（化工过程机械专业论文）圆柱形水力旋流器筛分纸浆纤维的实验研究.pdf

天津科技大学预十学位论文 捅要 用圆柱形水力旋流器对纸浆纤维进行了筛分实验。研究了进料量q f 和 分流比r ( 溢流与进料量之比) 对筛分的影响。应用纤维质量分析仪对不同浆 流的纤维的长度进行了测定并计算了纤维的长度分布密度f 。实验研究发现当 用水力旋流器分流后，在溢流液中长纤维增加了而在底流液中短纤维增加了。 并且还发现当分流比在o 1 2 0 1 6 之间时分流效果比较好。 提出了新的筛分评价指标一溢流纤维筛分指数m 、底流纤维筛分指数n 、 总纤维筛分指数f 来评价筛分效果。研究结果表明，分流比是对纤维筛分效 果影响最显著的因素，进料量对筛分的效果影响程度较小。对m 、n 、f 结果 的分析表明，m 越大溢流中的较长纤维所占比例较大，n 越大底流中较短纤维 所占比例较大，f 越大表示水力旋流器的筛分效果越明显。 关键词：评价 筛分 水力旋流器 纤维 兀7e 科技大学坝。卜学位论文 a b s t r a c t f r a c t i o n a t i o no fs o f t w o o dp u l pf i b e rw e r ec a r r i e do u tw i t hac y l i n d r i c a l h y & o c y c l o n e t h ee f f e c t so ff e e dr a t ea n ds p l i tr a t i o ( o v e r f l o wr a t et of e e dr a t e r a t i o ) o nf r a c t i o n a t i o no fp u l pf i b e ra r es t u d i e d p u l pf i b e rl e n g t hc h a r a c t e r i z a t i o n i nd i f f e r e n ts t r e a m sh a v e b e e ne x a m i n e du s i n gf q a ，a n dt h ef i b e rl e n g t h f f a c t i o n a t i o nd e n s i t yf u n c t i o nf i sc a l c u l a t e da n dt h es e p a r a t i o ni n d e xh 倒i su s e d t oe v a l u a t ef i h e rf f a c t i o n a t i o np e r f o r m a n c ef o rd i f f e r e n ts t r e a m s i ti ss h o w nt h a t ， t h es p l i tr a t i oi st h em o s ts i g n i f i c a n tp a r a m e t e rf o rf i b e rf r a c t i o n a t i o np e r f o r m a n c e a n dt h ef r a c t i o n a t i o np e l f o r m a n c ei se x c e l l e n tw i t hs p l i tr a t i oi nt h er a n g e b e t w e e no 1 2a n d0 1 6 t h e r ei sah i g hp r o p o r t i o no f f i b e r sl o n g e rt h a nt h ec r i t i c a l f i b e rl e n g t hi nt h eo v e r f l o ws t r e a m ，a n dt h e r ei sah i g hp r o p o r t i o no ff i b e r ss h o r t e r t h a nt h ec r i t i c a lf i b e rl e n g t hi nt h eu n d e r t o ws t r e a m d e f i n i n gt h r e en e w i n d e x e s 一t h eo v e r f l o ws e p a r a t i o ni n d e xm 、t h eu n d e r f l o w s e p a r a t i o ni n d e xna n dt h et o t a ls e p a r a t i o ni n d e xfa r eu s e dt o e v a l u a t ef i b e r f i - a c t i o n a t i o np e r f o r m a n c ef o rd i f f e r e n ts t r e a m s i ti ss h o w nt h a t ，t h es p l i tr a t i oi s t h em o s ts i g n i f i c a n tp a r a m e t e rf o