旋流分離機理報告

旋流分離機理報告一、水力旋流器的結(jié)構(gòu)及原理1.1固一液分離水力旋流器基本結(jié)構(gòu)用于固液分離的水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)如圖11所示。第I部分是旋流體，也是主體部分，通常是由上部的圓柱段與下部的圓錐段組成。圓柱段稱為旋流腔，液體從切向入口進入旋流腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的液流。旋流腔的直徑D是水力旋流器的主直徑，直徑D的大小不但決定了水力旋流器的處理能力，而且也是確定其它參數(shù)的重要依據(jù)。旋流體長度L是旋流腔長度L1和圓錐段長度L2兩段之和。圓錐段的錐角為6,其大小影響水力旋流器分離固體顆粒的能力。I圖1-1同-'液水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖第II部分是水力旋流器入口，其直徑用Di表示。它在旋流腔的切向與旋流腔。根據(jù)入口管數(shù)量不同，有單入口、雙入口和三個以上多入口之分；入口形式主要有渦線型、弧線型、漸開線型等，其目的都是為了減少入口處液流的沖擊，使液流容易在旋流腔內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流，并具有穩(wěn)定的流場。入口橫截面形式主要有圓形和矩形等。當截面為非圓形狀時，其入口直徑Di則是指其當量直徑。第III部分是水力旋流器溢流管，即低濃度液體介質(zhì)出口（固體含量低）它位于旋流腔頂部的中心處，其內(nèi)徑用Du表示。溢流管伸入旋流腔的長度用Lu表示，其大小在不同的設(shè)計中也不一樣，有的設(shè)計中令其為零，即溢流管與旋流腔頂部平齊，不伸入旋流腔內(nèi)。通常情況下應(yīng)將其伸入旋流腔內(nèi)，以降低短路流對旋流器分離效率的影響。第IV部分是水力旋流器的底流管，即高濃度液體介質(zhì)出口（固體含量高）。它位于圓錐段的下方，其內(nèi)徑用Dd表示，與圓錐段小端直徑相等。旋流體、溢流管和底流管位于同一軸線上，在制造上有較高的同軸度要求，以滿足水力旋流器的分離性能需要。有的固液分離水力旋流器根據(jù)實際情況不設(shè)置底流管。在上述結(jié)構(gòu)參數(shù)之中，主直徑D和圓錐角0兩個參數(shù)最為重要。這是因為入口直徑Di、溢流管直徑Du和底流管直徑Dd均與D成一定的比例關(guān)系，針對不同應(yīng)用的設(shè)計所選用的比例關(guān)系也不同，而旋流體長度L是由D和0決定的。這些參數(shù)中任何一個參數(shù)的變化都會對水力旋流器的性能產(chǎn)生很大的影響。水力旋流器的分離原理如圖

1-2所示。當混合介質(zhì)由切向入口進入旋流腔后，在旋流腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強烈的渦流。在后面連續(xù)而來的液體推動下，旋流腔內(nèi)的液體邊旋轉(zhuǎn)邊向底流口運動，其運動路徑呈螺旋形。旋轉(zhuǎn)的液體進入錐段，旋流器的內(nèi)徑逐漸縮小，液體旋轉(zhuǎn)速度相對加快。由于兩相介質(zhì)的密度差，使兩相介質(zhì)所受的離心力不同，輕質(zhì)分散相（水及少部分小顆粒）向軸線附近的低壓區(qū)移動，聚集在軸線附近，邊旋轉(zhuǎn)邊向溢流口移動，從溢流口排出；分離出的顆粒（含少部分水）則由底流口排出。1.2液一液分離水力旋流器基本結(jié)構(gòu)液-液水力旋流器可以分為四大部分，見圖1-3。液-液分離水力旋流器的主體一般由三段組成：圓柱段的旋流腔，其直徑為D1，是水力旋流器的重要參數(shù)之一，它決定著水力旋流器的處理能力；錐角為a的大錐角錐體段；錐角為0

