旋流分离机理报告

旋流分离机理报告一、水力旋流器的结构及原理1.1固一液分离水力旋流器基本结构用于固液分离的水力旋流器的基本结构如图11所示。第I部分是旋流体，也是主体部分，通常是由上部的圆柱段与下部的圆锥段组成。圆柱段称为旋流腔，液体从切向入口进入旋流腔内产生高速旋转的液流。旋流腔的直径D是水力旋流器的主直径，直径D的大小不但决定了水力旋流器的处理能力，而且也是确定其它参数的重要依据。旋流体长度L是旋流腔长度L1和圆锥段长度L2两段之和。圆锥段的锥角为6,其大小影响水力旋流器分离固体颗粒的能力。I图1-1同-'液水力旋流器结构示意图第II部分是水力旋流器入口，其直径用Di表示。它在旋流腔的切向与旋流腔。根据入口管数量不同，有单入口、双入口和三个以上多入口之分；入口形式主要有涡线型、弧线型、渐开线型等，其目的都是为了减少入口处液流的冲击，使液流容易在旋流腔内形成高速旋转的涡流，并具有稳定的流场。入口横截面形式主要有圆形和矩形等。当截面为非圆形状时，其入口直径Di则是指其当量直径。第III部分是水力旋流器溢流管，即低浓度液体介质出口（固体含量低）它位于旋流腔顶部的中心处，其内径用Du表示。溢流管伸入旋流腔的长度用Lu表示，其大小在不同的设计中也不一样，有的设计中令其为零，即溢流管与旋流腔顶部平齐，不伸入旋流腔内。通常情况下应将其伸入旋流腔内，以降低短路流对旋流器分离效率的影响。第IV部分是水力旋流器的底流管，即高浓度液体介质出口（固体含量高）。它位于圆锥段的下方，其内径用Dd表示，与圆锥段小端直径相等。旋流体、溢流管和底流管位于同一轴线上，在制造上有较高的同轴度要求，以满足水力旋流器的分离性能需要。有的固液分离水力旋流器根据实际情况不设置底流管。在上述结构参数之中，主直径D和圆锥角0两个参数最为重要。这是因为入口直径Di、溢流管直径Du和底流管直径Dd均与D成一定的比例关系，针对不同应用的设计所选用的比例关系也不同，而旋流体长度L是由D和0决定的。这些参数中任何一个参数的变化都会对水力旋流器的性能产生很大的影响。水力旋流器的分离原理如图

1-2所示。当混合介质由切向入口进入旋流腔后，在旋流腔内高速旋转，产生强烈的涡流。在后面连续而来的液体推动下，旋流腔内的液体边旋转边向底流口运动，其运动路径呈螺旋形。旋转的液体进入锥段，旋流器的内径逐渐缩小，液体旋转速度相对加快。由于两相介质的密度差，使两相介质所受的离心力不同，轻质分散相（水及少部分小颗粒）向轴线附近的低压区移动，聚集在轴线附近，边旋转边向溢流口移动，从溢流口排出；分离出的颗粒（含少部分水）则由底流口排出。1.2液一液分离水力旋流器基本结构液-液水力旋流器可以分为四大部分，见图1-3。液-液分离水力旋流器的主体一般由三段组成：圆柱段的旋流腔，其直径为D1，是水力旋流器的重要参数之一，它决定着水力旋流器的处理能力；锥角为a的大锥角锥体段；锥角为0