rf i b e rf r a c t i o n a t i o np e r f o r m a n c e b u tt h ee f f e c t o ft e e dr a t eo nf i b e rf r a c t i o n a t i o np e r f o r m a u c ei sw e a k r e s u l t so fm 、n 、fh a v e s h o wt h a t ，t h e r ei sah i g hp r o p o r t i o no fl o n g e rf i b e ri nt h eo v e r f o ww h e nmi s h i g h e r ，t h e r ei sah i g hp r o p o r t i o no fs h o r t e rf i b e ri nt h eu n d e r f l o ww h e nn i s h i g h e ra n dt h e r ew i l lb eag o o d f i b e rf r a c t i o n a t i o np e r f o r m a n c ew h e nfi sh i g h e r k e y w o r d s ：e v a l u e a t i o n f r a c t i o n a t i o n h y d r o c y c j o n e f i b e r 奎鲨盟垫查兰婴兰羔堡堡兰 1 前言 纸在人类文化、科学、工业等各方面的发展过程中发挥了极其重要的作 用。纸的质星的优劣很大程度上取决于纸浆，而纸浆的物性与各种纤维结构 有关，如k 度、宽度、细胞壁厚薄、细胞腔的大小等，其中纤维长度对纸的 质暴影响较大，不同的民度的纤维适合造不同类型的纸张，为了获得所需要 的纤维长度，提高经济价值，有必要对纤维进行筛分。 虽然目前许多方法已经运用于纤维筛分但是都不是很理想。例如，离心 筛用于纤维筛分，技术经济指标差，结构复杂，易使大量粗纤维通过筛孔而 降低筛选效率，已逐渐被淘汰；浮选设备用于纤维筛分时效率较低；振动筛 ：亡作噪音大，动力消耗大，单位产量低”1 。正是由于这些设备不能很好地实现 对纤维的筛分，因此在这里采用了水力旋流器来进行纤维筛分。 水力旋流器的基本工作原理和基础设计的提出有一百年了( 1 8 9 1 年首次 获得有关专利4 ) ，但是赢到第二次世界大战以后才被有效地应用于工业生产 中。首先在选矿和采矿工业中获得应用，后来又逐渐应用于化学工业、石油 工业、轻：= 、环保、食品、医药、纺织等许多工业部门之中。现在水力旋流 器已被j 、泛确认，而且其应用领域在越来越广。如近来已广泛应用到生物：r 程中的筛分作业巾”。 以前，水力旋流器在造纸中主要应用于净化过程，用来除去浆料中的杂 质，近年来人们已经发现水力旋流器的筛分效果非常好，而且它拥有其他设 备所不具备的特点，如：结构简单、占地面积小、设备成本低和处理能力大 等突出优点。所以很多人已经着手做水力旋流器筛分纤维方面的研究工作。 国内外也有关1 水力旋流器筛分纤维的研究，但对水力旋流器筛分效果的评 价研究还不够深入、全面。 通过研究发现以前的一些评价指标在评价筛分效果的时候，有一些缺陷， 为了更好的评价旋流器的筛分效果，本论文提出新的评价指数一溢流纤维筛分 指数m 、底流纤维筛分指数n 、总纤维筛分指数f ，这些指数能够很好的评价 纤维的筛分效果。 第= 章文献综述 2 文献综述 2 1 筛分纤维的意义 筛分是把纤维按照物理和几何特性来分类。一般情况下，筛分是利用筛 板孔眼的大小除去与纤维j l y , i ) 肜状不同的杂质，而水力旋流器是利用离心沉 降原理来区分开长短纤维。纸浆具有广泛的纤维长度分布，不同的长度的纤 维适合造不同类型的纸张，为了获得所需要的纤维长度，提高其经济价值， 仃必要对纤维进行筛分。= 。 2 2 水力旋流器的综述 水力旋流器作为分离分级设备的基本工作原理是基于离心沉降作用”1 。当 待分离的两相混合液以一定的压力从水力旋流器上部周边切向进入器内后， ，。生强烈的旋转运动，由于轻相和重相存在密度差，所受的离心力、向心浮 ，j 平流体曳力的大小不州，受离心沉降作用，大部分重相经旋流器底流口排 山，而大部分轻相则从溢流口排山，从而达到分离目的。单个水力旋流器的 冉径一般可以从l o m m 剑2 5j i 】，多数固体颗粒的分离粒度可以从2 2 5 0 “n l ， 单个水力旋流器处理能力的范围一般为0 i 7 2 0 0 m h ，其操作压力一般在 0 0 3 4 0 6 m p a 范围内，较小直径的旋流器通常以较高压力操作。 在水力旋流器的发展中，出现了许多不同的旋流器，按器壁结构尺寸比 例， 分为k 锥型、短锥形、艮柱形、短柱形及全柱形。长锥形旋流器适用于 体颗粒质量回收率要求高的液体澄清或悬浮液浓缩、以及分离粒度要求很 小的固体分级：短锥形旋流器可以对固相颗粒进行分级、根据颗粒形状和密 艘对颗粒进行分类或分选；眨柱形水旋流器柱段是一个有利于固体颗粒分离 l y , i - j 效离心沉降区；全柱形水力旋流器主要用于选矿作业。