（化工过程机械专业论文）液液离心分离设备性能研究.pdf

人连理1 人学硕士学位论文 摘要 住我国众多老油田开采的后期，以及海上石油平台的原油开采中不可避免的存在原 油含水量较大，不经过处理无法有效的对石油进行深加工，亟需有效的液液分离设备对 原油进 j ：提纯和分离；同时在工业污水处理中也经常需要将废水中含有的油类去除以达 到国家排放标准，这同样需要有效的液液分离设备。 本文根据液液分离设备的现实要求，根据离心分离的理论，运用数值模拟和设计计 算相结合的办法，设计出了一套液液分离微型旋流器和一套新型直板式离心机。 新型液液微型旋流器通过参考成型的高效液液分离旋流器，缩小旋流器尺寸以大幅 提高了旋流器的分离因数。通过数值模拟不同形式和尺寸的进料口和溢流口，选择合适 的结构以优化旋流器内部流场和降低胍力损失。以上的种种手段对于提高旋流器的性能 是极为有利的。 新型直板式离心机转鼓内部放置了大量的斜置平板。与常规的液液分离碟片式离心 机相比，入口处物料可以均匀分布在每个狭缝中间。物料得以充分的分离；同时我们可 以加大分离直板长度来提高分离效率。与常规的离心机相比，高密度的斜嚣平板使离心 机转鼓内部的物料流动均为层流流动，使液滴的凝结和沉降更为稳定；同时斜置叶片大 幅降低了液滴的沉降距离，沉降距离仅为同内径离心机的1 2 0 3 0 ；转鼓高速转动时， 物料被直板带动和转鼓同步旋转，这与常规的离心机相比转动角速度更大。直板式离心 机作为液液分离用离心机，无疑具有更好的分离效果。 本文通过紫外荧光测油仪为重要手段来研究离心设备的分离效率。通过实验我们得 出了旋流器在一定工作条件下的最佳分流比，最佳操作点，对于旋流器的实际应用具有 重要的意义。我们通过调整离心机转速、流量以及物料的粘度来研究离心机的分离效率 和重相产物浓度等分离性能。 实验研究发现，液液分离旋流器在小工作能力下有很好的分离效率，在大流量下由 于旋流器内部剪切太大，造成油滴破碎而不利于分离；直板式离心机效率相对旋流器要 高，可以得到纯度很高的重相产物，并且可以通过改进结构进一步提高转速，以获得更 好的分离效果。 关键词：液液分离；微型旋流器；直板式离心机；数值模拟；性能研究 鳖鉴坌璺坠堡：堡! 塑塑 s t u d yo ns e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo f c e n t r i f u g a le q u i p m e n t a b s t r a c t i ti si n e v i t a b l et oe x i s te x c e s s i v ew a t e rmt h ec r u d eo i li nt h el a t ee x p l o i t a t i o no fm a n y o u t d a t eo i lf i e l da n de x p l o i t a t i o no nt h eo c e a nf l a t i ti sn o tv a l i dt op r o c e s so i lv e r yw e l l w i t h o u td e a l i n gw i t hc r u d eo i l i ti sn e c e s s a r yt oh a v ew a t e r - o i ls e p a r a t i o ne q u i p m e n t sf o r p u r i f y i n ga n ds e p a r a t i n gc r u d eo i l m e a n w h i l e ，i ti sn e c e s s a r yt od i s p o s eo i lf r o ms e w a g e st o r e a c ht h en a t i o n a ls t a n d a r di nt h ei n d u s t r i a ls e w a g et r e a t m e n t ，a n dt h ew a t e r - o i ls e p a r a t i o n e q u i p m e n ti su r g e n tn e e dt o o a c c o r d i n gt o t h ep r a c t i c a ln e e df o rw a t e r - o i l s e p a r a t i o ne q u i p m e n ta n dt h e o r yo f c e n t r i f u g a t i o n ，t h r o u g ht h em e t h o d so fa n dd e s i g n ，as u i to fw a t e r - o i lm i n i h y d r a c y c l o n ea n d v a n ec e n t r i f u g ea r ed e s i g n e di nt h ea r t i c l e c o m p a r i n gw i t ht y p i c a la v a i l a b l ew a t e r o lh y d r a c y c