（化学工程专业论文）fgd工艺中新型水力旋流器的设计研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh y d r o c y c l o n ei sak i n do fi m p o r t a n te q u i p m e n tu s i n gc e n t r i f u g a lf o r c ef i e l d i nt h es e p a r a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya s p e c t a st h e g e n e r a ls e p a r a t i o n c l a s s i f i c a t i o ne q u i p m e n t ，h y d r o c y c l o n ec a l lb eu s e di n l i q u i dc l a r i f y i n g , s l u r r y c o n c e n t r a t i o n ，l i q u i dp h a s ed e g a s s i n ga n dd e g r i t t i n g ，s o l i dp h a s ep a r t i c l eg r a d i n ga n d c l a s s i f i c a t i o n ，s e p a r a t i o n o ft w oi m m i s c i b l e l i q u i d s ，a n d i nm a n yp r o c e s s i n g p r o c e d u r e sa sw e l l u p t ot h ep r e s e n t ，i th a sa l r e a d yb e e no b t a i n e dw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n si nn u m e r o u si n d u s t r ys e c t o r ss u c ha st h em i n e r a lp r o c e s s i n g ，p e t r o l e u m p r o c e s s i n g , c h e m i c a li n d u s t r y , l i g h ti n d u s t r y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，f o o d ， m e d i c a m e n t ，t e x t i l e , m i n i n g ，m e t a l l u r g y , m a c h i n e r y , b u i l d i n gm a t e r i a l sa n dt h ec o a l a n ds oo n m o r e o v e r , i t sa p p l i c a t i o nf i e l dw a ss t i l li n c r e a s i n g l ye x p a n d i n gb e c a u s eo f t h ed i v e r s i f i c a t i o no fh y d r o c y c l o n e ss t r u c t u r ea n dt y p e i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n d m o r eh y d r o c y c l o n e sh a v e b e e na p p l i e di nb i o e n g i n e e r i n g ，a n de v e ni nt h ee l e c t r o l y s i s p r o c e s s i nt h es e p a r a t i o nt e c h n i q u e 。sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fh y d r o c y c l o n e ，h o wt o e n h a n c ei t ss e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n dh o wt or e d u c ei t sr u nc o s t ，a r et w om a j o r p r o b l e m sw h i c hr e s e a r c h e r sh a v eb e e np a y i n ga t t e n t i o nt o t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h e d e s i g n i n gr e s e a r c hw o r ko fan e w k i n do f h y d r o c y c l o n e ，a i m i n ga th o