋流器分離精度從微米提高到納米、離子、分子尺度，是旋流分離技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)所在。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要系統(tǒng)研究旋流器內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)湍流動(dòng)力學(xué)和顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合理論這個(gè)科學(xué)前沿問(wèn)題?！巴牧鲃?dòng)力學(xué)和顆粒材料運(yùn)動(dòng)學(xué)的綜合理論”被《Science》列為今后1/4 世紀(jì)需要解決的125個(gè)科學(xué)前沿問(wèn)題之一[9-10]。

1 旋流場(chǎng)連續(xù)相流場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

旋流器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)卻非常復(fù)雜，而流場(chǎng)特性又是理解旋流器分離原理、提高旋流器分離性能的重要依據(jù)。在20 世紀(jì)50 年代以前，受到檢測(cè)技術(shù)和儀器的制約，對(duì)于旋流器的研究通常把旋流器當(dāng)作一個(gè)“黑箱”，通過(guò)改變旋流器操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和物料性質(zhì)來(lái)研究各參數(shù)對(duì)分離效率的影響，而對(duì)其中的具體機(jī)理和分離的能耗研究缺乏具體的手段。隨著旋流器大規(guī)模的應(yīng)用，通過(guò)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)了解分離的過(guò)程和能耗組成，并從本質(zhì)上提高旋流器的分離性能成為迫切的需求，大量的旋流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。旋流場(chǎng)測(cè)試一般是指旋流器內(nèi)流場(chǎng)壓力分布和速度分布的測(cè)試，通常基于聲[11]、光[12]、電[13-14]和壓力傳感器[15]進(jìn)行測(cè)量。又可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N，其中接觸式測(cè)量一般基于壓力和電磁傳感器將測(cè)量傳感器置于旋流器內(nèi)部流場(chǎng)中，不可避免會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的干擾，接觸式測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向之一也在于如何減少探針原件的體積，從而減少探針對(duì)流場(chǎng)的干擾；非接觸式測(cè)量主要基于聲、光和磁場(chǎng)感應(yīng)元件，不需要深入到旋流場(chǎng)中就可以進(jìn)行測(cè)量。顯然，對(duì)于旋流場(chǎng)中連續(xù)相流場(chǎng)的檢測(cè)，最好采用非接觸式測(cè)量方法，現(xiàn)有的旋流器內(nèi)多尺度流場(chǎng)測(cè)試方法主要有相位多普勒粒子（PDPA）檢測(cè)、粒子圖像測(cè)速（PIV）檢測(cè)、體三維速度場(chǎng)（V3V）檢測(cè)（圖2），主要通過(guò)點(diǎn)、面、體等多尺度測(cè)量，獲得旋流器內(nèi)連續(xù)相流場(chǎng)的切向速度、軸向速度、徑向速度等流動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)系統(tǒng)分析獲得旋流器內(nèi)零軸速包絡(luò)面、循環(huán)流、短路流等流動(dòng)特性。旋流器內(nèi)連續(xù)相流場(chǎng)多尺度檢測(cè)方法如圖2所示。

圖2 旋流器內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)多尺度檢測(cè)方法及特征［16］

（1）相位多普勒粒子（PDPA）檢測(cè)（點(diǎn)檢測(cè)） PDPA 可獲得基于零維點(diǎn)測(cè)量的切向速度指數(shù)、零軸速度包絡(luò)面、二次流的分布和變化規(guī)律以及旋流場(chǎng)的湍流特性等參數(shù)。PDPA 的測(cè)量主要基于多普勒定律，絕對(duì)測(cè)量誤差可以低至0.3%，測(cè)量精度高，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于旋流場(chǎng)連續(xù)相流場(chǎng)的測(cè)量[16]。

（2）粒子圖像測(cè)速（PIV）檢測(cè)（面檢測(cè)） PIV可獲得基于二維面測(cè)量的零軸速度包絡(luò)面，短路流和二次流的分布和變化規(guī)律以及二維湍流特性。PIV是目前技術(shù)較成熟、測(cè)量精度較高的平面測(cè)量技術(shù)，具有數(shù)據(jù)量大、瞬時(shí)性好、靈活性高、可進(jìn)行多相分析等特點(diǎn)。但相對(duì)于PDPA 而言，PIV 測(cè)量的難度更大，尤其是水力旋流器[16]。

