劉鴻雁，王亞,2，韓天龍,2，黃青山

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水力旋流器溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)微細(xì)顆粒分離的影響

劉鴻雁1，王亞1,2，韓天龍1,2，黃青山2,3

（1河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101；3中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，中國(guó)科學(xué)院綠色過(guò)程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

針對(duì)直徑為50 mm的小直徑水力旋流器，考察了溢流管插入深度和壁厚以及進(jìn)口流量對(duì)微細(xì)物料分離效率的影響，并利用正交分析法得到了溢流管最優(yōu)的插入深度、壁厚及最適的進(jìn)口流量。此外，考察了兩種套筒式溢流管對(duì)水力旋流器分離性能的影響。最后，在最優(yōu)溢流管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討了分流比對(duì)分離效率的影響。結(jié)果表明：水力旋流器的直筒段具有一定的分離作用；對(duì)于微細(xì)物料的分離，溢流管采用薄壁且插入深度與水力旋流器直筒段長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，有利于提高微細(xì)顆粒的分離效率。針對(duì)水力旋流器溢流管插入深度與其直徑的最佳比例，小直徑水力旋流器的比大直徑水力旋流器的大，表明它們的分離行為存在著較大的差異。

分離；粒度分布；流動(dòng)；水力旋流器；溢流管；分離效率；粒級(jí)分離效率

引 言

水力旋流器是利用離心沉降原理將不同密度的兩相或多相混合物進(jìn)行有效分級(jí)與分離的設(shè)備。因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、處理量大、成本低、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、便于維修等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、非金屬礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等眾多領(lǐng)域[1-5]。在液-固分離方面，隨著高性能旋流器的出現(xiàn)，其用途也在不斷擴(kuò)大。主要應(yīng)用于微細(xì)物料的分級(jí)、濃縮、脫水、脫泥、除砂、洗滌等，例如海上采油過(guò)程中超細(xì)油砂的去除、鉆井泥漿的分離處理、焦化塔進(jìn)給液的濃縮處理等[6]。根據(jù)水力旋流器處理量的大小，一般把直徑小于或等于50 mm的旋流器稱(chēng)為小直徑水力旋流器[7]，大于50 mm的旋流器稱(chēng)為大直徑水力旋流器。

分割直徑50是水力旋流器一個(gè)重要的分離性能指標(biāo)，對(duì)于固-液分離來(lái)說(shuō)，50越小，水力旋流器分離性能越強(qiáng)[8]。Wang等[9]認(rèn)為現(xiàn)階段在工程上旋流器的分割直徑最小可達(dá)3 μm，再小的顆粒很難被分離。一般水力旋流器的處理量隨其直徑的減小而大幅降低[10]。雖然小直徑水力旋流器分割直徑小、分離精度高，但考慮到設(shè)備投資及操作費(fèi)用等問(wèn)題，單個(gè)水力旋流器處理量在1 m3·h-1以上才有較高的工業(yè)實(shí)用價(jià)值。

水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，短路流作為旋流器內(nèi)部一種復(fù)雜的流體力學(xué)行為，分為頂蓋下短路流和側(cè)壁短路流[11]。雖然側(cè)壁短路流也影響水力旋流器的分離性能，但側(cè)壁邊界層中存在著徑向脈動(dòng)，使被短路的物料有機(jī)會(huì)返回分離區(qū)，從而削弱了它的影響[11]。因此，頂蓋下短路的流體是引起水力旋流器“溢流跑粗”以及分離產(chǎn)品中粗細(xì)顆?；祀s的重要原因之一[11-12]。短路流的存在及其流量大小直接與溢流管的結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)[13]，其流量有時(shí)甚至可高達(dá)25.1%[14]，不僅影響水力旋流器的分離效率，還會(huì)影響水力旋流器的出口能量損失[15]。

溢流管的插入深度對(duì)水力旋流器的分離性能具有重要影響[16]，Wang等[17]提出溢流管的最佳插入深度為入口位置底端和圓柱底端之間的某個(gè)長(zhǎng)度。呂文濤[18]針對(duì)直徑100 mm的水力旋流器，研究了溢流管插入深度對(duì)分離效率的影響。結(jié)果表明，隨著溢流管插入深度從45 mm不斷增大至75 mm的過(guò)程中，其壓降和分離效率皆呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，也就是說(shuō)溢流管存在一個(gè)最佳的插入深度，其值為0.6。黃軍等[19]也針對(duì)直徑為100 mm的旋流器，進(jìn)行了石膏的分離實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了上述結(jié)論，然后找出最優(yōu)插入深度為0.7。蔣巍[20]利用直徑為50 mm的旋流器研究了溢流管的插入深度對(duì)壓降和脫水率的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)原料粒徑中值為29.92 μm的固體顆粒，隨著溢流管插入深度的增加，壓力損失逐漸增加，而脫水率先增加后降低，也存在最優(yōu)插入深度，約為0.5。由上可知，對(duì)于水力旋流器分離粒徑較大的顆粒，幾乎所有的研究者皆認(rèn)為其分離效率隨著溢流管插入深度的增加，呈先升高后降低的趨勢(shì)，最優(yōu)插入深度約為(0.28～0.93)[16,21]。Martínez等[21-22]認(rèn)為最佳插入深度與進(jìn)口物料的粒徑大小及其分布密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)直徑為50、100和180 mm的水力旋流器進(jìn)行理論分析后認(rèn)為當(dāng)溢流管的插入深度為水力旋流器長(zhǎng)度的10%時(shí)，水力旋流器的分離效率最高，溢流管的最優(yōu)插入深度也在(0.28～0.93)這一范圍內(nèi)。