w t oe n h a n c ei t s s e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n dh o wt or e d u c ei t sr u nc o s t ，c o m b i n i n gt h eg y p s u m h y d r o c y c l o n ea n dt h ew a s t e w a t e rh y d r o c y c l o n ei n t oan e wo n e ，a n ds i m p l i f yg y p s u m d e w a t e r i n gp r o c e s s ，r e d u c et h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t a tt h es a m et i m e , i nt h i sp a p e r , f o rd e a l i n gw i t ht h en e wh y d r o c y c l o n e ，a m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sp r o p o s e d ，a n du s i n gm a s s i v ee x p e r i m e n t a ld a t u mt oc o n f i r m i t sa c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t y , a n dc a r r y i n go nt h ev e r i f i c a t i o nc o n t i n u o u s l y t h em o d e l m a k e si tp o s s i b l et oc a r r yo nt h ep r e l i m i n a r ye s t i m a t i o no fae x i s t i n go p e r a t i n gm o d e a n dt oj u d g ew h e t h e rt h en e w h y d r o c y c l o n ec o u l db ea p p l i e di ns e p a r a t i o no p e r a t i o n w i t h o u tn o n e s s e n t i a le x p e r i m e n t t h ep a p e ra l s oc a r r yo u tt h en e u r a ln e t w o r kt r a i n i n ga c c o r d i n gt oh y d r o c y c l o n e s 硕l ：学位论文 o p e r a t i n gp a r a m e t e r , t h r o u g ht h ed a t ac o m p a r i s o n ，t h en e u r a ln e t w o r kw h i c hh a v e b e e nt r a i n e dc a nb ea p p l y e di nt h i sn e w h y d r o c y c l o n e k e y w o r d s ：f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( f g d ) ：l i q u i d s o l i ds e p a r a t i o n ； h y d r o c y c l o n e ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；b p 符号说明 d f 进料口直径 d 一水力旋流器公称直径 d o 溢流管直径 矽一溢流管壁厚 一液相切向速度； r 一回转半径； u z 一液相轴向速度； 珥一液相径向速度； “：，以，u ：一分别为三维速度得脉动值； p ，一分别为液体得密度和动力粘度； 瓦d 通体导数算子：瓦d = 昙+ u r 昙+ 南+ 鲁； 一拉普拉斯算子，= 萨g q 24 - 去+ 寿+ 等o z 。o r 。 r o rr o a ，一为r e y n o l d s 应力； 所一湍流粘性系数； 吩一湍流运动粘度； 昨一固相颗粒径向沉降速度； p s ，p 一分别为颗粒和液体的密度； y ，【，一分别为颗粒和液体的速度； u b 一固相颗粒径向的相对速度； 屹一固相颗粒轴向速度； d f 、d o 、见一进料口、顶流中心孔、底流口直径。 硕一f ：学位论文 q 、q o 、q 、包一分别为进料、顶流、测流、底流流量； q 、c 0 、c ，、q 一分别为进料、顶流、测流、底流固含量； 髟一流量比； r l 一分离效率，可以用小数、百分数表示； 一底流口固相物料的质量流率，堙厶； 砚一进口固相物料的质量流率，瞎厶； 7 7 一修正效率； d i 一某一级粒度，i = 1 ，2 ，c ，n ； ( 肘) 珥一进料中该级别粒度颗粒的质量流率； 厂( 4 ) ，z ( 4 ) 一分别表示进料和底流中含d i 粒度级别颗粒的质量百分数，即粒 度的质量微分分布；如果固相颗粒密度视为一致，也可以表示 体积百分数，即粒度的体积微分分布。 