（3）體三維速度場(chǎng)（V3V）檢測(cè)（體檢測(cè)） V3V可獲得基于三維體測(cè)量的旋流器內(nèi)切向、軸向、徑向速度分量和短路流、循環(huán)流等流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定性和定量描述。V3V的最大特點(diǎn)是通過(guò)3臺(tái)CCD跨幀相機(jī)拍攝粒子瞬時(shí)圖像，從而獲得三維區(qū)域內(nèi)任意位置的瞬態(tài)三維三向量速度分布[16]。

PDPA、PIV 和V3V 用于旋流場(chǎng)中連續(xù)相流場(chǎng)的測(cè)量裝置流程及其原理如圖3所示。

圖3 旋流器內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)多尺度檢測(cè)流程及原理［16］

2 旋流場(chǎng)分散相顆粒運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

由于分散相顆粒在旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常迅速，而且停留時(shí)間很短，即使在透明的旋流器中，肉眼及普通的檢測(cè)技術(shù)也很難捕捉到分散相顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。分散相顆粒在旋流器內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程檢測(cè)技術(shù)主要包含示蹤粒子制備（制備具有典型特征的示蹤粒子，以通過(guò)示蹤粒子在旋流器內(nèi)位置特征的變化獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)情況）和高速攝像（獲得示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)位置照片，并通過(guò)照片的可視化分析得到定量的顆粒運(yùn)動(dòng)速度和位移情況）兩部分。

2.1 示蹤粒子制備

微流控技術(shù)具有流體用量少、流量穩(wěn)定、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一性好、易并聯(lián)放大以及操作可控等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析[17]、環(huán)境檢測(cè)[18]、微化工[19]、微機(jī)械[20]以及生物[21]、醫(yī)藥[22]等多個(gè)領(lǐng)域，并且也成為旋流場(chǎng)中分散相顆粒運(yùn)動(dòng)檢測(cè)示蹤粒子制備的主要手段。用于旋流場(chǎng)中分散相顆粒運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的示蹤粒子必須具備鮮明的易于高速相機(jī)捕捉的鮮明特征，同時(shí)易于通過(guò)特征位置的變化進(jìn)行顆粒運(yùn)動(dòng)速度的定量表征，現(xiàn)有常用的微流控制備的用于旋流場(chǎng)中分散相顆粒運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的示蹤粒子類型主要有指針形各向異性微球[23]和等徑對(duì)稱雙核微球[24]。

邱陽(yáng)等[23]基于乳液模板法，選取紫外光聚合體系為材料，首先利用共軸型二級(jí)玻璃毛細(xì)管微流控裝置[圖4(a)～(c)]，制得水包油包水（W/O/W）復(fù)合乳液模板[圖4(d)]，在液體環(huán)境下收集一定數(shù)量的乳液模板后，將其放置于紫外光環(huán)境下，使油相聚合，最終得到內(nèi)部具有指針形各向異性結(jié)構(gòu)的顆粒[圖4(e)]。由于指針形各向異性微球需要通過(guò)內(nèi)部指針旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)判斷顆粒的旋轉(zhuǎn)速度，而顆粒旋轉(zhuǎn)的方向很難與指針指示的方向相同，因此用于旋流器內(nèi)顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表征的識(shí)別難度比較大，誤差也比較大，因此目前旋流器內(nèi)顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示蹤粒子主要還是等徑對(duì)稱雙核微球。

圖4 指針形各向異性顆粒［24］

黃淵等[24-26]同樣通過(guò)兩級(jí)微流控裝置制備了用于液體旋流場(chǎng)中顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的等徑對(duì)稱雙核微球，其微流控造粒方法及顆粒形成過(guò)程如圖5(a)～(d)所示。微流控裝置中流體分為內(nèi)相（inner phase，IP）、中間相（middle phase，MP）和外相（outer phase，OP）三部分，內(nèi)相和外相為水，但在內(nèi)相中加入了3%體積分?jǐn)?shù)的碳素墨水，以使內(nèi)部等徑對(duì)稱的雙核呈現(xiàn)黑色。中間相為油相，并添加1%體積分?jǐn)?shù)的光引發(fā)劑，以使示蹤粒子制備后在紫外光照射下固化為固態(tài)的高分子材料。示蹤粒子在旋流器內(nèi)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)對(duì)稱分布的黑色內(nèi)核的相對(duì)位置變化來(lái)辨識(shí)，如圖5(e)所示[24]。