l o n e , w er e d u c et h em e a s u r e so ft h e h y d r a c y e l o n et or a i s et h es e p a r a t i o nf a c t o r w ec h o o s et h es u i t a b l es t r u c t u r et oo p t i m i z et h e f l o wf i e l do ft h eh y d r a c y c l o n ea n dt or e d u c ep r e s s u r ed r o pt h r o u g h o u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nv a r i o u so fi n l e tp i p ea n dv o r t e xp i p e a l lt h em e t h o d sa b o v ea r ea d v a n t a g e o u st oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h eh y d r a c y c l o n e t h e r ea r eal a r g eo fd e c l i n i n gv a n e si nt h ec e n t r i f u g e c o m p a r i n gw i t ht h eg e n e r a ld i s k s e p a r a t o r ，t h em a t e r i a l sn e a r b yi n l e tp i p ec a nd i v i d ei n t oe a c hs l o t se q u a l l y ，a n dt h em a t e r i a l s c a ns e p a r a t ee f f i c i e n t l y a n dt h e nw ec a ni n c r e a s et h el e n g t ho f t h ev a n e sw i t ht h ep u r p o s eo f r a i s i n gs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y w h a th i g hd e n s i t yd e c l i n i n gv a n e sm a k et h e f l o wi nt h e c e n t r i f u g ei sl a m i n a rf l o w i tm a k e so i lp a r t i c l ec o h e s i o na n ds e d i m e n t a t i o nm o r es t a b l e a n d t h e ni tr e d u c e st h es e d i m e n t a t i o nd i s t a n c eo f o i lp a r t i c l ea n dt h es e d i m e n t a t i o nd i s t a n c eo f t h e v a n ec e n t r i f u g ei so n et w e n t yt oo n et h i r t yo fs a m ed i a m e t e rc e n t r i f u g e w h e nt h er o t o rr a n q u i c k l y ，m a t e r i a ld r o v e db yt h ev m - l e sa n dw i t ht h es y n c h r o n o u sr o t a t i o n ，c o m p a r e dw i t h g e n e r a lc e n t r i f u g e ，r o t a t ea n g u l a rv e l o c i t yb i g g e r ，t h ev a n ec e n t r i f u g e ，u s i n go fw a t e r - o i l s e p a r a t i o n ，h a sb e t t e rs e p a r a t i o ne f f e c tu n d o u b t l y t h i sp a p e ri sm a i n l yt os t u d ys e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fc e n t r i f u g ee q u i p m e n tv i a u l t r a v i o l e tf l u o r e s c e n ta p p a r a t u sa sa ni m p o r t a n tm e t h o d w eh a v ec o n c l u d e dt h eb e s tf l o w s p l i to fh y d r o c y c