的小錐角錐體段。大錐角錐體段的小端直徑D是旋流器主直徑。旋流腔軸向長度用L1表示。a角與e角的大小是極為重要的兩個參數(shù)，它們的改變將極大地影響液-液分離的性能。第二部分是水力旋流器入口，入口直徑Di為入口當量直徑。入口橫截面形狀可分為圓形與矩形兩種。液-液分離水力旋流器的入口分為單入口、雙入口、三入口及三個以上入口形式，圖1-3所示的旋流器是兩個互為180度的雙入口形式，這種形式的入口可使液體更平穩(wěn)的進入旋流腔，并在腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的渦流。第三部分是溢流口，直徑用Du表示，Du的大小視水力旋流器的用途而定。在從連續(xù)相介質(zhì)中分離輕質(zhì)分散相介質(zhì)的情況下，一般輕質(zhì)分散相介質(zhì)含量較低，因而溢流口直徑Du與D相比很小，反之，如果從輕質(zhì)連續(xù)相介質(zhì)中分離較重的分散相介質(zhì)，那么輕質(zhì)連續(xù)相介質(zhì)要從溢流口中排出，直徑Du就較大。至于溢流管深入旋流腔長度Lu，在不同設(shè)計中有不同的比例。第四部分是尾管，尾管是一個長圓柱形管，內(nèi)徑用Dd表示，它的頂端與旋流器的小錐角圓錐段的內(nèi)徑相連，其長度用L3表示。尾管的長度一般都較長，是主直徑D的若干倍，因而液-液分離用水力旋流器的長度也較大。1.3水力旋流器的特點水力旋流器之所以日益更多的使用在工業(yè)中，是因為它具有一般的分離裝置所不具備的優(yōu)點：（1）功能多，分離效率高。水力旋流器可根據(jù)實際應(yīng)用的需要在不同場合下使用。目前已經(jīng)研制出氣-液-固三相分離用水力旋流器，可同時將液體中的氣體和固體雜質(zhì)分離出。在氣-固分離方面，用于去除氣體中的粉塵的旋風分離器早已使用多年。水力旋流器在應(yīng)用中分離效率可達90%以上，用途十分廣泛。（2） 結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部沒有任何需要維修的運動件、易損件和支撐件，也無需濾料。其結(jié)構(gòu)與容器十分相似，管線連接、閥門控制可實時操作。成本低，在處理量相同時只相當于其他分離設(shè)備的幾分之一，甚至幾十分之一。（3） 占地面積小、安裝方便、運行費用低。與處理量相同的其他裝置相比，水力旋流器的體積只有其他處理裝置的十幾分之一，重量只有三、四十分之一，這對于許多受空間限制的場合，如海洋平臺等有著特殊的意義。同時，由于重量輕，不需要特殊的安裝條件，只需簡單的支撐及管線連接即可工作。另外，水力旋流器運行費用很低，如系統(tǒng)管路中有0.5MPa以上的壓力，不需要其他動力設(shè)備水力旋流器即可正常運行。（4） 使用方便靈活。水力旋流器可以單獨使用，也可并聯(lián)使用來加大處理量，或串聯(lián)使用增加處理深度。同時還可以根據(jù)不同的處理要求改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)以達到更好的分離效果。此外，由于被處理的液體在水力旋流器內(nèi)的存留時間僅為幾秒鐘，這樣可以很方便地和其他分離裝置聯(lián)合使用，以達到各種深度的處理要求。（5） 工藝比較簡單，運行參數(shù)確定后可長期穩(wěn)定運行，管理方便，有著明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。特別值得指出的是，這種分離過程完全是在封閉的狀態(tài)下進行的，凈化后的液體和分離的介質(zhì)均可由管道輸送回收，實現(xiàn)了閉路循環(huán)，不產(chǎn)生二次污染。二、水利旋流器的分離機理旋流器內(nèi)渦流運動分析通常所說的旋渦就是渦流，水力旋流器的分離過程就是流體旋渦的產(chǎn)生、發(fā)展和消失的過程。渦流運動就是流體的旋轉(zhuǎn)運動，根據(jù)流體在旋轉(zhuǎn)運動中質(zhì)點有無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，將其分為自由渦運動和強制渦運動兩大類，其中自由渦運動即流體質(zhì)點無圍繞自身瞬時軸線旋轉(zhuǎn)的運動，其標志是角速度矢量為零，即：□j='：■ （2-1）式中 角速度矢量具有粘性的實際流體不會形成真正的自由渦，自由渦只有在理想的流體中才能實現(xiàn)。強制渦是旋渦運動的主要形式。流體在運動過程中形成旋渦的內(nèi)在原因是粘性和壓差，實際流體由于其粘性作用可以使沒有旋渦的流體產(chǎn)生旋渦，也可以削弱原有的旋渦甚至使之消失。因此說，實際流體的運動情況要比理想流體復(fù)雜得多。根據(jù)旋轉(zhuǎn)流基本方程，當流體圍繞垂直軸線作旋轉(zhuǎn)運動時（如圖2-1所示），其壓力微分方程為：dp=pu^y=p（n2rdr （2-2）圖2-1旋轉(zhuǎn)流體微元體示意圖反映水頭及能量變化規(guī)律的旋轉(zhuǎn)運動流體微分方程為：dH=蘭上奪—于） （2-3）式中H——總水頭自由渦是勢渦，是沒有外部能量補充的圓周運動，即dH=0，因此有