關(guān)于溢流管插入深度的分離機(jī)理，一些研究者針對(duì)直徑為75 mm的水力旋流器進(jìn)行了數(shù)值模擬方面的研究[17,23-24]，但結(jié)論有所不同。Tang等[23]的結(jié)果表明：在柱段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨著溢流管插入深度的增加，不利于小顆粒的分離，而對(duì)大顆粒影響不大。Wang等[17]認(rèn)為隨著溢流管插入深度的增加，小顆粒的分離效率在不斷減小，而大顆粒的分離效率是不斷增加的。Ghodrat等[24]認(rèn)為當(dāng)進(jìn)料濃度較低（體積濃度為4.14%）時(shí)，在溢流管插入深度從0增至2的過(guò)程中，細(xì)顆粒的分離效率略有下降，粗顆粒的分離效率卻有一定的提高；然而在高濃度（體積濃度為30%）時(shí)，細(xì)顆粒的分離效率增加卻比較明顯。

關(guān)于溢流管厚度對(duì)顆粒分離的影響，也存在著較大的爭(zhēng)議。Xu等[14]通過(guò)在直徑為82 mm的水力旋流器中分離大顆粒的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：增加溢流管厚度，可提高旋流器的分離效率和降低旋流器的內(nèi)部損失。黃軍等[19]通過(guò)直徑為100 mm的水力旋流器對(duì)石膏的分離實(shí)驗(yàn)表明，分離效率隨著溢流管壁厚的增加而提高，但是當(dāng)壁厚達(dá)到一定值后，分離效率反而降低。Hwang等[25]通過(guò)對(duì)直徑為10 mm的水力旋流器數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，溢流管壁厚的增加增大了離心力，提高了顆粒的分離效率。許敏[26]利用直徑為75 mm的水力旋流器的數(shù)值模擬也得出了同樣的結(jié)論。然而，一些研究者[17,23]對(duì)直徑為75 mm的水力旋流器數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，溢流管壁厚的增加，對(duì)小顆粒影響不大，但會(huì)使大顆粒的分離效率降低。但是，張萬(wàn)忠等[27]利用直徑為100 mm的水力旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果卻表明小顆粒的分離效率隨著壁厚的增加而提高。

水力旋流器一般由上部圓柱段和下部圓錐段組成。通常人們把上部圓柱段視為預(yù)分離區(qū)域，而把下部圓錐形空間視為主分離區(qū)域。一些研究者[28-30]卻認(rèn)為直筒段無(wú)分離作用，其影響可以忽略，真正的分離過(guò)程是在下部圓錐形空間內(nèi)完成的。然而，另外一些研究者[23,31-33]認(rèn)為固相顆粒在上部圓柱形空間和下部圓錐形空間內(nèi)均有分離行為。

目前，小直徑旋流器用于微細(xì)物料的分級(jí)和分離是水力旋流器的主要研究方向之一。由上可知，文獻(xiàn)中關(guān)于溢流管插入深度的比例、壁厚對(duì)分離效率的影響不僅存在著相互矛盾的報(bào)道，而且溢流管插入深度的比例、壁厚對(duì)于小直徑水力旋流器分離細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒的影響是否與大直徑水力旋流器得到的規(guī)律一致還缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，文獻(xiàn)中對(duì)于水力旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)仿真模擬偏多，然而現(xiàn)階段小顆粒在水力旋流器中的運(yùn)動(dòng)行為的仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)卻有較大差異[34]，因此，亟需加強(qiáng)微細(xì)顆粒在小直徑水力旋流器中分離行為的實(shí)驗(yàn)研究。

為了考察小直徑水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超細(xì)顆粒的分離作用，本研究以筒體直徑為50 mm的小錐角水力旋流器為研究對(duì)象，利用正交分析法研究了溢流管的插入深度、壁厚及進(jìn)口流量對(duì)分離效率的影響，得到了最適的插入深度和壁厚。然后根據(jù)最優(yōu)尺寸，設(shè)計(jì)了兩種套筒式溢流管，比較了其與常規(guī)溢流管在分離效率、粒級(jí)分離效率以及壓降方面的差異，確定了水力旋流器的圓筒段具有一定的分離作用。此外，根據(jù)最優(yōu)結(jié)構(gòu)及最優(yōu)尺寸討論了不同進(jìn)口流量下分流比與分離效率、修正分離效率、壓降的關(guān)系。最后，通過(guò)對(duì)分離效率、粒級(jí)分離效率[7]的分析，獲得了小直徑水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響機(jī)制，為新型、高效水力旋流器的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究中采用的是小直徑、小錐角的實(shí)驗(yàn)水力旋流器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)口采用漸近線進(jìn)口方式，進(jìn)口與圓柱段相連接位置的切面為矩形，尺寸為18 mm×5 mm。