m u ，肘，一分别为底流和进料的固相质量流率； 叱，办一分别为底流和进料某一粒度所占的百分比； 鸩，一分别为测流和顶流的固相质量流率； 刃，a d o 一分别为测流和顶流某一粒度所占的百分比。 统一顶流修正分级效率； a r d ，一粒径为d ，的颗粒所占的重量百分比； 瓦- - e u l e r 准数； s t k 5 0 - - s t o k e s 准数( 以以。为基础) ； 只一固相颗粒的密度，假设所用石膏密度均匀取值2 3 2 0 k g m 3 ； p 一液相密度，取值l o o o k g m 3 ； 一液相粘度。 s o 颁一 ：学位论文 以。一修正切割粒径； u 。一“0 ”截面液相速度； h 一分离区高度； r 一顶流中心孔的下端口半径； 硕二f 二学位论文 第一章绪论 离心力场的创立和运用是科学和技术的成就之一，运用离心力场进行非均相 物系的分离是行之有效的方法。离心分离设备按有无旋转部件可以分为旋转分离 设备和机身旋转的离心分离设备。前者如水力旋流器( 亦称旋流分离器) ，流体 在固定的机身内旋转而产生离心力场；后者如各种离心机，由于机身旋转而带动 内部流体作回旋运动而产生离心力场。由于前者没有运动部件，具有简单的结构。 设备紧凑、占地面积小和设备成本低等诸多优点，因而受到了同益广泛的关注和 研究。 1 1旋流分离技术的国内外研究概况 旋转流分离是离心力场在分离科技方面的重要应用之一。水力旋流器是旋转 流分离技术方面的代表性设备，是一种用途十分广泛的通用分离分级设备。首先 在选矿和采矿工业中获得应用，迄今已经在矿物加工、石油、化工、轻工、环保、 食品、医药、纺织与染料、采矿、冶金、机械、建材及煤炭等众多工业部门获得 了广泛的应用，而且由于水力旋流器结构及型式的同趋多样化，其应用领域仍在 不断扩展，近年已被越来越多地应用到生物工程的分离作业中，甚至还被应用到 电解过程中n 1 。 水力旋流器的应用包括固液分离、液气分离、固固分离、液液分离、液气固 三相同时分离以及其他应用，可以用于液体澄清、料浆浓缩、固相颗粒洗涤、液 相除气与除砂、固相颗粒分级与增浓，以及两种非互溶液体的分离等多种过程作 业。 水力旋流器的基本工作原理和基础设计的提出已经有一百多年了，但是直到 二战以后才被有效的应用于工业生产中瞳3 。从2 0 世纪5 0 年代开始，旋流分离技 术的应用领域以及规模均得到了迅速的发展，同时也吸引了越来越多的科学工作 者致力于旋流分离技术的理论分析和应用研究。2 0 世纪8 0 年代后，在全球范围 内形成了一个相当大规模的学术梯队，各国都有相当数量的研究人员致力于旋流 分离技术的研究。从1 9 8 0 年起由b h r a ( 8 r i t i s hh y d r o m e c h a n i c sr e s e a r c h a s s o c i a t i o n ) 英国流体力学研究会发起的旋流分离器国际学术研讨会已经开始 定期召开。国内四j i l 大学的陈文梅、褚良银等教授在旋流器的湍流流场结构和数 值模拟，旋转流浮选分离与分级过程行为与特性等方面进行了深入的研究。在现 硕j ：学位论文 代测试技术和计算机与模拟技术飞速发展的今天，人们对旋流分离的工作机理及 过程行为有了更加深刻的认识，大大推动了水力旋流器结构模式的多样化，使其 在越来越多的应用领域发挥了更大的作用。 1 2 课题研究的背景意义 我国的能源构成以煤炭为主，其消费量占一次性能源消费总量的7 5 左右n 1 ， 这种局面在今后很长时间内不会改变。特别是火电厂以煤作为主要原料，是我国 电力供应的主要来源。煤直接燃烧后释放出大量的s o 。，严重污染了大气，污染 了环境。2 0 0 6 年世界银行公布世界污染最严重的2 0 所城市，中国占了1 6 所。 我国政府对s o ：的排放污染十分重视，对特别大的火电厂的烟气脱硫制定了具体 规定，要求新建、改造烧煤含硫量大于1 的电厂，必须建设脱硫的设施，现有燃 煤含硫量大于l 的电厂，要在2 0 1 0 年前分期分批建成脱硫设施或采取其它相应 的减排s 0 2 的措施。 石灰石石膏法烟气脱硫( f g d ，f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ) h 1 属于脱硫方 法中最成熟的工艺技术。石灰石石膏法烟气脱硫工艺，包括烟气换热系统、吸 收塔脱硫系统、脱硫剂制浆系统、石膏脱水系统和废水处理系统五个部分。其中 石膏脱水系统是由水力旋流器与真空橡胶带式过滤机所组成，其目的是对吸收液 经氧化结晶过程后产生的石膏悬浮液进行液固分离操作，获得含水量小于1 0 的 固相石膏作为商品石膏，避免产生二次污染，轻相可作为脱硫用洗涤液( 按洗涤 液p h 值要求补充适当量石灰石浆液) 进行闭路循环操作，仅有少量液体经处理 后作为废水排放，确保整个脱硫系统的液相物料平衡，这样既能减少吸收塔用洗 涤水的用量，又能减少废水排放量，节约操作费用和用水量。