l o n ea n dt h eb e s to p e r a t i o n a lp o i n tu n d e rs o m ew o r k i n gt h r o u g ho u t e x p e r i m e n t s i tp l a y sa nv i t a ls i g n i f i c a t i o nt op r a c t i c a lo f h y d r a c y c l o n e w eh a v ea d j u s t e dr e v o fc e n t r i f u g e ，f l u xa n dv i s c o s i t yo fm a t e r i a li no r d e rt os t u d yt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c es u c h a st h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dh e a v yp r o d u c tc o n c e n t r a t i o no f c e n t r i f u g ea n ds oo n 人连理，l ：人学硕一e 学位论文 t h er e s e a r c ho fe x p e r i m e n t sh a v es h o w e dt h a tt h ew a t e r o i lh y d r o c y c l o n eh a sag o o d s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi naf e ww o r k i n gc o n d i t i o n ，a n dt h a tt h ew a t e r - o i lh y d r o c y c l o n eh a s m a k ea g a i n s ts e p a r a t i o nb e c a u s eo fc u t t i n gi n s i d eo fh y d r o c y c l o n ep l e m ya n dm e a n w h i l e r e s u l t i n gi no i lp a r t i c l eb r o k e ni nh i g e rp r e s s u r e 。t h ee f f i c i e n c yo f v e r t i c a lc e n t r i f u g ei sb e t t e r t h a nh y d r a c y c l o n ea n dc a ng e tv e r yp u r eh e a v yp r o d u c t s w em a yi m p r o v es t r u c t u r eo f h y d r a c y c l o n et of u r t h e rr a i s er a t i oi no r d e r t or e a c hag o o ds e p a r a t i o ne f f e c t s k e yw o r d s ：w a f t e r - o i ls e p a r a t i o n ；m i n i - h y d r o c y c l o n e ；v a n ec e n t d f n g e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；p e r f o r m a n c es t u d y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 _ t 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 人迮理j ：人学硕t 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“人连理： 人学硕士、博十学位论文版权使用 规定”，同意大连理工人学保留并向国家有关部| 、j 或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理1 ：大学u r 以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也呵采_ j 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 么生亟 丝年翻丝r 查笙堡! ! 查堂堡主堂堡堡茎 1 绪论 运用离心力场对非均相物系分离非常有效，这种分离叫做离心分离【“。离心分离机 械同其他分离机械相比，不仅能够得到商纯度的产物，而且具有节省劳力、减轻劳动强 度、改善劳动条件等优点。并且离心分离机械具有连续运转、自动遥控、操作安全可靠 和占地面积小等优点。在工业上取得了越来越广泛的应用。 1 1 典型分离设备及比较 离心分离设备按有无旋转部件可分为机身固定的旋流分离设备和机身旋转的离心 分离设备。