盧夢媚，蔣明虎，趙立新，王 皓

1 前言

旋流器是一種高效分離混合介質(zhì)的設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡單無相對運動部件、處理量大、操作便捷等優(yōu)點［1，2］，被石油化工、煤炭發(fā)電、工業(yè)除塵及環(huán)境保護等行業(yè)廣泛應(yīng)用［3～5］。自旋流器使用以來，磨損就受到人們的極大關(guān)注，旋流器壁面磨損不但會縮短其整體使用壽命，而且由于關(guān)鍵部位尺寸的改變而降低了旋流器的分離效率，使操作性能惡化［6～8］。為了延長旋流器的使用壽命，人們針對旋流器磨損問題進行了大量研究。李坤［9］等從磨損機理出發(fā)，較全面地分析了分散相顆粒在旋流器流場中受力情況和影響旋流器磨損的因素。魏耀東以蝸殼式旋流分離器為試驗?zāi)Ｐ?，對磨損量、磨損位置與流動參數(shù)之間關(guān)系進行研究［10］。許治江根據(jù)實際情況，運用理論方法對水力旋流器磨損規(guī)律與磨損機理進行了分析［11］，上述研究加深了對旋流器壁面磨損機理的認(rèn)識，然而，對通過自身結(jié)構(gòu)的改進提高旋流器耐磨性能的研究甚少。本文通過改變旋流器自身結(jié)構(gòu)，在其磨損嚴(yán)重部位增設(shè)可替換的內(nèi)嵌小錐，改善旋流器耐磨性能提高，延長整體使用壽命，同時將內(nèi)嵌小錐設(shè)計成可替換的形式也降低了設(shè)備成本。

2 結(jié)構(gòu)

混合介質(zhì)通過切向入口進入旋流器，首先在旋流腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，運動路線呈螺旋形，重質(zhì)相邊向下旋轉(zhuǎn)邊向邊壁運移。當(dāng)重質(zhì)相到達邊壁時，開始對旋流器壁面造成磨蝕，旋流器在圓錐段下半部分磨蝕較為嚴(yán)重。如圖1所示，為減緩旋流器壁面磨蝕，考慮在旋流器圖1（a）的基礎(chǔ)上增設(shè)內(nèi)嵌小錐。如圖1（b）所示，使重質(zhì)相在錐間環(huán)空（將旋流器壁面和內(nèi)嵌小錐的空間定義為錐間環(huán)空）豎直下落，減緩了旋流器壁面磨蝕。同時將內(nèi)嵌小錐設(shè)計成可替換形式，當(dāng)旋流器運行一段時間后，可檢查內(nèi)嵌小錐磨蝕情況，若內(nèi)嵌小錐磨蝕不嚴(yán)重，則重新安裝回去，若內(nèi)嵌小錐磨蝕嚴(yán)重及時更換。該設(shè)計延長了旋流器使用壽命，降低了設(shè)備投資。此外，考慮到重質(zhì)相如何從內(nèi)嵌小錐運移到錐間環(huán)空區(qū)間的問題，在內(nèi)嵌小錐上部設(shè)置排砂孔，如圖1（c）所示，重質(zhì)相通過排砂孔進入錐間環(huán)空區(qū)間內(nèi)，為了防止重質(zhì)相在錐間環(huán)空區(qū)間內(nèi)做螺旋運動，在其內(nèi)焊接筋板，如圖1（d）所示，使重質(zhì)顆粒的螺旋運動變?yōu)樨Q直運動減緩壁面磨蝕，同時由于內(nèi)嵌小錐的類似V字形狀，加速了混合介質(zhì)在旋流器內(nèi)的分離，促進了分離效率。

圖1 內(nèi)嵌小錐結(jié)構(gòu)固液分離旋流器設(shè)計思路

內(nèi)嵌小錐結(jié)構(gòu)固液分離旋流器的設(shè)計，是以單錐旋流器為原型，將外錐段設(shè)計成上下兩部分，在外錐段的下半部分增設(shè)帶有排砂孔的內(nèi)嵌小錐，主要起到減緩旋流器外壁面磨損以及促進混合介質(zhì)在旋流器內(nèi)實現(xiàn)二次分離的作用；同時將內(nèi)嵌小錐設(shè)計為可替換形式，定期將螺母擰開，檢查內(nèi)嵌小錐的磨蝕情況，當(dāng)內(nèi)嵌小錐磨損嚴(yán)重時，取出更換新的內(nèi)嵌小錐。另外，為防止進入錐間環(huán)空區(qū)間內(nèi)的重質(zhì)相在螺旋運動過程中對壁面產(chǎn)生磨損，同時也為了固定內(nèi)嵌小錐，在內(nèi)嵌小錐外壁焊有筋板，阻斷了進入該區(qū)域的顆粒和流體的螺旋運動，減緩旋流器壁面磨損，提高旋流器使用壽命。

