組合式水力旋流器操作參數(shù)對其分離性能的影響研究*

劉仁桓 王金花 謝知峻 焦慧娟 孟慶宇 金有海

(1. 中國石油大學(北京)；2. 中國石油大學(華東))

水力旋流器是一種高效分離設備，它結(jié)構(gòu)簡單，沒有運動部件，因而操作維護方便，在氣-液-固物系的非均相分離過程得到廣泛應用[1]。

近年來，各工業(yè)領域的發(fā)展對分離技術(shù)與裝備提出更多的要求，分離設備的發(fā)展非常迅猛，多元復合分離技術(shù)得到更多地研究，旋流器組合化成為一種發(fā)展趨勢[2]。目前，一些研究者提出了一些改進結(jié)構(gòu)，這些改進結(jié)構(gòu)對組合后的旋流器分離性能有了不同程度的提升[3，4]。

筆者提出了一種將兩個水力旋流器串聯(lián)的組合式水力旋流器結(jié)構(gòu)[4]，并通過實驗考察操作參數(shù)對組合式水力旋流器的性能影響，以期為新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和應用提供指導。

1 結(jié)構(gòu)設計

組合式水力旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，混合液由第一級旋流器A的進料腔沿一級導向器流道進入一級筒體內(nèi)，并在筒體內(nèi)形成一個高速旋轉(zhuǎn)的離心力場，進行一次分離；一次分離后的重相在離心力場和軸向壓力的作用下沿一級筒體和錐體繼續(xù)下行，通過二級旋流器B的二級導向器，在二級旋流器進行二級分離，分離后殘液(重相)由底流管排出，輕相則由二級溢流口匯集到上一級旋流器與一級分離的輕相一同從溢流口排出。

圖1 組合式水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

組合式水力旋流器的分離原理與常規(guī)的水力旋流器相同，結(jié)構(gòu)上更像是兩個水力旋流器同軸串聯(lián)，但又有所不同：從外觀上看，是一個進口和兩個出口，更像是一個水力旋流器，但內(nèi)部有兩個上升通道和兩個下降通道，巧妙地將一級旋流器的底流出口和二級入口合成一體，結(jié)構(gòu)緊湊，在提高分離效率的情況下，減少設備所占空間以及工業(yè)能耗。

2 實驗裝置介紹

實驗裝置系統(tǒng)流程如圖2所示，主要由供料系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、被測設備和測量裝置4部分組成。實驗前，將水和固體顆粒按一定的比例加入料罐，用攪拌器將物料混合均勻；然后開啟泵，物料由泵吸入，經(jīng)流量計和管路系統(tǒng)進入被測設備(組合式水力旋流器)中。旋流器經(jīng)過兩級分離后，溢流液經(jīng)流量計和管路系統(tǒng)流回到料罐，底流液則由管路系統(tǒng)直接返回料罐。

圖2 實驗裝置流程

實驗中選用石英砂與清水攪拌混合制成實驗物料，其密度為3 000kg/m3，所用物料的粒度可用Coulter激光粒度儀測得(表1)。

表1 實驗物料粒度分布

實驗中，記錄壓力和流量數(shù)據(jù)，并采集進出口物料試樣。壓力用0.01級的精密壓力表測量，流量選用浮子流量計計量，試樣固含量用濾膜稱重分析法測得，體積用量筒測試，換算所需濃度。

3 操作參數(shù)的影響分析

水力旋流器的結(jié)構(gòu)設計方法有很多，筆者參考前人的文獻[5～8]，所設計的組合式旋流過濾器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

