（热能工程专业论文）小流量颗粒分级旋流器的压降与分级性能.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 瘟王些态堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：j 咎j 亟l 日期：2 丛蚂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕惠王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 妊，雌新繇粗吼叫 摘要 水力旋流器是应用非常广泛的分离非均相液体混合物的设备，尽管对旋流分 离技术的研究不断深入，但将水力旋流器用于微细颗粒的分离仍然处于探索和发 展阶段。其基本原理是将具有一定密度差的液一液、液固、液气等两相或多相混 合物在离心作用下进行分离，分离效率高、分离设备占用空间小，并且可连续操 作。一般来说，悬浮在液相介质中的同体颗粒可以按其粒度的大小，密度，形状 等进行分离，分离过程可以区分为分选和分级。 所谓分级便是将具有相| 一密度的固相颗粒按粒度大小进行分离。由于旋流器 的分离效率随颗粒粒度的增大而上升，故可用于将进料中的固相颗粒分成粗粒级 颗粒和细粒级颗粒两部分，即将旋流器用于颗粒分级设备。 在小型铁矿用于颗粒分级的旋流器，分级精度比较低，分级粒度较低，。尾矿 的浪费比较严重，现在本课题是设计出一种适合小型铁矿颗粒分级的旋流器，使 之达到所要求分级粒度。本论文首先探索旋流器的结构参数，进口流量，以及分 流比对压降影响。然后找出一般规律。最后是改变参数，得出分级效率的变化规 律。 实验结果表明：旋流器的压降随着进口流量的增加而增大，并且压降与进口 流量呈明显的指数关系；随着分流比的增加，底流压降呈现出明显的增大趋势， 而溢流压降基本没有变化；随着锥角的变化，底流压降和溢流压降都随之增大； 当底流口直径增大时，底流压降有变小的的趋势，而溢流的压降基本保持稳定， 没有明显的变化；在有无背压的情况下，底流的压降基本保持不变。 在分级效率实验中，当流量增加时，以d 减小；当分流比增大时，以d 增大， 一般来说，分流比不宜超过0 3 5 ，当超过o 3 5 时，分离的效果就会急速下降， 达不到所需要的分级效果，同时分级出的粒径也比较紊乱。当锥角变化时，当锥 、角从1 7 0 变化到1 2 0 0 时，西d 会随之变大。 本文对小流量颗粒分级旋流器的分级范围做了初步的界定，对在何种情况下 分级效果最好也有个大致的预判。这为以后小流量颗粒分级旋流器分级效率的研 究提供了一定的理论基础和实际的研究方法。 关键词固液分离；水力旋流器；压降；分离效率 a b s t r a c t h y d r o c y c l o n ei sv e r yw i d e l yu s e de q u i p m e n t , w h i c hi su s e df o rs e p a r a t i n gt h e h e t e r o g e n e o u sl i q u i dm i x t u r e a l t h o u g ht h es t u d yo ns e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi sd e e p e n i n g , t h eh y d r o c y c l o n ef o rt h es e p a r a t i o no ff i n ep a r t i c l e si ss t i l la tt h es t a g eo fe x p l o r a t i o na n d d e v e l o p m e n t n l eb a s i cp r i n c i p l ei st h a tt h el i q u i d l i q u i d ，l i q u i d s o l i d ，a n dl i q u i d g a sw i t hac e r t a i nd i f f e r e n td e n s i t yw i l l b es e p a r a t e du n d e rt h ea c t i o no ft h e c e n t r i f u g a lf o r c e i t se f f i c i e n c yi sh i g ha n dt h es p a c eo c c u p i e db yt h es e p a r a t i o n e q u i p m e n ti ss m a l l i ta l s oc a no p e r a t ec o n t i n u o u s l y i ng e n e r a l ，t h es o l i dp a n i c l e s s u s p e n d e di