由于全柱形水力 旋流擗下部也成柱状，故可有效的抑制粗粒级物料混入溢流，从而能交好的 保证其溢流产品的质量。 在k 期大量的应用实践中，水力旋流器显示出一些突出的优点：结构 简甲，成本低廉，易于安装和操作，几乎不需要维护和附属设备；体积小， 处理能力大，可以节省现场空间；旋流中存在着较高的剪切力，可以破坏 颗粒间的凝聚，有利于固向颗粒分级与洗涤；用途广泛，可完成液体澄清、 料浆浓缩、固体颗粒分级、分类洗涤、液体除气与除砂以及非互容液体的分 离等。在工业技术日新月异的今天，水力旋流器也正在逐步发展为具有中高 技术意义上的分离装备。”。 2 3 水力旋流器的应用”o 水力旋流器的应用包扦周一液分离、液一气分离、固一固分离、液一液分离、 液一气一阍三相同时分离以及其他方面。 2 3 1 固一固分离 死津科挫大学硕士学位论文 2 3 1 。l 颗粒分级 所诮分级便是j 悔围相颗粒的密度大小进行分离。旋流器的级效率随颗粒 粒度的增加而上升，目用于将进料中的固相颗粒分成粗粒级颗粒和细粒级颗 粒，即旋流器用作颗粒分级。还可应用于从产品中除粗颗粒，如除砂和净化 作! i k ，从产品中分离粗颗粒，如脱泥和洗涤作业。 2 3 1 2 分类 ( 1 ) 按密度分类 a 重介质旋流器 在重介质旋流器中，悬浮介质的密度大小位于所需要分离的两种矿物间， 于是矿物颗粒则可靠在介质中的沉浮而得到分离。由于没有所需要的高密度 的液体，故一般用极细颗粒的悬浮液来制成重介质。最简单和最经济的便是 使用锩用磁性进- t ? t , ，l 收的固相，这些固相物包括磁铁矿和硅铁等。 b 水介质旋流器 水介质旋流器的主要特征是锥体部分锥角大或者甚至无锥段( 全柱形) 。 当含有固相颗粒和水的混合浆料通过切向给料口进入旋流器后，流体形成的 典型双螺旋型流型，携带较重的固相颗粒的外螺旋流触及到大锥角的锥体时， 吲体运动突然受到阻碍，从而导致了固相颗粒在锥部区域聚集，造成干涉沉 降状态并在锥底区域内形成一个较紧密的床层。细小的轻颗粒不能穿过这一 层由较高密度组成的床层而只能进入溢流口，面粗而重的颗粒则穿过该层进 入底流口，故水力旋流器内的分离作用是根据颗粒的密度进行分类。 ( 2 ) 按表面疏水性分类 这是水力旋流器在浮选领域中的应用，其中最为成功的浮选用水力旋流 器是边肇充气式水力旋流器，它由m i l l e r 等提出，迄今已获得许多应用。气 体通过多空介质边壁进入旋流器内，器内壁表面高速旋转流体强烈的剪切力 使气体脱离多i l 壁而形成微小的气泡，由于气泡直径小而数量大，为疏水性 矿粒与气泡的碰撞与吸附提供了良好的条件。由于离心力场对浮选的强化作 用，在充气水力旋流器内按矿物颗粒表面疏水性对颗粒进行分类具有如下优 点：有效浮选颗粒粒径下限小，浮选速度快，浮选停留时间短，选择性好。 ( 3 ) 按磁性分类 磁力水力旋流器通过水力旋流器上增加外部磁场来完成对矿物颗粒进行 洞性分类。除具有水力旋流器一般优点外，还有助于降低磁铁矿损失，不发 生絮凝或磁团聚。 2 3 2 固液分离 2 3 2 1 澄清 澄清的i - 的是为了获得清洁的溢流，或者也可以说是为了最大程度的回 收进料中的固褶物。其操作参数的要求是：进料浓度低，底流口较大，进口 第二章文献综述 址力高；对其结构参数的要求是：旋流器真径小，进料口和溢流口尺寸较小。 皿u 果单级器操作仍不能达到澄清要求，可以采用多机串联或混联旋流器组。 2 曩2 2 浓缩 浓缩的同的是为了获得高浓度的底流液。水力旋流器进行浓缩操作时， 膝流口要求越小越好，底流口变小的下限为不堵塞为准。在某些场合，浓缩 川水力旋流器系统可以用来代替那些体积大得多的重力沉降槽。 2 ，j2 3 同时澄清与浓缩 若需要同时完成澄消与浓缩两种作业，那就需要两台或多台水力旋流器 ? * l 朕或混联使用，一台旋流器作为增稠器，另台作为澄清器，该系统网络 n 勺总网收效率高于其所用任一单台旋流器的回收率。 2 3 3 液一气分离 用于水力旋流器的液一气分离作业是指从液体中去除分散性气体。由于水 j 旋流器巾液流内存在较强的旋转剪切力和中央低压空气柱，所以水力旋流 器h 有从液相中脱离分散气相的能力。旋流器用于液一气分离的应用主要是石 油一l 业中原油的脱气。 2 ： 4 液一液分离 所谓液一液分离是指刚水力旋流器对两种非互溶液体进行分离，其分离原 u ! 足依靠非互溶液体之问的密度差别，在旋流器中按物料密度进行分类。水 力旋流器用于液一液分离的应刚主要是油一水分离。 23 5 三相同时分离 所粥三相同时分离，包括固一液一气同时分离，液一液一气同时分离以及固一 液一液| 司时分离。能满足三相同时分离的旋流器只要在液一气两相分离用旋流 器的揍础上稍加改进即可，这种改进主要是将其底流中的固液相分开，即将 液体q 一的砂粒除去。最多应用是石油工业中使油中的气和水同时分离出来。 2 3 ，6 其它应用 水力旋流器还可用作粒度分析器、浮选柱的气泡发生器等。 2 4 水力旋流器内流体的流动模型 由j 二水力旋流器内的液体流动是了解水力旋流器分离机理的最基本知识 。 之一，因此人们在这方面进行了大量研究。毫无例外，所有的研究结果均 指，液体在水力旋流器中同时产生两种基本的同向旋转流一顺螺旋线向下 流动的外旋流和沿螺旋线向上流向溢流管的内旋流，此即水力旋流器内液流 器内液流双螺旋模型。