固-液旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展

王蛟洋， 王 舜， 朱麗云， 王振波

（中國石油大學（華東） 新能源學院， 山東青島 266580）

固液分離在選礦、環(huán)保、化工、生物工程及食品等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用［1-4］。目前常見的分離方法有沉降分離、過濾分離、靜電分離和離心分離。 沉降分離效率低，耗費時間長，設(shè)備占地大，且難以處理細微顆粒［5-6］。過濾分離雖然分離效率穩(wěn)定可觀，同樣存在設(shè)備投資大、設(shè)備壽命短等問題。 靜電分離的分離效果好， 有著較高的分離精度，但局限于顆粒濃度較低的液固體系，且存在投資大、操作難度高及難以維護等問題［7］。離心分離分為離心機分離和旋流分離， 離心機分離需要提供能量使其旋轉(zhuǎn)，所需能量比旋流分離大得多，并且造價昂貴、處理量小。對比以上分離方法存在的各種問題，旋流分離法具有分離效果好、操作流程簡單、投資少且安全可靠等優(yōu)點［8］。 基于以上優(yōu)點，旋流器被廣泛應(yīng)用于在汽車、選礦、冶金及環(huán)保等行業(yè)［9-13］。 目前學者們對于固-液旋流器的研究主要集中在如何提升分離效率［14］，以及如何降低壓降［15］，通?？梢酝ㄟ^優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)以及操作參數(shù)的方式來實現(xiàn)上述2 種目的［16-17］。

本文主要介紹旋流器結(jié)構(gòu)及工作原理， 重點介紹旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離的影響以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展，為固-液旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 固-液旋流器結(jié)構(gòu)及工作原理

固-液旋流器的基本結(jié)構(gòu)見圖1， 由圓柱段、圓錐段、進料口、溢流管及底流管組成［18］。 待分離混合液通過進料口處造旋，然后進入圓柱段，由入口直線流變成高速旋轉(zhuǎn)流， 在產(chǎn)生的強旋轉(zhuǎn)剪切力作用下，待分離混合液向下作螺旋線運動，重相介質(zhì)受離心力作用被甩向器壁， 在后續(xù)流體的推動下，沿著器壁向下流動，由底流口排出。 由于旋流器內(nèi)徑方向壓力分布不均勻， 其中心位置會形成低壓區(qū)，輕相介質(zhì)向低壓區(qū)運動，向軸心聚集，在后續(xù)流體的推動下，從頂部溢流口排出［19］。圖1中，底流指由底部排出的重相混合液，溢流指從頂部排出的輕相介質(zhì)。

圖1 固-液旋流器結(jié)構(gòu)及工作原理示圖

上述分離過程與旋流器各個部分的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。圓柱段是旋流器分離空間之一，其直徑大小不僅決定了旋流器的處理能力， 也影響著旋流器分離精度。圓錐段是旋流器內(nèi)的主要分離空間，影響著分離精度和能量損耗。 進料口大小決定了入口流速大小，影響著旋流器內(nèi)離心力場大小。底流管是高濃度介質(zhì)出口， 底流口大小影響著內(nèi)部流場穩(wěn)定性，從而對分離效率產(chǎn)生影響。溢流出口為低濃度介質(zhì)出口，其直徑、結(jié)構(gòu)形式及插入深度等參數(shù)影響了短路流的形成與發(fā)展。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離的影響及優(yōu)化

工業(yè)生產(chǎn)過程中涉及的介質(zhì)復(fù)雜多變， 采用統(tǒng)一的旋流器結(jié)構(gòu)無法滿足不同的生產(chǎn)工藝分離要求，往往需要根據(jù)不同物料特性、分離環(huán)境等來調(diào)整旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)［20］。 以下從進料口、溢流管、底流口、柱段與錐段、內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化等方面闡述固-液旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進展。

2.1 進料口

物料從進料口進入旋流器， 進料口參數(shù)主要包括進料口形狀、 直徑(非圓形進料口取當量直徑)、造旋結(jié)構(gòu)等。

進料口形狀一般有圓形和方形， 通常為了盡量減少底流夾細和溢流跑粗的問題， 建議采用適宜的長寬比矩形進料口［21-22］。

進料口直徑大小會對混合介質(zhì)進入旋流器的切向速度直接產(chǎn)生影響。流量確定的情況下，進料口直徑增大，旋流器內(nèi)切向速度減小［23］，旋流器內(nèi)離心力流場強度減小，分離效率下降。但如果進料口直徑設(shè)計過小，就會對其產(chǎn)生磨損，從而影響旋流器壽命并且會對流場穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。 在處理量不變時， 可以通過增加旋流器入口數(shù)量減小入口磨損及提高流場穩(wěn)定性［24-25］。

旋流器進料口的造旋結(jié)構(gòu)分為切流式和軸流式2 類。 切流式中，最常見的為直切式，直切式進料口進料時，物料進口速度過大，沖擊強度大，容易導(dǎo)致進口流場不穩(wěn)定。 為了提高旋流器內(nèi)流場穩(wěn)定性，有研究者提出了螺旋線進料口［26-28］。