du+u0

drr

du*dr_0

ur積分上式，得：ln(ur)_0r=c (2-4)(2-4)式說明，流體在作自由渦運動時，其質(zhì)點的切向速度與流體旋轉(zhuǎn)半徑成反比:隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小切向速度越來越大，在無限遠處(r=x)，七二0。當r=0時(即在旋流器核心處)，理論上七二工。但這是不可能的，因為當旋轉(zhuǎn)半徑減小到一定程度時，切向速度就不再遵從式2-4所示的規(guī)律了，而是符合強制渦的運動規(guī)律。(2-5)根據(jù)式2-4,在自由渦運動中，無限遠處的壓力應(yīng)為最大，設(shè)為^根據(jù)式2-2和式2-4得：(2-5)P=Poo強制渦運動的流體質(zhì)點在運動過程中，不但有圍繞主軸的公轉(zhuǎn)，還有圍繞自強制渦運動的流體質(zhì)點在運動過程中，不但有圍繞主軸的公轉(zhuǎn)，還有圍繞自身瞬時軸線的自轉(zhuǎn)，是在外力連續(xù)作用下形成和發(fā)展的流體旋轉(zhuǎn)運動。流體質(zhì)點切向速度與其旋轉(zhuǎn)半徑成正比:UtfUtf=式中 強制渦流體切向速度；與一一強制渦流體任一半徑將式2-6代入式2-2，積分得：2力-Pof-二 (2-7)式中丸一一強制渦中任一點壓力值；

