（机械工程专业论文）旋转旋流分离机运动合成与结构的研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 中文摘要 在现有理论的基础上，根据课题的要求，作者对旋转旋流分离机 原理与结构展开了研究。文章先介绍了离心分离的基本特性及与旋转 旋流分离机相关的分离设备的结构和工作原理，介绍了现有关于旋转 旋流分离机的基本理论及其典型结构，在现有理论基础上设计并制造 了样机，并用样机进行了实验。 作者对实验结果进行了定性分析，发现现有关于旋转旋流分离机 的运动合成理论，是基于刚体运动规律的情况下得出的，这在分离机 中是不适用的；由于加速器的结构形式不合理，使分离机内部功耗严 重，这与设各开发的目的是相违背的；排渣结构不合理，使渣体含湿 量无法控制，使现场单位无法接受等问题。 文章提出了关于分离机内运动合成的新的理论，并根据现有结构 存在的问题，提出了结构改进方案。在新结构中，作者利用固定的旋 流生成段，使分离机内的运动得以有效合成；利用不随转鼓转动的加 速器解决了内部功耗问题；利用卧螺离心机的原理，使排渣的含湿量 得以控制。 文章结合新型结构，对内部压力、流量平衡、功率等方面的计算 方法进行了探索，并提出了有关流体运动合成的新理论，对这一设备 的进一步开发可起一定的借鉴作用。 关键词：旋转旋流分离机，结构改进，运动合成 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r e s e n tt h e o r i e sa n dt h er e q u e s to f t h et h e s i s ，t h ea u t h o r h a sd o n es o m er e s e a r c h e sa b o u tt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h e r o t a t i n gc y c l o n ec e n t r i f u g e t h ea r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc h a r a c t e r o ft h ec e n t r i f u g e ，a s w e l la st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so ft h ec o n c e r n e de q u i p m e n t so f r o t a t i n gc y c l o n ec e n t r i f u g e a c c o r d i n g t ot h ep r e s e n tb a s i ct h e o r i e sa n d i t st y p i c a lm o d e ls t r u c t u r e ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e da n dm a d ear o t a t i n g c y c l o n ec e n t r i f u g e ，a n d t h es a m p l ee x p e r i m e n th a sb e e nc o m p l e t e d t h r o u g ht h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t , t h ea u t h o r h a sd i s c o v e r e ds o m ep r o b l e m sa b o u te x i s t i n gt h e o r i e sa n ds t r u c t u r e s ，f o r e x a m p l e ，t h em o t i o n c a n tb es y n t h e s i z e d ，t h ep o w e ri sc o n s u m e dh e a v i l y , a n dt h ed e g r e eo f m o i s t u r eo f t h es o l i dc a n t tb ec o n t r o l l e d a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so ft h ee x i s t i n gs t r u c t u r e ，t h ea u t h o rp u t s f o r w a r dt h ei m p r o v e dm e t h o do fs t r u c t u r e , a n di n t r o d u c e st h el a t e - m o d e l s t r u c t u r e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e s 恤el a t e m o d e ls t r u c t u r eo ft h er o t a t i n