水力旋流器主要参数对分离精度的影响

1、水力旋流器主要参数对分离精度的影响第21卷第3期2011年5月黑龙江科技学院JournalofHeilongjiangInstituteofScience&TechnologyVol_2lNo.3Mav2011文章编号:1671一Ollg(2011)030210-05水力旋流器主要参数对分离精度的影响石小敏,崔裕涛,韦鲁滨(中国矿业大学化学与环境工程学院,北京100083)摘要:研究影响水力旋流器分离精度的诸多因素,是提高分离效率的重要途径之一.采用四因素三水平完全正交实验法,分析底流口直径d.,溢流口直径d溢流管插入深度h给料压力P及它们相互间的一阶交互作用对水力旋流器分离精度的影响

2、.结果表明:当d为10mm,d.为19mm,h为50mm,P为0.07MPa时是分离精度最优的组合方案.关键词:水力旋流器;正交实验;分离精度中图分类号:TD92;TD951文献标志码:A,EffectofmainparametersofhydrocycloneonseparationaccuracySHIXiaomin,CUIYutao,WELubin(SchoolofChemical&EnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China)Abstract:Studyin

3、gthedifferentfactorsaffectingseparationaccuracyofhydrocycloneisoneofthemostimportantwaystopromoteseparationefficiency.Thispaperdealsmainlywiththeeffectofthediam-etersofunderflowmouthd,ovenqowmouthd.,vortexfinderlengthh.,pressurePandthefirstorderinteractionbetweeneachotheronseparationaccuracyofhydroc

4、yclone.Thepaperalsogivesananalysisoftheaffectingextentandruleoftheabovefactorsonseparationaccuracybasedoncompletelyorthogonaltestoffourfactorsatthreedifferentlevels.Theresultsshowthattheoptimalseparationaccuracycomesfromtheconditiond10mm,d.19mm,h.50mmandP0.07MPa.Keywords:hydrocyclone;orthogonaltest;

5、separationaccuracy0引言水力旋流器是分离非均相液体混合物的设备.它可以用于液体澄清,料浆浓缩,固相颗粒洗涤,液体除气与除砂,固相颗粒分离与分级以及两种非互溶液体的分离等多种作业.由于水力旋流器具有结构简单紧凑,无运动部件,占地面积小,易于设计安装,成本低,便于维护和处理量大等优点,己经在矿冶,化工,石油,轻工,环保,建材,煤炭及食品等众多工业部门得到广泛应用.评价水力旋流器的主要分离指标有:处理能力,分股比(或称分流比),分离效率,分离粒度及分离精度.影响水力旋流器分离指标的因素很多,包括结构参数,操作参数,物性参数等.笔者主要研究了底流口直径,溢流口直径,溢流管插入深度及给

6、料压力及它们相互间的一阶交互作用对水力旋流器分离精度影响的主次关系,影响程度及规律并确定收稿日期:20110407基金项目:国家自然科学基金项目(50774087);国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA05Z315);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2010YH06);高等学校博士学科点专项科研基金项目(2006290004)第一作者简介:石小敏(1984一),男,贵州省锦屏人,硕士,研究方向:计算机及多媒体技术在选矿中的应用,E.mail:minxiaoshil07163.corn.第3期石小敏,等:水力旋流器主要参数对分离精度的影响2l1分离精度的最优参数组合.1实验

7、装置与方法1.1实验装置实验装置如图1所示.实验设备主要包括水力旋流器,搅拌器,离心泵和泵的驱动电机,可以通过变频操作改变离心泵驱动机的频率从而改变给料速度及给料压力.图1实验装置示意Fig.1Sketchofexperimentalfacilities水力旋流器几何结构包括旋流器直径D,人料口直径di,底流口直径d,溢流口直径d.,溢流管插入深度h和筒体高度以及锥角,各参数见表1.表1水力旋流器的几何结构参数Table1Geometricparametersofhydrocyclone1.2实验物料与方法实验物料为磁铁矿粉,密度为4.34.5g/ore,粒度分布如表2.分离精度是用来衡量水力

8、旋流器的溢流及底流产品中粗细粒的混杂情况的J,文中把水力旋流器分离效率曲线的E,值做实验评价指标,E,值越小,水力旋流器的分离精度越高,分离或分级过程越精确,效率越好J.一=(d75一25.)/2,式中:E,可能偏差;cf.校正效率曲线上同分配率75%相对应的颗粒粒度;校正效率曲线上同分配率25%相对应的颗粒粒度.为充分考察底流口和溢流口直径,溢流管插人深度,给料压力(P)以及它们相互间的一阶交互作用对水力旋流器分离精度的影响程度及规律,采用四因素三水平完全正交(己.3.)进行实验,表3为因素,水平,取值一览表.表2入料粒度分布Table2Feedingparticlesizedistribu

