（油气储运工程专业论文）液固分离水力旋流器粒级效率及分离特性研究.pdf

石油大学( 华东) 硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o n o f l i q u i d - s o l i dg r a d e e f f i e i e n e i e sa n ds e p a r a t e c h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e d s e v e r a l l i q u i d - s o l i ds e p a r a t em e t h o d s ，t h i se s s a y s e l e c t s h y d r o c y c l o n ea sm a i ns e p a r a t ee q u i p m e n t t oe x p o u n dt h ei n n e rf l o wp r o p e r t y ， t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n ds o m eo t h e rm a i nf a c t o r sa f f e c t i n gs e p a r a t ee f f i c i e n c i e s o fh y d m c y c l o n ei nd e t a i l i no r d e rt or e m o v ei m p e r c e p t i b l e p a r t i c l e s f r o m s e w a g ew h i c ha r ep r o d u c e dc l a ya c t i v i t i e d i nt h ec o u r s eo fm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e x p e r i m e n t a ls t u d i e sw e r ec o n d u c t e do ns e l f - d e s i g n e dh y d r o c y c l o n e ( s u s p e n dp a n i c l e sw e r es a n df i r s t l ya n dt h e nc l a ya c t i v i t i e d ) g r a d ee f f i c i e n c i e s a r ew o r k e do u tu s i n gg r a i ng r a n u l a r i t yi n t e g r a l d i s t r i b u t i n gc u r v e w h i c hw a s g o t t e nb yl a s e rg r a n u l a r i t yi n s t r u m e n t g r a d ee f f i c i e n c yc u r v ep l o t sa r ep l o t t e d u n d e rt h eb e s tf l o wc o n d i t i o n so fd i f f e r e n tc o n s i s t e n c ya n du n d e r f l o w o u t l e t s e p a r a t ep a r t i c l e s i z ea n d s e p a r a t el i m i t ( 9 5 ) a r eg i v e n m o r e o v e r , q u a l i t i v ed i m e n s i o n l e s sc r i t e r i o nn u m b e r ( s t k ，r e ，f 0i sg o t t e nb ys i m i l a r i t y p r i n c i p l e a n d m o d e l i n gt h e o r y c o n s i d e r e d t h ee f f e c t so f h y d r o c y c l o n e c o n s t r u c t i v e ，p r o p e r t yo fs u s p e n ds o l u t i o no nt h es e p a r a t ee f f i c i e n c y ，f o u ro t h e r s i n g l ev a l u ed i m e n s i o n l e s sn u m b e r r 6c p ，x m d c ，x x ma r ei n t r o d u c e d i n g e n e r a l ，t h eg m d ee f f i c i e n c ya n dt o t a le f f i c i e n c yg e t t i n gf r o me x p e r i m e n t s i l l u s t r a t et h a tt h es e l f - d e s i g n e dh y d r o c y c l o n ec o n s t r u c t i v ei sn o t v e r yr e a s o n a b l e a n di t ss e p a r a t ee f f i c i e n c yt oi m p e r c e p t