前者如水力旋流器，流体在固定的机身内旋转而产生离心力场；后者如沉降 式离心机，由旋转的机身带动内部流体作回旋运动而产生离心力场。水力旋流器具有结 构简单、设备紧凑、占地面积小和设备成本低等许多优点，日益受到广泛关注【2 j 。离心 机具有结构紧凑、应用范围广、单机生产能力大等优点，它可以相当精确地，同时迅速 地分离极难分离的非均相液念物系口l 。 11 1 离心机 根据分离原理，离心机可以分为沉降式和过滤式两种。这里主要对沉降式离心机1 4 】 进行介绍。 ( 1 ) 沉降式离心机 螺旋卸料沉降离心机 螺旋卸料沉降离心机结构原理见图1 1 。高速旋转的无孔转鼓内有同心安装的输料 螺旋，转鼓与输料螺旋同向旋转，但两者之间有一定的转速差，该转速差由差速传动系 统产生。悬浮液经中心的加料管进入转鼓，悬浮液中大部分固体颗粒在离心力作用下沉 降到转鼓内壁并被输料螺旋推送而从小端排出转鼓，澄清后的液体从转鼓另一端的溢流 口排除。 图1 1 螺旋卸料离心机结构原理图 f i 9 1 1s c r o l ld i s c h a r g es c r e e nc e n t r i f u g e 液液分离设备性能研究 螺旋卸料沉降离心机的主要操作参数为：转鼓转数，转鼓与输料螺旋间的转速差， 溢流r 位置和进料速度：主要结构参数为：转鼓大端内直径d ，转鼓长度l ，转鼓长径 比l d ，转鼓半锥角g t ，以及输料螺旋的螺旋头数和螺距。 螺旋卸料沉降离心机的主要优点：自动连续操作，不需用滤布，能长期连续运行， 维护简便：应用范围广，可用于固体脱液，液体澄清，固体颗粒按粒度分级，以及用于 液一液一同分离；对物料的适应性好，能分离的固体粒度的范围0 0 0 5 m m - 2 m m ，悬浮液 的体积浓度范围2 一4 0 。浓度波动对分离效果的影响不大；结构紧凑，容易实现结构上 密闭，密闭式机器可在一定的正压下操作；单机生产能力大( 大型机可达1 9 0 m 3 h ) ， 操作费用低，占地面积小。 螺旋卸料沉降离心机的缺点是：沉渣的含液量一般较高；虽能对沉渣进行洗涤，但 沈涤效果不好：结构较复杂，机器造价较高。 碟式分离机 碟式分离机【5 1 是沉降式离心分离中的一种类型，用于分离难分离的物料。分离机中 的碟式分离机是应用最广泛的沉降式离心机。可以完成分离和澄清两种操作。 1i n l e tp i p e2d i s t r i b u t o r3d i s ks t a c k4p a r m gd i s k t l 5 b o t t o m6s l i d e sp o r t s7t o l o8s 僦血gc h a m b e r 9 s e d i m e n ti n d i c a t i o nd i s c1 0v e r t i c a ls p i n d l e + 图1 2 碟式分离机 f i 9 1 2d i s ks e p a r a t o r 人连理l 人学硕士学位呛文 碟式分离机如上图所示是立式离心机，转鼓装在立轴上端，通过传动装置山电动机 驱动而高速旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件碟片，碟片与碟片之问 留有很小的问隙。悬浮液( 或乳浊液) 出位于转鼓中心的进料管进入转鼓。当悬浮液( 或 乳浊液) 流过碟片之间的间隙时，固体颗粒( 或液滴) 在离心力作用下沉降到碟片e 形 成沉渣( 或液层) 。沉渣沿碟片表而滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位， 分离后的液体从出液口排出转鼓。积聚在转鼓内的同体在分离机停车后拆开转鼓出人工 清除，或通过排渣机构在不停车的情况下从转鼓中排出。 碟式分离机主要的操作参数为：转鼓转数，轻液转速，轻液与重液分界面的位罱， 加料速度等；碟式分离桃的主要结构参数为：转鼓内直径，当量沉降面积，碟片的尺寸 与碟片总片数，排渣方式及排渣机构。 碟式离心机结构紧凑，占地面积小，生产能力大，适于液一固也适于液一液分离，因 而在化工、医药、轻工、食品、生物工程以及交通运输部门都获得广泛应_ j 。碟式分离 机的缺点是结构复杂，转速高，因而操作和维修保养的要求比较高，另外清洗较麻烦。 1 1 2 水力旋流器 水力旋流器最早存1 8 9 1 年就取得了专利，由于结构简单、便于制造和安装，以及 处理量大等优点，受到了各国选矿专家的推崇。从2 0 世纪5 0 年代起，旋流器的应用领 域以及规模均得到了迅猛的发展，同时不断地吸引着越来越多的学者和二【：程师们致力于 旋流器理论与应用的研究。到了2 0 世纪8 0 年代以后，形成了相当大的规模。随着现代 测试技术和计算与模拟技术的飞速发展，人们对旋流器的工作能力及过程行为有了越来 越深刻的认识，从而大大推动了旋流器结构型式的多样化及其应用领域的不断拓展。可 以说，在科学与技术日新月异的今天，旋流器也在逐年发展成为具有高科技含量的分离 设备。目前，无论是从科技界还是从工程界来看，人们对旋流器的兴趣有增无减。 一般地，水力旋流器均由上部圆筒段和下部圆锥段组成( 见图1 3 ) 。在简体上方有 一切向前i 置的进液管，筒体顶部有一涡流导管，构成溢流管。在锥形筒体的底部有一底 流1 。