為了證明圓柱段是否有分離作用，本研究設(shè)計(jì)并加工了如圖2所示的兩種套筒式溢流管，根據(jù)溢流管的結(jié)構(gòu)、插入深度與壁厚的不同進(jìn)行了組合編號(hào)，詳見(jiàn)表1。本研究設(shè)計(jì)的套筒式溢流管外筒的外壁與水力旋流器內(nèi)壁之間的距離與入口寬度相等，使進(jìn)入水力旋流器的流體通道間距保持不變，可防止進(jìn)口突然擴(kuò)大導(dǎo)致的能量損失。這種套筒式溢流管具有阻止流體在直筒段的徑向流動(dòng)、引導(dǎo)輕重兩相在直筒段分層的作用，從而可以確定水力旋流器圓柱段對(duì)分離性能的影響。

表1 溢流管結(jié)構(gòu)尺寸編號(hào)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)均采用3次以上測(cè)量取平均值的方法計(jì)算水力旋流器的分離效率。實(shí)驗(yàn)所用固體顆粒為棕剛玉粉，密度為3300 kg·m-3，粒徑中值為13.67 μm，粒徑分布如表2所示。

表2 原料粒徑分布

實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，一定量的固體顆粒與清水在攪拌槽內(nèi)混合均勻至質(zhì)量濃度為0.2%，經(jīng)由螺桿泵輸送至水力旋流器中。進(jìn)入旋流器中的液固混合物經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)并在重力的作用下共同向下運(yùn)動(dòng)，一部分重質(zhì)混合物一直向下運(yùn)動(dòng)至底流口排出至攪拌槽，而另一部分清潔介質(zhì)則在錐體的某一位置向上運(yùn)動(dòng)由溢流口排出后返回至攪拌槽，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的循環(huán)。

影響水力旋流器分離效率的因素有水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)及物料的物性參數(shù)等。為了找到溢流管合適的插入深度、壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進(jìn)口流量對(duì)水力旋流器分離性能的影響，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)壁厚為2、5 mm和插入深度為24、28、46和70 mm的溢流管在不同進(jìn)口流量下進(jìn)行了正交對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素包括溢流管的壁厚、插入深度和進(jìn)口流量。本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)三因素多水平的實(shí)驗(yàn)，選用L25（56）安排實(shí)驗(yàn)。在正交實(shí)驗(yàn)中R表示的是第列因素的極差，即該列因素各水平下指標(biāo)平均值的最大與最小的差，反映的是第列因素水平波動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度，值越大說(shuō)明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。計(jì)算水平指標(biāo)K和極差R的值[35]，并根據(jù)R的大小判斷影響分離效率和壓降的主次順序，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合綜合平衡分析方法獲得效率最高時(shí)溢流管的插入深度、壁厚及進(jìn)口流量。

在最優(yōu)的插入深度和壁厚的基礎(chǔ)上，比較兩種套筒式溢流管與常規(guī)圓管式溢流管的分離效率與壓降的變化，得到最優(yōu)的溢流管結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)節(jié)溢流口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分流比的控制，探討溢流管最優(yōu)結(jié)構(gòu)與最優(yōu)尺寸下，水力旋流器分流比與分離效率、修正分離效率、壓降的關(guān)系，并利用激光粒度分析儀測(cè)試、分析水力旋流器的粒級(jí)效率與分割直徑。根據(jù)粒度分析測(cè)得每一粒度區(qū)域的分離效率，將各區(qū)域分離效率作圖得到一定粒度分布區(qū)域的級(jí)效率曲線。級(jí)效率曲線和分離效率可以較完整地評(píng)價(jià)旋流器的分離性能。

分別記錄進(jìn)口與溢流口流量、進(jìn)口和出口的壓力示數(shù)，并對(duì)溢流口與底流口取樣、抽濾、干燥和稱(chēng)量。通過(guò)稱(chēng)量樣本干燥后砂子的質(zhì)量計(jì)算分離效率；根據(jù)原料和底流口的樣本粒徑分析作級(jí)效率分布曲線，找出分割直徑50，從而確定分離精度；通過(guò)壓降分析，比較不同結(jié)構(gòu)溢流管的水力旋流器的能耗損失。

實(shí)驗(yàn)利用型號(hào)為XFE025Y16F1BM1R、測(cè)量范圍為0.53～21 m3·h-1、精度等級(jí)為0.5級(jí)的電磁流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量；利用型號(hào)為XFYL-800-1.6、測(cè)量范圍為0～1.6 MPa、精度等級(jí)為0.5%的擴(kuò)散硅壓力變送器進(jìn)行壓力測(cè)量；利用型號(hào)為BT-9300Z、測(cè)定范圍為0.1～716 μm的激光粒度分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的粒度分布進(jìn)行離線分析，其工作原理為用激光作光源對(duì)顆粒群進(jìn)行衍射和散射，各顆粒級(jí)的量決定對(duì)應(yīng)各特定角處獲得光能量的量，各特定角光能量在總光能量中的比例，反映著各顆粒級(jí)的分布豐度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溢流管的插入深度、壁厚與進(jìn)口流量對(duì)分離性能的影響