nl i q u i dc a l lb es e p a r a t e db ys i z e ，d e n s i t ya n ds h a p e t h a ts o c a l l e dc l a s s i f i c a t i o ni st h a ts e p a r a t et h es o l i dp a r t i c l e sw i t ht h es a m e d e n s i t yb yp a n i c l es i z e a st h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eh y d r o c y c l o n ei n c r e a s e s w i t ht h ep a n i c l es i z e ，s ot h a tt h es o l i dp a n i c l e si nt h ef e e dc a l lb ed i v i d e di n t oc o a r s e p a r t i c l e sa n df i n ep a r t i c l e s t h a ti st h eh y d r o c y l o n ec a l lb eu s e d 舔c l a s s i f i c a t i o n e q u i p m e n t t h ec l a s s i f i c a t i o np r e c i s i o no ft h eh y d r o c y c l o n ef o rc l a s s i f i c a t i o ni ns m a l li r o ni s r e l a t i v e l yl o w t h ec l a s s i f i c a t i o ng r a n u l a r i t yi sa l s ol o w t h et a i l i n g sw a s t es e r i o u s l y n o wt h i si s s u ei st od e s i g nah y d r oc y c l o n ef o rs m a l li r o n sf o rc l a s s i f i c a t i o n ，s o t h a ti tc a na c h i e v et h er e q u i r e dc l a s s i f i c a t i o n f i r s t ，t h ep a p e re x p l o r e dt h ee f f e c to f t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s , i n l e tf l o w , a n ds p l i tr a t i ot ot h ep r e s s u r ed r o p t h e nf i n da g e n e r a lr u l e a tl a s tc h a n g et h ep a r a m e t e r sa n do b t a i nt h er u l eo ft h ec l a s s i f i c a t i o n e f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed r o po ft h eh y d r oc y c l o n ei n c r e a s e sw i t ht h ei m p o r t f l o w , a n dt h ed r o pa n dt h ei m p o r tf l o wh a v ea ne v i d e n te x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p ；、m t h t h es p l i tr a t i oi n c r e a s e s ，t h ep r e s s u r ed r o po ft h eu n d e r f l o wh a sac l e a ri n c r e a s i n gt r e n d , w h i l et h ep r e s s u r ed r o po f t h eo v e r f l o wh a sl i t t l ec h a n g e ：a st h ea n g l ec h a n g e s ，b o t h t h ep r e s s u r ed r o po ft h eu n d e r f l o wa n dt h eo v e r f l o wi n c r e a s e ；w h e nt h ed i a m e t e ro f t h eu n d e r f l o