石膏脱水工艺流程 简图如图( 1 1 ) ，在此流程中用泵将石膏悬浮液打入石膏旋流器中，经过分级增 浓后底流直接排放至皮带过滤机，经过皮带过滤机脱水获得含水量小于1 0 的 湿石膏产品；顶流再次打入废水旋流器经过废水旋流器再一次增浓，底流回流至 吸收塔作为脱硫洗涤液；废水旋流器顶流作为废液，废液经过处理后排放。 2 硕j j 学位论文 水 图1 1 石膏脱水系统工艺流程简图 按脱水系统的要求，水力旋流器必须达到以下几项要求： 1 对石膏悬浮液进行分级浓缩，减少进入橡胶带滤机的处理量。另外通过分级 可减少进入带滤机的细颗粒粒子，提高过滤效率，有效地增加过滤机的处理 能力，这一切都将有利于降低带滤机的过滤面积，降低设备投资及操作费用， 减少占地面积。 2 水力旋流器的顶流产物夹带一定量的石膏颗粒与部分未反应的石灰石颗粒， 可循环利用作为吸收液( 补充适当石灰石浆液) ，减少废水排放和水量消耗。 同时过量的石灰石原料也得到了充分的利用，减少了商品石膏中的石灰石杂 质，而循环液中的石膏细颗粒在氧化结晶槽中可作为晶种，有利于结晶过程 的发生及大颗粒晶体的产生。 3 废水处理用水力旋流器，要按工艺排水量的要求处理废水，降低含固量，排 入废水处理系统。 目前，水力旋流器与带滤机都由各自的专业厂家提供，两者之间沟通困难。 带滤机厂商对水力旋流器了解不深，很难对水力旋流器提出合适的设计指标；而 水力旋流器制造商对脱水分离过程了解不够，生搬硬套国外带滤机尺寸，无法优 化分离过程。同时整个脱水系统需要两套水力旋流器( 石膏旋流器和废水旋流 3 硕。 ：学位论文 器) ，流程长，造价高。 在水力旋流器分离技术的研究和开发应用中，如何提高其分离性能和如何降 低其运行成本，自始至终都是科研人员倍受关注的两大问题畸1 。水力旋流器的运 行费用主要取决于其单元操作的能量耗损。因此，改善水力旋流器的分离过程和 降低水力旋流器的能耗是广大科学工作者追求的两大目标。 本论文以此为初衷，在新型水力旋流器的研究中将石膏旋流器和废水旋流器 合二为一1 ( 工艺流程简图如图1 2 ) ，简化了脱水系统的工艺流程，降低设备投 资及操作费用。并且在研究过程中，对旋流器的制作材料进行了优化改进，采用 聚氨酯制作水力旋流器的主体。对于易磨损的沉砂嘴采用我院生产的超高分子聚 乙烯原料压制的板材制作，克服聚氨酯塑料耐磨性不够，但又能保持造价低廉， 制作精度高的特点。 排放废水 图1 2 新型水力旋流器流程图 从以上工艺流程可以看到石膏悬浮液由泵打入新型水力旋流器中进行分级 增浓：底流进入皮带过滤机进行脱水得到石膏产品，侧流回流至吸收塔，而顶流 废液排放。成个工艺流程可以节省一台泵而减少设备投资，同时可以使项流产生 4 硕一f 二学位论文 虹吸现象而使废液排放更为顺利。 1 3 本文的主要工作 本文主要针对f g d 工艺，设计了一种新型的水力旋流器，对此新型设备提出 了一种数学模型，并运用b p 神经网络进行了“黑箱 模拟。本文共分为五章， 具体内容如下： 第一章为绪论，主要介绍了当前国内外旋流分离技术的研究概况及应用前 景，并粗略介绍了本文的主要工作内容。 第二章主要介绍了水力旋流器内的固相、液相的流动。针对两相的轴向速度、 切向速度和径向速度的流动机理和交互影响做了详细的介绍，这是数学模型建立 的基本出发点，也是认识水力旋流器的基础。 第三章是新型水力旋流器的设计研究工作。针对水力旋流器各部分的结构、 形状等条件参数优化分析，提出新型水力旋流器的设计参数。 第四章是新型水力旋流器分离过程数学模型的建立部分。从两相的三维流动 为出发点，针对新型水力旋流器提出了一种数学模型。应用此数学模型可以对不 同条件的液固系统进行评估模拟，初步判断系统的被分离情况。 第五章着重介绍了基于人工神经网络的黑箱模拟。建立基于人工神经网络的 新型水力旋流器训练模型，从而实现根据所需处理物料的物性参数与分离要求进 行新型水力旋流器的设计。 5 硕上学位论文 第二章水力旋流器内的液固两相流动 水力旋流器内分离过程的基本原理是离心沉降。内部的液体流动是一种特殊 的三维强旋转剪切湍流运动，既包含强制涡运动，又存在自由涡运动。正如所有 的分离过程均涉及流体及颗粒动力学，了解水力旋流器内液相连续介质流动是认 识水力旋流器分离分级过程机理的基础。固相颗粒进入水力旋流器后，同液相流 一起绕水力旋流器的轴线作旋转运动，同时颗粒还会产生轴向和径向运动，其运 动速度依其所受作用力而变化。颗粒越细或者颗粒密度与液相密度之差越小，它 们的运动轨迹与液相流的轨迹越接近。极细颗粒在水力旋流器中的运动几乎与液 相质点的运动相同，这样的颗粒不能从液相中分离出来；而较粗的颗粒由于所受 离心力使其依靠离心沉降而与液相流体之间产生相对运动，从而达到分离。水力 旋流器内固相颗粒的运动和液相的流动一样是认识水力旋流器内固相颗粒分级 分离过程机理的基础 2 1 水力旋流器内的液相流动 2 1 1 液相的流动机理 液相在水力旋流器中同时产生两种基本的同向旋转液流- j j 顷螺旋线向下外 螺旋和沿螺旋线向上流向顶流中心管的内螺旋，即水力旋流器内的液流双螺旋模 型口1 ，如图2 1 和附录二。外旋流在接近锥顶处分为两部分：一部分不改变流动 方向，继续向下，最后经底流口排出，另一部分改变流动方向，转而向上流动， 进入内旋流。在外旋流和内旋流之间溢流管端以下产生循环流( 也称闭环涡流) ， 此循环流中的流体在绕水力旋流器轴线旋转的同时，从外侧向底流口方向流动， 从内侧向上盖方向流动。