外旋流一接近锥顶就分为两部分：部分不变更流动 方+ 向，继续向下，最后经底流口排出：另一部分变更流动方向，转而向上流 动，进入了内旋流。在外旋流和内旋流之间于溢流管端以下产生循环流( 也 称闭环涡流) ，此循环流中的液体在绕水力旋流器轴线旋转的同时，从外侧向 底流1 ：3 方向流动，而从内侧向上盖方向流动。当向清水介质的水力旋流器透 灭冲利挫大学砸上学位论丈 明玻璃模型进料巾加入一定最的染料时，可以明显看出循环流。开始整个旋 流器内液体全被着色，稍后染料被新进入的水所冲洗，仅在内旋流和外旋流 之f 司的圆环区仍存在着色液体，但其区域的形状和位置逐渐改变，这个圆环 区域就是循环流所构成的。除这些液流以外，还存在所谓短流( 也称盖下流) ， 它由部分进制形成，先是环绕盖下表面向内侧流动，然后沿溢流管壁向下流 动，最后进入溢流中。在水力旋流器的轴线附近，由于静压头很低而离心力 又很大，以致液体涡核无法存在，于是空气顺势沿底流口进入并在轴心处形 成一个上升的旋风气流柱1 ，称为空气柱。 归纳起来，般认为水力旋流器内液体流动存在4 种形式，即内旋流、 外旋流、短路流( 盖下流) 和循环流( 闭环涡流) 。此外，空气柱和零轴速包 络面( l z v v ) 也是两个重要的附带特征。 2 5 液体流动的速度分布 水力旋流器内液体的流动为三维流动，研究者们对其速度场都用圆柱坐 标系来表示三个分速度：切向速度、轴向速度和径向速度。对液流速度分布 的研究，既可以用理沦分析法，也可以用实验测定法。理论分析法可以从流 体的连续性方程和i 运动方程解出水力旋流器的三维速度分布；实验测定法有 毕托管法、电极法、光纤法、频闪法和激光测速法等多种方法。人们对水力 旋流器内液相流动的速度分布，经过长期而大量的研究，目前已经取得了比 较明确的结论。 2 5 1 切向速度 切向速度足水力旋流器内三维速度中最重要的一个，它决定被处理物料 所受离心力的大小。因此人们比较重视对水力旋流器内流体切向速度的研究。 1 9 5 i 年，f i o b a p o b f ”1 利用流体动力铡速仪研究了水力旋流器中液体的旋 转速度，认为内旋流的切向速度随溢流管的直径减小和进口压力的增高而增 大。当溢流管的壳径一定时，切向速度从旋流器的周边向中心不断增大。 1 9 5 2 年，k e l s a l l | i “利用频闪观测器研究水力旋流器内的切向速度，得到 了与n o b a p o b 基本一致的结论：切向速度从旋流器周边向中心不断增大，到 空气柱边缘又重新降低，在回转半径约等于溢流管内径外切向速度达到最大 值。切向速度在溢流管末端以下各个水平面上保持恒定。切向速度不是呈自 由涡运动，而是辇所硝的准自由涡运动，即满足 u 。r “= c( 2 - 1 ) 式中uo 切向速度； r 同转! i t 径： n ，c 常数，与工况及旋流器内轴向位置有关。 后来。a k o j i o b 张炯、d a b i r 和p e t t y 、徐继润等、g uf a n g l u 和h s i e l l 等人先后用不同的手段研究了水力旋流器内液流的切向速度，他们的研究结 兰三翌兰堕鳖丝二 果l j 本上与兀o b o p o b 平k e l s a l l 的研究结论相同。 2 5 2 轴向速度 k e l s a l l i 通过测定水力旋流器内的切向速度和轨迹倾角而得到了各点 的轴向速度( v v = t g ( ，o 为轨迹倾角) ，其结果表明，液体的轴向速度在溢 流篱术端以下所有水平面上，由器壁向空气柱方向愈近而愈高；速度值由负 受l 已存旋流器半径的中部通过零点；在溢流管端以上的各水平面靠近溢流 管l 宦附近，轴向速度下降，说明有短路流的存在。通过液体轴向速度为零的 各t i ，可以描绘出一个剀锥形表面，即零轴速包络面。该面内部液体向上流 动，形成内旋流，而在其外部的液体则向下往底流口方向流动，形成外旋流。 就轴向速度绝对值而言，内旋流远远大于外旋流。 b r a d l e y 和p u l l i n g 1 3 用注射染色液的方法研究了水力旋流器内液体的 流态，认为零轴速包络f f | _ f 的位置与形状直接关系到水力旋流器的工作效率。 其形状与f f e l s a l l 的研究结果略有不同：该面的锥顶与水力旋流器的锥顶相 重合在对应o 7 d ( d 为旋流器直径) 的水平面上其锥底直径为0 4 3 d ，远离 僚顶后，它成为圆柱形。 b l o o r 和t n g h a m 、【u b e e j i eh 、d a b i r 和p e t t y 、徐继润等、 b h a t t a c h a r y y a 、g uf a n g h 和h s i e n 等人先后对水力旋流器内液相轴向速度 进行了较为详尽的研究，英结论与k e l s a l l 和b r a d l e y 等人的结果大致相同， 4 = | _ ! 荐的液流轴向速度的简单表达式为： 醵= i n 忑r 镌2 】n 赤 ( 2 - 2 ) 式中u ，轴向速度： a ，b 常数，与旋流器工况及内部轴向位置有关。 