圖5 等徑對(duì)稱雙核微球示蹤粒子制備及自轉(zhuǎn)速度表征方法［24］

2.2 顆粒運(yùn)動(dòng)同步高速攝像檢測(cè)

通過(guò)有機(jī)玻璃、石英玻璃等透明材料制備旋流器，并結(jié)合微流控示蹤粒子制備技術(shù)以及高速攝像技術(shù)，可獲得顆粒在旋流器內(nèi)的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)規(guī)律[27]?，F(xiàn)有的用于旋流場(chǎng)分散相顆粒運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的同步高速攝像系統(tǒng)通常通過(guò)兩臺(tái)高速數(shù)字相機(jī)同步實(shí)現(xiàn)， 也就是同步高速攝像技術(shù)（synchronous high-speed motion analyzer,S-HSMA），主要由兩臺(tái)高速數(shù)字相機(jī)、光源和計(jì)算機(jī)3個(gè)部分組成，其中高速相機(jī)的最高拍攝速率高達(dá)2160000幀/秒，拍攝圖像的像素最大可達(dá)1024×1024[24]。圖6(a)和(b)分別為旋流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)同步高速攝像裝置流程和照片以及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試原理示意圖。圖6(c)為通過(guò)同步高速攝像技術(shù)測(cè)得的公稱直徑25mm、錐段錐角10°的液體旋流器中顆粒的自轉(zhuǎn)速度情況，從圖中可以看出，顆粒在液體旋流器內(nèi)的自轉(zhuǎn)速度高達(dá)2000rad/s，這是液體旋流器中顆粒公轉(zhuǎn)速度的3 倍以上[24]。圖6(d)為通過(guò)同步高速攝像技術(shù)測(cè)得的公稱直徑75mm、錐段錐角8°的氣體旋流器中顆粒的自轉(zhuǎn)速度情況，從圖中可以看出，顆粒在氣體旋流器內(nèi)的自轉(zhuǎn)速度高達(dá)6000rad/s，這是氣體旋流器中顆粒公轉(zhuǎn)速度的13 倍以上[27]。從液體旋流器和氣體旋流器中顆粒的自轉(zhuǎn)速度來(lái)看，顆粒在旋流器中不僅繞旋流器軸線做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)繞旋流器自身中心做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且自轉(zhuǎn)的角速度遠(yuǎn)大于公轉(zhuǎn)的角速度，而這也是目前針對(duì)旋流器的研究中被經(jīng)常被忽視，但卻應(yīng)該著重關(guān)注的客觀現(xiàn)象。由于顆粒在旋流器中高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，基于顆粒高速自轉(zhuǎn)以及自公轉(zhuǎn)耦合誘導(dǎo)微界面振蕩的旋流分離過(guò)程強(qiáng)化新技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。

圖6 旋流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)同步高速攝像［24，27］

3 旋流分離過(guò)程強(qiáng)化新技術(shù)

對(duì)依靠場(chǎng)力的旋流分離而言，圍繞“湍流動(dòng)力學(xué)和顆粒材料運(yùn)動(dòng)學(xué)的綜合理論”，現(xiàn)有的強(qiáng)化方法大部分都是基于流場(chǎng)調(diào)控，目前的研究主要集中于調(diào)節(jié)旋流器結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)（比如公稱直徑大小[28-29]、進(jìn)口結(jié)構(gòu)與參數(shù)[30]、溢流管結(jié)構(gòu)與參數(shù)[31]、底流口直管直徑和長(zhǎng)度[32]、灰斗結(jié)構(gòu)與參數(shù)[33]等）、操作參數(shù)[34]以及添加電場(chǎng)和磁場(chǎng)[34]等方式調(diào)節(jié)旋流器內(nèi)的湍流流動(dòng)[35-38]，如圖7 所示，從而強(qiáng)化污染物旋流分離的效率，但也往往只能提高微米級(jí)污染物的旋流分離效率，難以去除納米顆粒、離子、分子態(tài)污染物。要將旋流器分離精度從微米提高到納米、離子、分子尺度，需系統(tǒng)研究湍流流動(dòng)-顆粒運(yùn)動(dòng)-污染物傳遞分離之間的關(guān)聯(lián)理論。在流場(chǎng)調(diào)控的基礎(chǔ)上，研究顆粒運(yùn)動(dòng)調(diào)控對(duì)污染物分離強(qiáng)化的影響，比如脈動(dòng)振蕩、排序分級(jí)、碰撞捕集、高速自轉(zhuǎn)等，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的旋流分離過(guò)程分離強(qiáng)化方法，實(shí)現(xiàn)污染物高效率、低能耗分離。