2.1.1 正交實(shí)驗(yàn) 正交實(shí)驗(yàn)記錄和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分別見(jiàn)表3和表4。通過(guò)對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差數(shù)值比較，結(jié)合因素對(duì)指標(biāo)影響的主次關(guān)系，對(duì)結(jié)果實(shí)行綜合平衡優(yōu)化分析，選取最優(yōu)組合。

表3 正交實(shí)驗(yàn)記錄

表4 正交實(shí)驗(yàn)計(jì)算

通過(guò)表4對(duì)R大小的比較可以得出：影響分離效率和壓降的3個(gè)因素的主次順序均為進(jìn)口流量、溢流管的插入深度、溢流管的壁厚。

在液-固分離中，就分離效率而言，其值越大越好。由表4可以看出，插入深度在4水平、壁厚在5水平、進(jìn)口流量在5水平時(shí)對(duì)應(yīng)的值最大，即對(duì)應(yīng)溢流管的插入深度為70 mm、壁厚為2 mm、進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1時(shí)分離效率最大，根據(jù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)得出此時(shí)分離效率為97.21%，壓降為170 kPa。

就壓降而言，其值越小代表分離所用能耗越小，由表4可以看出，插入深度在1和2水平、壁厚在2水平、進(jìn)口流量在1水平時(shí)對(duì)應(yīng)的值最小，即對(duì)應(yīng)溢流管的插入深度為24 mm和28 mm、壁厚為5 mm、進(jìn)口流量為1.17 m3·h-1時(shí)壓降最低，為20 kPa。結(jié)合表3觀察可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)口流量一定時(shí)，水力旋流器的壓降隨溢流管的插入深度、壁厚等因素的變化而變化很小，甚至在低進(jìn)口流量時(shí)保持基本不變。這說(shuō)明溢流管的插入深度和壁厚對(duì)壓降的影響很小，進(jìn)口流量對(duì)壓降的影響起主要作用。因此，在后續(xù)溢流管插入深度、壁厚等因素的討論中，著重考慮了分離效率對(duì)水力旋流器分離性能的影響，忽略了壓降的變化。

2.1.2 綜合平衡確定裝置的最優(yōu)組合 溢流管的插入深度、溢流管的壁厚、進(jìn)口流量與分離效率的關(guān)系如圖4所示。對(duì)于任一壁厚、任一插入深度的溢流管來(lái)說(shuō)，水力旋流器的分離效率均隨著進(jìn)口流量的增加而不斷增加。在流量小于1.94 m3·h-1時(shí)，分離效率呈線性增加，然后增幅有所降低直至增幅不明顯。當(dāng)溢流管壁厚為2 mm、插入深度為70 mm，進(jìn)口流量從1.17 m3·h-1增加到1.56 m3·h-1時(shí)，水力旋流器的分離效率增長(zhǎng)最快可達(dá)9.9%；當(dāng)進(jìn)口流量從2.33 m3·h-1增加到2.72 m3·h-1時(shí)，分離效率的增長(zhǎng)速率最慢，僅為0.83%。這是因?yàn)殡S著進(jìn)口流量的增加，物料的切向進(jìn)口速度增加，獲得的離心力不斷增加，會(huì)有更多的固體顆粒被分離下來(lái)，從而達(dá)到更高的分離效率。但是，當(dāng)進(jìn)口流量達(dá)到某一范圍后繼續(xù)增加時(shí)，盡管物料獲得的切向速度很大，離心力也會(huì)增加，但流體處于高度湍流不穩(wěn)定狀態(tài)，處于強(qiáng)旋湍流中的混合介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)劇烈脈動(dòng)，在增大能耗的同時(shí)，導(dǎo)致部分分離后的介質(zhì)產(chǎn)生二次返混的概率增加，再加上短路流的增大以及流體停留在水力旋流器內(nèi)的時(shí)間縮短而導(dǎo)致二次卷?yè)P(yáng)的加劇，這些因素共同作用導(dǎo)致分離效率先增大后基本維持不變。

從圖中也可以看出，對(duì)相同插入深度、不同壁厚溢流管的水力旋流器來(lái)說(shuō)，2 mm壁厚的分離效率均大于5 mm壁厚的分離效率。在溢流管的插入深度為46 mm、進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1時(shí)，壁厚對(duì)分離效率的影響最小僅為0.6%；而在溢流管的插入深度為24 mm、進(jìn)口流量為2.33 m3·h-1時(shí)，壁厚影響使分離效率相差最大可達(dá)3.98%。