25 3 径向速度 径向速度在水力旋流器的三维速度中是最难进行实验测定的。由于各研 宄崭所删的前提假设及实验条件不一样，曾使径向速度的研究结果出现分歧， 但现在对径向速度的分布规律已有了明确统一的结论。 k e l s a l l 由切向速度、轴向速度和流体的连续性方程而换算得到了各点的 静向速度，结果认为液相径向速度在旋流器壁处最大，趋向空气柱逐渐减小， 爿：限柴一点降到零，咎个! 仁径方向上速度方向不变，其数值比轴向速度和切 向述度分别小一到两个数是级。他的这一结论被后来许多研究者用激光测速 法爻测的数据否定，但在此之前却被当作权威性结论引用了几十年“。 l b e e j i e l 4q 、徐继润等、孙启才等、h s i e n 、和李琼”3 1 等人曾先后分别 川激光多普勒测速仪对水力旋流器内液相径向速度作了实测研究，并作了理 论1 ：的分析，认为k e s a l l 关于径向速度的结论对常规结构是不适用的“。 j ；i 规结构旋流器的径向速度分布应是：随着径向位置从器壁趋向轴心，径向 进度逐渐增大，在空气柱边缘附近又急剧降低：锥段径向速度方向始终是f = | = | 器壁指向轴心：i j , j 旋流区的径向速度变化幅度b l 5 r - 旋流区的变化幅度大。液 相径向速度与转位置半径的关系可用如下公式表述： u r ，= k ( 2 3 ) 式中l i3 径向速度； m ，k 常数，与旋流器的工况及内部轴向位置有关。 k e l s a l i 关j 二液流径向速度分布规律的研究结果之所以与激光测速仪实 测结果有所不司，究其原因主要有二3 ：一是k e l s a l l 1 i ；1 在导出径向速度时作 了液流为层流运动状态的假设，而实际上水力旋流器内液体介质的流动为湍 流运动 3 0 ；：是k e l s a l l l l 。j 所用旋流器结构特殊，其实验用旋流器的溢流管 插入深度取为13 5 d ( d 为旋流器直径) 、进料管直径取为1 3 d o ( d o 为溢流 管：岛径) ，而一般常用的溢流管插入深度通常在( 0 3 0 5 ) d 范围之山、进 料管直径则通常在( 0 5 1 o ) d o 之内。 事实上理论分析的结果亦符合激光测速仪测出的液流径向速度分布规律 因为水力旋流器内液流为湍流运动，而对于不可压缩湍流的r e y n o l d s 运动方 程 p ( 鲁+ 半 = 一斋+ 瓴一笋+ 吾斋) 一户 未孑+ 杀丽+ 挚+ 妻万) ( 2 4 ) 式中u r ，uo ，u z ，p 分别为径向速度、切向速度、轴向速度及压力 的刚均值； ur，uo ，t l z ，分别为三维速度的脉动值； d 、u 分别为液体的密度及动力粘度： dd00a0 瓦通体导数算子：瓦2 瓦十酢丽十历万十“2 夏； a 2aa 2a 2a 2aa 2 a 2 2 矿+ 而+ 丽+ 虿2 矿+ 面，丽+ 可 可以认为旋流器中的速度的甲均值是稳定的，且为对称流动，再忽略u o 随轴向位置的变化，则有： p 一警十半卜( 等弓警专卜旧焉+ 半+ 鲁丽j 第：章文献综述 r m = 一p u “d 记 = 一p 丽) ( 2 6 ) 式中tr0 与t0z 均称为r e y n o l d s 应力。为解出u r ，采用b o u s s i n e s q 似设，引进湍流粘性系数ut 作为r e y n o l d s 应力与平均流动变形率，即 叫，( 等一剖 r t ，：= , i - l r 警j ， 从式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 雨i ( 2 - 7 - ) 可得： “，( 誓+ 等) 功r l d 2 l t ：, 券一剐 防。， h = 丝蜥= 丝 式中ut 一湍流运动粘度， p p 将切向速度表达式( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 8 ) 可得： _ = 一半些 。， r( y q 】 式( 2 - 9 ) 表明径向速度与位置半径成反比，式中的负号表示径向速度 方向向内。由于推导过程中若干假设的近似性，故实际的径向速度仍宜用 _ l = i = ( 2 - 3 ) 来描述。 水力旋流器内液流径向速度与位置半径成反比的分布规律还可以从另一 加度进行解释。假定一个流体微团从进料口进入旋流器后，从俯视平面上看， jl 运行轨迹应为一螺旋线。由于切向速度随回转半径的减小而增大，则在迹 线上不同半径处切向与径向的合速度亦随之增大“；但由于运行轨迹的螺旋 特悱，合速度在径向上的分量亦即径向速度必将相应地增大。该结论再次说 1 9 i 了激光测速仪实测的径向速度分布规律的正确性。 26 流体压力分布 水力旋流器的压力分布规律，直接影响着其分级效率，压力损失的大小 还影响着进料泵的功率和电能的消耗，因此压力分布也是水力旋流器内液体 流动的一项重要参数。水力旋流器中的静压从周边向中心方向单调减小，并 在，一气柱表面附近成为负值。下面从理论上讨论水力旋流器内的压力分布规 律。 在旋流器内半径r 处取一微元流体体积，其纵切面积为d a ，厚度为d r ， 鬻度为p ，切向速度为u “，则作用于微元体上的离心力为： 天徘刊拉大学硕士学位【仑文 d f ? ：p d a d r 竺d f ：p l a d r ! ! 