圖7 旋流分離分離過(guò)程強(qiáng)化理論和方法

3.1 氣泡強(qiáng)化廢水旋流脫油

要實(shí)現(xiàn)氣泡強(qiáng)化廢水旋流脫油，根據(jù)氣浮理論，污水中必須有足夠的均勻分散氣泡，并且氣泡直徑需要一定的分布范圍，因?yàn)樾馀萦欣诓蹲叫∮偷?，大氣泡有利于捕捉大油滴，旋流分離芯管內(nèi)的離心加速度是重力加速1000～2000倍，可以強(qiáng)化氣泡與油滴的碰撞結(jié)合[39]。

氣泡強(qiáng)化廢水旋流脫油的原理是：采用氣體破碎、分散設(shè)備，在污水中生成微小氣泡，進(jìn)入旋流分離器前完成氣體的分散混合，油-氣-水混合物在壓力作用下進(jìn)入旋流分離設(shè)備，旋流分離設(shè)備內(nèi)的離心力可以強(qiáng)化油滴與氣泡間的相互撞擊，提高油滴與氣泡的附著概率，通過(guò)氣泡和油滴的結(jié)合從而增大液-液兩相密度差，使常規(guī)旋流分離器不能分離的微小油滴得到分離，其原理如圖8(a)所示。

圖8(b)和(c)為在分離系統(tǒng)中引入氣泡后的旋流分離效果。當(dāng)氣液比小于1%時(shí)，隨著氣液比的提高，分離效率呈上升趨勢(shì)；氣液比為1%左右時(shí)，分離效率達(dá)到最大值；當(dāng)氣液比大于1%時(shí)，隨著氣液比的提高，分離效率又呈下降趨勢(shì)[40]。這是因?yàn)殡S著氣液比的增加，流體黏度降低，油滴和氣泡碰撞的概率增加，從而提高了分離效率。當(dāng)氣液比增加到一定程度后分離效率下降，這是因?yàn)闅庖罕忍箅m然能夠降低流體黏度和增加油滴和氣泡碰撞的概率，但流場(chǎng)中過(guò)多的氣泡存在會(huì)擾亂流場(chǎng)，使分離效率下降。當(dāng)引入1%的氣泡時(shí)，廢水的除油效率可從72%提高至85%，提高了13個(gè)百分點(diǎn)。

圖8 氣泡強(qiáng)化廢水旋流脫油［40］

3.2 顆粒排序強(qiáng)化微細(xì)顆粒旋流分離

旋流器作為一種重要的旋轉(zhuǎn)離心分離設(shè)備，具有體積小、處理量大、分離效率高、能耗低、操作維護(hù)方便、適合長(zhǎng)周期運(yùn)行等特點(diǎn)，但對(duì)于小粒徑，尤其是PM2.5的分離效率不高，而這正是工業(yè)上分離的重點(diǎn)和難點(diǎn)?；陬w粒在旋流器進(jìn)口截面進(jìn)入旋流器的位置影響顆粒在旋流器內(nèi)的分離性能的理論基礎(chǔ)，F(xiàn)u等[41-42]利用自主研發(fā)的顆粒排序分級(jí)器對(duì)進(jìn)入旋流器前的分散相顆粒進(jìn)行調(diào)控[圖9(a)]，使顆粒進(jìn)入旋流器時(shí)由傳統(tǒng)的無(wú)序狀態(tài)變成有序排列的狀態(tài)，并開(kāi)發(fā)了四種不同進(jìn)口排序方式的排序型旋流器，如圖9(b)～(i)所示。