的小锥角锥体段。大锥角锥体段的小端直径D是旋流器主直径。旋流腔轴向长度用L1表示。a角与e角的大小是极为重要的两个参数，它们的改变将极大地影响液-液分离的性能。第二部分是水力旋流器入口，入口直径Di为入口当量直径。入口横截面形状可分为圆形与矩形两种。液-液分离水力旋流器的入口分为单入口、双入口、三入口及三个以上入口形式，图1-3所示的旋流器是两个互为180度的双入口形式，这种形式的入口可使液体更平稳的进入旋流腔，并在腔内产生稳定的涡流。第三部分是溢流口，直径用Du表示，Du的大小视水力旋流器的用途而定。在从连续相介质中分离轻质分散相介质的情况下，一般轻质分散相介质含量较低，因而溢流口直径Du与D相比很小，反之，如果从轻质连续相介质中分离较重的分散相介质，那么轻质连续相介质要从溢流口中排出，直径Du就较大。至于溢流管深入旋流腔长度Lu，在不同设计中有不同的比例。第四部分是尾管，尾管是一个长圆柱形管，内径用Dd表示，它的顶端与旋流器的小锥角圆锥段的内径相连，其长度用L3表示。尾管的长度一般都较长，是主直径D的若干倍，因而液-液分离用水力旋流器的长度也较大。1.3水力旋流器的特点水力旋流器之所以日益更多的使用在工业中，是因为它具有一般的分离装置所不具备的优点：（1）功能多，分离效率高。水力旋流器可根据实际应用的需要在不同场合下使用。目前已经研制出气-液-固三相分离用水力旋流器，可同时将液体中的气体和固体杂质分离出。在气-固分离方面，用于去除气体中的粉尘的旋风分离器早已使用多年。水力旋流器在应用中分离效率可达90%以上，用途十分广泛。（2） 结构简单，内部没有任何需要维修的运动件、易损件和支撑件，也无需滤料。其结构与容器十分相似，管线连接、阀门控制可实时操作。成本低，在处理量相同时只相当于其他分离设备的几分之一，甚至几十分之一。（3） 占地面积小、安装方便、运行费用低。与处理量相同的其他装置相比，水力旋流器的体积只有其他处理装置的十几分之一，重量只有三、四十分之一，这对于许多受空间限制的场合，如海洋平台等有着特殊的意义。同时，由于重量轻，不需要特殊的安装条件，只需简单的支撑及管线连接即可工作。另外，水力旋流器运行费用很低，如系统管路中有0.5MPa以上的压力，不需要其他动力设备水力旋流器即可正常运行。（4） 使用方便灵活。水力旋流器可以单独使用，也可并联使用来加大处理量，或串联使用增加处理深度。同时还可以根据不同的处理要求改变其结构参数以达到更好的分离效果。此外，由于被处理的液体在水力旋流器内的存留时间仅为几秒钟，这样可以很方便地和其他分离装置联合使用，以达到各种深度的处理要求。（5） 工艺比较简单，运行参数确定后可长期稳定运行，管理方便，有着明显的社会效益和经济效益。特别值得指出的是，这种分离过程完全是在封闭的状态下进行的，净化后的液体和分离的介质均可由管道输送回收，实现了闭路循环，不产生二次污染。二、水利旋流器的分离机理旋流器内涡流运动分析通常所说的旋涡就是涡流，水力旋流器的分离过程就是流体旋涡的产生、发展和消失的过程。涡流运动就是流体的旋转运动，根据流体在旋转运动中质点有无自转现象，将其分为自由涡运动和强制涡运动两大类，其中自由涡运动即流体质点无围绕自身瞬时轴线旋转的运动，其标志是角速度矢量为零，即：□j='：■ （2-1）式中 角速度矢量具有粘性的实际流体不会形成真正的自由涡，自由涡只有在理想的流体中才能实现。强制涡是旋涡运动的主要形式。流体在运动过程中形成旋涡的内在原因是粘性和压差，实际流体由于其粘性作用可以使没有旋涡的流体产生旋涡，也可以削弱原有的旋涡甚至使之消失。因此说，实际流体的运动情况要比理想流体复杂得多。根据旋转流基本方程，当流体围绕垂直轴线作旋转运动时（如图2-1所示），其压力微分方程为：dp=pu^y=p（n2rdr （2-2）图2-1旋转流体微元体示意图反映水头及能量变化规律的旋转运动流体微分方程为：dH=兰上夺—于） （2-3）式中H——总水头自由涡是势涡，是没有外部能量补充的圆周运动，即dH=0，因此有