量： 作用于微元体上r 处的表面压力为p ，作用于r + d r 处的表面压力为p + d p ， 因此作用于微元体上的总压力为 d p ：d p d a 当径向上作用于微元体 = 的外力构成平衡时，微元体所受离心力与总压 j j * l 等，t , l j d a ：d 以办堑 咖= p 2 坐 r，a r 积分得p 2 p j 。了 ( 2 1 0 ) 由式( 2 - 1 0 ) 司以得出： “日r ”。r “ ( 2 一1 1 ) 式中u e 一旋流器进口处切线速度； r 一一旋流器柱段半径 将式( 2 - 1 1 ) 代入积分式( 2 1 0 ) 中得 p = 一p 等+ 。协 若令r - r ( 简体壁) 时p = p r ，则式( 2 - 1 2 ) 变为： r + 等) “ 式( 2 - i 3 ) 为旋流器中准自由涡范围内任意半径r 处的静压力分布，也可 写成 p r - “2 n 2 l 他t , r 、2 ) - 由式( 2 - 1 4 ) 可以看出，旋流器中的径向压力差是随进口速度的平方成 正比例变化的，同时随着旋流器的半径r 与任意半径r 之比的2 n 次幂成正比 例变化。当半径i 减小时，压力差处的压力就边为负值了。1 ，这说明在旋流 器内轴心附近的压力可为负值，即从理论上说明旋流器轴心为低压区并有空 气柱存在。 当r = r ：，( r 。为溢流管半径) 处p = p 。时，式( 2 - 1 4 ) 可用来计算流体在水力 笫二章文献综述 旋流器中的臼i 力损火( 刘阻力) p ，即： 卸钨吨2 譬 ( 2 _ 1 5 ) m 水卜， 式。p ap 一流体在旋流器内的压力损失； k 一旋流器中压力损火系数。 上述压力分布的理论推导是在忽略径向速度影响的前提下进行的“。但 近来发现实际上液流径向速度与切向速度相比是不可忽略的，下面介绍考虑 径向速度的影响后压力分布的情况。 考虑径向速度的影响后，根据n e w t o n 第二定律，可得出微元流体的运动 n 牲为： 尸删咖等一删5 p d m r d 出u ( 2 - 1 7 ) 在三维柱坐标系中，液流径向速度是径向位置r 、切向位置e 、轴向位置 z 及时间t 的函数。即 l l , = f ( r ，0 ，z ，t ) j ：是有： 生：生生+ 丝塑+ 丝生+ 丝 因为水力旋流器的流体可视为稳定的轴对称旋转流，如果忽略径向速度 在剁i 向的变化，式( 2 - 1 8 ) 可写为 丝：玑堕 将式( 2 - 1 9 ) 代入式( 3 一1 7 ) 可得 考= p 丘f - 叫等 。2 一- 2 剐 d ，订r(u ) 式( 2 - 2 0 ) 便是考虑了液流径向速度影响后的流体压力径向梯度的表达式。 将式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 2 0 ) ，可得出某一轴向位置截面上压力 随! 仁径的变化关系式： ，一氧暑+ 万k 2 ：， 式巾的p 为积分常数，如果所选截面上任一点的压力己知，则p - 可知。如： 查! 蟹! 些奎兰堡：! 兰堡堡兰i 式( 2 - 2 1 ) 表明，随位置半径的减小，压力将降低。如果旋流器的结构 及操作参数一定，则某一轴向位置截面上任意两点间的压力差可以根据式 ( 2 - 2 1 ) 求得： a p o = p ，- p = 詈降 方一爿彬 专一专 。垅， 水力旋流器内液流的动压头与静压头相比是很小的。藤本敏智 3 7 对动 j 并r i 静压进行了对比实验研究，水力旋流器内流体的全压和静压均随半径减 小而降低，动压则变化不大。 在水力旋流器中，同一半径位置但轴向位置不同的各处，其静压力不同。 压力随轴向位。高变化的分布规律方面的研究很少1 。流体静压在轴向上随着 从上盖到底流口方向距离的增大而减小，在外旋流中的减小幅度比在内旋流 中的减小幅度要大些，即在外旋流中压力的轴向梯度比在内旋流中的要大。 2 7 固液两相流湍流特性及对分离分级的影响 2 7 1 水力旋流器湍动特性 湍流是自然界中最为普遍，且其工程应用极为广泛的一种流体运动现象。 湍流的基本特征是其存在随机运动的旋涡及由此引起的流速、压力、温度等 的脉动。湍流的低频大旋涡与湍流条件密切相关，并决定着湍流的主要力学 特性：而其高频小尺度涡旋则通过流体的粘性将湍流能量转换成热能后耗散 掉。现代湍流理论还认为，湍流运动是随机无序与湍流拟序结构的统一体， 湍流中存在着种有序的相干结构( c o h e r e n ts t r u c t u r e ) 。今年来，也有人 尝试用混沌理论来解释湍流现象。“1 。对湍流问题的研究已发展成为一个专门 的重要学科领域，而开展对湍流的工程应用研究，亦是极为重要和十分迫切 的。 实洲表明，水力旋流器内的雷诺数比较高，且在不对称的切向进料条件 下，固液( 或非互溶液液) 两相流各自进行强烈湍流扩散的共同作用导致了 分离和分级的j 。：生。这充分说明，水力旋流器内的湍流运动不容忽视。而通 过大量的工业实线硐i 实验室实验，特别是随着湍流理论研究的深入，人们已 开始注意到，湍流两相流分离理论”0 3 ( 模型) 较其他分离理论更符合水力旋 流器的工作状况。