当具有一定速度的两相流流体沿切向进入常规旋流器后，在旋流器内形成高速旋 转运动。根据斯托克斯定律，体积和密度较大的颗粒受到较大的离心力的作用，被迅速 甩向筒壁，并沿着锥筒壁螺旋向下运动，从底流口排出，在溢流管的涡旋导向作用下， 较轻较小的颗粒则和大部分流体从溢流管排出，完成两相流的分离过程。 液液分离设备性能研究 避料 ，澄滤 j 匿漩， 图1 3 水力旋流器结构简图 f i 9 1 3c o n f i g u r a t i o no f h y d r o e y c l o n e 目前被广泛采用的旋流器，简体直径从1 0 m m 到2 0 0 0 m m f 6 j ，分离粒度可以小到卜 微米，且操作流量具有一定的弹性范围，如果降低流量，离心加速度降低，离心力场减 小，显然这对效率有负面的影响，而在流量降低的同时，旋流器中的液流停留时间延长 对分离过程又有着积极影响，在一定程度上抵消了负面影响。此外，固体颗粒平均粒度 的大小对分离效率影响显著，对于分离颗粒尺寸较大时，分离效率相对较高，可以达到 9 5 以上，对于分离超细颗粒时，分离效率会下降很多，甚至低于5 0 。 经过对旋流器的大量的试验研究和生产实践，已经形成了百家争鸣的旋流器分离理 论，包含了分离的基础理论模型，速度场和压力场的数值模拟，旋流器各参数对其分离 性能影响以及能耗降减理论等等。其中我国的庞学诗，褚良银等人的研究成果已经为大 多数学者接受并运用于生产实践。 液一液分离旋流器领域f w 的丌发研究工作则是从1 9 6 7 年英格兰海南岸的“t o r r e y c a n y o n ”油轮遇难事件后才开始的。当时由于原油的大量泄漏，造成附近大面积海域的 严重污染及大批鱼鸟的死亡。为了保护生态环境，英国政府及科技界曾呼吁对被污染海 域的治理进行研究，由此唤起了s o u t h a m p t o n 大学的m a r t i nt h e w 教授及其同事对液 液旋流分离技术的研究兴趣。随后在1 9 6 8 年的初步研究中，他们首先突破了前人关于 “液一液旋流分离难于实现”的认谈，提出了只要结构设计合理，液一液旋流同样可以取 得良好分离效果的新观点。此后从1 9 7 0 年起，在有关部门的资助下，一个为期8 年的研究 讣划存s o u t h a m p t o n 大学开始实施。以m a r t i n t h e w 教授为代表的s o u t h a m p t o n 大学的研 究人员，先后以聚丙烯与水、尼龙与水、煤油与水、原油与水为介质，采用a t 一型库尔 火连理j ：人学硕l ：学位论文 特计数器、自行研制的电导实时测量系统、一维激光测速仪和a s m 湍流模型，对液一 液旋流分离技术进行了多年的大量研究。1 9 7 8 年率先提出了液一液旋流分离的第一种芯 管结构即a 型旋流管并获英国专利【8 j ；1 9 8 3 年该旋流管开始产品化，同年在澳大利亚的 一个海上平台应用。随后s o u t h a m p t o n 大学的研究，i ：作，得到更多工业部门的重视和资 助。在此条件f ，他们除不断发展和完善含油污水的静态旋流分离技术外，还努力开拓 液液旋流分离技术应用的新领域，并相继在高含水原油的旋流预分离及低含水原油的 旋流脱水净化方面取得了进展。继英国s o u t h a m p t o n 大学之后，法国的t o t a l c e p 和 n e y r t e c 联合对静态旋流分离技术又进行了发展，并于1 9 8 6 年开发成功了用于含油污水 净化处理的动态旋流分离技术，现该机构又转向原油动态旋流脱水技术的丌发研究。因 此，就液液旋流分离技术来讲，目前主要呈现两种发展趋势：一是以英国s o u t h a m p t o n 大 学为代表的静态旋流分离技术；二是以法国n e y r t e c 和t o t a l c e p 为代表的动态旋 流分离技术及其相关配套技术。 1 1 3 两种分离设备的比较 离心机相对于旋流器来说由分离效率高、分离效果好、处理量大等优点，但是离心 机工作时需要耗费额外的能量带动转鼓转动。水力旋流器结构相对于离心机更加紧凑， 并且设备生产及工作成本低，更为广泛的应用在两相预分离等工作条件下。当对分离效 率及分离纯度都有较高要求时，这时就必须使用离心机。 从单位分离器体积的处理量和分离临界粒径的角度考虑，所探讨的两种分离器的优 劣排序为：离心机、水力旋流器【9 】。 通过设计以提高两种分离器的性能是可能的。 当可用空间有限( 如海上采油) 或极其有限( 井眼分离) ，出于经济原因，所选择的分 离器类型通常是水力旋流器。 探求更紧凑的分离器仍是大势所趋，水力旋流器和离心机在这方面都有发展潜力。 当要分离的油滴粒径极小，如在5 1 a m 时，这只能用离心机来实现。但这种分离设 备的主要缺陷是成本高。 1 2 离心分离装备新进展及其展望 离心机发展到现在产品已经程式化，但是随着新的材料及技术的出现，离心机的发 展出现了一些新的趋势。 12 1 新材料的应用 ( 1 ) 玻璃钢材料的应用 液液分离设备性能研究 玻璃钢是玻璃和树脂组成的复合材料【m 】，虽然玻璃和树脂的韧性和强度都不高，玻 璃钢却有很高的强度和韧性，而且耐腐蚀性能好，重量很轻。所以玻璃钢发展很迅速， 已成为一种重要的工程结构材料，使机器构件不用金属成为可能。