除这些液流以外，还存在所谓的短路流( 也称盖下流) ， 它由部分进料形成，先是环绕盖下表面向内侧流动，然后沿溢流管壁向下流动， 这部分流体不经分离作用，直接成为溢流，降低了水力旋流器的分离效果。在水 力旋流器的轴线附近，由于离心力很大而静压头很低，以至液体涡核无法存在， 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，称为空气 柱。在外旋流与内旋流的转折点附近，轴向流动的方向发生自下而上地改变；在 转折点处，轴向速度为零。所有这些点构成锥面型的轴向零速包络面，它是水力 旋流器轴向流动的重要特征，也是分离界面一般来说，轴向零速包络面内的流 6 体构成溢流，以外的流体州成为底流。 动仃在4 利l j b 式，且内旋流，外旋流， 乜络丽也足两个币要的驸带特征。 纳起来，般认为水力旋流器由液体流 艇路流干循环流。此外，空。计r 和零轴递 h2 1 水力旋流器内流体的流动一维迹线i 刳 1 短蹄i | i c ：2 循环流3 一内旋流：4 外旋流： jj 一气特：6 一零轴述乜络而：7 一郇分外旋流 2 1 2 液相流动的切向速度 叫m 述度足水山旋流器_ 维速度c 一最重坚的个，它决定被处耻物料所受离 心山的人小。一般认为，内旋流的训向速度随溢流管的直径减小和进it 力的增 。墨而增大。当溢流管“径一定时，切向述度从旋流器的周边 ，心小断增大”， 到牛气十1 ：边缘_ 义革新降低，大氍资料表l 婀在回转半径约等丁溢流管内径o7 倍处 切向速度达到【 壶大值( 如幽22 ) 切向速度在溢流管术端以下各个水平面上保持 n 定。明向速度争准白山涡运动，即满足 “。，= c( 21 ) 小丁溢流管内径07 倍的区域一h 旋流型川性旋转，i l ! 【j l ，= c ，( 2 2 ) 式i h “i ，切| f 】j 速度 r i t i 转半径： 硕：l 学位论文 1 3 ，c ，c 一常数，与工况及旋流器位置有关。 图2 2 水力旋流器内液流切向速度分布 2 1 3 液相流动的轴向速度 k e l s a l l 阳1 通过测定水力旋流器内的切向速度和轨迹倾角得到了各点的轴向 速度，( 如图2 3 ) 液体的轴向速度在溢流管末端以下所有水平面上，由器壁向空 气柱方向越近而越高；速度值由负变正，在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壁附近，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点，可以描绘出一个圆锥形表面，即零轴速包络面 ( l z v v ) 。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。就轴向速度而言，内旋流往往大于外旋流。 b r a d l e y 和p u l l i n g 阻3 用注射染色液的方法研究了水力旋流器内液体的流动， 认为零轴速包络面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 k 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项相重合，在对应 0 7 d ( d 为旋流器直径) 的水平面上其锥底直径为0 4 3 d ，远离锥顶后，成为圆柱 形。推荐液流轴向速度的表达式为： u z = i n 赤 ( 2 3 ) 8 顾。 ：学位论文 式中， “z 一轴向速度； a ，b 一常数，与旋流器工况及内部轴向位置有关。 图2 3 水力旋流器内液流轴向速度分布 2 1 4 液相流动的径向速度 徐继润n 0 3 、孙启才1 、h s i e n n 2 1 等人先后分别用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，并进行了理论分析，认为常规结构的径向速 度分布为：随着径向位置从器壁趋向轴心，径向速度逐渐增大，在空气柱边缘附 近又急剧降低；锥段径向速度方向始终是由器壁指向轴心；内旋流区的径向速度 变化幅度比外旋流区的变化幅度大( 如图2 4 ) 9 硕 j 学位论文 图2 4 激光测速仪实测的水力旋流器内液流径向速度 液相径向速度和回转半径的关系可用如下公式表述： 式中，u r 一径向速度； ，”= k( 2 4 ) i n ，k 一常数，与水力旋流器的工况及内部轴向位置有关。 水力旋流器内液流为湍流运动，而对于不可压缩湍流得r e y n o l d s 运动方程在柱 坐标系中为n 引： 夕( 鲁+ 学) _ - 南州一7 r i o + 7 2 丽o u rm ( 南虿+ 导丽+ 学+ 鲁蕊u g u ) ( 2 5 ) 式中u r ，u o ，u z ，p 一分别为径向速度、切向速度、轴向速度及压力得时均值； “：，以，u ：一分别为三维速度得脉动值； p ，z 一分别为液体得密度和动力粘度； 瓦d 一通体导数算子：瓦d = 丢+ 蚱导+ 南+ 屹丢； 一拉普拉斯算子，= 等+ 去+ 丽0 2+ 虿0 2 。 