3 磨損的數(shù)值模擬

3.1 固液數(shù)值模擬計算模型

內(nèi)嵌小錐結(jié)構(gòu)固液分離旋流器主要用于固液兩相分離，物理模型如圖1所示，該結(jié)構(gòu)旋流器與普通旋流器除存在內(nèi)嵌小錐外無其他結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)別，故用此對比模擬普通旋流器。在模擬過程中，設(shè)置介質(zhì)物性條件如下：主相水的密度ρ=0.998×103kg/m3，動力黏度μ=1.003×10-3Pa·s；離散相砂相密度ρ=2.0×103kg/m3，動力黏度μ=1.72×10-5Pa·s。

在FLUENT軟件模擬計算中初始邊界條件設(shè)置如下：旋流器采用速度入口，處理量為4 m3/h（入口速度為10 m/s），湍流模型選用Reynold-Stress模型［12］，對流—擴散項采用QUICK格式，壓力—速度耦合算法上采用SIMPLE，壓力插值采用standard，溢流口和底流口均設(shè)置為自由出口，壁面采用無滑移、不可滲漏條件。

3.2 旋流器壁面磨損模型

常用的磨損模型，主要有Finnie磨損模型、沖蝕變形磨損理論和Tabakoff and Grant磨損模型3種。Finnie磨損模型是基于造成材料損失的主要形式是切削磨損或微切削的假設(shè)上提出來的，并且近些年來已經(jīng)得到了證實和改進。Bitter的沖蝕變形磨損理論是基于顆粒不斷的碰撞使目標(biāo)壁面發(fā)生重復(fù)變形并產(chǎn)生破裂提出來的，其出發(fā)點是沖蝕過程中能量的平衡［13，14］。微切削磨損和變形磨損經(jīng)常同時發(fā)生，材料的損失也是這兩種磨損共同作用產(chǎn)生的。

但是前面2種理論假定顆粒不發(fā)生破碎，這與實際工況有一定的區(qū)別。而對于多個粒子、非理想化的真實情況到底如何，則需要進一步分析。而Tabakoff and Grant磨損模型是在測量用煤灰撞擊金屬壁面造成磨損的基礎(chǔ)上［15］，提出了包括顆粒碰撞速度和碰撞角度下的試驗數(shù)據(jù)歸納出的經(jīng)驗與半經(jīng)驗的磨損率公式，具有實際價值，Tabakoff and Grant磨損模型的關(guān)系式如下［16］：

式中 E ——表面磨損率，kg/（m2·s）

VP——粒子速度，m/s

RT——切向恢復(fù)比

V1，V2，V3，k2，k12——經(jīng)驗常數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 旋流器速度流線

圖2為旋流器分離過程速度流線，其中圖2（a）為常規(guī)旋流器的速度流線，圖2（b）為內(nèi)嵌旋流器的速度流線。通過流線圖對比發(fā)現(xiàn)，由于增設(shè)內(nèi)嵌小錐，在外錐段下半部分近壁面流線部分發(fā)生改變?；旌弦后w在離心力的作用下，密度較大的流體邊向下運動邊向壁面靠近，呈螺旋運動，當(dāng)混合介質(zhì)運動到外錐段下半部分含內(nèi)嵌小錐空間中，由于旋流器外壁焊有筋板，阻斷了進入該區(qū)域混合液體的螺旋運動，一部分顆粒較大的流體通過排砂孔進入錐間環(huán)空區(qū)間，做豎直下落運動；還有一部分流體在內(nèi)嵌小錐內(nèi)做螺旋運動進行第二次分離，最終兩部分流體混合從底流口排出。通過普通旋流器與內(nèi)襯固液旋流器速度軌跡圖可以看出：普通旋流器最大速度為13.8 m/s，其中錐段下半部分速度在4.14～4.84 m/s，內(nèi)嵌固液旋流器最大速度為12.7 m/s，其中外錐段下半部分速度在0.636～1.27 m/s，由此可見，內(nèi)嵌小錐降低了靠近旋流器混合液體的速度并將部分流體的螺旋運動變?yōu)樨Q直下落，有效降低了固體顆粒對旋流器器壁的磨損。