9、tion表3因素,水平与数值Table3Factors,level,valuelist2结果与分析2.1实验结果及数据分析根据正交实验结果,分别进行直观分析及方差分析,确定各因素及它们的交互作用对分离精度的影响程度与实验的最佳方案组合,实验主要研究底流口直径,溢流口直径,溢流管插入深度,给料压力及它们相互的一阶交互作用对水力旋流器分离精度的影响,故在数据处理中把二阶及三阶交互作用作为误差项考虑.通过直接观察最优方案组合为A2C3D2B1.各因素的极差R:R=295>.=1.67>RBc=1.53>RAB=1.48>Rc:0.95>RD=0.88>RB=0.7

10、3>RAc=0.46>RBD=0.45>RcD=0.37.极差越大说明因素对可能偏差E,的影响越大,因素的主次顺序为A,AD,BC,AB,C,D,B,AC,BD,CD但是极差并不能说明因素对指标的影响程度,因素对指标的影响程度则应通过方差分析经F检212黑龙江科技学院第2l卷验来确定.表4为正交实验的方差分析.表4方差分析Table4Varianceanalysisresults注:Rl(2,60)=2.393,(2,60)=3.150,roo1(2.60)=4.977;l(4,6o)=2.041,f(4,6o)=2.525,R0I(4,6o)=3.649.可以发现AXC,B

11、D,CD的平均偏差平方和小于误差的平均偏差平方和9,则AC,BxD,CXD对可能偏差的影响较小,可以将它们归入误差项e.即Q=2.083+2.198+1.257+70.156=75.694,=4+4+4+48:60,Q=口,=1.262.给定显着性水平=0.O1,0.05,0.10,分别进行检验:=57.440,Ro,(2,60):4.977,则底流口直径对水力旋流器的分离精度的影响是高度显着的,记作”jI=;lt”;R晒(2,6o):3.150<F=3.621<Ro(2,60):4.977,则溢流口直径对水力旋流器的分离精度的影响是很显着的,记作”:IIc”;Fc=5.523&g

12、t;Fo.0l(2,60)=4.977,则溢流管插入深度对水力旋流器的分离精度的影响是高度显着的,记作”女$”;R05(2,60)=3.150<FD=4.574<D】(2,6O)=4.977,则给料压力对水力旋流器的分离精度的影响是很显着的,记作”“;FAB=3.807>Fo.0i(4,60);3.649,则底流口直径与溢流口直径的交互作用对水力旋流器的分离精度的影响是高度显着的,记作”“;FBc:3.768>.0l(4,6O)=3.649,则溢流口直径与溢流管插入深度的交互作用对水力旋流器的分离精度的影响是高度显着的,记作”:.c”;FAD=4.852>Fo.o

13、1(4,6O):3.649,则溢流管插人深度与给料压力的交互作用对水力旋流器的分离精度的影响是高度显着的,记作”“.根据因素对E,影响的主次顺序A,AXD,BXC,AB,C,D,B,AC,BD,CXD由于底流1:3直径(A)对实验单独作用的影响最强,且底流口直径(A)对的影响强于交互作用底流口直径与给料压力(AxD),溢流管直径与溢流管插入深度(BC),底流口直径与溢流口直径(AX8)对影响,交互作用底流口直径与给料压力(AD),溢流管直径与溢流管插入深度(BXC),底流口直径与溢流口直径(AB)对影响强于单因素溢流管插入深度(C),给料压力(D),溢流口直径(B)对E,的影响,所以为了确定实

14、验条件下分离精度的最优方案则先确定底流口直径(A)的最佳水平(A:),然后再综合比较交互作用底流口直径与给料压力(AD),溢流管直径与溢流管插入深度(BXC),底流口直径与溢流口直径(AB)对分离精度的影响来确定它们的最佳水平.交互作用见表57.表5交互作用(AD)平均值二元表Table5Twoelementtableofinteraction(AD)average表6交互作用(AxB)平均值二元表Table6TwoelementtableofintI啪caOn(AxB)average表7交互作用(BC)平均值二元表Table7TwoelementrubleofmteracUon(BC)ave

15、rage根据表57可知,AD,AB.,B.C3为交互作用的最佳搭配,即AzC,D.B,条件下水力旋流器的分离精第3期石小敏,等:水力旋流器主要参数对分离精度的影响213度最好,但直接观察的最优方案组合AcDB.通过表5可以发现A:D与A:D2相比的平均值非常接近,则A:D.与A:D:对影响差别非常小,故可以选择A2D搭配.至此,最优方案组合为A2c3D2BI与直接观察最优方案组合相一致.2.2因素分析2.2.1底流口直径图2为底流口直径分别为8,10,12mm时水力旋流器的校正分离效率曲线.,斛寝植匣lO20304050LLm图2底流口直径对分离效率的影响Fig.2Effectofdiamet