g c y c l o n ec e n t r i f u g e ，p u t sf o r w a r dt h en e wt h e o r e t i c a l v i e w sa b o u tt h e m o t i o ns y n t h e s i z e d t h ea u t h o rh a si n v e s t i g a t e ds o m em e t h o d so f c a l c u l a t i o na b o u ti n t e m a lp r e s s u r e ，t h eb a l a n c eo ft h ef l o w i n gq u a n t i t y a n dt h ep o w e r 【k e y w o r d s ：r o t a t i n gc y c l o n ec e n t r i f u g e ；m o t i o n s y n t h e s i z e d ； s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t 学位论文版权使用授权书 9 6 2 8 1 8 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密斫 学位论文作者签名： 2 0 0 _ i 年t0 , 9j 日 缛珐 彳日 y b月 轹 签 年 师 一 教 略 黝 斫 指 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 1 多 日期：w y 年fo 月j 日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1离心机的特点及应用范围 本课题属于离心分离的范畴。离心分离是指利用离心力对液一固、液一液一 固、液一液等非均相混合物进行分离的过程实现离心分离操作的机械称为离心 机或分离机 离心机属于后处理设备，主要应用于脱水、浓缩、分离、澄清及固体颗粒分 级等工艺过程由于它是工艺流程中的后处理设备，其性能直接关系到产品的最 终质量离心机和其它分离机械相比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液 相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度，改善劳动条件，并且具有连续运转、自 动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点 离心机具有的使用范围广、对物料的适用性较强，产品规格多、变形多样等 特点。现在离心机已广泛应用于化工、石油提炼、轻工、医药、食品、纺织、冶 金、煤炭、选矿、船舶、环保、军工等各个行业和部丁，如湿法采煤的煤粉回收； 石油开采的钻井泥浆净化回用；铀同位素的浓缩；污水处理的污泥浓缩和脱水； 石油化工产品的精制；抗菌素、农药的提取；牛乳、酵母、啤酒、果汁、砂糖、 动植物油、米糠油、淀粉等食品的制造；纤维织品的脱水；润滑油、燃料油的提 纯等都需要使用离心机。离心机已成为国民经济各部门广泛应用的一种通用机械 f l s 瑚 1 2 离心机的分类 从离心机出现迄今一百多年来已获得了很大的发展，各种类型的离心机品 种繁多，各有特色 离心分离根据操作原理的不同。可区分为离心过滤和离心沉降，其相应的 机种可区分为过滤式离心机和沉降式离心机 离心机种类繁多，可按分离原理、操作目的、操作方法、结构形式、分离 因数、卸料方式等进行分类，见图1 1 所示嗍： 江苏大学工程硕士学位论文 三足式 上悬式 螺旋卸料过滤组合式 上部卸料 下部卸料 重力卸料 机械卸料 单级 双级 多级 图1 - 1 离心机的分类 1 3 离心机的发展概况与发展趋势 从离心机的发展史来看，离心机是随着现代工业的不断进步和发展而产生 的1 9 世纪产业革命后，为了适应乳酪加工工业的需要，1 8 1 7 年发明了用于分 离牛奶的分离机。随着纺织工业的迅速发展，第一台具有工业化用途的、用于棉 布脱水的三足式离心机，于1 8 3 6 年在德国问世。随着近代环境保护、三废治理 发展的需要，对工业废水和污泥脱水处理的要求不断提高，因此促使离心机进一 步发展。进入2 0 世纪后，随着石油综合利用的发展，要求把水、固体杂质、焦 油状物料等除去，以便使重油当作燃料油使用，5 0 年代成功研制了能自动排渣 的碟式活塞排渣分离机，到6 0 年代发展成完善的系列产品随着国民经济各行 | | f | l 圉国国l 江苏大学工程硕士学位论文 业的不断发展，各种类型的离心机也不断地更新换代，而且各种新型离心机也不 断涌现自1 8 3 6 年第一台工业用的三足式离心机在德国问世，迄今一百多年来 已获得了很大的发展。