對(duì)于同一種壁厚的溢流管，當(dāng)插入深度為24 mm，即溢流管的底端與進(jìn)口位置齊平時(shí)水力旋流器的分離效率均最低，小于其他3種溢流管插入深度的分離效率；隨著插入深度的增加，其分離效率也在不斷增加。當(dāng)壁厚為2 mm、進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1時(shí)，插入深度為24 mm的溢流管與插入深度為70 mm溢流管的分離效率相差最小可達(dá)1.51%；當(dāng)壁厚為5 mm、進(jìn)口流量為1.17 m3·h-1時(shí)，插入深度為24 mm的溢流管與插入深度為70 mm的溢流管的分離效率相差最大可達(dá)6.88%。這是因?yàn)橐缌鞴艿锥伺c進(jìn)口齊平，此時(shí)進(jìn)入水力旋流器內(nèi)的流體最易形成短路流，造成混合介質(zhì)未被分離而直接進(jìn)入溢流管被排出，導(dǎo)致此時(shí)的分離效率最低。兩種壁厚下、當(dāng)溢流管的插入深度為70 mm時(shí)，也就是溢流管底端與直筒段底端持平時(shí)水力旋流器的分離效率最高，均大于其他3種插入深度的分離效率。這是因?yàn)殡S著溢流管插入深度的增加，短路流中的顆粒更難通過(guò)溢流管底部進(jìn)入溢流管，從而提高了分離效率。當(dāng)進(jìn)口流量在2.72 m3·h-1時(shí)，本研究使用的水力旋流器對(duì)細(xì)微物料的分離效率至最高，可達(dá)97.21%。本研究中，溢流管的插入深度在柱段長(zhǎng)度范圍內(nèi)時(shí)，小直徑水力旋流器的分離效率是隨著插入深度的增加而不斷增加的，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[16,18-22]中大直徑水力旋流器的研究結(jié)論明顯不同。這可能是兩方面因素的共同作用導(dǎo)致不同尺寸的水力旋流器其溢流管插入深度與直徑的最佳比例有較大差異。一方面，溢流管插入深度的增加有利于水力旋流器頂蓋短路流的減少，從而增大分離效率。另一方面，在溢流管底端尤其是錐體部分，流體從外旋流轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)旋流存在一定的徑向速度，水力旋流器溢流管下部適量清潔液體直接進(jìn)入溢流管有利于減小流體翻轉(zhuǎn)的徑向速度，從而減小固體顆粒被夾帶至中心內(nèi)旋流而從頂流溢出的機(jī)會(huì)。相對(duì)于大直徑水力旋流器，小直徑水力旋流器由于柱體高度小導(dǎo)致其頂蓋短路流影響較大，再加上流量較小，溢流管下部清潔液體直接進(jìn)入溢流管的量有限，流體反轉(zhuǎn)夾帶的顆粒量也有限，從而導(dǎo)致其溢流管最佳插入深度的比例要比大直徑水力旋流器大得多。

2.2 溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)分離性能的影響

為了驗(yàn)證圓柱段是否具有分離作用，基于前面的工作，溢流管采取薄壁2 mm、插入深度70 mm的設(shè)計(jì)，本研究設(shè)計(jì)了兩種不同形式的套筒式溢流管，使之能夠達(dá)到引導(dǎo)圓筒段內(nèi)流體流動(dòng)的目的。

根據(jù)套筒式溢流管的尺寸，選取了3種相關(guān)尺寸的常規(guī)圓管式溢流管作對(duì)比。不同結(jié)構(gòu)下進(jìn)口流量與分離效率的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖中可以看出，與常規(guī)圓管式溢流管相比，兩種套筒式溢流管的分離效率同樣是隨著進(jìn)口流量的增加先增大后基本維持不變。令人吃驚的是，當(dāng)進(jìn)口流量一定時(shí)，兩種套筒式溢流管的分離效率均比各個(gè)插入深度的圓管式溢流管的分離效率低。與插入深度為70 mm的溢流管分離效率相比，分離效率最大相差高達(dá)17.25%，最小相差也有4.58%，這充分說(shuō)明了溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)微細(xì)物料的分離影響較大。

兩種套筒式結(jié)構(gòu)的溢流管，從尺寸上比較，組合E的外筒長(zhǎng)度小于組合F，內(nèi)筒長(zhǎng)度要大于組合F，但其分離效率組合E要高于組合F。進(jìn)口流量在1.56 m3·h-1時(shí)，分離效率相差最大達(dá)6.79%，這說(shuō)明較長(zhǎng)的外筒對(duì)細(xì)顆粒的分離是不利的。從分離效率來(lái)看，組合F套筒式溢流管與插入深度為28 mm圓管式溢流管相比，盡管內(nèi)筒的長(zhǎng)度相同，但是由于外筒的存在而導(dǎo)致的分離效率卻大幅下降。在進(jìn)口流量為1.56 m3·h-1時(shí)，分離效率相差最大可達(dá)16.92%；而進(jìn)口流量在1.17 m3·h-1時(shí)，分離效率相差最小也有12.90%。同樣，組合E與插入深度為46 mm的溢流管相比，盡管內(nèi)筒長(zhǎng)度大于46 mm、外筒長(zhǎng)度等于46 mm，但是在進(jìn)口流量大于1.56 m3·h-1時(shí)，其分離效率均相差在10%以上；進(jìn)口流量在1.17 m3·h-1時(shí)，分離效率相差最小也可達(dá)7.53%。這充分說(shuō)明了外筒的存在雖然引導(dǎo)了圓柱段流體的流動(dòng)，阻止了固體顆粒向水力旋流器中心的徑向移動(dòng)，但同時(shí)也阻礙了相對(duì)清潔的輕質(zhì)流體向中心流動(dòng)，從而使圓錐段流體翻轉(zhuǎn)后徑向速度增大，導(dǎo)致已經(jīng)被分離的固體顆粒在圓錐段被夾帶的概率增加，從而降低了分離效率。這同時(shí)也證明了Chu等[32-33]關(guān)于水力旋流器的圓柱段具有一定的分離作用的論斷。