wi n c r e a s e s ，t h ep r e s s u r ed r o po ft h eu n d e r f l o wh a v ea d e c r e a s i n gt r e n d ， w h i l et h ep r e s s u r ed r o po f t h eo v e r f l o wk e e ps t a b l ea n dh a v el i t t l ec h a n g e ；i nt h ec a s e o f t h e r ew a sab a c kp r e s s u r eo rn o t ，t h ep r e s s u r ed r o po f t h eu n d e r f l o wh o l dt h el i n e i nt h ee x p e r i m e n to fc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y , a st h ef l o wi n c r e a s e s ，d s od e c r e a s e s ； w h e nt h es p l i tr a t i oi n c r e a s e s ，d s 0i n c r e a s e s i ng e n e r a l ，t h es p l i tr a t i os h o u l dn o t e x c e e dt h ev a l u eo fo 3 5 w h i l em o r et h a no 3 5 t h ee f f e c to fs e p a r a t i o nw i l ld e c l i n e r a p i d l ya n di tw i l ln o tr e a c ht h er e s u l t st h a tn e e d e dm e a n w h i l et h ep a r t i c l es i z et h a t g r a d e do u ti sa l s or e l a t i v e l yd i s o r d e r e d w h e nt h ea n g l ec h a n g e d ，a st h ea n g l ec h a n g e s f r o ml7 。t ol2 0 0 ，t h ed s 0w i l lb e c o m el a r g e r t h ep a p e rh a v eap r e l i m i n a r yd e f i n i t i o nt ot h es e p a r a t i o ns c o p eo f t h es m a l lf l o w h y d r o c y c l o n et h a tf o rs e p a r a t i o no fp r a c t i c a l ，a n dh a v ear o u g hp r e - j u d g m e n tt h a ti n w h a tc i r c u m s t a n c e st h e r ew i l lr e a c ht h eb e s tg r a d e t h i sp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s a n dap r a c t i c a lm e t h o df o rt h es t u d yo ft h ec l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h es m a l lf l o w i l l h y d r o c y c l o n et h a tf o rp i r a t i c a ls e p a r a t i o n k e yw o r d ss o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o n ；h y d r o c y c l o n e ；p r e s s u r ed r o p ；s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y i v 2 5 实验方案和方法15 2 6 本章小结17 第3 章压降实验19 3 1 理论基础：19 3 1 1 固液旋流器的年产能力1 9 3 1 2 固液旋流器的压降1 9 3 1 3 固液旋流器的分流比一2 0 3 2 实验参数2 0 3 3 实验结果分析2l - 3 3 1 流量对压降的影响2 2 3 3 2 分流比对压降的影响2 2 3 3 3 锥角对压降的影响2 3 3 3 4 底流口直径对压降的影响2 4 3 3 5 有无背压对压降的影响2 6 3 3 6 