du+u0

drr

du*dr_0

ur积分上式，得：ln(ur)_0r=c (2-4)(2-4)式说明，流体在作自由涡运动时，其质点的切向速度与流体旋转半径成反比:随着旋转半径的减小切向速度越来越大，在无限远处(r=x)，七二0。当r=0时(即在旋流器核心处)，理论上七二工。但这是不可能的，因为当旋转半径减小到一定程度时，切向速度就不再遵从式2-4所示的规律了，而是符合强制涡的运动规律。(2-5)根据式2-4,在自由涡运动中，无限远处的压力应为最大，设为^根据式2-2和式2-4得：(2-5)P=Poo强制涡运动的流体质点在运动过程中，不但有围绕主轴的公转，还有围绕自强制涡运动的流体质点在运动过程中，不但有围绕主轴的公转，还有围绕自身瞬时轴线的自转，是在外力连续作用下形成和发展的流体旋转运动。流体质点切向速度与其旋转半径成正比:UtfUtf=式中 强制涡流体切向速度；与一一强制涡流体任一半径将式2-6代入式2-2，积分得：2力-Pof-二 (2-7)式中丸一一强制涡中任一点压力值；

Pof强制涡核心处压力值Pof强制涡核心处压力值从以上分析可以看出，在理论上，水力旋流器内部流场是由强制涡和自由涡构成的一种组合涡。但由于水力旋流器内部介质为具有粘性的两相流体，因此说其内部涡流为准自由涡与准强制涡的组合涡结构，中心部分属准强制涡。其压力分布规律是随着半径的增大而升高的，在核心处压力最低;而切向速度则是在中心处为零，随着半径加大而线性升高，在某一半径处达到最大，而后随着半径的增大而呈双曲线型的变化趋势逐渐降为零（在旋流器内壁处）。图旋流器内组图旋流器内组合涡印向速度及压力分布示意图在旋流器中流体不但存在周向旋转运动，还有沿径向的运动。总体上看，入口（最大半径）处的流体不断向核心处运动，分离后排出旋流器。因此抛开周向旋转运动，可以把液体介质的这一流动看作是一种汇流的形式，即由外围向中心原点汇集的流体流动，其流线为一组指向原点的射线，而等压线则是一组同心圆。而在此汇流运动过程中，还存在颗粒向旋流器边壁方向的移动。由于理论上纯汇流核心处的流速应为无穷大，所以说在实际中并不存在真正的汇流，只能为准汇流。汇流和涡流合成的运动叫螺线涡运动，由外向内。按是否有外界能量补充的原则，螺线涡也有自由螺线涡和强制螺线涡两种。水力旋流器分离过程中流体运动的形式，平面上看是汇流和涡流组成的螺线涡，确切地说，外部为准自由螺线涡，而核心处为准强制螺线涡。从立体空间上看，水力旋流器内部的流体运动形式是螺线涡与螺旋流合成的复合运动，同时还有颗粒向旋流器边壁方向的移动，因此说水力旋流器的流形非常复杂。在分离过程中起主要作用的是组合螺线涡中的准自由螺线涡（如图23所示）。图2-3准吨螺线涡示意图三、脱油型水力旋流器的选取3.1设计参数对水力旋流器分离性能的影响在考虑水力旋流器的结构时通常主要考虑水力旋流器的主直径。下面定性地讨论各部分尺寸对水力旋流器性能的影响关系，并得出一些关联式。3.1.1水力旋流器内表面粗糙度的影响水力旋流器是由不同形式的同轴回转体组成的，要求内表面没有任何凸起部分和裂缝，这一点尤其重要。因为表面粗糙及任何凸出部分都能使边界受到破坏，分离效率将受到影响。光滑内壁会增加水力旋流器内液体的轴向流动阻力，提高分离效率。有时，由于使用时间加长逐渐磨光内表面会使处理量和效率有些增加。3.1.2水力旋流器主直径的影响水力旋流器圆锥体段的直径是主要的设计参数，而且所有其它的尺寸通常是相对它而言的。