各种类型的离心机品种繁多，各具特色，已成为国民经济 各部门广泛应用的一种通用机械【1 5 】1 2 田 离心机的研究受到世界各国的重视，其目的是进一步提高单机处理能力和分 离效率，达到高效、节能的目的离心机的发展趋势主要有以下几个方面：e 1 羽 1 ，大型化、高参数化 为了提高分离效果，其中一种发展趋势是采用大型化和高参数化，即采用较 大的转鼓直径，采用较高的转速，如出现直径为l 1 5 m 以上，分离因数为1 0 0 0 的螺旋离心机，碟片离心机直径超过1 0 0 0 m m ，a l f a - l a v a l ，k r a u s s m a i i i 公司有 直径2 0 0 0 m m 左右的普通型与虹吸型刮刀卸料离心机产品，r o b o t a l 公司生产的 刮刀卸料离心机转鼓直径达2 1 0 0 m m 、功率1 1 0 k w 由于受到了材料、尺寸等客观因素的制约，大型化、高参数是受限制的：而 且将大大地提高离心机的制造成本和使用中的能耗 2 、节能型、复合型 随着分离机械向大型化发展，如何降低单位处理量的能耗是当务之急。因此 离心机如何以最小的能耗，提高其分离效果，或为后续的干燥工艺节能等，成为 了国内外分离机研究共同关心的问题。因此，有大量的节能型过滤与分离设备出 现： ( 1 ) 螺旋离心机增加挤压段，以降低沉渣的含湿量 ( 2 ) 各种离心机普遍采用变频( 双变频) 或液力传动，具有使干燥脱液更为 节能、有更适宜的分离因数，启动阶段的功耗合理等优点 ，( 3 ) 过滤、洗涤、干燥三合一 ( 4 ) 集几种基本结构形式或集几种分离推动力于一机，提高单机处理能力 和分离效率，从而达到高效、节能的目的，并提高单机处理能力 3 1 3 、增加过滤分离推动力 刮刀卸料离心机、三足离心机增加虹吸作用。增加虹吸作用后可增加推动力， 提高过滤速度、处理量，调节生产周期 带式真空过滤机在过滤带的卸渣端增加简易的压榨装置，使滤饼更干 江苏大学工程硕士学住论文 回转真空过滤机增加蒸汽加压装置，用来增加推动力，同时用蒸汽对滤饼水 分进行蒸发 4 、机械化、自动化、智能化 机械化、自动化、智能化体现得最典型的是板框，厢式加压过滤机，传统的 板框、厢式加压过滤机的优点是能适应多种操作工艺，缺点是劳动强度大通过 改进，采用自动拉板、自动振动、自动洗涤，自动刮去残余滤饼、自动压紧、自 动补偿装置等，实现全面自动化、机械化，对改善劳动条件等方面有了长足进步， 实现了无人操作在设计上，完美设计型、模块化设计等十分普及。 1 4 旋转旋流分离机的概述 旋转旋流分离机是离心机发展趋势之一。它是采用复合技术，将水力旋流器 和卧螺离心机的分离原理结合在一起，以提高单机处理能力和分离效率，从而达 到高效、节能的目的 第一台旋转旋流分离机的试验机是由r o y db o b o 制作的，并于1 9 7 2 年在美 国申请了专利【1 9 8 8 年r o y a 肋6 0 在世界石油杂志中发表了论文，阐述 了旋转旋流分离机的原理与结构，并公布了相关的实验数据【2 1 从那时开始，国 内外机构，纷纷对旋转旋流分离机进行研究9 0 年代，我国多家机构如中原石 油研究所、西南石油学院、江汉石油机械研究所等机构，对旋转旋流分离机进行 了一系列的研究，也取得了一些成果一直来进行的研究，主要围绕着旋转旋流 分离机的基本结构、基本原理展开的，并对影响离心机功能的一些参数进行了一 些定性分析，迄今为止，尚未形成系统理论和定量计算方法。 由于研究中存在的一些问题，在2 0 0 2 年以后这一项目的研究，在国内外均 未有较大进展，到目前为止，旋转旋流分离机的研究一直停留在试验状态，未投 入工业化生产与使用 若这一设备得以成功开发，根据理论分析和试验推论，旋转旋流原理分离机 分离效果将是传统卧螺离心机处理能力的数倍，它将是细固相颗粒分离的理想设 备，是细固相颗粒分离机械的更新换代产品1 2 】【5 1 ，加上离心分离机应用范围广泛， 这一设备具有较大的市场前景，具有产业化价值开展对旋转旋流分离机原理的 深入研究，可促进该设备的工业化进程，可为制造行业提供新的增长点，具有较 4 江苏大学工程硕士学位论文 大的现实意义和经济价值。 1 5 本课题的研究的内容和意义 本课题目来自金华铁路机械厂，该厂是国内最早生产卧螺离心机的厂家之 一该厂拥有比较雄厚的技术力量，通过二十多年的研制生产，在引进、消化、 吸收国外先进分离机械的基础上，结合我国石油、地质勘探的需要开发了螺旋卸 料沉降式离心机的系列产品 根据厂方要求，拟采用复合技术，将水力旋流器和卧螺离心机的分离原理结 合在一起，开发旋转旋流分离机，这课题的目的是为了开发比卧螺离心机有更好 的分离效果，更加节能的产品。 为了完成这一课题的研究，本文查阅了国内外大量的相关文献，了解到了有 关旋转旋流分离机的研究成果，包括一些理论计算和国际上目前最新的结构设计 专利 “ 从9 0 年代以来，关于旋转旋流分离机的一系列研究都是基于r o y ab o b o 在 文献2 中阐述的原理和结构的基础上进行的。笔者在有关厂家的配合下，对旋转 旋流分离机进行了研究，并制作了样机在实验中发现了有一些结构环节阻碍了 旋转旋流分离机的工业化，甚至影响到研究方向的正确性，有必要对这一设备的 结构、原理进行重新论证，并开展深入研究。 ；五 由于旋转旋流分离机是对水力旋流器和卧螺离心机分离技术的复合，本文在第 二章中，从水力旋流器和卧螺离心机的基本结构和技术特点入手，介绍分离机械的 基本特性在第三章中，先介绍现有关于旋转旋流分离机的基本理论和典型结构， 结合现有理论设计样机并进行实验，分析实验结果，阐述现有理论与结构中存在的 运动合成理论不正确、分离机内无旋转效应、功耗严重、排渣含湿量无法控制等技 术问题。