圖2 旋流器分離過程速度流線

4.2 內(nèi)嵌小錐結(jié)構(gòu)固液分離旋流器粒子軌跡

通過粒子的運行軌跡可以更清晰地觀察內(nèi)嵌固液旋流器的分離過程，選取一個粒子的運動軌跡進行對比分析。圖3為粒子運行軌跡，其中圖3（a）為粒子豎直下落運行軌跡，當(dāng)粒子運動到內(nèi)嵌小錐位置時，通過排砂孔進入錐間環(huán)空，由于該空間被內(nèi)嵌固液旋流器外壁上焊接的筋板阻隔，進入該空間的粒子無法繼續(xù)螺旋運動，而是豎直向下運動，而且運動速度降低，從而減輕了對旋流器壁面的磨蝕；圖3（b）為二次分離向下運行粒子軌跡，圖3（c）為內(nèi)嵌固液旋流器二次分離向上運行粒子軌跡，由于內(nèi)嵌小錐的設(shè)計，使部分混合介質(zhì)在其內(nèi)做螺旋運動，重質(zhì)顆粒從內(nèi)嵌小錐下半部分排出，輕質(zhì)顆粒向上做內(nèi)螺旋運動，由溢流口排出，實現(xiàn)了二次分離。

圖3 旋流器粒子軌跡

4.3 旋流器壁面磨蝕對比

圖4 為旋流器壁面整體磨損云圖，其中圖4（a）為普通旋流器壁，圖4（b）為內(nèi)嵌旋流器?？梢钥闯?，普通旋流器磨損主要集中在旋流器入口段、圓錐段以及圓錐段與底流口交界位置，這與大量關(guān)于旋流器磨損位置研究結(jié)論相一致，也間接驗證了磨損模擬的準(zhǔn)確性［13］。內(nèi)嵌旋流器整體磨損小于普通旋流器整體磨損，在圓錐段與底流口部位幾乎沒有磨損。

圖4 旋流器壁面損失云圖

為了客觀地觀察旋流器外錐段磨損，將外錐段單獨做磨損研究，如圖5為內(nèi)嵌固液耐磨旋流分離器外錐段磨損云圖，發(fā)現(xiàn)錐段的磨損范圍在10-9級，使壁面磨損率降低了4個數(shù)量級，而且主要磨損位置集中在與內(nèi)嵌小錐交界位置，磨損范圍較小。從以上3組圖對比可以看出：增設(shè)內(nèi)嵌小錐的旋流器壁面在外錐段處磨損率降低，磨損范圍減小。

圖5 內(nèi)嵌旋流器外錐段磨蝕云圖

4.4 內(nèi)嵌小錐磨蝕分析

由于在內(nèi)嵌旋流器內(nèi)部增設(shè)內(nèi)嵌小錐，降低了固體顆粒對旋流器壁面的磨蝕，然而一部分固體顆粒會在內(nèi)嵌小錐內(nèi)部進行螺旋運動，因此研究內(nèi)嵌小錐的磨蝕也是必要的。圖6為內(nèi)嵌小錐磨蝕云圖，從圖中可以看出，內(nèi)嵌小錐的磨蝕率數(shù)量級在10-7級，磨蝕率相較于內(nèi)嵌固液旋流器壁面磨蝕率降低2個數(shù)量級，內(nèi)嵌小錐主要磨蝕位置集中在排砂口以及靠近底流口部位，其他部位磨蝕不明顯。

圖6 內(nèi)嵌小錐的磨蝕云圖

由于旋流器中增設(shè)內(nèi)嵌小錐，不僅可以使大顆粒通過排砂孔進入到錐間環(huán)空區(qū)間內(nèi)，將流體的螺旋運動變?yōu)樨Q直下落，減緩了旋流器壁面磨蝕，同時由于內(nèi)嵌小錐結(jié)構(gòu)設(shè)計，使部分混合介質(zhì)在其內(nèi)做螺旋運動，進行二次分離，較好的解決兩相分離問題。

5 分離效率

根據(jù)FLUENT軟件的模擬結(jié)果可計算出各入口和各出口流體的面積質(zhì)量流率。其中，質(zhì)量流率的報告為Reported-Fluxes。旋流器質(zhì)量流率結(jié)果如表1所示。其中，砂相分離效率為底流口質(zhì)量流率與入口質(zhì)量流率之比，即：

式中 E ——分離效率

M ——質(zhì)量流率，kg/s

d ——下標(biāo)，底流口

i ——下標(biāo)，入口

表1 旋流器質(zhì)量流率

6 結(jié)語

內(nèi)嵌小錐結(jié)構(gòu)固液分離旋流器較普通旋流器其整體壁面磨損范圍極大減小，磨損程度大幅度降低，耐磨性能得以提高。增設(shè)的內(nèi)嵌小錐磨損位置主要集中在底流口以及靠近底流口部位，其它位置不明顯。綜合看出：內(nèi)嵌固液耐磨旋流器通過自身結(jié)構(gòu)的改進，提高了旋流器耐磨性能，延長了旋流器整體使用壽命。對于減少設(shè)備投資、提高企業(yè)經(jīng)濟效益具有非常重要的意義。

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