由因次分析法与水力旋流器的两种分离理论（平衡轨道理论和停留时间理论）的关系式可得到三个无因次群间的基本关系式：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——斯托克斯准数（对应于分割尺寸X50）Eu——欧拉准数，是基于水力旋流器静压降的压力损失因素;V——用水力旋流器本体横截面积计算而得的特性速度；D 水力旋流器直径；山口一一连续相液体粘度及密度；Ps——分散相密度；A一一压力差；Kp 常数；Q一一流量+——是0〜0.375间的指数。联立式(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' ' '当流量恒定时，将式(3-6)带入上式可以得出如下关系式：*.：广-D (3-9)由％的变化范围可知D的指数在1.5到1.69范围内。因此，可以得出一个结论，直径小的水力旋流器的分割尺寸小且质量回收率高。这就是常使用多个水力旋流器并联使用，有时甚至数百个小水力旋流器并联组成一个分离装置的原因。水力旋流器并联使用时，保证各水力旋流器的进液量相同是关键，这样使每个水力旋流器的分离性能不受到其它水力旋流器的影响，如同一个单独的水力旋流器工作。3.1.3入口尺寸和形状的影响水力旋流器入口尺寸对水力旋流器的处理量和分离效率起着非常重要的作用，由于它的大小决定了入口速度，因而在很大程度上也影响水力旋流器内的切向速度。入口形状可以是矩形或圆形。圆形入口结构简单，但Kelsall发现长而窄的长方形的入口与横截面积相同的圆形入口相比效果更好。为了不引起搅动及额外的磨损，在设计水力旋流器切向入口时，应满足射流不冲击旋流腔。这个要求可用下式来表示：式中:t——旋流腔的厚度。入口形式为矩形时，上式中的Dj,要用垂直于水力旋流器轴线的边长(通常是矩形的短边)来代替。入口直径对分流比、压力降的影响很小，而对分割尺寸影响是很明显的。Bradley提出了如下的经验关系式：M.o'Ef (3-11)式中n在0.6到0.8之间变化。此式表明，入口直径越小分割尺寸越大，所以在水力旋流器的设计中应在好的分离效率和大的处理量之间权衡，但是，有的研究者认为存在着一个最佳的水力旋流器入口直径。Kelsall在76mm的水力旋流器串联组成的试验装置上，进行试验研究得出，与最大入口速度相对应的入口直径Dj=0.08D为最佳值。Bradley认为入口直径为(0.14~0.17)D比较合适。3.1.4溢流管的长度及直径的影响早期的水力旋流器没有溢流管，溢流是通过水力旋流器顶盖上的孔排放出去的。由于短路流的影响，大量的重质相介质直接从入口进入溢流，大大影响了分离效果。为了减小短路流的影响，引入了溢流管。溢流管的设置使短路流中的重质相介质在通过溢流管底部时较容易重新进入到主流中。3.1.5水力旋流器长度和锥角大小的影响水力旋流器的阻力主要是由总长度决定的。水力旋流器的总长度增加将使压力损失增加，但在一定范围内的增加却能提高分离效率。因此，水力旋流器的长度应在上述两个影响因素之间权衡来确定。液一液水力旋流器的锥体段由两段锥体组成。第一个锥体段是锥角为以的大锥角段，第二个锥体段是锥角为6的小锥角段。=角和6角的大小，对液一液水力旋流器的分离性能影响很大。根据MartinThew等人的研究，所分离混合液性质不同时，其，角和E角的大小显著不同。3.1.6尾管长度的影响尾管是指锥体下面的圆柱形部分。在液一液分离水力旋流器中，少量的分散相介质从溢流口排出，而大量的连续相介质从尾管底流口排出，所以尾管长度是影响液一液水力旋流器分离性能的重要参数。尾管长度影响着水力旋流器的压力降及分离效果。下图是在不改变任何几何参数的情况下，用油水混合液对三种不同的尾管长度进行