圖9 排序型旋流器排序方式及模型

圖10 為幾種不同排序型旋流器的總分離效率和顆粒分級(jí)效率情況，從圖中可以看出，使小顆粒從旋流器進(jìn)口徑向外側(cè)和軸向下側(cè)進(jìn)入的垂直逆旋旋流器（VRR-C）具有最好的分離效果，最高分離效率可從普通旋流器的91.9%提高到98.3%，對(duì)于PM2.5的分級(jí)效率可達(dá)到80%，比普通旋流器提高15～20個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)椋闺y分離的小顆粒從旋流器進(jìn)口徑向外側(cè)和軸向下側(cè)這一有利于分離的位置進(jìn)入旋流，可有效提高小顆粒的分離效率而不影響容易分離的大顆粒的分離效率，從而提高旋流器的總分離效率。而且VRR-C 中，大顆粒在向邊壁和底流口運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中可形成移動(dòng)膜，從而推動(dòng)小顆粒向邊壁和底流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步提高分離效率[41-42]。

圖10 排序型旋流器分離過(guò)程強(qiáng)化效果［41-42］

3.3 含油多孔顆粒旋流自轉(zhuǎn)除油

通過(guò)高速攝像技術(shù)測(cè)得的直徑75mm氣體旋流器內(nèi)顆粒的高速自轉(zhuǎn)（2000～6000rad/s）和翻轉(zhuǎn)（200～500rad/s）速度，顆粒高速自轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)為含油多孔顆粒中油相的離心脫除與機(jī)械剝離提供了有利條件[27]。圖11(a)為含油多孔顆粒旋流自轉(zhuǎn)除油原理示意圖，利用顆粒在旋流器內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)作用下產(chǎn)生的高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化多孔顆?？紫吨形廴疚锏碾x心脫除與機(jī)械剝離，同時(shí)通過(guò)自轉(zhuǎn)快速更新傳質(zhì)界面，加快傳質(zhì)速率，實(shí)現(xiàn)含液顆粒中液相的快速高效脫除，液相污染物遷移到氣相中，并利用旋流器的離心分離實(shí)現(xiàn)氣相和脫液后顆粒的分離與富集。圖11(b)和(c)為不同溫度下原始含油率為31.8%和49.5%的含油顆粒經(jīng)旋流自轉(zhuǎn)脫油的脫油效果，從圖中可以看出，溫度超過(guò)300℃時(shí)，含油率可以從31.8%降低到3%左右，最低可降到1.7%，最高的除油效率可以達(dá)到95.6%。從圖11(d)和(e)的旋流除油前后顆粒的狀態(tài)照片可以看出，經(jīng)旋流自轉(zhuǎn)除油后，顆粒由帶液態(tài)油的團(tuán)聚態(tài)變成干燥的粉體狀態(tài)，油相基本脫除，并且具有較好的單分散性和流動(dòng)性[27,43]。

圖11 含油多孔顆粒旋流自轉(zhuǎn)除油［27，43］

3.4 基于顆粒高速自轉(zhuǎn)的旋流分離過(guò)程強(qiáng)化新技術(shù)

基于顆粒高速自轉(zhuǎn)的固體顆?？椎乐形廴疚镄髯赞D(zhuǎn)分離技術(shù)，黃淵等[24-25]研究了液體旋流器中含油顆粒高速自轉(zhuǎn)強(qiáng)化除油的機(jī)理和效果，發(fā)現(xiàn)顆粒在旋流器壁面位置的自轉(zhuǎn)速度大于1000rad/s，并對(duì)比了同條件下旋流自轉(zhuǎn)除油與沒(méi)有自轉(zhuǎn)的攪拌洗滌除油效率。相對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的攪拌脫除方法，因旋流場(chǎng)中顆粒公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的耦合離心力作用，采用旋流分離器在少于0.3s時(shí)間內(nèi)將廢催化劑攜帶渣油的脫除效率從52.44%提高到73.44%，旋流場(chǎng)中顆粒自轉(zhuǎn)除油效率比沒(méi)有顆粒高速自轉(zhuǎn)的攪拌槽中的除油效率高12.87%。自轉(zhuǎn)顆粒在剪切流體低流速區(qū)一側(cè)表面上的剪切應(yīng)力得到加強(qiáng)，有利于固體顆粒表面污染物脫附。李劍平等[44-45]在傳統(tǒng)水熱脫附方法的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了水熱旋流脫附方法，使水熱脫附過(guò)程在旋流器內(nèi)進(jìn)行，利用顆粒在旋流器內(nèi)的高速自轉(zhuǎn)強(qiáng)化脫附過(guò)程，并通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究了強(qiáng)化的機(jī)理。該技術(shù)成功應(yīng)用于沸騰床渣油加氫外排含油催化劑除油工程中，水熱旋流脫附后催化劑的含油率從29.89% 降低到8.87%，除油效率70.32%。而常規(guī)的水熱脫附后催化劑的含油率仍高達(dá)23.29%，除油效率僅僅17.84%。水熱旋流脫附除油和傳統(tǒng)水熱脫附除油的效率對(duì)比，可直觀看出顆粒自轉(zhuǎn)對(duì)催化劑除油的強(qiáng)化作用。時(shí)代等[46-47]研究了顆粒在氣體旋流器內(nèi)懸浮自轉(zhuǎn)的情況，發(fā)現(xiàn)顆?？稍谛髌鲀?nèi)長(zhǎng)時(shí)間懸浮同時(shí)進(jìn)行高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并可以調(diào)控懸浮的時(shí)間。利用顆粒在旋流器內(nèi)的懸浮自轉(zhuǎn)，開(kāi)發(fā)了氣體旋流場(chǎng)中催化劑懸浮自轉(zhuǎn)除油新方法。通過(guò)調(diào)控催化劑懸浮態(tài)旋流自轉(zhuǎn)時(shí)間，含油多孔催化劑的含油率在100s 內(nèi)可由36.17%降至5%以下。