清水与悬浮液压降对比2 7 3 4 结论2 7 第4 章级效率实验2 9 4 1 实验理论基础2 9 4 1 1 固液旋流器的分离效率2 9 4 1 2 级效率与折算级效率2 9 v 4 1 3 分割尺寸d 5 0 31 4 1 4 固液旋流器分级粒度计算公式3 2 4 1 5 固液旋流器级效率预测方法3 3 4 1 6 旋流器级效率计算法3 3 4 1 7 综合效率计算式3 4 4 1 8 对比第一类，第二类公式3 7 4 2 实验参数4 0 4 3 实验结果分析4 0 4 3 1 级效率与流量的关系4 0 4 3 2 分流比与级效率的关系4 3 4 3 3 锥角与级效率的关系4 6 4 4 本章小结4 9 参考文献5 5 攻读硕士期间所发表的学术论文5 7 致谢5 9 v l 1 1 引言 第1 章绪论 水力旋流器是一种应用非常广泛的液体非均相混合物的分离设备，其基本原 理是将具有一4 定密度差的液一液、液一同、液一气等两相或多相混合物在离心作 用下进行分离，分离效率高、分离设备占用空问小，并且可连续操作。由于两相 或多相液体混合物的分离在各种行业里都是一种非常普遍的现象，因此水力旋流 器在化工、石油、选矿、环保、制药、食品、轻工、城市废水处理、造纸等诸多 行业都有非常广阔的潜在应用市场。其中固。液水力旋流器发展的比较早，目前 已经应用于液体的除砂、澄清、浓缩、颗粒分级、矿粒分选等多种用途，这方面 的技术已经比较成熟，但在小尺寸固液水力旋流器及小粒度旋流分级器等方面 还有待于技术上的进一步完善。本文主要讨论用于分离微细颗粒的固液双锥水 力旋流器的性能。 1 2 水力旋流器分离原理和基本结构 1 水力旋流器的分离原理如下图1 1 所示。 溉# 图1 1固液水力旋流器分离原理示意图 f i g 1 - ls e p a r a t i o no fs o l i df r o ml i q u i db yh y d r o c y c l o n e s 当混合介质由切向入口进入旋流腔后，在旋流腔内高速旋转，产生强烈的涡 流。在后面连续而来的液体推动下，旋流腔内的液体边旋转边向下运动，其运动 路径呈螺旋形。旋转的液体向下进入圆锥段后，旋流器的内径逐渐缩小，液体旋 转速度相对加快。由于液体产生涡流运动时，沿径向方向的压力分布不等，轴线 附近的压力趋于零，成为低压区，而在器壁附近处压力最高。同时由于水力旋流 器内底流口径最小，使液体无法全部从底流管排出。在旋流腔的顶部由于开有一 溢流口，含固体颗粒的悬浮液在水力旋流器内旋转时，悬浮于液体中的固体颗粒 及液体都受到了离心力的作用。由于两相介质的密度差，使两相介质所受的离心 力不同，轻质分散相( 水及少部分颗粒) 向轴线附近的低压区移动，聚集在轴线 附近，边旋转边向上做螺旋运动，形成内旋流，最终从溢流口排出；由于固体颗 粒也受到离心力的作用，当该力大于颗粒运动所承受的液体阻力时，固体颗粒将 克服阻力作用而向水力旋流器边壁移动，与液体分离开，并在后续液流的推动下， 分离出的颗粒( 及一部分水) 则由底流口排出。 2 传统上用于固一液分离的水力旋流器的基本结构如图1 2 所示： 第1 部分是旋流体，也是主体部分，通常是由上部的圆柱段与下部的圆锥段 组成。圆柱段称为旋流腔，液体从切向入口进入旋流腔内产生高速旋转的液流。 旋流腔的直径d 是水力旋流器的主直径，直径d 的大小不但决定了水力旋流器的 生产能力，而且也是确定其它参数的重要依据。旋流体长度，是旋流腔长度，和圆 锥段长度1 2 两段之和。圆锥段的锥角为口，其大小影响水力旋流器分离固体颗粒的 能力。 m 、f牡 ，叶 l世 l 1d 1 l t 、 吵 1 、，l d u 1 i 够 摹 怂 多 图1 - 2 固液水力旋流器结构示意图 f i g 1 - 2 s n u c t u r a ls k e t c ho ft r a n d i t i o n a ls o l i d - l i q u i dh y d r o c y c l o n e 第1 i 部分是水力旋流器入口，其直径用讲表示。它在旋流腔的切向与旋流腔 相连。根据入口管数量不同，有单入口、双入口和三个以上多入口之分；入口形 式主要有摆线型、渐开线型等，其目的都是为了减少入口处液流的冲击，使液流 容易在旋流腔内形成高速旋转的涡流，并具有稳定的流场。入口横截面形式主要 有圆形和矩形等。当截面为非圆形状时，其入口直径坊则是指其当量直径。 第1 i i 部分是水力旋流器溢流管，即低浓度液体介质( 固体含量低) 的出口。 它位于旋流腔顶部的中心处，其内径用如表示。溢流管的伸入旋流腔的长度用糠 示，其大小在不同的设计中也不一样，有的设计中令其为零，即溢流管与旋流腔 顶部平齐，不伸入旋流腔内。通常情况下应将其伸入旋流腔内，以降低短路流对 旋流器分离效率的影响。 第部分是水力旋流器的底流管，即高浓度液体介质( 固体含量高) 出口。 它位于圆锥段的下方，其内径用巩表示，与圆锥段小端直径相等。