i b l ec l a ya c t i v i t i e dp a r t i c l e si sn o t g o o d s o h y d r o c y c l o n e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r en e e d e dt oi m p r o v e i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：h y d r o c y c l o n e ，g r a d ee f f i c i e n c y ，s e p a r a t e g r a i ng r a n u l a r i t y ， d i m e n s i o n l e s sc r i t e r i o nn u m b e r 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 含为获得石油大学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：叁堡显堡莎蚰弓年月 p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 褪蒜凄 砂另年t 月罗只 卅年r 月o 日 石油火学( 华东) 硕十论文 第1 章绪论 1 1 研究目的与意义 1 1 1 活性白土的用途 第1 章绪论 活性白土是一种重要的化工原料，但它的用途和生产工艺并不广为人 知，现在就简要的介绍一下。活性白土，又称漂白土，广义地讲应指具有 化学活性、吸附性和催化性的天然黏土及黏土制品，而并非专指酸化活性 膨润土。它的分子式为h 。a 11 ( s i o ，) 。n h 。0 ，其中的主要成分是s i o 。 ( 6 0 7 5 ) ，a 1 ：0 ，( 1 2 1 8 ) 以及f e 。0 3 、c a o 、m g o 等( 5 一1 0 ) 。它是一种具 有微孔网络结构、比表面积很大的多孔型白色粉末，具有较强的吸附性 表观密度为0 6 o 8 9 c m ：，相对密度为2 ，5 ，不溶于水和有机溶剂。活性白 土可用于石油的精炼，如润滑油的精制；动植物油的脱色、除臭；以及绝 缘油的净化如变压器油。它是化妆品、医药、涂料的啄料。颗粒状的活性 白土可做芳烃重整、异构化、歧化的催化剂。它进一步加工可制成钠型沸 石，代替磷酸盐用于洗涤剂工业。 1 1 2 活| 生白土的生产工艺 生产活性白，一般用无机酸活化膨润土，根据工艺条件，可分成千 法、湿法和半湿法。干法是将少量的酸与膨润土充分混合，放置一定时间， 然后烘于粉碎而成。该法工艺简单，成本低，不污染环境。但由于酸与膨 润土很难分散均匀反应所生成的无机盐又不能除去，产品质量很差，一 般不用此法。半湿法生产活性白土的方法是利用5 的硫酸水溶液，在高压 釜中，于2 0 0 2 5 0 。c 和1 5 2 0 大气压下活化膨润土4 小时。由于所用酸浓 度低，洗涤产品耗水量较少。但是其高温、高压操作的困难，限制了该法 的推广应用。湿法是将水、酸和膨润土按一定比例在反应罐中混合，在1 0 0 。c 左右加热2 6 小时，反应产物经洗涤、烘干、粉碎得活性白土。该法优 点是反应均匀而充分，产品性能稳定、脱色力强。因此，此法是制造高效 活性白土的主要方法。该法的主要缺点是耗酸量大，耗水量大，成本高， 石油大学( 肇东) 硕士论文 第1 章绪论 污染环境。 从应用的生产工艺中，我们看到水洗之后的污水中必然含有少量白土， 况且水浼液量较大。这就涉及到污水中自土回收问题，以及使用什么设备 来分离活性白土。从现有的工艺回收较大颗粒白土通常采用重力沉降法， 而其中较细的颗粒回收比较困难，排放出去的水洗液经常超过排放标准， 污染环境。若能有效回收污水中细微颗粒的活性白土，这样既能使污水达 到标准，又能提高活性自土的利用律，使其具有可观的环保和经济效益。 本论文就是探讨超细颗粒活性自旋流分离的可行性。 1 2 国内外发展概况 1 ，2 1 固液分离的主要方法 用于固液分离的方法主要有以下几种： 1 浮选浮选过程是以悬浮液内产生空气( 或其它气体) 泡和固 体颗粒附着于气泡上为前提。固体颗粒由于浮力作用上升至水面后即可刮 除。在矿物分离中，浮选早已得到应用。而在其它领域例如造纸、精炼和 污水处理中，被认为是一种固液分离的有效方法。 2 重力沉降重力沉降是在重力作用下，将悬浮液分离为含固量 较高的底流和清净的溢流的过程。其先决条件是在固相和液相之问存在密 度差。几乎所有的连续沉淀生产设备都做成比较简单的沉降槽。根据分离 的目的区别沉降过程。 3 离心沉降离心设备增加了作用在颗粒上的体积力，从而将沉 降分离扩展到细小颗粒和乳浊液，后者在重力场下是不起作用的。现有的 离心沉降设备分为器身固定的( 旋液分离器) 和机身旋转的( 沉降离心机) 两类。 4 滤饼过滤滤饼过滤开始时，由于有渗透性的较薄的过滤介质 的筛滤作用，使颗粒沉降在介质的表面。当刚有一层滤饼在介质表面形成， 沉积作用即转移到滤饼本身，随后介质仅起支撑作用。滤饼过滤设备通常 根据促使液体穿过多孔介质的推动力来分类，有真空过滤机、加压过滤机 和离心过滤机。 石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章绪论 5 。深层过滤分离含固量极低的悬浮液是用深层过滤器，其床层 有一定的厚度。固体颗粒积聚在床层内部而不在表面。一般情况下，它回 收的颗粒小于床层内部孔隙。大多数深层过滤为间歇操作，在重力下可以 安排底部或顶部进料。 