基于顆粒高速自轉(zhuǎn)的液-液旋流萃取技術(shù)，黃淵等[24,26]利用水力旋流器中液滴自轉(zhuǎn)強(qiáng)化液液萃取過(guò)程，以減少萃取劑的消耗。液滴的高速自主增強(qiáng)了液滴內(nèi)循環(huán)傳質(zhì)，再加上旋流場(chǎng)本質(zhì)是強(qiáng)湍流場(chǎng)，使滴外對(duì)流傳質(zhì)強(qiáng)烈，從而強(qiáng)化了液液萃取過(guò)程。該技術(shù)成功應(yīng)用于甲基叔丁基醚（MTBE）裝置碳四原料萃取凈化裝置中，使萃取水耗從原來(lái)的1800～2000kg/h 降 低 到30～90kg/h，萃 取 相 比 從0.15～0.17 降低到0.0025～0.0075，并延長(zhǎng)了裝置的運(yùn)行周期。

基于顆粒高速自轉(zhuǎn)的廢水缺氧/好氧旋流強(qiáng)化技術(shù)，Xu 等[48]提出利用旋流自轉(zhuǎn)強(qiáng)化廢水缺氧/好氧過(guò)程，并通過(guò)工業(yè)側(cè)線實(shí)驗(yàn)研究了三種不同公稱直徑的旋流器的活性污泥旋流釋碳強(qiáng)化效果。利用旋流釋碳器將內(nèi)回流活性污泥內(nèi)的部分有機(jī)物質(zhì)釋放到水相中，用于補(bǔ)充碳源促進(jìn)反硝化脫氮，同時(shí)消耗活性污泥中的可降解代謝廢物，實(shí)現(xiàn)生活污水處理出水總氮降低21.5%、污泥減量36%，從源頭上減少了剩余污泥產(chǎn)量和提高了脫氮效率。呂文杰[49]用條棒狀顆粒模擬不規(guī)則形狀的污泥絮體顆粒，通過(guò)粒子圖像測(cè)速（PIV）和高速攝像研究了污泥絮體在旋流器內(nèi)的自轉(zhuǎn)，以及在自轉(zhuǎn)剪切力作用下實(shí)現(xiàn)污泥破解脫水的過(guò)程。并定量表征了污泥絮體在旋流自轉(zhuǎn)情況下的變化規(guī)律，探討了旋流自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)污泥破解脫水的機(jī)理，證明了旋流器內(nèi)污泥絮體在自轉(zhuǎn)作用下可實(shí)現(xiàn)污泥絮體的破解，從而釋放包覆的水。劉毅[50]研究了直徑35mm 旋流器中污泥絮體的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)模擬顆粒測(cè)得的污泥絮體的最高轉(zhuǎn)速高達(dá)1550rad/s，且自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反；在旋流器內(nèi)，疏松多孔的活性污泥絮體在高速自轉(zhuǎn)的過(guò)程中破散，污泥絮體中值粒徑從78.8μm減小至15.8～23.3μm，自轉(zhuǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了絮體孔道中的胞外聚合物（EPS）的離心脫附，使厭氧好樣過(guò)程混合回流液中溶解性化學(xué)需氧量與總氮的比值（SCOD/TN）從3.0 提高到4.7～5.8，回流液中污泥比耗氧速率（SOUR）提高了7.2%，反硝化關(guān)鍵酶NAR和NIR的活性分別提高15.1%和17.6%。