为了解决现有理论与结构中的问题，作者设计了新型结构，在第四章中将 介绍这一新型结构及其解决上述问题的原理，提出了有关运动合成的新的理论见 解第五章是对本研究课题所得的主要成果的总结和对后继研究的展望。 通过本课题的研究，对旋转旋流分离机的原理将有新的认识，探索出使分离 机内旋转运动和旋流运动合成的有效方法，在结构上力求有新的突破，并为这一 项目的开发探索出较好的研究方向，为进一步的研究提供借鉴 江苏大学工程硕士学位论文 第二章离心力场的特性和相关分离机械 2 1离心力场的基本概念与基本特性 离心分离是利用离心力对物科中具有不同密度的介质进行分离的，利用离心 力可对液一固、液一液一固、液一液等非均相混合物进行分离离心力场的基本 特性是基于等速回转运动基本规律的，描述离心机和离心力场的基本概念和基本 特性的主要内容包括转鼓、离心力、分离因数、离心液压、分离过程、生产能力 等，现将相关概念和特性介绍如下【i ，】： 1 、转鼓 转鼓是指带动内部物料转动的构件，转鼓的形状有圆柱形、锥形、锥筒形等 三种。转鼓内构成分离室，该分离室的半径称为离心机转鼓半径，它是衡量离心 机大小的一个重要尺寸。 2 、离心力和分离因数 设质量为m 的质点，沿半径为，的圆周作等速圆周运动，回转的角速度为c o ， 则质点将受到离心力的作用，离心力的大小与半径、角速度的平方成正比，记为 f = m r 6 0 2 ， 2 - 1 式中：，一离心力 ，一转鼓半径 一质点作圆周运动的角速度 在离心力场中，质点受到两种力的作用，即离心力和由粘度引起的液体阻力。 在离心力的作用下，密度大的颗粒可克服液体的阻力，向转鼓壁移动，密度小的 介质向转鼓中心移动，从而使密度不同的物料得到分离。 被分离的物料在离心力场中，所受的离心力与它所受的重力的比值，称为分 离因数b ，则 r = r e a z g 2 - 2 g 一重力加速度 分离因数是表示分离机分离能力的主要指标，是代表离心机性能的重要指标 之一分离因数越大，物料受的离心力越大，分离效果也就越好，因此，对于固 江苏大学工程硕士学位论文 体颗粒小、液相粘度大和难分离的悬浮液，要采用分离因数大的离心机 从分离因数的公式中可以看出，若是作定轴旋转运动，可从增大转鼓半径和 提高转速两个途径来增大分离因数由于分离因数与半径成正比，随着半径的增 大，分离因数增长较平缓；分离因数与转速的平方成正比，随着速度的增大，分 离因数增长较快，可见对提高分离因数来说，高速比大参数更为有效由于增大 转鼓半径和提高转速后。对转鼓的应力状态影响较大，因而用大型化和高参数化 来提高分离因数，会受到转鼓强度的限制。 3 、离心力场 离心机内的离心力沿半径方向的分布情况可用离心力场来表示，离心力场与 重力场不同，重力场是均匀分布的，而离心力场是变化的质点在转鼓内各处的 离心场的强度，与质点所在位置的半径和质点转动的角速度的大小有关，当质点 所在位置的半径和角速度变化时，该点的离心力场的强度就会发生变化 4 、离心液压 “ 离心机工作时，处于转鼓中的物料，在离心力场的作用下，将对转鼓内壁施 加压力，称为离心液压离心液压的大小是分离因数对半径的积分，记为： p c = 辟伊以胁 2 3 式中，凡一为离心液压 n 一为转鼓内空气柱的半径 乃一为转鼓的半径 p 一为物料的密度 5 、分离的过程 液体中的重相颗粒在离心力场中，受到两个力的作用，一是离心力，另一个 是重相颗粒在粘性物体中运动时受到的阻力在离心力场中，离心力的大小是随 半径变化的，当离心力大于阻力时，重相颗粒开始向转鼓壁加速移动；随着速度 的增大，重相颗粒所受的阻力也随之增大。达到它所受的离心力和阻力相等，重 相颗粒基本保持一定的速度向转鼓壁加速移动 除了离心力使固相颗粒产生运动外，还应注意到粒子的布朗运动。粒子具有 扩散运动，即粒子能自发地从浓度高处向浓度低处扩散，因此，在一定的离心力 7 江苏大学工程硕士学位论文 场下，当固相的颗粒小到某一尺寸时就不能被分离，这一尺寸称为离心沉降的最 小分离尺寸。离心力越大，最小分离尺寸越小【h 1 尺寸较小的这一部分固相粒子，由于扩散作用，在离心力场中，能长时间地 保持悬浮状态。对于从颗粒大小和颗粒浓度，在沿转鼓半径方向呈一定的分布梯 度，离转鼓壁越近处，颗粒越大，浓度越高 被分离的固相颗粒的大小，是衡量离心机分离能力的一个重要指标。颗粒的 大小直接影响到工业生产，如石油- r - 业e e 的钻井液的性能和固相含量对钻井速 度、井壁质量、及钻头、钻井泵和其它水力机械的使用寿命都有直接影响有资 料表明，清除钻井液固相颗粒含量每增加1 0 ，钻井速度可以提高2 9 ，并可 以大大提高钻头和钻井泵的使用寿命。相反，钻井液中固相含量每增加1 ，钻 井速度将下降5 ，同时增加钻井泵易损件和钻头的消耗量。因此，严格控制钻 井液中固相含量，对保证超高压喷射钻井及优质快速钻井有着直接的影响【5 1 6 、生产能力 离心机的生产能力是指单位时间内离心机能处理的流量。离心机的生产能力 是由固相颗粒从物料中分离出来，并运动到转鼓壁所需的时间决定的由于较细 的粒子沉降速度较慢，沉降到转鼓壁所需的时间较长如进料量过大，物料轴向 速度过快，使较细的粒子流出分离机外而不被分离，因此沉降离心机的生产能力， 可理解为能将所要分离的最小固相颗粒沉降在转鼓壁上，而不致随分离液带出的 最大进料量 沉降离心机的生产能力取决于粒子的离心沉降速度，而粒子的离心沉降速度 又取决于固相颗粒在各处的离心力，离心力越大，沉降离心机的生产能力就越大。 