6 筛滤介质孔径较大，分离的推动力为重力。筛滤通常用于颗 粒分级，但同样适用于粗颗粒和高凝聚态悬浮液的脱水。为确保所有前来 后到的物料都有机会接近筛孔并防止筛孔堵塞，筛滤常附以振动或其它形 式的运动。 7 滤芯式过滤器这种滤器由滤纸、滤布或孔径低达0 2pm 的各 种滤膜做成并易于更换。悬浮液直接泵入滤器，当滤器内积满颗粒，压差 变得更高后，即予更换。为减少滤芯的更换次数，滤芯通常限于滤液的精 滤，处理浓度低于o 0 1 ( 重量) 的悬浮液。 8 磁力分离传统的磁力分离技术是在矿物处理中长期发展起来 的，旨在除去杂铣或浓缩磁性矿石。它般限于强磁性材料的分离，使用 最广的是鼓式分离器。近来高梯度磁力分离( h g m s ) 引人注目。它采用 电磁铁使磁力大为增强，因而能够大规模的分离非常细小、磁性较弱的顺 磁性颗粒。 1 22 有关文献方面的研究 由文献l l 】可知，在浓度较低颗粒粒度在5 x 0 时，颗粒向器壁运动；反之，向轴心运动。 对于在层流状态下的圆球形颗粒【i ： 地：亟旦趔坚：型幽生：v 。一( d 2 y ( 2 扪 1 8 t ， 1 8 tg。g 式中， v ：型! 旦二旦! ( c n 以) 为颗粒在静止流体中的沉降末速，即斯 。 1 8 “ 托克斯匀速沉降公式。u 为液体和颗粒的旋转角速度。 上式表明，颗粒的径向速度与离心加速度成正比；同一颗粒在不同位 置上，其径向速度均不同，径向速度随半径的增加而增大。( 2 - 7 ) 式还指 出，颗粒的径向速度等于其在静止流体中的沉降末速度乘以惯性离心加速 2 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力旋流器内液流及固塑塑壁的篓动 度与重力加速度的比值( 只= ( 0 9 2 r g ) ) ：这个比值称之为离心分离因数， 它代表离心力比重力增大的倍数。此外，上式还表明，颗粒在旋转流场的 径向速度比在重力场中的沉降速度大了一个离- i i , 力倍数；对水力旋流器而 言，离心力倍数通常为几十到几百倍，而最高可达几万倍“，这就是为什 么采用水力旋流器等离心机械来处理小粒径颗粒是非常有效的主要原因。 在湍流状态，颗粒的径向分离速度为： 扰。： 娑删g ，c 0 2 r 啦。( 盟) “： ( 2 剐 式中v 。，为颗粒在湍流状态下的沉降末速度。雷诺数r e ：型。 a t 当1 r e 2 5 v 。，= 1 9 5 d( 业) ”( 旦) “( c r n s ) ph 2 5 r e 5 0 0 v 广2 s s d ( 等) 纠例”c 叫s ， 5 0 0 r e 1 0 5 v ，s ( d 孚厂c 删s ， 2 2 3 固体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。 戴光清近来实测结果1 6 i 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；但在锥段中上部， 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力旋流器内液流及周相颗粒的运动 存在明显的差异。图2 5 所示的固粒轴向速度分布曲线表明，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 在一条零包络线) 。实测中还发现，在激光测速仪的激光束照射下，可以清 楚地看见，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外旋流中被分离出去。 图2 - 5 实测固粒轴向速度分布 1 空气柱：2 一溢流管；3 一器壁 它表明，轴速低速区属于分离“低效区”或“死区”，进入该区的颗粒 难以被分离：丽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，严重影响了水力旋流器分离工作的顺利进 行；故消除或尽量减小该区的范围，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“： ，厂 ， 、 ”：叫1 i ij(2-9) 式中v 一颗粒轴向速度； 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章水力旋流器内液流及固相颗粒的运动 a ，b 一与实测条件和截面位置有关的常数。 在内旋流中的颗粒轴向速度大小的变化 图2 6 实测颗粒径向与 轴向台速度矢量分布 幅度要大于外旋流。 图2 6 为实测的颗粒在水力旋流器的径 向与轴向合速度矢量分布图l 】。图中显示， 在锥段，颗粒的径向速度方向几乎都由器壁 指向中心( 轴心) ；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 运动。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外旋流下滑至底流口 而被排出，以及空气柱表面附近细颗粒将进 入溢流管外，颗粒在水力旋流器内部的基本 运动状态可以描述成为：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( 回) 旋运动；其颗粒的轨迹构 成了一簇闭环涡线。从实验中f 2 0 】可以看到， 进入内旋流中颗粒并不一定都会从溢流管 中排出：在溢流管的下端，他们可能重新进入待分离的悬浮液中被再次分 离。实测中还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 入溢流管并被排出，它是水力旋流器“溢流跑粗”现象的主要原因。