旋流体、溢流 管和底流管位于同一轴线上，在制造上有较高的同轴度要求，以满足水力旋流器 的分离性能需要。有的固液分离水力旋流器根据实际情况不设置底流管。 a 结构参数，主直径d 和圆锥角0 两个参数最为重要。这是因为入口直径西、 溢流管直径磊和底流管直径巩均与d 成一定的比例关系，针对不同应用的设计所 选用的比例关系也不同，而旋流体长度，是由d 和口决定的。这些参数中任何一个 参数的变化都会对水力旋流器的性能产生很大的影响，它们决定了内流场的形式 以及对旋流器的操作性能的影响，这也就决定了旋流器的优化组合尺寸是旋流器 技术中非常晕要的一项内容。 b 操作参数包括：进出口料液的流量、浓度及进出口处的压力。其中，流量 q 的大小决定了内流场的强度，将直接影响旋流器的性能。当流量较小时，旋流 器内的流速也较小，不足以对两相混合物进行有效的分离；当流量增大时，会使 通过旋流器的压降增大，因此确定合适的操作范围是旋流器技术中的第二项重要 内容。 c 物性参数主要包括分散相的颗粒尺寸，两相的密度、粘度。由于旋流器的 分离效率随分散相颗粒尺寸的增加而提高，所以颗粒尺寸是影响旋流器操作性能 的重要参数：两相之间的密度差的大小决定一定操作条件下离心力场的强度大 小，粘度则影响流体的剪切力大小。 d 固一液旋流器的性能参数主要有流量一压降特性、分级效率特性，这些特 性与旋流器的结构参数、操作参数及物性参数密切相关。因此，确定这些参数之 间的关系是旋流器技术中第三方面的重要内容。 1 3 水力旋流器研究现状 水力旋流器是一种离心分离装置，尽管早在1 8 9 1 年就有了该技术领域内的 第一项专利【ij ，但直到2 0 世纪4 0 年代末才真正在采矿业中得以应用。在6 0 年 代旋流器成为一种常见的工业设备，用于矿砂的筛选、分级、脱泥、浓缩、澄清 及洗涤等【2 】。目前大部分选矿厂都在使用水力旋流器，国外选矿厂中的机械分级 机已被水力旋流器所取代，我国的扩建、改建和新建的选矿厂中也广泛地采用了 水力旋流器【3 j 。旋流分离技术在工业中的应用非常广泛，它的发展已有近百年的 历史，人们在常规旋流器( 固固、固液、气液) 内流场及其分离机理方面进行 了大量的研究，并取得了不少成果和总结了大量经验【5 6 j 。目前，国内外研究水 力旋流器的分离分级性能的方法主要有：黑箱法、流场测定法和数值模拟法【7 1 。 1 水力旋流器的分类见表1 1 【4 】。 表1 1 水力旋流器分类表 分类方法种类说明 固一液旋流器连续相液体；分散相固体 按分散相类型 液一液旋流器 两相均为液体 轻质分散相旋流器分散桐的密度低 按混合物组分密度 重质分散相旋流器分散相的密度高 单锥旋流器主要用于固一液分离 按旋流器结构 双锥旋流器主要用于液一液分离 普通旋流器分敞相浓度百分之几 按分散相浓度 分离浓稠介质用旋流器分散相浓度约为2 0 0 0 - - - 5 0 从上世纪8 0 年代至今，在英国的牛津、剑桥、巴斯、约克和南安普敦等地 先后召开了六届水力旋流器专题国际会议【5 , 1 3 - 1 7 ，另外，国内外也先后出版了六 部相关的专著 2 - 4 a 眦2 1 ，这些都对推动旋流分离技术的发展起到了积极的促进作 用。 2 旋流器的优点 尽管水力旋流器的结构比较简单，但决定其压力特性及分离性能的却是旋流 器内部复杂的流场，而流场内的流动机理则是至今仍未能很好解决的一大难题。 水力旋流器之所以日益为更多的部门所重视，是因为它具有一般的分离装置所不 具备的优点： 1 1 功能多，分离效率高 水力旋流器可根据实际应用的需要在不同场合下使用。目前已经研制出气一 液- 固三相分离用水力旋流器，可同时将液体中的气体和固体杂质分离出。在气 固分离方面，用于去除气体中的粉尘的旋风分离器早已使用多年。水力旋流器在 应用中的分离效率可达9 0 以上，用途十分广泛。 2 1 结构简单 水力旋流器内部没有任何需要维修的运动件、易损件和支撑件，也无需滤料。 其结构与容器十分相似，管线连接、阀门控制可实时操作。成本低，在处理量相 同时只相当于其他分离设备的几分之一，甚至几十分之一。 3 1 占地面积小、安装方便、运行费用低 与处理量相同的其他装置相比，水力旋流器的体积只有其他处理装置的十几 分之一，重量只有三、四十分之一，这对于许多空间受限制的场合有着特殊的意 义。同时，由于重量轻，不需要特殊的安装条件，水力旋流器只需简单的支撑及 管线连接即可工作。另外，水力旋流器运行费用很低，如系统管路中有o 5 m p a 以上的压力，不需要其他动力设备即可正常运行。 4 ) 使用方便灵活 水力旋流器可以单独使用，也可并联使用来加大处理量，或串联使用增加处 理深度。同时还可以根据不同的处理要求改变其结构参数以达到更好的分离效 果。此外，由于被处理的液体在水力旋流器内的存留时间仅为几秒钟，这样可以 很方便地和其他分离装置联合使用，以达到各种深度的处理要求。 5 ) m 艺比较简单，不产生二次污染 运行参数确定后可长期稳定运行，管理方便，有着明显的社会效益和经济效 益。