典型的軸流式旋流器（圖2）的造旋構(gòu)件為導(dǎo)向葉片， 當流體流經(jīng)葉片時會使軸向流動變?yōu)樾D(zhuǎn)流動而產(chǎn)生穩(wěn)定的旋流場［29］。 因此，相比于切流式旋流器，軸流式旋流器具有結(jié)構(gòu)更緊湊、流場更加穩(wěn)定、分離效率更高及能耗更低等優(yōu)勢［30-31］。在切流式旋流器無法滿足工業(yè)條件的時候， 可以考慮使用軸流式旋流器。

圖2 軸流式旋流器結(jié)構(gòu)示圖

2.2 溢流管

溢流管是旋流器分離后輕相介質(zhì)的出口，主要通過影響短路流的形成與發(fā)展來影響分離性能。 溢流管插入過淺或溢流管直徑過大都會產(chǎn)生明顯的短路流［32-33］，短路流會導(dǎo)致溢流跑粗，使粗顆?；烊胍缌骺冢瑢?dǎo)致分離效率與精度降低，采用適當?shù)囊缌鞴懿迦肷疃瓤梢杂行p少短路流現(xiàn)象的發(fā)生。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，溢流管最優(yōu)插入深度為(0.28～0.93)D(D 為柱段直徑)［34-36］， 最優(yōu)溢流管直徑大小一般取(0.11～0.2)D［37-39］。 此外，還可通過改變溢流管結(jié)構(gòu)形狀來削弱短路流的影響［40］，比如增大壁厚或采用非傳統(tǒng)圓柱型溢流管結(jié)構(gòu)［41-44］。

2.3 底流管

底流管是旋流器分離后重相介質(zhì)出口， 底流口直徑大小對旋流器分離性能影響較大。 在溢流管直徑與流量不變的情況下，底流口直徑越大，分離效率越大，分流比(分流比指溢流量與總流量之比)越高，分離效果越差。 此外，過大的底流口直徑會引起濃縮倍數(shù) （底流出口濃度與入口濃度比值）降低，分離精度下降［45-46］。 隨著低流口直徑的減小，分流比增大，分離效果逐漸變好，但底流口直徑過小易發(fā)生堵塞，紊亂旋流器內(nèi)流場，分離效率降低。 綜合上述因素， 底流口直徑一般取(0.07～0.14)D［47-48］。

2.4 柱體段

旋流器結(jié)構(gòu)中的柱體段對分離過程有著非常重要的影響， 旋流器柱體段結(jié)構(gòu)參數(shù)有長度和直徑，主要影響停留時間和處理能力。

柱體段長度越長，分離空間越大，物料在旋流器內(nèi)停留時間越長，物料能夠獲得更多的離心力，分離效果就越好［49］。 柱體段過長不但意味著更高的材料成本， 而且會增大能量損失導(dǎo)致切向速度降低，進而引起固液分離的驅(qū)動力降低，所以柱體段的長度要根據(jù)實際工況確定。

柱體段直徑?jīng)Q定著旋流器的處理能力和分離粒度。同時，柱體段直徑也是確定底流口直徑與溢流口直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)，一般情況下，柱體段直徑越大， 處理能力與分離粒度都更大， 直徑越小，處理精度越高。 分離細微顆粒時，一般會采用小直徑旋流器或微旋流器［50］，但是小直徑旋流器容易出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象， 并且堵塞后清理操作難度較高［51］，所以在設(shè)計旋流器柱段直徑時應(yīng)綜合考慮這些因素。

2.5 錐體段

旋流器錐體段是主要的分離空間， 其主要參數(shù)是錐角，錐角會對旋流場內(nèi)部產(chǎn)生影響，旋流器錐角增大，會使分離器內(nèi)流體切向速度降低，分離粒度增大，分離精度減小，壓降增高，能量損耗增高。 減小錐角會使內(nèi)部流體的切向速度與軸向速度增大，對細顆粒的分離有著促進作用，但過小的錐角又會使錐體段的渦流強度增加， 不利于對固相的分離［52-54］。 所以實際選擇時要根據(jù)處理顆粒的粒度， 以及圓柱段的設(shè)計尺寸具體決定錐角的大?。?5］。

2.6 內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化

除去以上的結(jié)構(gòu)參數(shù)， 旋流器的內(nèi)構(gòu)件也會影響其分離性能。在旋流器頂端加設(shè)倒錐形結(jié)構(gòu)，或在底端加設(shè)斜環(huán)結(jié)構(gòu)都能夠提升其分離效率，其主要原理是穩(wěn)定了旋流器內(nèi)的離心力場， 降低了旋流器內(nèi)部的湍流強度［56-58］,并通過增大固體的回收率增大分離效率。

3 總結(jié)與展望

旋流器一般情況下作為預(yù)處理裝置， 相比其他預(yù)處理工藝，具有分離效率高、占地面積小、易維修、成本低及可連續(xù)操作等優(yōu)點，目前在選煤、石油、化工及冶金等行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化大多是以傳統(tǒng)旋流器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)， 如何在分離機理不變的條件下對旋流器進行結(jié)構(gòu)改進使其得到較大的提升是一個難題。 目前有許多專家學者提出許多創(chuàng)新方案， 但具有突出成效的極少［59］。 如何改變旋流器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增大分離效率和減小能量損耗是旋流器未來發(fā)展的趨勢。