l o 顾十学位论文 可以认为旋流器中的速度的分布是稳定的，且为对称流动，则有： p ( u r 警+ 半脚c 等t 等一去一u r u 0 - i - 学+ 昙覆心6 ， 记 1 一p 竺( 2 7 ) 2 一p u o u ：j _ 式中与：均为r e y n o l d s 应力。为了解出u ，采用b o u s s i n e s q 假设，引进湍 流粘性系数所作为r e y n o l d s 应力与平均流动变形率之比，即 ( 2 8 ) 姒警+ = 2 c 争+ 警一 亿9 ， 式中，咋一湍流运动粘度，吩= 丝。 p 将切向速度表达式( 2 1 ) 代入式( 2 8 ) 可得： u ：一 ( 2 = 一 l么r 2 ( 1 + n ) v r l o ) ， 式( 2 1 0 ) 表明径向速度与位置半径成反比，式中的负号表示速度方向向内。但 是，由于在推导过程中若干假设的近似性，故而实际的径向速度仍然宜采用式 ( 2 4 ) 来描述。 水力旋流器内液流的径向速度与位置半径成反比的规律还可以从另一角度 进行解释n 引。假定一个流体微团从进料口进入旋流器后向出口运动，从俯视平面 上看，其运动轨迹应为一螺旋线。由于切向速度随回转半径的减小而增大，则在 轨迹线上不同半径处切向与径向的合速度也随之增大；但是由于不同半径轨迹的 螺旋特性，合速度在径向上的分量亦即径向速度必将相应的增大。 一r 一 謦盟瑟 斑。 “ i i = ：可 碍式从 2 2 水力旋流器内固相颗粒的运动 吲棚融粒住水力旋流器中所受到的j 有：离一i 5 力，巫力，依抛运动粘度和湍 流粘艘而改变的液体动脏j j 发颗粗与液体抖i f jt 的摩擦，随悬浮液浓度m 改变 f m 孕j ，产，t - j ：湍流的上丁| 力，对托他顺粒及水力旋流器砖6 1 i f , 7 , i i , 产牛的山，等 等，同榴颗粒进入水力旋流器后，随液体越绕水力旋流嚣的轴线做旋转运_ ! ；j j ， | 叫时颗牲还会产生轴i h j h 径l _ 的运动。其运动速度依其所受作用力f f 74 1 1 互天 系而变化。吲相颗粒往旋流器巾的运动轨迹如酬2 5 所示。颗粒越细或颗粒密度 与液十h 密度z 差越小，它们的运动轨迹，液相流线越接近如罔25 所目i 。械细 颗粒枉水力旋流器- 的运动几r 与液柏质点的运动帽同且它们在底流7 溢流 z f l j 的分布比例也液相分配比例样，这样的颗牲4 ：能从液相之中分离出米。 而较智i 的颗粒山丁所受离心力足以使其依拈离心沉降而o 被十r l z i , is 。牛十f 对运 动，从i f i j l ，液4 - i 4 9 ) - 离在底流排除。水力旋流器底流【l l i i 柑流 人多采用歼放，以 人气胍为背佧，使底流卸料稳定小易干扰。戚流卸料的三种j 本流，为喷洒州， 混和喇，绞绳，”，如| ：! 】26 所示。 流线逐渐增多 阁2 5 川体黝粒在水力旋流摧，jz 聒动轨迹的艇拟彷直 蕊澄隔黼刚晡ii， 潞心获。；l 幽2 6水力旋流器的底流排被：状态 2 2 j固相颗粒的径向运动速度 l , 1 4 d 颗粒的径m 逑艘对水力旋流料的分离分级性能影l 晌微犬，它被认为是旋 流擀流场叶 最为重要的一维速j 立，在 1 ( j j 旋流* # 锥段齐截i l l 】r ，颗粒f 一径向分粕 规 - l t j i 有州似性。除空气托以外，删牲行向速度从轴心到器壁一1 1 1 人刮小分布， 最大速度山玑在靶近卒气处。颗粒往向速度的变化幅值，在内旋流中州艟人十 外旋流。 再截而r 顿粒的杵阳述度的g ) - , r s m 仆( 沿径向) ，”，以近似的用l - = t t 捕述“6 ： v 【p = c ( 21 1j 式中n 为颗粒径向速度，m 和c 分别为与实骑条什及截面佩霄仃关的指数前l 常数。 在空l 十上附近，随着、f 释r 的进步减小，密度较小颗粒的释向述度人j 密度较 大颗精的往速度。 n ! 是，仪仪了解颗粒的径向速度还小足以说明水力旋流器r f l 【, j 7 】液州, t i i 的分离 成吲，巫重要的足婴知道l 卅h 颗粒与液l h 的斜l x , j 速度。也正足 l i 十吲m 液棚其 有径m 相埘进度，水，j 旋流器的分离或分绒刀得以实现顺籼存水j 旋流器中将 受到离心力、液体阻力及湍动 f 7 d l l 力等多种力的j g ir u 作h j 。i f 足f 【：受，j 分析巾， 做将所柏的f ij l 力影响都加以考虑足小_ _ j 能的，【问m 必须引入通“ l f l i 世进行简 化。j 血常、为，n - 水力旋流* * 的分离分数过程叫i ，顺牲 功土坚受住【i 离心j 和 硕二卜学位论文 液体阻力的作用，而其他各种力可忽略不计，由此得出水力旋流器颗粒运动微分 方程式n 引： 肛警= k 。( 厅厕+ k 2 p ( 一u - _ ) r o t u g r a d p ( 2 1 2 ) 式中p s ，p 一分别为颗粒和液体的密度。 矿，西一分别为颗粒和液体的矢量速度； k ，一与颗粒物性及运动状态有关的系数。 假定颗粒运动满足以下条件： 1 ) 颗粒的运动是匀速的； 2 ) 颗粒在轴向和切向相对于流体的运动可以忽略不计； 3 ) 径向压力梯度满足理想液体平衡条件挈：夕望；由式( 2 1 1 ) 可以得出 颗粒在径向相对于流体的速度为： = 咋叫，= 譬号 ( 2 1 3 ) 式中，u 为颗粒径向沉降速度( 指向器壁) ；u r 为液体径向速度( 指向轴心) 。 