一級葉片出口角θ115°

一級直筒直徑D150mm

總長度L475mm

二級導向葉片出口角θ220°

二級直筒長度 50mm

二級直筒直徑D230mm

在前人研究的基礎上[9～11]，研究操作參數(shù)對組合式旋流器分離性能的影響，主要考察入口濃度、底流率及入口流量等操作參數(shù)對分離性能的影響。

3.1入口濃度的影響

當實驗底流率為15%時，入口濃度分別采用1.5、0.8g/L，測得入口流量與分離效率和壓力降的關系分別如圖3、4所示。

圖3 不同入口濃度時入口流量與分離效率的關系

圖4 不同入口濃度時入口流量與壓力降的關系

從圖3可以看出，當入口流量小于1.8m3/h時，低濃度分離效率高。在入口流量為1.3m3/h時，濃度為1.5g/L的分離效率為75%，濃度為0.8g/L的分離效率為81%；當入口流量達到1.8m3/h時，兩濃度的分離效率相當。這是因為，流量較低時，進料口懸浮液顆粒濃度較大，底流口排出的固體顆粒濃度增大；但濃度的增大會使在二級旋流器內(nèi)進行分離時，由于顆粒間摩擦、碰撞使得旋流器內(nèi)的顆粒運動由自由沉降轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮娉两?，徑向沉降速度降低，因而分離效率降低。由于底流口直徑限制，分離出來的固體顆粒不能及時快速排出而堆積在底流口附近，使底流口的有效流通面積減小，導致部分分離至底流中的顆粒又被內(nèi)旋中心流夾帶逃逸到溢流，降低了分離效率；當流量增大到一定值時，由于流量增大底流口排出的固體顆?？梢皂樌谋粠С鲈斐煞蛛x效率升高。

從圖4可以看出，入口濃度越高壓力降就越大，在入口流量為1.8m3/h時，1.5g/L濃度的壓力降為0.135MPa，0.8g/L濃度的壓力降為0.130MPa。這是因為，隨著入口濃度升高，顆粒間以及顆粒與器壁間出現(xiàn)碰撞摩擦而增加能耗；顆粒濃度越大，這種的碰撞和摩擦就越大，阻力也就越大，產(chǎn)生能量損失也越大，壓力降也就越大。

3.2底流率的影響

當實驗入口濃度為1.5g/L時，底流率分別采用5%、10%、15%，測得入口流量與分離效率和壓力降的關系分別如圖5、6所示。

從圖5可以明顯看出，隨著底流率的增大，組合式水力旋流器的分離效率有顯著的提高。這是因為，底流率的增大，使得底流流量加大，誘使一部分小顆粒跟隨流體從底流一起排出，同時液體流量增大能夠及時帶走底流口附近已分離的顆粒，減少了內(nèi)旋流對小顆粒的返混夾帶，故而分離效率有所上升。

從圖6可以看出，隨著底流率的增大壓力降也隨著上升，但增幅很小，這與普通的水力旋流器規(guī)律相反。這是因為，底流率的增大，使得一級旋流器分離后進入二級旋流器的入口流量增大；二次分離的流量增大使得在二次分離中產(chǎn)生的能耗也增大。造成此能耗的主要原因是旋流器內(nèi)的內(nèi)部能耗，固體顆粒之間的摩擦、碰撞以及固體顆粒和旋流器壁的摩擦和碰撞。由于能耗的增大，導致壓力降略有增大。

圖5 不同底流率時入口流量與分離效率的關系

圖6 不同底流率時入口流量與壓力降的關系

3.3入口流量的影響

從圖3、5都可以明顯看出，隨著入口流量的增大，組合式水力旋流器的分離效率有顯著的提高。這是因為，入口流量升高，使得入口流速增加，旋流器內(nèi)離心力場加劇，顆粒更容易克服流體的阻力達到器壁而分離，所以較容易被帶到底流口排出，從而獲得較高的分離效率。但是流速過大會導致分離效率降低，設計時要綜合考慮選擇一個適當?shù)娜肟诹髁俊?/p>

從圖4、6都可以明顯看出，隨著入口流量的增大，組合式水力旋流器的壓力降有顯著的增大。這是因為，旋流器的壓力降代表了分離過程所必須的能量，包括進口能量損失、出口能量損失、錐段縮小能量損失及沿程能量損失等幾部分。這幾種能量損失均隨進口流速的增大而增加，因而使得組合式水力旋流器的壓力降上升。

4 結(jié)論

4.1入口流量小于臨界值時，入口濃度越高分離效率越低；當入口流量達到或超過臨界值時，高濃度和低濃度介質(zhì)的分離效率相當；入口濃度越高，壓力降就越大。

4.2底流率越高，分離效率越高，壓力降也越大，但壓力降增幅不大。

4.3入口流量越大，分離效率越高，壓力降越大，但流量過大，分離效率會降低。

參考文獻

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