基于顆粒高速自轉(zhuǎn)的氣體旋流吸收技術(shù)，錢鵬[51]基于旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)中液滴自轉(zhuǎn)強(qiáng)化氣-液吸收傳質(zhì)的原理，提出通過(guò)利用旋流器內(nèi)液滴高速自轉(zhuǎn)強(qiáng)化H2S選擇性吸收的新方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、高速攝像測(cè)試及實(shí)驗(yàn)等手段，系統(tǒng)研究了旋流自轉(zhuǎn)強(qiáng)化H2S 選擇性吸收的機(jī)理。當(dāng)入口H2S 濃度為100mg/m3時(shí)，脫硫效率達(dá)到96.67%，選擇性大于180。通過(guò)旋流自轉(zhuǎn)進(jìn)行深度脫硫，效率最高達(dá)到98.6%，凈化氣中H2S 含量小于1mg/m3，該技術(shù)成功應(yīng)用到克勞斯硫磺液硫尾氣脫硫工程中。

綜上所述，目前湍流場(chǎng)中顆粒自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是研究的熱點(diǎn)，大量的研究已經(jīng)證實(shí)三維旋轉(zhuǎn)湍流場(chǎng)中顆粒高速自轉(zhuǎn)現(xiàn)象以及顆粒高速自轉(zhuǎn)對(duì)污染物傳遞分離的強(qiáng)化作用。但是對(duì)顆粒自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)理和自轉(zhuǎn)規(guī)律的詳細(xì)解析、調(diào)控以及顆粒自轉(zhuǎn)與污染物傳遞分離的關(guān)聯(lián)仍有待深入研究，這也是基于顆粒高速自轉(zhuǎn)的旋流分離過(guò)程強(qiáng)化方法的研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著旋流分離技術(shù)的發(fā)展，對(duì)旋流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)從介觀尺度轉(zhuǎn)換到旋流分離過(guò)程中微粒界面的傳遞、反應(yīng)、結(jié)構(gòu)、演化過(guò)程的微觀尺度以及微觀、介觀現(xiàn)象與宏觀性能的耦合。針對(duì)旋流器內(nèi)分散相顆粒的運(yùn)動(dòng)，目前也從常規(guī)的繞旋流器軸線的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)拓展到了繞顆粒自身中心的高速自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使旋流分離過(guò)程強(qiáng)化手段從依靠流體-固體壁面結(jié)構(gòu)（旋流分離器的幾何結(jié)構(gòu)）和操作參數(shù)拓展到還外加調(diào)控的功能微球（液滴、氣泡、固粒排序、相態(tài)復(fù)合微球）；其知識(shí)結(jié)構(gòu)也從化學(xué)工程延伸到材料、化學(xué)、生物、物理、環(huán)境等多學(xué)科交叉，應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)的分離凈化擴(kuò)展到旋流吸收、旋流萃取、旋流脫附、土壤修復(fù)等領(lǐng)域。

雖然旋流分離技術(shù)取得了快速的發(fā)展，但旋流分離過(guò)程強(qiáng)化的研究任重而道遠(yuǎn)，尤其是基于顆粒高速自轉(zhuǎn)、自公轉(zhuǎn)耦合誘導(dǎo)的微界面振蕩現(xiàn)象以及微界面振蕩強(qiáng)化污染物分離的機(jī)理及調(diào)控方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，旋流器的應(yīng)用范圍、應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣，其分離精度也必將從微米級(jí)擴(kuò)展到離子、分子及其聚集體。因此，通過(guò)建立旋流器中三維旋轉(zhuǎn)湍流流動(dòng)-顆粒材料運(yùn)動(dòng)-污染物傳遞分離的關(guān)聯(lián)，發(fā)展旋流器中“湍流動(dòng)力學(xué)與顆粒材料運(yùn)動(dòng)學(xué)的綜合理論”，進(jìn)一步提高旋流分離精度、降低旋流分離能耗、拓寬旋流分離應(yīng)用領(lǐng)域，是廣大從事旋流分離技術(shù)科技工作者將為之奮斗的目標(biāo)。