Pof強制渦核心處壓力值Pof強制渦核心處壓力值從以上分析可以看出，在理論上，水力旋流器內(nèi)部流場是由強制渦和自由渦構(gòu)成的一種組合渦。但由于水力旋流器內(nèi)部介質(zhì)為具有粘性的兩相流體，因此說其內(nèi)部渦流為準自由渦與準強制渦的組合渦結(jié)構(gòu)，中心部分屬準強制渦。其壓力分布規(guī)律是隨著半徑的增大而升高的，在核心處壓力最低;而切向速度則是在中心處為零，隨著半徑加大而線性升高，在某一半徑處達到最大，而后隨著半徑的增大而呈雙曲線型的變化趨勢逐漸降為零（在旋流器內(nèi)壁處）。圖旋流器內(nèi)組圖旋流器內(nèi)組合渦印向速度及壓力分布示意圖在旋流器中流體不但存在周向旋轉(zhuǎn)運動，還有沿徑向的運動?？傮w上看，入口（最大半徑）處的流體不斷向核心處運動，分離后排出旋流器。因此拋開周向旋轉(zhuǎn)運動，可以把液體介質(zhì)的這一流動看作是一種匯流的形式，即由外圍向中心原點匯集的流體流動，其流線為一組指向原點的射線，而等壓線則是一組同心圓。而在此匯流運動過程中，還存在顆粒向旋流器邊壁方向的移動。由于理論上純匯流核心處的流速應(yīng)為無窮大，所以說在實際中并不存在真正的匯流，只能為準匯流。匯流和渦流合成的運動叫螺線渦運動，由外向內(nèi)。按是否有外界能量補充的原則，螺線渦也有自由螺線渦和強制螺線渦兩種。水力旋流器分離過程中流體運動的形式，平面上看是匯流和渦流組成的螺線渦，確切地說，外部為準自由螺線渦，而核心處為準強制螺線渦。從立體空間上看，水力旋流器內(nèi)部的流體運動形式是螺線渦與螺旋流合成的復(fù)合運動，同時還有顆粒向旋流器邊壁方向的移動，因此說水力旋流器的流形非常復(fù)雜。在分離過程中起主要作用的是組合螺線渦中的準自由螺線渦（如圖23所示）。圖2-3準噸螺線渦示意圖三、脫油型水力旋流器的選取3.1設(shè)計參數(shù)對水力旋流器分離性能的影響在考慮水力旋流器的結(jié)構(gòu)時通常主要考慮水力旋流器的主直徑。下面定性地討論各部分尺寸對水力旋流器性能的影響關(guān)系，并得出一些關(guān)聯(lián)式。3.1.1水力旋流器內(nèi)表面粗糙度的影響水力旋流器是由不同形式的同軸回轉(zhuǎn)體組成的，要求內(nèi)表面沒有任何凸起部分和裂縫，這一點尤其重要。因為表面粗糙及任何凸出部分都能使邊界受到破壞，分離效率將受到影響。光滑內(nèi)壁會增加水力旋流器內(nèi)液體的軸向流動阻力，提高分離效率。有時，由于使用時間加長逐漸磨光內(nèi)表面會使處理量和效率有些增加。3.1.2水力旋流器主直徑的影響水力旋流器圓錐體段的直徑是主要的設(shè)計參數(shù)，而且所有其它的尺寸通常是相對它而言的。由因次分析法與水力旋流器的兩種分離理論（平衡軌道理論和停留時間理論）的關(guān)系式可得到三個無因次群間的基本關(guān)系式：so*Eu=Const(3-1)Eu=KpRenP(3-2)Re*(3-3)n_Ap(3-4)stK*= -PK二印D(3-5)40v= nD2(3-6)式中：stj——斯托克斯準數(shù)（對應(yīng)于分割尺寸X50）Eu——歐拉準數(shù)，是基于水力旋流器靜壓降的壓力損失因素;V——用水力旋流器本體橫截面積計算而得的特性速度；D 水力旋流器直徑；山口一一連續(xù)相液體粘度及密度；Ps——分散相密度；A一一壓力差；Kp 常數(shù)；Q一一流量+——是0?0.375間的指數(shù)。聯(lián)立式(3-1),(3-2),(3-3)得:TOC\o"1-5"\h\z在*IQRL?=Const (3-7)18|1DP ' '『匕空^=匚。心 (3-8)18J1DP&|1' ' '當流量恒定時，將式(3-6)帶入上式可以得出如下關(guān)系式：*.：廣-D (3-9)由％的變化范圍可知D的指數(shù)在1.5到1.69范圍內(nèi)。因此，可以得出一個結(jié)論，直徑小的水力旋流器的分割尺寸小且質(zhì)量回收率高。這就是常使用多個水力旋流器并聯(lián)使用，有時甚至數(shù)百個小水力旋流器并聯(lián)組成一個分離裝置的原因。水力旋流器并聯(lián)使用時，保證各水力旋流器的進液量相同是關(guān)鍵，這樣使每個水力旋流器的分離性能不受到其它水力旋流器的影響，如同一個單獨的水力旋流器工作。3.1.3入口尺寸和形狀的影響水力旋流器入口尺寸對水力旋流器的處理量和分離效率起著非常重要的作用，由于它的大小決定了入口速度，因而在很大程度上也影響水力旋流器內(nèi)的切向速度。入口形狀可以是矩形或圓形。圓形入口結(jié)構(gòu)簡單，但Kelsall發(fā)現(xiàn)長而窄的長方形的入口與橫截面積相同的圓形入口相比效果更好。為了不引起攪動及額外的磨損，在設(shè)計水力旋流器切向入口時，應(yīng)滿足射流不沖擊旋流腔。這個要求可用下式來表示：式中:t——旋流腔的厚度。入口形式為矩形時，上式中的Dj,要用垂直于水力旋流器軸線的邊長(通常是矩形的短邊)來代替。入口直徑對分流比、壓力降的影響很小，而對分割尺寸影響是很明顯的。Bradley提出了如下的經(jīng)驗關(guān)系式：M.o'Ef (3-11)式中n在0.6到0.8之間變化。此式表明，入口直徑越小分割尺寸越大，所以在水力旋流器的設(shè)計中應(yīng)在好的分離效率和大的處理量之間權(quán)衡，但是，有的研究者認為存在著一個最佳的水力旋流器入口直徑。Kelsall在76mm的水力旋流器串聯(lián)組成的試驗裝置上，進行試驗研究得出，與最大入口速度相對應(yīng)的入口直徑Dj=0.08D為最佳值。Bradley認為入口直徑為(0.14~0.17)D比較合適。3.1.4溢流管的長度及直徑的影響早期的水力旋流器沒有溢流管，溢流是通過水力旋流器頂蓋上的孔排放出去的。由于短路流的影響，大量的重質(zhì)相介質(zhì)直接從入口進入溢流，大大影響了分離效果。為了減小短路流的影響，引入了溢流管。溢流管的設(shè)置使短路流中的重質(zhì)相介質(zhì)在通過溢流管底部時較容易重新進入到主流中。3.1.5水力旋流器長度和錐角大小的影響水力旋流器的阻力主要是由總長度決定的。水力旋流器的總長度增加將使壓力損失增加，但在一定范圍內(nèi)的增加卻能提高分離效率。因此，水力旋流器的長度應(yīng)在上述兩個影響因素之間權(quán)衡來確定。液一液水力旋流器的錐體段由兩段錐體組成。第一個錐體段是錐角為以的大錐角段，第二個錐體段是錐角為6的小錐角段。=角和6角的大小，對液一液水力旋流器的分離性能影響很大。根據(jù)MartinThew等人的研究，所分離混合液性質(zhì)不同時，其，角和E角的大小顯著不同。3.1.6尾管長度的影響尾管是指錐體下面的圓柱形部分。在液一液分離水力旋流器中，少量的分散相介質(zhì)從溢流口排出，而大量的連續(xù)相介質(zhì)從尾管底流口排出，所以尾管長度是影響液一液水力旋流器分離性能的重要參數(shù)。尾管長度影響著水力旋流器的壓力降及分離效果。下圖是在不改變?nèi)魏螏缀螀?shù)的情況下，用油水混合液對三種不同的尾管長度進行