出于玻璃钢有强度高、 耐腐蚀的性能特点，可以考虑用玻璃钢来制作离心机转鼓。这是因为玻璃钢的高强度， 满足了在高速旋转情况下转鼓对强度的要求；玻璃钢的耐腐蚀性保证了一般情况下转鼓 直接与物料接触也不会被腐蚀。用玻璃钢制作离心机转鼓不仅可行而且还具有许多会属 材料所不具备的优点：由于玻璃钢的密度约只为不锈钢的1 4 ，同样大小的玻璃钢转鼓 的质量远远小于不锈钢转鼓的质量，而转鼓自身的质量所引起的应力约占总应力的一半 庀右，所以玻璃钢转鼓的总应力大大降低了。并且在总消耗功率中占相当大比重的离t l , 机的启动功率也与转鼓质量( 密度) 成正比，降低了转鼓的密度，就意味着降低了功率 消耗，所以玻璃钢转鼓节省了能耗【l “。 除此以外，因玻璃钢满足了离心机机壳对优良的耐磨性( 以承受强力冲刷) 的需要， 救它还可用来制作离心机的机壳。例如在三足式离心机中，转鼓的转速可达 7 5 0 2 0 0 0 r m i n ，抛出的液体对壳体内壁有很强的冲击力，如果接触的介质腐蚀性不很 强，可选用通用不饱和聚酯做基体材料，增强材料外层采用表面毡，其余均采用中碱玻 璃纤维布铺覆和短切玻璃纤维纱喷射交替成型并在内表层加入氧化铝粉末以增加其耐 磨性。将按此方法制成的玻璃钢机壳用在三足离心机上，经过一年多的试运行，证明其 综合性能优于不锈钢机刘u j 。 f 2 1 工程塑料的应用 工程塑料发展历史较短，但由于质轻、节能、强度高、耐腐蚀等特性，几十年来发 展迅速。如令已经出现比钢材硬，强度超过钢、钦的塑料。在氟塑料品种中，产量最大， 用途最广的是聚四氟乙烯( p t f e ) 。p t f e 具有最低的摩擦系数和特异的自润滑性， 有卓越的耐药品性和耐溶剂性，酸、碱、溶剂对它均无侵蚀。 卧螺离心机的径向滑动轴承是一种非自润滑轴承，常用的轴承材质是z q s n l o l ， 一般在有润滑条件下才能正常工作，否则就会发生轴瓦与轴颈的“干磨”现象，轴瓦与 轴颈都会受到比较严重的损坏。而这是卧嫘离心机在高负荷运行条件下，停机检修的主 要原因。 因此，为了保证在润滑条件不良情况下离心机能正常的高负荷运转，必须对滑动轴 承的材质进行改进。通过对多种材料的性能比较，结合常压离心机的工作特点( 径向载 荷较大) ，选择了以聚四氟乙烯为主要成份的复合材料，又添加了一定量的碳纤维、青 铜粉、二硫化钥、玻纤，以增加其强度、硬度、自润滑性、耐磨性能等。e h 于p t f e 材 料不仅自润滑性能好，而且其减震性能也比较好，设备在运行时振动也相应降低，保护 人迮理1 人学硕+ 学位论文 了轴颈，大大减低了备品配件的消耗。除此外，p t f e 径向滑动轴承的使用，延长了设 备的运行周期，避免了凼经常性停机而造成的产量的降低。 聚四氟乙烯还可以用于卧螺离心机螺旋叶片的制造。螺旋叶片的耐磨性关系到螺旋 输送器的寿命。以聚四氟乙烯为基材，填充高分子粉或合金粉和氧化物等材料，采用粉 木冶金烧结成型的螺旋叶片，其耐磨性很高，年磨损量只有0 0 0 2 0 0 0 4 m m l ”】，超过 了采用硬质合金来硬化后的螺旋叶片的耐磨性。 ( 3 ) 硬质合会的使用 作为刀具材料使用的碳化物基金属陶瓷常被称为硬质台会。硬质合会的硬度很高， 耐磨性很好，强度和韧性都较好，适于做切削川具、表面耐磨材料以及某些高刚度结构 件。 硬质合会的优异性能，可以充分利用在螺旋卸料离心机上。螺旋输送器是螺旋卸料 离心机的主要部件，它的寿命取决于螺旋叶片的耐磨性。螺旋叶片磨损最严重的地方是 它的顶部。它磨损后，通常使螺旋的输渣能力降低，含渣量增大，所以要求叶片材料有 高的硬度和耐磨性。常用的方法是在螺旋叶片表面堆焊硬质合会或在叶片上喷涂硬质合 金或采用可更换的耐磨的硬质合金叶片。 硬质合金也适于做刮刀离心机的刮刀片。因为刮刀片工作时不仅受到剧烈的磨损和 冲击载荷，而且长期与有腐蚀性的介质接触，所以要求刮刀片应具有耐磨、机械强度高、 耐腐蚀等性质。目前国外使用的刮刀材料多为耐磨、耐腐蚀的高镍铬硬质合金，如 e k o m a t k ，其成分大约为c r 2 4 ，n 2 0 ，c u 3 5 ，m 0 2 0 ，s i l 2 5 ，m n 6 3 ，c 0 1 3 ， 每把刮刀可连续使用刮削硫钱2 0 0 0 吨左右，磨损后经修理刨平能修复使用4 5 次。其 效果比采用i c r l 8 n i 9 为好。有的使用堆焊硬质合金及镶陶瓷片，使用寿命可以提高5 6 倍。 1 2 2 一些颞式离心机 由于离心机发展和应用了很多年，如上文所提到的离心机在理论上和技术上已经很 难有改进的空i h j ，但是近年来出现了一些新式离心机，推动了离心机技术的进一步发展。 f 1 1 盘栈式离心机 分离段山一套同心圆盘( 见图1 4 ) 组成 9 1 ，盘与盘之问的距离一般保持数量级为 1 m m 。液滴在每一套同心圆之间很短的距离内沉降，在同心圆盘之间凝结成大粒径油滴， 在圆柱出口处进行二次沉降分离。通过同心圆盘将小粒径液滴凝结成大粒径液滴再分 离，可以取得很好的分离效果。 