2 2 卧螺离心机 卧螺离心机全称为卧式螺旋卸料沉降离心机，具有高速运转，连续进料、螺 旋推进器卸料等特点 1 、卧螺离心机的发展概况 螺旋卸料沉降式离心机是在五十年代初发明的机械，1 9 5 4 年国际上出现了 具有现代实用价值的第一台螺旋卸料沉降式离心机七十年代，我国开始引进这 一设备，国产化一些机型也成为原化工部七五科技攻关项目。八十年代，国外在 8 江苏大学工程硕士学位论文 螺旋卸料沉降式离心机方面已有比较成熟的技术，但单靠进口成套的设备，价格 很昂贵，经济承受能力有限，不可取因此，我国开始引进一些产品并进行仿制 8 0 年代我国开始重视螺旋卸料沉降式离心机的发展，一些科研工作者开始进行 螺旋卸料沉降式离心机的研究，并在理论研究方面也取得较大的进展。在九十年 代，我国己能自行研制生产螺旋卸料沉降式离心机，现国内能生产的螺旋卸料沉 降式离心机的机型有w l 2 0 0 ，w l 3 5 0 ，w l 4 5 0 ，w l 6 0 0 ，l w 8 0 0 ，d l w 4 3 0 ，l w 3 5 0 ， l w 4 0 0 ，l w s 0 0 等。厂家还能根据不同的需要，开发和生产不同型号的螺旋卸料沉 降式离心机0 5 1 1 2 9 2 、结构特点与分离原理 卧螺沉降式离心机的主要构件有转鼓、螺旋推进器、变速器、过载保护装置、 卸渣装置等，如图2 1 所示为卧螺沉降式离心机的简图： l - 进辩臂2 右轴承3 一螺旋推进器4 - 进科孔孓转鼓6 - 庄轴承 7 差逮嚣8 过载保护装置9 溢漉孔l o - t t 渣孔 图2 1 卧螺离心机简图 图中的转鼓左端为圆筒，右端为锥筒，转鼓内构成了分离室转鼓圆筒部分 主要用于形成沉渣，锥筒部分主要用于沉渣的脱水主电动机通过三角带传动带 动转鼓旋转，悬浮液从右端的中心加料管连续送入，经过螺旋推进器内筒的进料 孔进到转鼓内在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相粒子离心力作用 下，沉降到转鼓内表面而形成沉渣 螺旋推进器和转鼓由两个同心轴承相连接，转鼓通过左轴承处的空心轴与行 星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋推进器与转鼓作同向转 动，但两者转速不等若螺旋推进器超前转鼓即为正差转速，反之为负差转速。 9 江苏大学工程硕士学位论文 工程上常用转差率表示，采用正转差率，有利于沉降分离，而采用负转差率时， 有利于沉渣的输送，而且可以减少由减速器传送的功率。 由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉降到转鼓内表面的沉渣被螺旋叶片推送 向右移动，送到转鼓的锥端，并送出液面从排渣孔甩出。由于锥端锥度的作用， 沉渣得以一定程度的脱水 在转鼓的左边大端盖上开设有若干溢流孔，沉清液便从此处流出。通过调节 溢流挡板位置而调节溢流口的大小、机器的转速、转鼓与螺旋推进器的差速、进 料的速度等，就可以改变沉渣的含湿量和沉清液的含固量。 当过载或螺旋推进器意外卡住时，保护装置能自动断开主电动机的电源停止 进料，防止事故发生1 1 5 】 3 、切向速度和离心力分布i i 由于液体具有粘度，转鼓的转动将带动与转鼓接触的流体随之转动，由于液 体的内摩擦，使整个转鼓内的流体随转鼓一起作旋转运动。其速度分布和离心力 的分布情况如图2 2 所示 行 贮 慈 怂型 转鼓半径 转鼓半径 图2 - 2 卧螺离心机切向速度和离心力分布规律 在转鼓转动时，由于离心力的作用，液相在转鼓中心形成一个空气柱，构成 一环形的液池。转鼓内的流体是随转鼓一起做定轴转动的，其切向速度相对于半 径是呈线性分布的，其大小与半径成正比，即y 毫，靠近转鼓内壁处切向速度 最大，离转鼓中心越近，其切向速度越小 从如图2 - 2c o ) 中可知，沿着转鼓的半径方向，离心力分布是不均匀的， 质点在半径不同处所受的离心力大小是不相等的，在转鼓内壁附近具有最大离心 力，在空气柱附近受的离心力较小，在转鼓内壁附近，具有较好的分离效果，而 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 在空气柱附近，分离效果较差 2 3 水力旋流器 1 、水力旋流器的发展概况 水力旋流分离技术的发展，其出现可以追溯到1 9 世纪末，即1 8 9 1 年e b r e t n e y 在美国获得了水力旋流分离器专利权，然而这一专利技术在此后很长一段时间内 却被束之高阁，直到1 9 3 9 年d r i e s s e n 才在荷兰首次应用于煤泥的澄清作业，2 0 世纪5 0 年代后水力旋流分离技术开始在世界各地得到推广，并出现了一些综合 性能较好、几何形状相对稳定的旋流器结构模型；6 0 年代后水力旋流分离技术 日渐趋于成熟，但水力旋流分离技术的应用也就一直局限于气一固和液一固分离 方面；2 0 世纪8 0 年代将水力旋流分离技术运用于液一液分离。 