这也促使人们从研究湍流运动的基本结构入手，来正确认 识水力旋流器内的流动现象和规律以及液相和颗粒之间存在的能量交换关 系，从而为最终弄清旋流器的分离分级机理和为水力旋流器的优化设计与运 行提供可靠依据。 旷 + 旦舻 p 一2 一 既 1 | p 存 翌= 望兰堕垫! 竺 一 湍流结构通常可包括三个部分：湍流统计特征量，如脉动速度、雷诺 切心j 、概率密度分布、棚关、功率谱等：湍动涡量分布，包括涡的特征 j t 度( 形状和尺寸等) 及其运动；湍动涡的合并、破裂、快慢斑和猝发等 涡动特征以及湍流的相干结构等。其中，反映水力旋流器主要湍流特性的参 数囱湍流强度、湍动能、锚诺切应力和湍动能量耗散率等。 用欧拉方程研究湍流时，按照r e y n o l d s ，0 的假设，流场中任一点的瞬 时流谜可分成时均值和脉动值之和。 在吲液两相湍流中，脉动速度u i 对固相颗粒的分离和悬浮具有重要影 n l ；q 。通常采用脉动速度的均方根值o 来反映速度脉动i 晤值的大小： a = 孑( ”孑”表示取平均) ( 2 2 4 ) 脉动速度的均方根值o 与时均特征速度“t 的比值称为湍流( 强) 度，以 t 表示： ， 7 1 一旦一坐l “一“， ( 2 2 5 ) 湍流度表征了流场湍流运动的相对强弱。 湍动能 k 一，2 2 ( 2 2 6 ) 它代表流场质点因湍流而获得的能量大小。 雷诺切应力 = - p “。，。( f _ ，) ( 2 2 7 ) 。击诺切应力表示由 i 流速的脉动而引起的附加切应力，亦称剪切应力。 。抛，_ fa u o u ，1 湍动能耗散率 o x jl 幽， 嚷 ( 2 2 8 ) 湍动能量最终是通过流体的粘性作用转化成热能而耗散掉的，湍动能耗 散等于单位质最流体在单位时间内所平均转化为热能的湍动能量。 湍流对水力旋流器流动状态影响的研究，最早可追溯到d r i e s s e n ( 1 9 5 1 ) 的工作，他曾提出可根据湍流流动特性来修正切向速度分布的思想2 “。以后 2 2 “+“ | | 口叶 埘，w 甜 p - = = l 甜_ v 几w 盔! ! 兰! 垫查堂竺主堂垡堡苎 r i e t e m e 对怎样修l i ：切向速度分布，以及湍流对切向速度公式中的指数n 有何 影响作过详细的探讨。他建泌用无量纲修正系数 对n 进行修正： 2 v , r u ( 2 2 9 ) 式中v t - 一径向速度； r - - - 旋流器半径： u t 一一湍流粘度。 ot 的值根据k e l s a l l 实测的切向速度分布得出。w i i i i a m 在对水力旋流 器流动现象的综述中表明，由于强湍流的作用，旋流器中的任何流动分量都 将被有力地混合( 如同在搅拌槽中一样) ，高湍流强度使得轴向和径向速度的 实测远比切向速度困难。并指出，水力旋流器中的湍动尺度可以达到涡环宽 度的l 3 ，故涡以及核心流动区必属于大尺度强湍流的范畴。文献”7 1 的实测研 究也发现，在高湍流强度或相对大的涡旋尺度下，在外旋流中的切向速度将 趋于均匀分布，或切向速度随半径的减小而降低。r i e t e m a 的研究还表明，作 湍流运动的固粒具有降低速度梯度和平滑径向压力分布的作用，即可增加过 流能力。b l o o r 乖ii n g b a m 提山了一个单相流粘性湍流数学模型，他们认为湍 动粘性与主流的应变有关，并由此导出了旋流器不同位置( 高度) 沿径向的 湍流涡粘性分布。 2 7 2 湍流别分离雨1 分级的影响 r i e t e m a 。= “早在1 9 6 1 年就研究了湍流对旋流器分离的影响，他在湍流与 径向位置无关的假设条件下，导出了湍流对颗粒分离影响的数学表达式。但 在该式中，他忽略了湍流扩散的影响，以后n e e s e 等人专门考察了湍流扩散 问题，指出，较大的径向湍流有可能使沉到器壁的颗粒又向中心扩散，剥离 心沉降起干扰作用。文献1 也得出了湍流度的增加对分离不利( 但有可能减 小流动阻力) 的结论。s c h u b e r t 和n e e s e 基于湍流各向同性和固粒尺寸远小 于涡旋尺度以及浓度足够低的假定，于1 9 8 0 年首次提出了一个关于湍流两相 流的分离模型。该模型的主要结构是粒子的总运输量等于沉降量加湍流扩散 帚，并由此得山了随固相颗粒的细化，湍动阻力将增大的结果。此外，s c h u b e r t 还提出了一个适用j 二水力旋流器分离的湍流多相流模型，从中定义了固粒的 分离粒度( 切割尺度) d 。并得出了分离级效率曲线。郭荣根据湍流分离理论， 导出了d 。随湍流强度t 。变化的关系式： 小七压溺 式中 k 一一颗粒物性系数； n 一流体动力粘度； ( 2 3 0 ) 旃二审文献综述 v 。一进口流速； r 一一旋流器半径； 、p 。颗粒粒度； p 液体粒度； d , , - - - - 溢流口直径： d r 一底流口直径。 l ? 式表明，水力旋流器的分离粒度将随湍流度的增加而变大。 以上研究均表明，旋流器内的湍流运动对其分离将产生较大的影响。它 i ? 要表现在，较高的湍流强度和湍动扩散将导致分离效率的明显降低，颗粒 的分离粒度指标将随湍流度的增加而变大”。