不同溢流管結(jié)構(gòu)時(shí)，進(jìn)口流量與壓降的關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，溢流管結(jié)構(gòu)不變時(shí)，壓降均隨著進(jìn)口流量的增加而不斷增加。當(dāng)進(jìn)口流量小于1.56 m3·h-1時(shí)，幾種溢流管對(duì)應(yīng)的壓降幾乎相等；當(dāng)進(jìn)口流量大于1.56 m3·h-1小于2.33 m3·h-1時(shí)，壓降相差小于10kPa；當(dāng)進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1時(shí)，溢流管插入深度為46 mm與組合E的壓降相差最大，達(dá)20 kPa。這說(shuō)明套筒式溢流管雖然不利于提高分離效率，但有利于降低能耗。

2.3 分流比對(duì)分離效率的影響

分離效率是衡量水力旋流器工作效果的最主要指標(biāo)，在固-液分離中，分離效率指被分離掉的分散相物料占進(jìn)口分散相物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而修正分離效率表示的是去除未被分離而隨底流口和溢流口的液體排出水力旋流器的那部分分散相影響后的實(shí)際分離效率。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，當(dāng)流量分別為1.17、1.94、2.72 m3·h-1時(shí)，分流比與分離效率和修正分離效率的關(guān)系如圖7所示。

從圖中可以看出，對(duì)于單一的進(jìn)口流量，水力旋流器的分離效率和修正分離效率均隨著分流比的增大先逐漸增大然后趨于平穩(wěn)。分離效率和修正分離效率隨著分流比的增加而增大，這是因?yàn)榉至鞅鹊脑龃髸?huì)增大底流流量，導(dǎo)致底流夾帶的固體顆粒數(shù)量增多，所以分離效率就越高。由于分離時(shí)總有一些液相伴隨著固相進(jìn)入底流，所以用分離效率來(lái)衡量分離性能時(shí)只能表達(dá)固相顆粒的分流作用，而不能衡量?jī)舴蛛x效果。因此，考察水力旋流器的凈分離性能，就要扣除分流比的存在對(duì)分離效率的影響。當(dāng)分流比為1即溢流口閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，混合物料從進(jìn)料口進(jìn)入且只從底流口排出，可以認(rèn)為混合介質(zhì)完全被分離，此時(shí)的分離效率為1。當(dāng)扣除分流比的存在對(duì)分離效果的影響后，真實(shí)的分離效率即修正分離效率為0，此時(shí)的實(shí)際分離效率最低。因此，可以推斷出水力旋流器的修正分離效率曲線是一個(gè)開(kāi)口向下的拋物線，存在一個(gè)最佳的分流比。

當(dāng)進(jìn)口流量較小時(shí)，隨著分流比的增大，分離效率增長(zhǎng)的速率很大。在進(jìn)口流量為1.17 m3·h-1時(shí)，分流比由5%增加到10%的過(guò)程中，修正分離效率從38.64%增長(zhǎng)到59.11%，增長(zhǎng)速率最大可達(dá)20.47%。但是，隨著進(jìn)口流量進(jìn)一步增大，修正分離效率隨著分流比的增大而增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸變緩。進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1時(shí)，分流比由5%增加到10%的過(guò)程中，分離效率的增長(zhǎng)速率最大僅為5.93%。這說(shuō)明了在進(jìn)口流量較低時(shí)分流比對(duì)分離效率的影響是比較大的，當(dāng)進(jìn)口流量超過(guò)某一范圍后，分流比對(duì)分離效率的影響較小。當(dāng)進(jìn)口流量發(fā)生變化時(shí)，同一分流比下進(jìn)口流量大時(shí)分離效率高。當(dāng)分流比為25%、流量為2.72 m3·h-1時(shí)，水力旋流器的分離效率最高為97.28%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)口流量為1.17 m3·h-1時(shí)對(duì)應(yīng)的最低分離效率79.71%。這進(jìn)一步說(shuō)明了進(jìn)口流量對(duì)分離效率的影響是較大的。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)記錄了壓降的變化。當(dāng)進(jìn)口流量為1.17 m3·h-1時(shí)，各分流比下的壓降均為20 kPa；進(jìn)口流量為1.94 m3·h-1時(shí)，各分流比下的壓降均為80 kPa；進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1時(shí)，各分流比下對(duì)應(yīng)的壓降均為170 kPa。這也進(jìn)一步說(shuō)明，分流比在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其對(duì)水力旋流器壓降的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)分流比一定時(shí)，其壓降隨進(jìn)口流量的增加而明顯增加，進(jìn)一步說(shuō)明進(jìn)口流量是影響壓降變化的主要原因。