我国的水力旋流分离技术方面的研究起步较晚，2 0 世纪7 0 年代后期才开始 引进应用于气一固和液一固分离的水力旋流器，8 0 年代初期气固和液- 固分离的 水力旋流器能进行工业化生产8 0 年代末期，石油大学、大庆石油学院、四川 联合大学、清华大学等高校和江汉石油机械研究所等部门，相继开展了用于液一 液分离的水力旋流分离技术的开发和研究工作，并取得了较好的进展9 0 年代 中期我国多家企业开始生产能实现液液分离的水力旋流器【1 9 1 1 2 1 1 2 8 1 2 、结构特点与分离原理 水力旋流器是一种用途十分广泛的分离设 备，它可完成液体澄清、料浆浓缩、固相颗粒洗 涤、液相除气与除砂、固相颗粒分级与分类、以 及两种非互溶液体的分离等多种作业 常规水力旋流器如图2 - 3 所示，它由筒体、 进料管、溢流口、底流口等组成，其基本分离原 理是离心沉降 进料口具有节流加速功能，并且进口方向与 筒体内壁相切当物料以一定压力流过进料口 时，物料被加速，并从切线方向注入圆柱段上部 在简体内壁的作用下，形成强烈的强制涡旋运 2 图2 - 3 水力旋流器结构 i 溢蠢管2 i 进料警 3 柱锥筒体劓龟淹口 江苏大学工程硕士学位论文 动，固体粒子主要受离心力和液体拽力的作用而与液流分开，轻相介质经溢流口 排出；重相及部分液相由底流口排出【2 0 l 圆 3 、切向速度和离，1 5 , 力分布【1 4 ) 2 3 1 1 2 4 ( 2 t 由于物料是以一定压力流入水力旋流器的简体内的，当液体从切线方向注入 柱段后，在简体内壁的作用下，形成强烈的强制涡流运动依据流体力学的相关 理论，这是一种有势流动，这种流动与点涡相似。 在点涡中，流体沿着同心圆流动，其切向速度大小与半径成反比，切向速度 与半径的乘积为常数，即 v ，= c ( 就幼 2 - 4 其常数c 的大小取决于流体进入筒体时的势能1 1 4 1 在水力旋流器中，这一强制涡流由自由涡和涡核两部分组成，其切向速度分 布情况如图2 - 4c a ) ( b ) 所示跚。起分离作用的是自由涡，在涡核中心，流体 的切向速度为零，自由涡的切向速度受到了涡核和筒壁等因素的制约，其速度受 到了一定的影响，根据这一情况，上式可修正为跚： m ，= c ( 物劫 2 - 5 由实验决定，一般取o 4 o 9 ，由2 - 5 式可见，点涡和筒壁对自由涡有较大 的阻碍作用 r 。、 刁 d沁 巡 jlc 一 自由涡 = 。型夕 祸攘自由渭 简体 转数半径 转散半径 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 4 水力旋流器中切向速度和离心力的分布 其离心力的分布规律如图2 - 4 ( c ) 所示在涡核中，离心力的分布与定轴转 动时的情况相一致；在自由涡中，可将自由涡中速度与半径关系代入离心力公式， 得到： 江苏大学工程硕士学住论文 ，：生：生：雩 ，广 2 - 6 式中，m 为质点的质量，c 为常数，为转鼓半径 从式中可知，在自由涡中，质点所受的离心力的大小与转鼓的半径的三次方 成反比，即半径较小处，离心力较大，而在筒壁附近离心力较小 【本章小结1 这一章主要介绍了离心力场的基本概念与基本特性，对与旋转旋流分离机相 关的两种分离机，即卧螺离心机和水力旋流器的结构原理、切向速度和离心力分 布规律进行了介绍 江苏大学工程硕士学位论文 第三章旋转旋流分离机的原理与试验 卧螺离心机与水力旋流器均是用离心力对物料进行分离的，但它们的工作原 理有较大的区别，分离的关键区也不一样。旋流离心力场，分离因数从中心向器 壁逐渐减小，简体中心附近分离因数最大，离心力最强；在旋转离心力场中，分 离因数却从中心向器壁逐渐增加，在靠近转鼓边缘时，离心力场的强度最大，在 靠近中心时，离心力场的强度为零，卧螺离心机与水力旋流器的分离作用正好有 互补的关系若是将两种力场的进行叠加，形成新的旋转旋流离心力场，使离心 机内不同半径处均有较强的离心力，离心力场的强度可大大提高 2 1 n 4 t s j 。因此 r o yab o b o 于1 9 7 2 年试制了第一台旋转旋流分离机，试图将上述两种设备中用 于分离的两种流体运动合成起来通过实验发现旋流离心力场和旋转离心力场的 结合，使离心力场的强度大大提高，提高了分离效果和处理量，并称为是具有超 分离能力的离心机【2 i 3 1 旋转旋流分离机的典型结构与工作原理 如图3 1 所示为各文献中提出的旋转旋流分离机的典型结构 2 3 1 1 4 1 1 5 1 待分离 图3 - 1 旋转旋流分离机结构 的悬浮液通过供料泵加压，从分离机左端进料管送入。在一定压力的作用下进入 加速器的中心孔，并沿径向进入加速器的螺旋流道。流体经过加速器的螺旋流道 后，获得了高于转鼓旋转的超前速度，并且沿螺旋方向进入转鼓内腔，形成旋流， 同时流体在转鼓带动下作旋转运动，使转鼓内流体的运动是旋流运动和转鼓带动 下的旋转运动的迭加这样，在旋转旋流分离机内，其离心力场是两个离心力场 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 的迭加，即流体经过加速器后形成的旋流离心力场和转鼓带动下流体转动形成的 旋转离心力场的迭加 2 1 1 、切向速度的分布规律嘲【4 删 按基本理论的要求，在旋转旋流分离机转鼓内，流体应具有两种运动，即旋 流运动和旋转运动。