水力旋流器分离成功与否的关 键除同液( 或油水等) 两相间必须存在定的密度差外，还要求旋流器内 的流动必须保持稳定，并不受任何干扰和波动的影响。而湍流正是通过剧烈 的脉动和扰动，破坏了旋流器流动的稳定性，造成分离困难：而当湍流动能 大j 二或等于离心分离能量时，待分离物料之间将相互重新掺合或混掺，从而 人人降低旋流器的分离效率。以下将通过简单的分析，对湍流降低分离效率 的机理进一步说明。 镣浮单位体积流体叶i 的固体颗粒所需的能量： l2 ( 成一p j ) u 2 ( 2 3 1 ) 能使固体颗粒悬浮的湍动能量： e ：2 ( 叫4 ) “，。2 ( 2 3 2 ) 鹏者之比称为临界湍流( 径向) 携带能力： 中“= e 2 e - = ”( 只一乃) 等 。， 式中 “，。“r 一流体湍动能： u 。固粒径向沉降速度； p ，p = 一一分别为水和固粒密度。 由( 3 - 3 3 ) 式可知，若旋流器中的湍流实际携带能力大于临界值，即当“r 。 大1 同粒径向沉降速度的下方值，或v ，2 大于临界湍流携带能力的相应值 ，= = = = ，= = = = 、 时( “，。“，一。r ) 可看作一种相对湍流强度) ，水力旋流器中分离有序的 天泮科技大学硕士学位沦殳 状态将被破坏i 较强( 过剩) 的湍动能将使旋流器壁面的固体颗粒l ( 已经分 离的较大颗粒) 受到搅动并被抛向轴心，其空位将由与流体有较好跟随性的 极细颗粒所代替! ”。即在较高湍流强度的情况下，旋流器壁面将产生一层由 极细颗粒构成的滑动的“沉积层”，此沉积层已被最近的实测所证实。较高的 湍流强度或湍动能迫使近壁处的大颗粒往轴心方向悬浮以及细粒沉积层的产 生，都将阻碍分离的顺利进行，从而降低了水力旋流器的分离效率。赵建襦 等人在气吲两相流特性的研究中曾指出：近壁流场湍流化能阻止囿粒接向碲 面，其结果是减轻了器壁的磨损。结合前面的研究，可以认为，这是因为高 的湍流强度导致了在两相流的壁面湍流边界层内形成一层细粒垫层( 或称“流 砂层”) ，该层的缓冲作用阻止了较大颗粒直接撞击器壁，从而减轻了磨损。 前面的实测结果表明，在水力旋流器中湍流运动最为剧烈的空气柱侧和 器壁附近，表征湍流特性的另一重要特征量雷诺切应力也显著增大【。1 。 同较大的湍动能不利于旋流器分离一样，雷诺切应力的增加也将降低水力旋 流器的分离效率。这主要是因为雷诺切应力将破坏固相颗粒的凝聚和絮聚性， 尤其是器擘面附近的雷诺切应力将造成已絮凝成团或已聚集的固粒群分散， 并使部分颗粒进入内旋流再次循环。然而，雷诺切应力将对水力旋流器的分 级功能带来好处，剪切力的存在将使分级按单个颗粒的大小进行，而不是按 聚团的大小进行，因而使颗粒的分级更为精细。 综上所述，湍流对水力旋流器工作的影响，弊利兼有。较高的湍流强度 平| ：l 雷诺剪切力将降低旋流器的分离效率，并使总能量耗散增加”。但另一方 面，湍流中雷诺剪切应力的增加可提高水力旋流器的分级精度，以及湍流可 减轻旋流器器壁的磨损。 应该看到，人们对水力旋流器内湍流现象及其对分离分级影响的研究已 取得了较为丰富的成果，并正应用于指导旋流器的设计和运行。但由于湍流 问题的复杂性，以及受研究条件的限制，迄今对水力旋流器内的湍流结构， 特别是湍动涡的特性及其对分离分级过程的影响尚未弄清，现有的研究成果 仍不足以全面和详尽地描述水力旋流器湍动两相流的运动规律“。因此，目 i 诲对水力旋流器内湍流结构的认识知识初步的，许多原理和规律都有待以后 的研究去揭示。 2 8 流体边界层 任何绕縻面的流体流动，在高雷诺数的情况下都会在壁面附近形成一层 速度梯度很大的游层流体，这一薄流体层即是边界层。边界层的基本特性在 于层内法向速度梯度很大，粘性影响显著，层内粘性力与惯性力具有相同的 数量级。边界层内的粘性作用力是流体流动时产生壁面摩擦阻力的主要原因。 严格地说，边界层没有明显的边界，因为层内的流速是沿壁面法向逐渐接近 外界流速的”。人们规定，当边界层内的流速等于外部流速的9 9 的地方，即 筇二章文献综述 为边界层的外边界。由蹙面到外边界的法向距离称为边界厚度。边界层厚度 址边5 j i t m 的一个重要特征蹙。需要指出的是，边界层与近壁层流层的概念是 小同的，前者可有层流运动和湍流运动两种流态，且厚度较大；而后者只是 层流运动，其厚度也较前者为小。 水力旋流器内j j 勺液体通常在高雷诺数下流动，因此在旋流器边壁和顶盖 附近均会形成边界层2 “。顶盖边界层会造成短路流或称盖下流，从而使迸料 r _ r 】的一些大颗粒不经分离便被带进溢流，造成大颗粒在溢流中的混杂；边壁 边界层则会将一些细小颗粒携带八底流，使底流中混入细小颗粒，故顶盖边 蚪联和边擘边界层的存存均会使分级效率和分离精度等分级分离性能指标受 剑影响。水力旋流器内边界层中液体流动时有相当大的能量损失，这一点曾 在i “o j i bowh 的研究中得到证实3 “。然而，尽管边界层对旋流器的运行有 较人的影响，但是由于研究仪器手段的限制使对边界层的实测研究具有较大 j ：| 勺刚难性，所以有关水力旋流器内流体边界层方面的研究成果较少。下面将 分别就项盖边界层雨i 边縻边界层进行介绍。 28 1 顶盖边界层 b l