2.4 粒級(jí)效率分析

在進(jìn)口流量為2.72 m3·h-1、分流比為20%時(shí)，不同溢流管結(jié)構(gòu)、不同插入深度和不同壁厚時(shí)，水力旋流器的粒級(jí)效率曲線如圖8所示。從圖中可以看出，幾種不同結(jié)構(gòu)尺寸的溢流管，其粒級(jí)效率均是先隨著粒徑的增大而不斷增大，在粒級(jí)效率達(dá)到一個(gè)峰值后又隨著粒徑的增大而降低，然后又隨著粒徑的增大而增大，最后趨于平穩(wěn)。粒級(jí)效率隨著粒徑先增大又降低然后再增大最后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，即為水力旋流器分離微細(xì)顆粒時(shí)存在的“魚(yú)鉤效應(yīng)”[36]。

結(jié)合原料顆粒的粒徑分布可以看出，粒級(jí)效率曲線存在一個(gè)極大值和一個(gè)極小值。當(dāng)粒徑小于極大值時(shí)，顆粒的粒級(jí)分離效率是隨著粒徑的增大而逐漸增加的。這是因?yàn)樵诖藚^(qū)間的顆粒粒徑很小，容易出現(xiàn)小顆粒聚并及小顆粒跟隨大顆粒的現(xiàn)象，此現(xiàn)象可以減小流動(dòng)阻力，也稱(chēng)為“介尺度效應(yīng)”。同時(shí)，顆粒粒徑越大，其質(zhì)量越大，慣性也越大，被清潔流體夾帶而從溢流管流出的可能性越小。所以，在此粒徑范圍內(nèi)，隨著粒徑的增大，盡管顆粒的跟隨性有所變差，但顆粒被夾帶的可能性也在不斷降低，故此范圍內(nèi)的粒級(jí)效率隨著粒徑的增加而不斷增大。當(dāng)顆粒粒徑超過(guò)極大值且小于極小值時(shí)，其粒級(jí)分離效率又隨著粒徑的增大而減小，這是因?yàn)楣腆w顆粒粒徑的增大使小顆粒跟隨大顆粒的可能性及被翻轉(zhuǎn)流體夾帶的可能性均降低，但跟隨性降低得更快，所以粒級(jí)效率降低。當(dāng)粒徑繼續(xù)增大超過(guò)極小值后，顆粒的分離效率隨著粒徑的增大而逐漸加大，這是因?yàn)榇朔秶鷥?nèi)的顆粒已基本喪失了跟隨性，并且被清潔流體夾帶的概率也越來(lái)越小，粒徑越大，受到的離心力越大，因此分離效率越高。當(dāng)達(dá)到某一較大粒徑后，其粒級(jí)分離效率達(dá)到接近極限后不再繼續(xù)增大，這是因?yàn)樵摿椒秶鷥?nèi)的分離效率已經(jīng)很高，極少部分顆粒由于流體的湍動(dòng)及擾動(dòng)而未能被分離，故分離效率達(dá)到最高且基本保持不變。

50是在級(jí)效率曲線上獲得的關(guān)于水力旋流器分離性能的一個(gè)重要信息。從圖上可以看出，溢流管插入深度70 mm，壁厚2 mm和壁厚5 mm時(shí)的50分別為5.04 μm和5.87 μm，插入深度46 mm、壁厚2 mm時(shí)的50為4.92 μm，E組合的50為5.34 μm，而F組合的50為5.7 μm。當(dāng)插入深度為70 mm時(shí)，兩種壁厚下的溢流管對(duì)大于9 μm左右顆粒的分離效率皆達(dá)到80%以上，且二者沒(méi)有明顯差別，但是其分割直徑50卻有明顯差別。這說(shuō)明水力旋流器的溢流管薄壁設(shè)計(jì)有利于細(xì)顆粒利用“魚(yú)鉤效應(yīng)”進(jìn)行分離，切割直徑變小。這可能是因?yàn)殡S著溢流管壁厚的增加，柱段分離區(qū)域減小，顆粒在水力旋流器內(nèi)停留的時(shí)間減小，導(dǎo)致水力旋流器的分離效率降低，這與一些研究者[17,23]的數(shù)值模擬結(jié)論一致。

壁厚為2 mm時(shí)，溢流管插入深度為46 mm與插入深度為70 mm相比，其分割直徑變小，對(duì)10 μm以下顆粒的分離與之相當(dāng)甚至略好，而對(duì)10 μm以上較大顆粒的分離效率要略小，這說(shuō)明插入深度增加使分割直徑增大，有利于對(duì)微細(xì)物料中較大顆粒的分離，不利于細(xì)顆粒中較小顆粒的分離，結(jié)論與部分相關(guān)模擬結(jié)果[17,24]一致。這也說(shuō)明插入深度的選擇應(yīng)與進(jìn)口物料的粒徑分布密切相關(guān)，并不是插入深度越大越好。也就是說(shuō)，當(dāng)顆粒粒徑大于水力旋流器50的比例較多時(shí)應(yīng)選擇較大的插入深度，而顆粒粒徑小于水力旋流器50時(shí)選擇較小的插入深度更有利于提高整體分離效率。此外，從圖中也可以看出，采用壁厚為2 mm、插入深度為70 mm的常規(guī)圓管式溢流管時(shí)，其總效率高達(dá)97.21%，而大于10 μm的固體顆粒在此條件下的級(jí)效率僅為81%左右，這充分說(shuō)明對(duì)于微細(xì)物料的高效分離，必須充分利用水力旋流器中的“魚(yú)鉤效應(yīng)”才能達(dá)到目的。插入深度為70 mm時(shí)，壁厚為2 mm與5 mm的溢流管的粒級(jí)分離效率相比，薄壁有利于對(duì)微細(xì)物料中較小顆粒的分離，兩者對(duì)微細(xì)物料中較大顆粒的分離相差不大，這一規(guī)律與大直徑水力旋流器中的分離行為也明顯不同。