当 o 时，颗粒向器壁运动；反之，向轴心运动。 2 2 2 固相颗粒的轴向运动速度 以前通常认为，水力旋流器中颗粒的轴向速度与液体的轴向速度相同n 剐，近 年来的研究实测结果表明，水力旋流器大部分流区中固相颗粒的轴向速度沿径向 的分布规律与液流的轴向速度分布基本一致；但是在锥段的中上部，存在着较为 明显的差异。在旋流器锥段的中上部，存在一个由两条零包络线所夹的低速区( 在 液流中，一般仅存一条零包络线) 。在激光测速仪的激光束照射下，可以清楚看 到在上述低速区中时有颗粒原地“打转”或悬浮不动的现象发生。轴向速度的低 速区是由于闭环涡流的作用而形成，位于此区域中的颗粒只能沿着径向运动进入 内旋流，而不能进入锥段下部或者外旋流而被分离；而只有当这些颗粒随内旋流 上升到柱段后，才有可能被再次分离。固液分离低效区的存在，严重的影响了水 1 4 硕十学位论文 力旋流器的分离工作的顺利进行；故而消除或者减小该区的范围，应作为改善水 力旋流器的性能，提高分离分级效率的有效措施之一。 旋流器锥段中下部各截面的颗粒轴向速度分布具有相似性，其分布规律可用 下式描述n 引： 吃= l n ( 毛) ( 2 1 4 ) “十口r 式中，1 ，一颗粒轴向速度； a ，b 一与实测条件和截面位置有关的常数。 与径向速度分布规律相似，在内旋流中颗粒轴向速度大小的变化幅度要大于外旋 流。 颗粒在水力旋流器中的运动有很强的规律性。在锥段，颗粒的径向速度几乎 都由器壁指向中心轴；其中，在外旋流中的颗粒是沿器壁向下滑动，而进入内旋 流中的颗粒又以较大的轴向速度向上朝溢流口方向流动。在柱段上半部，颗粒沿 径向的运动方向，却又大都是由中心朝器壁方向( 溢流管外壁附近除外) 。这样， 除水力旋流器壁面附近的较粗颗粒将随着外旋流下滑至底流口而被排出，以及空 气柱表面附近的细颗粒将进入溢流管外，颗粒在水力旋流器内部的基本运动状态 可以描述为：从柱段到锥段，经器壁到中心，再上升至柱段，然后回到器壁，作 明显的涡旋运动；其颗粒的运动轨迹构成了一簇闭环涡线。进入内旋流的颗粒并 不一定都会从溢流管中排出，在溢流管的下端，它们可能重新进入待分离的悬浮 液而被再次分离。此结论与传统的认为零轴速包络面( l z v v ) 是固相颗粒的绝对 分界面的绝对分离面的论点不甚相符。对此，以下将作进一步说明。 水力旋流器内的颗粒沿径向朝中心或是向器壁运动，它取决于颗粒在径向的 速度咋与液相的径向速度蚱差值的符号。但是，无论颗粒沿径向是朝中心或是向 器壁运动，只要在底流口附近还保持在外旋流中，它们就会随下旋的底流从底流 口被排出。而那些在旋流器锥段被卷入内旋流的颗粒，在向中心运动的同时，还 将随内旋流的上升又回到柱段。然后，它们中的一部分在溢流管下端附近，又会 随着液流朝器壁运动，从而被再次分离。以上所述的颗粒在水力旋流器中的运动 规律都说明了l v z z 界面不是颗粒分离的绝对分界面n 引，因为在l v z z 界面内侧的 颗粒，仍还有可能被再次分离。 1 5 硕一l 学位论文 实测发现在溢流管外壁面附近，还有一些颗粒沿管壁向下运动。这些主要来 自旋流器进料口且未经分离的颗粒，将随“短路流而直接进入溢流管被排出， 这是水力旋流器“溢流跑粗”现象的主要原因。 类似于径向运动颗粒的受力分析，由轴向运动颗粒的受力平衡式( 重力= 阻 力) ： ( 只- p ) 孚= j 1 惭了d 2 ( 2 1 5 ) oz斗 可以得出在湍流中的轴向颗粒滑移速度： 屹= 詈c 警，计 亿 由上式可以看出，颗粒轴向滑移速度只与液体和颗粒的物性有关，而与水力旋流 器的运动速度无关。 2 2 3 固相颗粒的切向运动速度 关于水力旋流器内固体颗粒的切向速度，考虑到颗粒在切向的运动几乎不受 任何的阻碍( 不计较大颗粒作用于液流相的滞后摩擦阻力) ，故可以认为，颗粒 的切向速度与该处的液体切向速度相同。这也已经得到实测证实。 2 3 本章小结 本章分别介绍了水力旋流器内的固液两相的流动模型、速度分布及运动所遵 循的规律，着重介绍了液相流动和固相运动的异同。液固两相的流动特征是了解 水力旋流器的最基本的知识点，同时这也是建立数学模型的基础。 1 6 硕j 学位论文 第三章新型水力旋流器的研制及实验研究 本文对应用在传统的f g d 工艺中的分级 增浓用水力旋流器进行了改进，设计出一种全 新的旋流器，其结构示意图如右图。在新型水 力旋流器的设计中，我们主要针对水力旋流器 的入口、溢流管、溢流中心管、锥体、底流口 等主要部件进行了分析研究。 3 1 旋流器入口形状的确定 水力旋流器进料口的形状和尺寸对其生 产能力、分离效率等指标有重要的影响，这主 要是因为进料口控制着产生离心旋转作用的 入口流速，那么对旋流器流场韵影响就非常显 著。进料口的作用是将直线运动的液流在柱段 进口处转变为圆周运动。进料口按照截面形状 可以分为圆形和矩形两种。k e l s a l l 啪1 最早对 具有相同截面积的两种进料口进行了比较，发 现矩形进料口能使分离效率得到改善。这主要l 沉砂缆2 一f 韶锥体37 f 酃簿体 是因为矩形进料口的段面形状更能紧贴水力4 迸科口5 。t 韶维体6 土酃簿体 旋流器的柱段壁面，这样可以尽量消除引起进7 项流巾心管8 豳漉褥 料短路的死区，使进料液更平稳流畅。