特别值得指出的是，这种分离过程完全是在封闭的状态下进行的，净化后的 液体和分离的介质均可由管道输送【旦i 收，实现了闭路循环，不产生二次污染。 3 旋流器的缺点 当然，水力旋流器和其它装置一样也有其自身缺陷，主要表现在以下几方面： 1 ) 对运行条件要求高 虽然各种水力旋流器的结构相似、分离原理相同，但其应用都需根据处理介 质的性质、进料浓度和流量等的不同而专门设计，并确定其操作条件。它们的分 离特性在很大程度上受到进料的压力和混合物的性质等因素的影响。 2 ) 分离过程同样为不完全分离 水力旋流器和其它许多分离装置一样是不完全分离。同样是固液分离，当 颗粒直径过小时就很难分离，但只要合理确定切割值，完全可满足工艺规定的要 求。 3 ) 高速旋转对旋流器内壁会产生一定的磨损 在固液水力旋流器中，固体颗粒在其内部高速旋转时，可能会对水力旋流 器的内壁产生严重的磨损，影响分离效果及使用寿命。如在用水力旋流器处理钻 井泥浆时，坚硬的岩屑会极大地损伤水力旋流器内壁，这曾是水力旋流器使用中 的一大难题。当然，这一问题现在已经通过新型耐磨高硬度材料的研制得到改善。 4 ) 泥化程度高，原料受到泵和旋流器的强烈搅动和摩擦，磨碎严重，增加 了分离的难度 尽管水力旋流器有一定的缺点，其应用也受到某些条件的限制，但它仍不失 为一种非常理想的分离设备。由水力旋流器所具有的明显优势，可以发现应用水 力旋流器进行微细颗粒的分离，充分的利用了旋流器自身的特点；旋流器自身的 缺点对分离过程影响不大。所以应用旋流器进行微细颗粒的分离，理论上可以取 得良好的效果。 4 水力旋流器发展特点 水力旋流器由于其结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、占地面 积小和无运动部件等特点，在国民经济的许多部门得到广泛的应用，并取得极为 显著的经济效益。综规国内外学者的研究动向和实情，水力旋流器的发展特点是。 ( 1 ) 技术规格两极化 水力旋流器的技术规格通常指其直径，为适应设备大型化的处理能力和特种 材料工艺所需特细物料分离粒度的要求，水力旋流器的技术规格向两极化发展， 即既向大型化发展又向小型化发展。 ( 2 ) 结构形式多样化 为了适应各种条件下分离作业的技术要求，降低能量消耗和提高分离效率。 科学工作者除了改进和完善原水力旋流器结构的不合理部分外，还研制出许多特 种用途的水力旋流器。此外，还还研制出各种结构形式的重介质旋流器。可以预 料，随着水力旋流器应用范围的进一步扩大和特种材料生产工艺的特殊要求，结 构更加合理和适应性更强的新型水力旋流器会迅速地得到研制和发展。 ( 3 ) 应用范围扩大化 随着水力旋流器的结构形式、耐磨材质和工艺技术的不断完善和改进，其应 用范围和使用场合正在日益扩大。传统的分离设备都是基于单一分离机理的功能 单一的结构形式。随着能源资源的日益减少，分离设备的节能化、高效化、多功 能化已成为一种必然趋势。目前，其应用范围已扩展到化工、环境、食品、生物 工程等领域，其功能也从单一的分离功能向功能多元化发展。己出现旋流器的新 型应用类型有：旋流过滤器、旋流吸收器、旋流换热器、旋流干燥器、旋流反应 器等。 ( 4 ) 工艺计算程序化 水力旋流器的工艺计算有两个基本内容：其一是生产现场己用旋流器的工艺 控制计算，它包括生产能力、分离粒度、分离效率、产物分配和产物浓细度的要 求。其二是新建，扩建和改建所需旋流器的选择计算，其目的是根据生产能力和 分离粒度等工艺要求，选择和计算出所需旋流器的规格、台数和合理的工艺参数 等，确保其产品质量能满足将来生产的工艺要求。随着计算机技术的普及和应用， 旋流器的工艺计算基本上实现了模型化和程序化，特别是在条件较好的工厂和单 位。 ( 5 ) 结构材质耐磨化 水力旋流器的外壳通常用铸铁、铸铝或钢板制成，其内壁衬以天然橡胶、陶 瓷和铸石等耐磨材料。为了扩大其使用范围，提高其抗腐蚀能力和耐磨程度，近 年来国外采用胶钢、铬钢、聚胺酷、玻璃纤维增强聚酷等材料作衬里。水力旋流 器结构材质的耐磨化，不但可以延长其使用寿命，稳定其结构参数，更重要的是 能保证其技术性能的稳定和满足生产工艺的要求，降低生产成本进而提高企业的 经济效益。 ( 6 ) 技术控制自动化 水力旋流器生产过程的技术控制主要指：给矿压力、给矿的浓度和细度、沉 暑皇暑鼍= ! 皇! ! 詈= 皇= = ! = ! 皇皇! = ! = ! = 詈! 暑! ! ! 垄釜垦耋釜鱼垒邕= 皇! ! = 竺! = = = = = 詈皇烹詈= = = = ! ! = ! = = 暑 砂u 、溢流u 和给矿l j 的磨损程度等。， 要这些参数能保证在设计的允许范围内， 就可确保产品质量符合设计工艺要求。旋流器生产过程中经常控制的技术指标是： 生产能力、分离粒度、分离效率和产物细度。这些技术指标同其给矿压力、进料 的浓度和细度、沉砂口和溢流口等有关唧1 。 5 水力旋流器的应用特点 由于目前在小尺寸固一液旋流器以及小粒度旋流分级器等方面还有待技术 上的进一步完善，液一液旋流器则发展的相对晚些，产品品种也相对单调。