液液分离设备性能研究 流动方向 图1 4 盘栈式离心机示意图 f i 9 1 4t h es t r u c t u r eo f h o m o c e n l r i cc i r q u ec e n t r i f u g e , ( 2 ) 新型卧式螺旋离心机 蚓15 带隔离板的螺旋卸料离心机 f i 9 1 5s c r o l ld i s c h a r g es c r e e nc e n t r i f u g ew i t hs e d i m e n t a t i o nd i s k 卧螺式离心机近年来也有发展1 1 “。如日本三菱公司【l5 】生产的带有沉降叶片( 见上图) 的卧式螺旋卸料沉降离心机，由于沉降片分离板的存在使它的分离性能介予碟片式离心 机和卧式螺旋卸料沉降离心机之间，它可以分离出粒径为0 5 岬的微粒，分离后滤渣 含固率办较高，已应用于氧化钦的分级、超细铁氧体的洗涤和浓缩、食品工业及城市污 水处理的剩余活性污泥脱水中。德国f l o t t w e g 公司生产的新型卧式螺旋卸料沉降离心 机分离因数己可达5 0 0 0 。我国解放军4 8 1 9 工厂， 产的l w d 4 3 0 卧式螺旋卸料沉降离 心机在结构设计上也有所改进，用于城市活性污泥脱水时屁示了优越的分离性能。 人连理i 人学硕十学位论文 1 3 离心分离设备的理论发展 液滴能否被分离，取决于作用在其卜：的合外力的方向，这些外力包括重力、离心力 和流体作用的曳力等。重力的影响忽略不计，并似定颗粒在切向和轴向不受任何反力， 则可认为其在这两个方向上的分速度等于相应的液流速度。如果作用在颗粒上的离心力 大于曳力，则颗粒向外壁运动；反之，向中心运动。颗粒能否被分离取决于它的大小、 形状及与液体的密度之差、所处的原始位置、运动的轴向速度和径向速度、以及液体的 粘度等吲素【1 6 】【1 7 j 。 1 3 1 水力旋流器分离模型 ( 1 ) 两相流动过程中的分离原理 分散相浓度不太高、忽略自身重力时，单个颗粒在连续丰h 流体的离心力场中运动受 力包括颗粒自身离心力、连续相流体的离心力以及流体的流动阻力。当两相的密度不等 时，离心力的作用总是使连续相液体与分散相液体产生一定的速度差，此时颗粒的受 力方程为： 詈d 3 岛鲁= 詈d 3 如一) 等一，一 ( 1 ，) 匕= 3 ，r 1 2 d u o ( 1 2 ) 式中；p 。，p 一颗粒和流体的密度；d 一颗粒的直径：r 一颗粒的径向位置： 一液体的切向速度；一两相运动的速度差：乃一流体阻力 当颗粒受力达到平衡时，则两相相对速度为： 铲氇掣等 ( 1 3 ) 当u 。为正时，表示颗粒与连续相流体沿着相反方向运动的速度差：当u 。为负时， 表示颗粒与连续相沿着相同方向运动时的速度差。由此可以看出，两相的分离与颗粒直 径、颗粒的径向位置、两相密度差、连续相黏度及切向速度等因素有关。 ( 2 ) 旋转流体的能量方程 当流体围绕垂直轴线做旋转流动时，在其半径r 处取一宽度为d r 和厚度为d z 的长 方形流管，则在同一水平面上的伯努利方程： h ：z + 卫+ 重 腭2 9 ( 1 4 ) 液液分离设备性能研究 式中：h 一总压头； z 一势压头； p 一半径r 处压力； p 一流体密度； 一半径r 处切向速度； 将式对半径r 微分，得 一d h ：土尘+ 堕盟 ( 1 5 ) d r pd rgd r 从卜式可以看出，在旋转运动流体中，沿径向总压头的变化率与径向的压力和速度的变 化牢有直接关系。 就微元体积咖d z r d o 中的流体而占，当作用于该体积上的压力和离心力相平衡 时，沿径向的外力之和为零： d o d z 一0 + d p k d o 出+ p r d 口咖出堕：0 ( 1 6 ) 即拿：p 堕，将此式带入则得 掣：丝粤+ 三堕：1 u _ e d ( r u 。) ( 1 7 ) d r g a r g r gr a r 此式是旋转运动流体能量得微分方程，它反映出旋转运动流体在运动过程中得能量 变化规律。它也是旋转运动流体得基本方程，由此方程可知旋流器切向速度分布是强制 涡和自由涡的复合运动，也可导出压力沿径向的分布规律。 ( 3 ) 液滴剪切破碎的机理 旋流器中的剪切应力 在液液分离旋流器中他l ，出于在径向方向上各点的切向速度不同，各流层之间存在 着速度梯度! ，从而使分布在流场各处的分散相液滴受到剪切应力的作用。液滴在剪 切应力的作用下，可能发生扭曲、变形及破碎等现象。 旋流分离器中复合涡的切向速度表达式为：v ，r ”= c ( 1 8 ) 由此可得出分散相液滴所受的剪切应力： 火连理r 火学硕十学位论文 r 月= l ar i 垫i = 一0 + 1 ) c ( 1 9 ) o r r ， 从上式可以看出，液滴所受的剪切力与连续相介质的粘度口、常数”和c 及液滴所 在位置的半径，有关。旋流器各截面上的n 值是不等的，每个截面上的n 基本不随流量 的变化而变化；常数c 与流量成l f 比关系。因此，对于相同位置的液滴，其所受剪切应 力随流量的增加而增加。此外，剪切应力随黏度的增大而增大，这就是黏度高的液体在 旋流分离器中分散梢液体介质乳化严重而难于分离的原因。当h = 一l 时为强自由涡，则 剪切力为零，故强制涡中不存在剪切力。 液滴破碎的原因f 1 9 】 实际应用条件下旋流器里的流动大多处于湍流状态，导致液滴破碎的水力学因素可 归结为以下两个方面： a 由于时问平均的速度梯度而产生的粘性剪切力； b 由于湍流而产生的瞬时剪切力和局部压力波动。 