旋流运动是由于流体经过加速器的螺旋流道后，获得了高于 转鼓旋转的超前速度，在转鼓内壁的作用下而形成的；旋转运动是由于整个涡流 随转鼓一起作定轴运动而实现的。 对于旋流运动，由于旋转旋流分离机转鼓内存在空气柱，与水力旋流相比， 其内部的涡流中不存在涡核的作用，而认为只存在涡流，这时其流体的切向速度 大小与半径成反比，切向速度与半径的乘积为常数，切向速度记为 乃= c r 3 - l 对于旋转运动，其切向速度相对于半径是呈线性分布的，其大小与半径成正 妒 比，切向速度记为 乃= ，o j 3 - 2 因此，相关理论认为，其内部的流体的运动将这两种运动速度相叠加，即 肛v i + v 2 = c r + r 3 - 3 旋转旋流分离机内流体的运动的合成可用图3 - 2 表示( 2 1 ( 4 1 ： 辫鼍蠢 切 自 鼍转运动 建 飞心! 竺 立 v 转最革柽f 一 热挂骨鼻基 。寓 谫 鼍转运动 心 、 ! 麓毫运动 转最车径r 力 f 空气挂分离区。 图3 - 2 分离机内切向速度的合成图3 3 分离机离心力的分布 2 、离心力的分布规律阁【4 】【7 l 旋转旋流分离机离心力的计算，可将上述合成后的速度代入离心力计算公式 中，质点在半径为，处所受的离心力f 可表示为： 江苏大学工程硕士学位论文 ，：生：竺二! ：晕。：一r r l c w - p - i - r c u l 。，- ，= 一= 一= 一z r r ，r 3 4 式中，m 质点的质量 c - 由进料流体势能所决定的常数 ，- 质点所处位置的半径 c o 转鼓转动的角速度 在上式中可以看出，若这种速度合成方法是成立的，那么旋转旋流分离机内 的离心力由三项内容组成，第一项m 西矿由旋流运动而引起。第三项m r t 0 2 由旋 转运动引起，而第二项2 m c t a r 由旋流运动和旋转运动共同作用而引起的可见， 若旋转运动和旋流运动能有效复合，旋转旋流分离机内任意半径处离心力，比两 种单一运动而引起的离心力相加，还多了第三项2m c t o r ，离心力的增大效果非 常明显。 旋转旋流分离机离心力的分布规律如图3 3 所示从图中可知，分离机内各 处的离心力均比卧螺离心机的离心力或水力旋流器的离心力大，而且在沿着转鼓 半径方向上，各处均有较大的离心力这对分离机的分离能力来说，其分离效果 的提高是非常明显的。 还应指出，由于在旋转旋流分离机内存在空气柱，在涡流运动中就不会出现 涡核，而涡核对旋流运动的减弱有较大影响，因而这对旋流运动的加强效果是非 常明显，这也有利于离心分离能力的加大，同时降低了能量的损耗。 由于各处的离心力的加大，相对于卧螺离心机而言，特别是靠近中心的固相 颗粒可获得更大的初始加速度；相对于水力旋流机而言，推迟了离心力与液体阻 力平衡的时问，加快了沉降速度，从而可大大地提高生产能力 可见若单纯的旋流作用，分离因数在靠近转鼓中心附近较大，而在靠近转鼓 壁处分离因数较小，若单纯的旋转作用，分离因数在转鼓中心附近较小而在转鼓 壁处较大，而旋转旋流分离机把二者有机地结合起来，使分离因数从转鼓的中心 到转鼓的内壁都能保持较大的数值，使离心力场的强度大大提高，这也是其处理 量大，分离粒度细的原因所在可见在旋转旋流分离机内两种力场的有机结合后， 形成新的旋转旋流离心力场，使各处的分离因数增大，使离心力场的强度大大提 江苏大学工程硕士学位论文 高，分离效果显著改善，提高了分离机的生产能力 3 、影响旋转旋流分离机性能的主要参数 旋转旋流分离机的处理能力及其分离效果还与其结构参数和工作参数有关 有关文献【5 】【9 】【1 0 1 介绍了主要影响因素，可作为一些借鉴： ( 1 ) 公称直径d 转鼓的内径称为公称直径转鼓的公称直径愈大，则处理量也相应增大但 在工作条件一定的情况下，转鼓的壁厚一定时，转鼓直径的最大值受到其强度的 限制；转鼓直径一般取标准的直径系列。 ( 2 ) 转鼓的长度工及长径比 长径比指转鼓的长度工与其公称直径d 的比值。即 = l d 一般而言，当 转鼓的公称直径一定时，转鼓的长度愈长，即长径比愈大，悬浮液在转鼓内的停 留时间也就愈长，分离机的处理量也就愈大，分离粒度也就愈细对易分离的物 料，一般取 = ，一2 ，而对于难分离的物料，一般取 = 扣4 ( 3 ) 加速器中心孔直径d 当处理量一定时，加速器中心孔直径愈小，流体进入加速器的速度也就愈大， 流体的局部阻力损失也就愈大为避免过大的速度波动而造成的局部阻力损失， 一般要求加速器中心孔的面积应稍大于加速器各流道的面积之和。 “) 加速器流道个数押与截面形状 。 加速器的流道个数愈多，流体进入转鼓后的速度分布也就愈均匀，不会造成 冲击扰动流动愈稳定，分离机的振动也就愈小，但加速器流道的加工制造也就 愈困难一般加速器流道个数取3 胡个；对于旋流分离器，其进口流道的形状以 矩形为好，易于形成旋流，而旋转旋流分离机的加速器流道的功用仍是提供必要 的旋流速度，同时考虑到加工制造方便，其流道截面形状取梯形或矩形； ( 5 ) 加速器流道的出口面积及流道螺旋角 当分离机处理量一定时，加速器流道的出口面积愈小，流体进入转鼓的速度 也就愈大，旋流作用也就愈强，但同时流体进入转鼓的冲击也就愈大，进口处转 鼓的磨损也愈严重而当进口压力一定时，进口速度愈大，转鼓内空气柱的直径 也相应加大，转鼓的有效容积也就减小一般要求旋转旋流分离机加速器的出口 速度可取和j o r a l s 1 7 1 一 刊 江苏大学工程硕士学位论文 加速器流道的螺旋角的主要作用是把液体从加速器中心孔引导到转鼓内腔， 同时也为推渣提供必要的轴向分速度但当螺旋角过大时，流体沿流道出口处的 轴向分速度增大，流体在转鼓内停留的时间也就愈短。