另外， 目前在各行业虽然经常应用旋流器，但在各行业里对旋流器的命名不尽相同，而 且不同行业在旋流器应用方面的经验也很少直接交流。基于这种情况，旋流分离 器的应用方面有两个特点 不同行业水力旋流器的实际使用情况以及潜在的应用前景要远远大于一 般人所了解的情况。 很多场合都可以使用高效的旋流器作为分离设备，但在设计时可能因为对 旋流器设备的陌生而失去了选用旋流器的机会。 6 水力旋流器的国内外研究现状 固一液水力旋流器最早用于采矿工业。在1 9 5 0 1 9 6 0 年间【2 3 1 ，许多研究者对 水力旋流器作了大量的基础和应用研究，同时提出了一些反映水力旋流器操作性 能的基本概念，对其操作也有了基本了解。最具代表性的研究者之一凯尔萨尔【2 3 】 用不干扰流型的光学仪器测得了水力旋流器内流体的流型，他的工作为之后的研 究打下了基础。在这一时期的研究都是用小型旋流器在低浓度的悬浮液条件下进 行的。在7 0 年代，澳大利亚的l y n c h 汞l r a o 对水力旋流器作了出色的研究【3 9 1 ， 提出了一系列的经验公式，用来描述在模仿工业条件的高浓度悬浮液下大型水力 旋流器的操作性能，这些公式为旋流器的研究和开发奠定了基础。这一时期的研 究几乎涉及了所有的结构参数和操作参数对水力旋流器的影响，能在高浓度及操 作条件变化大的情况下预测其性能。进入8 0 年代后，随着其它学科的发展，对 水力旋流器的研究主要采用宏观系统的观点，避开了水力旋流器中流体和颗粒行 为的微观结构复杂性，把注意力放在宏观结构上。1 9 8 5 年多赫米【m 】根据实际选 矿厂的需要，提出了一种迅速测定水力旋流器校正分离粒度的公式，他抛开了一 切直接影响水力旋流器性能的参数，以一种系统的观点，将底流固体回收率与分 离粒度相关联得出了一种简单实用的公式。近年来，英国理查德莫兹利公司开 发出了分离微细物料的水力旋流器d 4 4 系列、d 2 2 系列和d 1 0 系列【1 0 1 。 国内的一些研究者如陈文梅、褚良银教授等对水力旋流器的溢流管、底流管、 锥段、柱段等结构参数对分离性能的影响都做了比较系统的研究，得出了一些经 验公式 2 4 - 2 酊，这些成果为以后的固一液水力旋流器的研究奠定了基础。当前，微 细物料的分离在重力选矿、石油化工等方面仍是一个比较活跃的研究领域。小直 径水力旋流器用于微细物料的分离是主要研究方向之一，其主要是指直径小于 5 0 m m 的旋流器i 】。我国小直径水力旋流器用于微细物料的分级和分离约有l o 余年的历史，它在工厂的废水和粉尘处理、玉米淀粉提纯【5 1 ，有机晶体回收等方 面已取得成功的应用【1 2 】，且目前已在食品、油漆、涂料和化工行业获得广泛应用 【4 9 】。 7 水力旋流器的主要应用 随着旋流分离技术研究的深入，水力旋流器的用途也在不断扩大，已由最初 的主要进行固液分离而扩展到两种不互溶液体介质的液液分离以及气液分离、 气液固三相分离等，如液体的净化、泥浆稠化、液体脱气、固体筛分、固体介 质清洗、按密度或形状进行固体分类等许多方面，成为一种多用途的高效分离装 置。在核工业、船舶工业、食品加工工业、生物工程等领域也开始采用水力旋流 器作为重要的分离设备。如用水力旋流器处理船舶底舱水，使处理后的水完全符 合公海排放标准。在核工业中，可用于从均相反应堆中分离出较为粗大的颗粒， 如稀土元素和裂变物质等。在造纸工业上应用更为广泛，纸浆的处理、除砂和除 去大的木屑等。水力旋流器在油田也开始研究用固液水力旋流器处理采出液中的 细小的固体杂质等。 在选煤工艺中应用较为广泛的粗煤泥分级、浓缩设备主要有角锥沉淀池、倾 斜板沉淀槽及水力旋流器。这几种设备各有特点。角锥沉淀池和倾斜板沉淀槽主 要用于粗煤泥分级、浓缩，其分级粒度一般为0 3 - - 0 5 m m ，处理能力1 5 2 0 m 3 ( m 2 h ) ；倾斜板沉淀槽因其具有倾斜板设施，处理能力相对较大，一般可达 3 0 - 4 0 m 3 ( m 2 h ) ；这两种设备具有结构简单、维护方便、无动力消耗等特点。但 由于其体积庞大，且处理量相对较小，导致其选煤，一建设过程中需要占用较大的 空间，建设投资相对较高；倾斜板沉淀槽因增加了倾斜板设备，相对缩小了设备 自身的体积，但由于倾斜板及底流管堵塞和斜板压泥现象的存在，生产管理相对 困难，使这两种设备在选煤厂中的应用受到一定的限制。水力分级旋流器的分级 粒度和处理能力与旋流器直径的大小相关，不同直径的水力旋流器，其分级粒度 和处理能力均不同。 水力旋流器虽然在选煤厂得到了广泛应用，但它的处理能力及使用效果与入 料压力、浓度、粒度及旋流器自身的结构特点( 直径、底流口、溢流口、锥角等) 等诸多因素有关。在生产实践中，分级旋流器常存在一下问题： ( 1 ) 浓缩、分级效果差，影响后续作业的效果。主要表现为：溢流浓度高 时，溢流中有大颗粒物料；底流浓度高，溢流中跑粗颗粒；底流浓度高，溢流中 颗粒较少等。 ( 2 ) 分级粒度不稳定，难以确定分级粒度。 ( 3 ) 外界条件变化时，处理量波动较大，不便于设备选型。 基于上述问题，为了更好地发挥旋流器的分级作用，本实验从以下几个方面 着手： ( 1 ) 实验的所采用旋流器是小流量的，一般是在l o r e 3 h ，所配悬浮液的体 积浓度为l 。 ( 2 ) 在入口浓度以及粒度确定的前提下，研究不同的进口量、分流比、锥 角对分级粒度的影响。 1 4 本文的主要研究内容 在重力场中的水力分级管内，流体向上流动，而固相颗粒受重力作用在其中 向下沉降。由于一定大小的颗粒在一定的流体系统中的重力沉降终速是一定的， 故可以通过调节分级管内流体的速度( 调节分级管柱段部分直径或流体体积流量) 来获得所需的分级粒径。由于重力场中的水力分级受到重力场强度的制约，使颗 粒的分级临界粒径下限、分级过程所需时间以及分级设备体积等增大，所以，往 往引入旋转流来强化水力分级过程。在旋转流体内由于离心力场的作用，颗粒进 行离心沉降。显然，当离心分离因数较大时，离心沉降终速比重力沉降终速大得 多。因此，在处理细粒级颗粒物料时水力旋流分级比重力分级要有效得多。水力 旋流分级通常在水力旋流器( 或称旋流器) 内完成。 一般来说，大处理量的旋流器的分级精度一般比较高，而小处理量的旋流器 的分级精度比较低。本课题所研究的方向为设计出小处理量的分级精度高的旋流 器。同时研究旋流器各个结构参数与压降之间的关系，得出结果。 本课题重点解决的问题： 1 ) 系统的对小流量旋流器的压降进行研究，得出压降与小流量旋流器的结构 参数的关系，即压降与锥角、压降与底流口直径的关系，此外还要得出压降与操 作参数的关系，即压降与流量、压降与分流比的关系。同时，对比底流口直接接 大气与在底流口处加阀门状态下压降的变化关系。 2 ) 研究小流量旋流器的级效率的关系，然后从级效率曲线找出分割尺寸西d ， 得出分割尺寸以d 的变化趋势，即级效率与流量的关系、级效率与分流比的关系、 以及级效率与锥角的关系。通过以上的实验，得出小流量旋流器压降和级效率的 一般变化趋势。 1 0 第2 章实验系统及实验方案 要针对新型固一液双锥水力旋流器进行压降和对微细颗粒的分离效率的实验 研究，首先须确定好一个合理的实验台系统、相关的各种实验方法、条件等。本 章将详细介绍实验系统的流程、实验所用的器件、实验方法和条件等。 2 1 旋流器实验系统 根据实验室空间分布，并参考原有实验装置的基础上，设计出了较合理的室 内旋流器实验台装置。本装置为一循环系统，能较好地在室内模拟现场实验，为 通过实验确定固液双锥水力旋流器的不同结构参数、操作参数对压降和分离效 率的影响奠定了基础。 i 实验系统的确定 本实验系统不但要完成固液水力旋流器压降和分离性能的室内实验任务， 而且还要实现通过实验对其结构参数与操作参数的优选。故在实验中会经常对旋 流器进行结构参数改变，这就需要旋流器系统要有拆装、移动、操作方便的原则。 在计量部分中，使用涡轮流量计计量流量，用指针式精密压力表计量压力。 该实验系统包括：搅拌罐、离心泵、固一液双锥水力旋流器样机、旋流器入口、 圆柱段和大椎段衔接段、溢流及底流的压力表、旋流器进口和溢流口处的流量计、 液料输送管路以及各种控制阀门和搅拌罐配用的搅拌泵。 下面对实验系统的各个组件进行详细的介绍： l 、搅拌罐部分 该部分是整个实验系统的基础，包括水罐，搅拌泵和变频器，其主要功能是 配置实验用的悬浮液、实验时进行固液均匀混合、存储以及供给。 a ) 水罐 供水必须保证方便、快捷，能及时提供大流量、长时间的实验用水。由于本 次实验采用底流和溢流最后都进入水罐的循环使用，不存在水罐供液不足的问 题，同时为了充分利用现有实验装置、缩短研究周期，故采用实验室现有的水罐。 该水罐由标准的立置凸形封头、圆柱段和顶盖组成的，这样可以方便的通过液面 的高度来得出液体的体积，使我们能准确、快速的配置出实验用悬浮液。 b 1 搅拌泵 为了在实验过程中使水罐中的颗粒与水混合均匀，在水罐顶部放置一个搅拌 泵对水罐进行连续的机械搅拌。 c ) 变频器 实验中我们要尽可能将水罐搅拌混合均匀，以维持实验过程中颗粒浓度的一 致性。搅拌泵的转速也需要控制在一个合适的范围内，转速太小时，不能对旋流 器进行均匀的搅拌，而转速过大时，可能会打散固体颗粒的现有结构，使其粒度 更小，这明显不利于实验的进行，故实验时需对搅拌泵的转速进行优化选择。 2 、变频泵 室内实验一般同时只对一个旋流器单体进行实验，旋流器单体的处理量一般 不大于1 0 m 3 h ，工作压力不大于1 2 m p a ，所以选择的泵的参数要能满足上述两 点要求。由于本实验室现有的一套自动变频的离心泵德参数均满足要求，所以该 变频泵可以用于本实验系统。 3 、计量部分 计量单元分为流量和压力两个单元。流量单元包括进液计量单元和溢流计量 单元。进液计量单元是对进入实验旋流器的流量进行计量的单元；溢流计量单元 是对水力旋流器处理后溢流口流量进行计量的单元。水力旋流器底流流量的确定 是通过进液量与溢流量的差值问接得到的。实验中采用转子流量计和指针式