套筒式結(jié)構(gòu)組合E的分割直徑要比組合F分割直徑略小。在粒徑分別大于8.87 μm和11.7 μm時(shí)，二者的最大級(jí)效率皆為70%左右，明顯低于常規(guī)圓管式溢流管。與常規(guī)圓管式溢流管相比，組合E的分割直徑與插入深度70 mm、壁厚2 mm的分割直徑差別不大，甚至小于插入深度為70 mm、壁厚為5 mm的分割直徑。這說(shuō)明套筒式溢流管雖然有利于減小水力旋流器的分割直徑50，但是不利于較大顆粒（粒徑大于50的顆粒）的分離，導(dǎo)致水力旋流器的總分離性能降低。

3 結(jié) 論

（1）影響小直徑水力旋流器分離細(xì)微顆粒分離效率和壓降的因素的主次順序?yàn)檫M(jìn)口流量、溢流管的插入深度、溢流管的壁厚，進(jìn)口流量在提高分離效率和降低壓降方面起著決定性的作用。

（2）針對(duì)小直徑水力旋流器對(duì)細(xì)微顆粒的分離，水力旋流器的分離效率隨著溢流管插入深度的增加而不斷增加，當(dāng)溢流管的底端與柱段底部齊平時(shí)，分離效率最大。這與大直徑水力旋流器中溢流管的插入深度的增加對(duì)分離效率先增大后減小的影響規(guī)律明顯不同。粒級(jí)效率分析表明插入深度的增加，有利于微細(xì)物料中較大顆粒的分離。

（3）在一定情況下，薄壁溢流管有利于水力旋流器對(duì)固體顆粒的分離，更有利于微細(xì)物料中較小顆粒的分離，這與大直徑水力旋流器中的規(guī)律明顯不同。

（4）水力旋流器的圓柱段具有輔助分離的作用。

（5）不同結(jié)構(gòu)、尺寸的溢流管的粒級(jí)效率曲線均符合“魚(yú)鉤效應(yīng)”的趨勢(shì)。對(duì)于水-砂的分離，直徑為50 mm的小直徑水力旋流器，其50可減小至5 μm，9 μm以上顆粒的級(jí)分離效率高達(dá)80%以上，可用于微細(xì)顆粒的分離與分級(jí)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D——筒體直徑，mm d50——分割直徑，mm Kij——水平指標(biāo) l——溢流管的插入深度，mm ΔP——壓降，kPa Qi——進(jìn)料流量，m3·h-1 Rj——極差 δ——溢流管的壁厚，mm η——分離效率，% η0——修正分離效率，% 下角標(biāo) i——進(jìn)口 in——內(nèi)筒 out——外筒

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Influence of vortex finder configurations on separation of fine particles

LIU Hongyan1, WANG Ya1,2, HAN Tianlong1,2, HUANG Qingshan2,3

(1School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, Shandong, China;3Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The separation efficiencies were compared under different vortex finder lengths, thickness and flow rates in a small hydrocyclone with the diameter of 50 mm, and the optimal insertion depth, wall thickness of the vortex finder and flow rate were obtained by using the method of orthogonal design. In addition, the influence of vortex finders with tube-in-tube structure in the hydrocyclone on the separation efficiency was investigated. Finally, the relationship between the split ratio and separation efficiency was analyzed on the basis of the optimal structure for the vortex finder. The experimental results show that the cylindrical part of the hydrocyclone plays an important preliminary separation role. For the separation of fine particles, a thin vortex finder which is extended to the junction between the cylindrical and the conical parts is beneficial to the separation efficiency. The results show that the optimum proportion of the vortex finder insertion depth to the hydrocyclone diameter in the small hydrocyclone is bigger than those in the big ones, and it is indicated that there is a remarkable difference of separation between them.

separation; particle size distribution; flow; hydrocyclone; vortex finder; separation efficiency; grade separation efficiency

10.11949/j.issn.0438-1157.20161478

TQ 028.54

A

0438—1157（2017）05—1921—11

黃青山。

劉鴻雁（1971—），女，副教授。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0301701)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91434114，21376254)；中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目（YZ201641）。

2016-10-19收到初稿，2017-02-13收到修改稿。

2016-10-19.

HUANG Qingshan, qshuang@ipe.ac.cn

supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0301701), the National Natural Science Foundation of China (91434114, 21376254) and the Instrument Developing Project of the Chinese Academy of Sciences (YZ201641).