分离效果愈差，同时也不 利于加速器出口压力的提高( 增加了将动能转化为压能的损失) ；当螺旋角过小，又 可能造成推渣困难因此，螺旋角的大小主要由转鼓转速、分离机的处理量、悬 浮液的性能参数决定。一般可取jo j d 。 ( 6 ) 排渣孔直径 排渣孔直径的大小决定排渣含湿量的大小影响排渣含湿量的因素很多，它 与固相粒度、脱水时间、处理液粘度、固液相的相互作用、分离机的转速等诸多 因索有关，而排渣孔直径是影响直接因素一般地，当转鼓的转速及待处理液的 性能一定时，排渣孔直径愈大，有利于顺利排渣，但排渣的含湿量也相应增大； 排渣孔直径小，排渣浓度高，但易造成排渣堵塞，影响分离效果因此，在不同 工况下，排渣孔直径应该是可调节的： ( 7 ) 排液管直径及插入深度 排液管直径的大小及插入深度对分离机的处理量及分离效果影响较大。同 时，溢流管直径的大小对空气柱直径的大小也有一定的影响。溢流管直径过大， 将使转鼓的有效分离容积相应减小，己沉降的固相颗粒易随溢流带走，分离效果 差；溢流管直径过小，溢流速度增加，溢流管将被溢流充满，发生进空气困难， 转鼓的中心将产生一个负压区，进而产生汽蚀现象当溢流管的插入深度过深时， 固相颗粒还未来得及分离就被溢流带走，因此，溢流管的插入深度在一定工况下 必须合适，对不同工况最好能够调节 ( 8 ) 转鼓的工作转速 转鼓的旋转方向必须与加速器流道的螺旋方向相同转鼓的工作转速越高， 分离机的分离因数也就越大，分离效果也就愈好。但功率消耗也相应增 大，并造成输入端液体的密封困难同时，由于转鼓转速的提高，沉降在转鼓壁 的固相颗粒所受的压力也就愈大，摩擦阻力增大，可能造成推渣困难另外，转 鼓的转速还要受到转鼓强度及系统临界转速的制约； ( 9 ) 供料泵的压力 供料泵提供的压力主要是使液体流经加速器后形成旋流，并克服沿程及局部 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 的水力损失。压力愈大，旋流作用也就愈强，分离效果也就愈好，但供料泵的功 率消耗也就愈大要保证旋转旋流分离机正常工作，有一个最佳压力值，它主要 由流体流经加速器后的出口速度及转鼓的转速决定。一般来说，旋转旋流分离机 所要求的供料泵的压力较高 4 、旋转旋流分离机的预期功能【l 】嘲【1 0 1 1 j 旋转旋流分离机将旋流离心力场和旋转离心力场有机地结合在一起，使离心 力场的强度大大提高，具有分离效果好、处理量成倍增加、固相清除率高、分离 粒度细等特点。被认为是具有超分离能力的离心机1 2 1 同时，旋转旋流分离机是 靠液力推渣和排渣的，无刮刀机构等卸渣装置，从而减少了卸渣机构的功率消耗， 使它的功率消耗较小，使它的结构更为简单，外形尺寸也较小h 1 9 8 8 年r o y ab o b o 在世界石油杂志中发表的论文中提到，通过实验证 明，旋转旋流分离机在石油钻井中能起巨大的作用，从内径为i 乃英寸的样机 实验中推断，当内径为0 3 8 1 ，转速为1 4 0 0 转份时，可处理从下钻速为6 0 m h 的0 4 4 4 5 的井眼里返到振动筛上的泥浆量5 0 5 升秒，能分离4 微米或更细的颗 粒，其分离能力是0 4 0 0 的卧螺离心机的三倍【i l1 2 1 在一般钻井条件下。可实现 用振动筛一离心机二级固控系统取代现有的多级固控系统1 5 1 因此，可以认为旋转旋流分离机将是细固相颗粒分离的理想设备嗍，是细固相 颗粒分离机械的更新换代产品。 一 3 2 样机实验与样机计算 由于对旋转旋流分离机的分离原理的研究及合理结构设计尚处于初期研究 阶段，还未形成旋转旋流分离机系统设计的理论和方法，它的分离效果与处理能 力以及功耗等究竟如何，影响因素有哪些等，需待实验验证为此，我们依据各 文献中提出的典型结构，设计制造了x l - 4 0 0 型旋转旋流分离机的试验机及实验 台装置，对旋转旋流分离机的分离效果、处理能力和功率消耗等进行实验研究， 以期获得旋转旋流分离机的一般规律，对旋转旋流分离机的设计及进一步深入研 究提供依据 1 、实验系统 旋转旋流分离机样机实验系统如图3 - 4 所示系统主要由旋转旋流分离机与 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 直流电机、供料泵与电机、泥浆池、及有关比重、粘度、流量、压力、电机扭矩 的测试装置等组成。【8 】 l 、比重计 2 ，粘度计 3 、交流电机 4 、泵 5 、直流电机 6 、扭矩传感器 7 、试验机 8 、泥浆池 图3 - 4 实验系统组成 转鼓由直流电动机通过带传动带动，由交流电动机带动供料泵，将待处理的 悬浮液泵入分离机左端入口，物料通过转鼓内的加速器加速后，进入转鼓内腔 在旋转旋流离心力场的作用下，悬浮液中的固相颗粒被分离出来，甩向鼓壁，并 在液体推力作用下沿鼓壁向右移动，从转鼓右端鼓