早期的进料口一般简单设计为直线形，并 与柱段相切。这时直线到圆的过渡仅为一点，变化突然，对液流产生较大的阻力， 容易在此产生湍流，进口液流的能量损失较大，同时还会引起进料口附近材料的 磨损。因此，近年来在较新的设计中采用了曲线进料口。最常用的形式有涡形渐 开线入口，渐开线入口，切线入口，摆线入口，弧形线口3 以及m u l t o t e c 公司提出 的r i b b o n 曲线入口等等，如图( 3 2 ) 在采用曲线形进料口的情况下，进料液流从管路中的直线运动转变为柱段内 的旋转运动的过渡区从直线形的一点变为一段，流动轨迹的曲率半径从直线运动 的无穷大逐渐缩小到旋流器的半径。这样，进料液则能比较流畅的进入旋转流状 1 7 硕 j 学位论文 态，大大降低了局部湍动程度，改善了工作状况，使其分离效率大大提高。 进料口尺寸设计首先应满足入口射流不直接冲击溢流口，否则会产生湍流并 导致严重磨损。可以用下式表达这一条件： d d - d o - 2 w( 3 1 ) z 如果采用矩形进料口，上式中d i 采用旋流器轴线方向的矩形边长代替。 式中，d 一进料口直径 d 一水力旋流器公称直径 哦一溢流管直径 形一溢流管壁厚 当在较高的进料浓度条件下，生产能力仍随d i 的增加而增加，仍呈指数关 系，其指数范围为0 5 3 - - 0 8 5 。 进料口直径对分离粒度的影响也很显著。根据b r a d l e y 乜2 1 得出的经验关系式 d 5 0 芘钟 ( 3 2 ) 其中指数n 的取值范围为0 - 0 6 8 。而根据众多的分离精度的经验公式可知 指数n 在0 6 - - 0 8 7 之间。 在入口量相同的条件下，入口当量直径越大，分离效果越差心3 1 。这是由于入口 当量直径越大，流体在旋流器内韵切向速度小，液流在旋流器内停留的时间又相 同，分离效率相对就较差。其大体相对关系如图3 3 所示 顾十学位论文 令 【 ，、 l ：= ：= 一： 、 ， a 2 , a 4 口 。嗡时 & 砂 代号 a 1a 2a 3a 4 a 5 渐开线型弧线型矩形斜2 0 ”切线型螺旋线型 名称切线型圆管 矩形管管 圆管矩形管 浆 瓣 狡 趟 求 图3 2 进口结构 d i d o 图3 3 当量直径对分离效率的影响 1 9 南非删0 旺c 公，d 针对币川舯旋流器a 曲线州、十算机模捌【； j 对应币刚册 线八【i 的旋流器内部的襄流状况。1 如图： 4 所小 、1 、， | 一| j 1 w ，； f 1 菊 7 + w 满形渐f 线入u 渐开线入口切线八l j刚i i b o n 曲线八l j ( m l 】1totec)(multotcc) 挎i34 用“算机桔 拟的对应不l 司八n f 日旋濉器内部j 紊流 # 况 我们- u 以打到山f 入口形状的小h ，悬浮液将在旋流腔山做小肌则的州螺旋 运动。硅m 易见，r t b b ) n 线入口最为州魁，f h 足考虑奠制作工难度人，尤 其址秉什j 聚氪酯浇铸，诎难保u 雕形状结构满足婴求。综合考虑，我们采用涡j i 渐7 r 线入n ，| ! i j 徘证r je 内部 较舰川的圳肜蝶旋运动义仪l i f 了加粘度的要 求。 往新型水力旌流器的设计过程叶i ，找们采h j 渐开线入n ，具体结构见附录一， 渐扦线入u 具有以下几个优点 1 通过【r 粒了随着渐开线入自然的向r 腱转，既“减少群损，又川以减少 紊流，冈而延长了入【】的灯命 2山于入几处紊流程度的降低，旋流器的通过能山大r h 他八| 1 弘式的旋流 器。 m 八i 处f j 渐斗线让微粒右进入旋流器时白行捌整，然扁才受到腱流器的离 心作用。这种渊粘的结果佳 i 旋流器内的分离过 【l ! 效率蜓商。 4 i h 于渐jf 线的入ii ，进入胜流器的喂料小会缘切线世“j | _ j 样“缓冲h 溢流 嘴。冈人人的减少了溢流l 精的牌损，延k 了旌流器的自救寿命。 硕：匕学位论文 3 2 溢流管及顶流中心孔 溢流管和顶流中心管是新型水力旋流中轻相分流的两个重要零件。溢流管和 顶流中心管的设计尺寸的变化将会影响到水力旋流器的所有工艺指标。 3 2 1 溢流管 在早期的水力旋流器中，内旋后的轻相流经过旋流器顶盖中心的个孔直接 流出，但是由于顶盖下面产生的盖下流将会将许多颗粒带入轻相流，从而导致轻 相流跑粗。因此，在后来的设计中增加了溢流管。溢流管的结构和插入深度对旋 流器的性能有着重要的影响。 众所周知，盖下流是旋流器内流体流动的特征流动之一，也是引起旋流器轻 相流跑粗、分离产品中粗细粒混杂的重要原因之一；而盖下流的存在及其流量大 小则直接与溢流管的结构形状有关。另外，溢流管的结构形状的形式还会直接影 响旋流器的出口能量损失。所以，溢流管结构形状是影响旋流芯管分离性能的重 要结构因素之一。褚良银教授试验测试的溢流管的变式结构如图( 3 5 ) 嵋1 。 墨 对r 瞽暂 b lb 2b 3b 4 代号 b 1b 2b 3b 4 名称薄壁直圆管厚壁直圆管3 0 。渐扩管+ 锥2 0 。渐扩管+ 环齿 图( 3 5 )溢流管结构 在新型水力旋流器的设计中我们采用薄壁直圆管结构。插入深度按前人研究 推荐尺寸设计。 3 2 2 顶流中心管 内旋流经水力旋流器上部锥体进行浓度拉伸，浓度梯