当分散相和连续相的粘度比大于3 时，液滴不发生剪切破碲，只发生剪切变形，在 旋流器正常工作条件下，流体与液滴之间的相对速度不是太大，因而由于时间平均的速 度梯度而产生的粘性剪切力对液滴破碎的影响可以忽略不计。旋流器中液滴的破碎主要 足由于两相混合物的湍流运动产生的。 水力旋流器内两相湍流结构的实测研究1 2 0 峙果表明，轴向、径向及切向速度在水力 旋流器内的湍流强度在不同断面( 沿轴向) 都呈不同凹度的鞍形分布。在旋流器内回旋流 动的中心区，湍流度相对较低且变化平缓；而在旋流器器壁附近和空气柱附近，湍流强 度明显增大，尤以空气柱侧的湍动更为剧烈。这是由于在空气柱附近内旋流中的三维速 度均较高，并在很小的径向距离上形成相当大的速度梯度，空气柱的空问位置极不稳定 且快速晃动，促使水流在较窄范围内脉动幅度急剧增加，进而造成该区水流的剧烈湍动。 近壁面处的湍动较强是由于高速旋转的液流与器壁碰撞与摩擦的结果。剧烈的湍动及较 高的速度梯度产生了较大的雷诺切应力，导致了液滴的大量破碎甚至乳化。 液滴破碎的判据 液滴在一种湍流场中的变形直至破碎取决于液滴的大小、两相的物理化学性能( 如 密度、粘度、界面张力等) 、液滴的浓度以及局部能量的耗散。一个振动的液滴，表面 经受剪切力及湍流速度和压力的变化，如果其动能能够弥补单个液滴和 j 于破碎而产生 的两个或多个小液滴之间的表面能差，那么这个液滴将处于不稳定状态。可见，液滴振 液液分离设备性能研究 动的动能占。与表面能e 。的比值决定着液滴足否破碎，将这一比值定义为液滴的w e b e r 数当w e b e r 大于某一临界值时，液滴将会发生破碎。 1 3 2 离心机分离模型 对颗粒进行受力分析( 忽略漩涡影响) ，轴向和切向上，忽略重力和浮力的作用，认 为物质颗粒与液相流体具有相同的速度。径向上，由于虚浮液固相浓度很低，忽略颗粒 问的相互影响( 不考虑干涉沉降) ，物质颗粒受力为离心力、向心浮力和产生相对径向运 动后的形体阻力。在这合力作用下颗粒将产生指向转鼓壁的加速度1 2 “。 设离心机能够分离当量直径为以。的颗粒，认为该当量直径的颗粒在径向上走完半 径为砌的液流自由表面( 即液流内表面) 到半径为r 的转鼓壁的路程，在轴向上讵好走完 转鼓轴向长度圩的路程，认为该直径的颗粒会从悬浮液中分离掉。对颗粒的轨迹方程进 行积分，得到式( 1 5 ) 的离心机分离过程数学模型： 1 8 加l n 墨 d 5 0 2 刀m 2 h ( p ：一p ) ( r2 一2 ) ( 1 1 0 ) 式( 1 5 ) 也是确定离心机基本结构的理论依据。 1 4 本论文的研究目的和研究内容 本文通过查阅文献，根据离心分离的理论，运用数值模拟和设计计算相结合的办法， 设计出了一套液液分离微型旋流器和一套新型直板式离心机。通过数值模拟对离心机及 旋流器的内部流场进行模拟研究，从而准确的指导了离心设备的设计工作。经过设计选 型加工出了离心机和微型液液旋流器，并且通过分析实验结果来展望迸一步的改进思路 和方法。 人连理i ：人学硕十学僦论文 2 离心设备流场模拟计算 数值模拟、理论分析和模型试验是研究流体力学的i 种主要于段，这i 种研究方法必 须相瓦配合相，相忆补充，相互促进，j 能共同推进流体力学学科的发展并解决各种一】：程 实践问题。数值模拟方法的特点是用比模型试验所需花费少得多的情况f 给出流场内部细 1 ，的详细描述。随着计算流体力学和计算机科学的迅速发展，数值模拟方法在解决流体力 学问题中的地位和作用已经发生了很人的变化。要使数值模拟技术为t 程设讨提供高质量、 短周期和，玎靠的分析设计依据必须要求数值模拟过程中的每环节( 数学模型、网格生成、 数值算法) 及边界条件等都要求是先进的，它们决定了数值模拟成果最终的l 叮靠性和实用 性。 2 1 数值模拟所用的求解模型 2 ，11 基本方程 数值计算需要解三个基本方程，即质量、动量和能量守恒i 个方程。根据分离器流 场的特点，其在恒温体系中的质量和动量守恒方程为： 譬+ 兰( 肛，) = 0 ( 2 1 ) ( 昙c 雕沙毒c 脚一，一毒+ 毒m 罄+ 等一詈岛罄，+ 昭，+ 鼻 c z 固 式中p 足静压，断、f 分别为i 方向上的重力体积力和外部体积力( 如离散干h 相互作用 产生的力) 。f 还包古了其它模型相关的源相。 21 2 雷诺平均 首先对流场变量进行雷诺分解，即将各变量写成平均量与脉动量之和的形式，然后 对质量和动量守恒方程进彳雷诺时均，其中考虑在不可压假设下的密度脉动为零，并忽 略质量力和其它源项得到： 等+ 兰( p u f ) = 0 a彘 “ ( 2 3 ) 鲁c 倒 毒c 删一，= 一毒+ 岳m 考+ 等一2 ， i ， a f u ；卅旦a x jc 一雨，c z 。， 液液分离设备性能研究 上式称为雷诺甲均n - s 方程。式中彤4 ：就是所谓的雷诺应力。下面介绍的r n gk - e ) f r l r s m 模型就足为解决雷诺应力与、l 均应力之i h 的关系，以使方程封闭。 2 1 3r n gk 一模型 r n gk - e 模型采用b o u s s i n e s q 假没，把雷诺压力和平均速度梯度联系起来： 一p 瓦鸹( 簧+ 一；( 肚詈城 ( 2 5 ) 21 4