16、erofunderflowmouthonseparationefficiency图2可见,随底流口直径的增加分离效率曲线先变陡再趋缓,即E,值先随底流曰直径的增大而减小,当底流口直径达到一定值后,继续增大直径,值反而增大.说明虽然随着底流口直径的增大,水力旋流器的水量分布比增加,底流产物浓度减小,根据旋流器阻塞理论,底流口直径增大使底流口阻塞效应减弱,使部分固相更能及时排出,从而提高分离精度.但是,当底流口直径增大到一定值后又会使分离精度降低.2.2.2溢流管插入深度图3为溢流管插人深度分别为3O,40,50mm时水力旋流器的校正分离效率曲线.褂键dl1.m图3溢流管插入深度对分离效率的影晌F

17、ig.3Effectofvortexfmderlengthonseparationefficiency可以发现随溢流管插入深度的增加分离效率曲线先陡后缓,即值先随溢流管插入深度的增大而减小,当溢流管插入深度达到一定值后继续加深反而增大.其原因在于如果溢流管插得太深,会在其附近形成大面积的湍流现象,影响等密度曲面的分布,同时由于在旋流器中存在一个由下而上的闭环涡流(即聚积在底流口的物料一部分由低流口排出,一部分进入上内旋流向上运动,在上升的过程再次进行分选),涡流的一部分会进入溢流管,引起回流夹带,从而对溢流形成污染,降低分离精度_4.2.2.3给料压力图4为给料压力分别为0.04,0.07,0

18、.10MPa时水力旋流器的校正分离效率曲线.静较褪dllxm图4给料压力对分离效率的影响Fig.4Effectofinletpressureonseparationefficiency图4可见,随给料压力的增加分离效率曲线先陡再变缓,即值随给料压力的增加逐渐减小,当给料压力增加到一定值后值反而增大.从理论上分析,一方面,给料压力增加,人料流量增大,入料流量的大小直接影响旋流器内三维速度中对分离起主要作用的切向速度的大小,流量增大液流切向速度增加,由离心沉降速度(=4d?(P一P)/(3)丁可以看出,离心沉降速度增大,有利于颗粒向器壁运动,有利于固液分离,这是流量增大分级效率增大,分离精度提高的

19、原因.另一方面,入料流量增大缩短了悬浮液在旋流器内的停留时间t=(1TD)/(4QiD),固液分离的好坏还和悬浮液在旋流器中停留的时间有关,若停留时间过短,有些颗粒还来不及到达旋流器器壁,或来不及随液流流出底流口,就被上升的内旋流携走,随溢流流出,导致分离精度降低.此外,人料流量过大造成分离精度降低的原因还有:给料压力增加,入料流量增大时,旋流器内悬浮液流动的紊流加剧,有一部分被分离出来的颗粒又会重新卷回到内旋流中,随溢流流走,即所谓的固相反串,造成分离效率降低,分离精度降低.给料压力过大,悬浮液的浓缩作用加强,黏度增加,使得悬舳加O214黑龙江科技学院第21卷浮液中的颗粒受到的阻力增加,颗粒

20、最终难以定位,导致分选效果恶化.2.2.4溢流口直径图5为溢流口直径分别为19,22,24mill时水力旋流器的校正分离效率曲线.,瓣较键d/Ixm图5溢流口直径对分离效率的影响Fig.5Effectofdiameterofoverflowmouthonseparationefficiency图5可以发现,分离效率曲线随溢流口直径的增加而变缓,即值随溢流口直径的增加而增大,说明溢流口直径的增加降低了旋流器的分离精度.其原因在于溢流口直径的增加降低了进口与溢流口之问的流动阻力,减小了过流平均速度,溢流管直径越大,人口进液量越大,旋流器溢流分率越大,降低了水力旋流器的分离性能引.3结论(1)底流口对水力旋流器的分离精度有高度显着的影响,随底流口直径的增加,分离精度提高,当底流口直径增加到一定值后分离精度随底流口直径增加而降低.(2)溢流管插入深度对水力旋流器的分离精度有高度显着的影响,随溢流管插入深度的增加,分离精度提高,当溢流管插入深度增加到一定值后分离精度随溢流管插入深度增加而降低.(3)给料压力对水力旋流器的分离精度有高度显着的影响,随给料压力的增加,分离精度提高,当给料压力增加到一定值后分离精度随给料压力增加而降低.(4)溢流口对水力旋流器的分离精度有高度显着的影响,随溢流口直径的增加,分离精度降低.(5)通过因素分析和正交实验,水力旋流分离器分离