如能 有效地制止固体颗粒沿溢流管外壁向下运动，也就可以大大改善水力旋流 器的分离分级性能。 2 2 4 固粒的切向运动速度 考虑到颗粒在切向的运动几乎不受任何力的阻碍( 不计较大颗粒作刷 于液流相的滞后摩阻力) ，因此，可以认为颗粒的切向速度与该处的液体切 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力旋流器内液流及同相颗粒的运动 向速度相同。这已得刭实测结果的证实。 2 2 5 颗粒的浓度分布 颗粒浓度的实测结果表明“，水力旋流器中悬浮液的最大浓度并不是 出现在以前通常认为的器壁附近，而是发生在固粒轴向速度为零处。文献” 认为水力旋流器的内壁表面磨损的主要原因不是因为该处的固相颗粒太 多，而是由于器壁附近固粒尺寸较大且具有较高的运动速度。即器壁受到 具有较大动量的固相颗粒碰撞，才是水力旋流器内壁易受磨损的主要原因。 2 26 单一密度颗粒按粒度分布规律 关于单一密度颗粒的粒度分布方面的理论分析和研究较多，如 k e l s a l l l 2 “、b l o o r 和i n g h a m 2 2 1 及h s i e h 【 习等人的研究，得出结果相同，即颗 粒的粒度随半径位置的增大而增大。可是实测的研究则很少。r e n n e t 和 c o h e n l 2 4 谰高速取样探头对水力旋流器内固相颗粒的粒度分布进行了实测 研究，得到了如图2 7 所示的相近粒度区域分布图。在图中，a 区的粒度与 进料的粒度组成相近：b 区的粒度较粗，与底流产品中的粒度组成相近： 喇叭形区域d 内，颗粒的粒度随径向位置的增大而上升，在d 区上部区域 增大到与进料粒度组成相近，在d 区下部区域增大到与底流产品粒度相近。 根据图的粒度分布区，r e n n e r 和c o h e n 认为水力旋流器内的分级分离过程 仅发生在有限的喇叭形区域中。 褚良银等人m “州采用粒子动态分析仪这一激光测量仪器，对水力旋流 器内固相颗粒的粒度沿径向的分布进行了非接触性测量，其结果如图( 2 - 8 ) 所示，固相颗粒的粒度在同一轴向位置上会随着半径位置的减小而减小， 而且在整个锥段几乎都可有上述分布规律存在，只是在上部区域颗粒粒度 下降幅度比在下部区域的下降幅度要大。这个结果则说明，分级分离过程 并不只是发生在如图2 7 所示d 区这一有限区域内，而是在整个旋流器内 流体区域内均会有分级过程存在，只是在锥段上部区域内分级分离作用要 强于锥段下部区域的分级分离作用。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水力旋流器内液流及固相颗粒的运动 ， 图2 7 水力旋流器内相近粒度分布区域图图2 - 8 水力旋流器内颗粒粒度沿径向的分布 1 空气柱；2 旋流器壁 通过以上的理论及他人的实测分析，使我们对水力旋流器的分级分离 原理以及其内部颗粒的运动规律有更加深入地了解，有助于实验装置的建 立，在试验过程中尽量提高旋流器的分离性能。 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要丁艺指标 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 用于固液分离操作的水力旋流器其主要工艺指标为总效率、粒级效率、 压力降、生产能力和分离粒度。 3 ，1 压力降 水力旋流器的压力降指进口处压力与溢流管出口处的压力之差。由于通 常只考虑静压损失，假定溢流的动能等于进料的动能，且前者可以回收， 故可用压力降来表示液体通过旋流器后的能量损失。忽略重力的影响，可 知通过水力旋流器的能量损失为： e = e ，一e ，一e 。 = ( ；，2 + p ，) q 一( 三。2 + p 。) q 一( ：。2 + p 。) 9 。 3 1 q = q o + q o 式中e ，e 。，e 。一分别表示进口、溢流口、底流口处的能量； 卜生产能力，聊3 s ； q ，q - - 分别为底流和溢流流量，聊3 s p ，p 。，p ：，分别为进口、溢流口和底流口处的径压力，p a 1 ，。，v 。，v 。分别表示进口、溢流口和底流口处的液体速度，m s p 一液体密度，堙m 3 。 出于只考虑静压的影响及q 。 时 v = c r ” ( 3 4 ) 式中c ，n 为系数。当r r 时，1 ，o c - 。将( 3 4 ) 代入( 3 3 ) 后，分别 积分得水力旋流器压力降的理论计算式： 劬= p ，一p o ：i 1 以2 ( mn - 1 ) n + m 2 ( 1 一r 2 ) 】( 3 - 5 ) 式中1 ，k 是由( 3 - 4 ) 式计算出的，= r 所对应的切向速度值，e m s ：优= r j r o ；t = r 。r ，k e l s a l l 认为_ ：2 r 。后来，t a r j a n 考虑 了射流阻力影响，导出的方程为： 9 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 卸= 等肌m 2 - 1 ) t l + m 2 7 ( 1 ) + ( 字) 2 6 ) 式中e 为速度降低系数，可表示为： 已专一s s ，c 鲁一o 5 ，。1 1 3 式中r 为进料管半径，m 。 庞学诗认为：水力旋流器中的液体处于组合涡运动状态，组合涡中半 自由涡与强制涡的自然分界面( f = r 。) 是最大切线速度轨迹面，当r ，时为半自由涡，压力 为正值即高于外部空间压力；当f 【。时为过渡状态，压力基本上等于外部 空间压力。半自由涡的压力降在最大切线速度轨迹面上出现最大值，这个 压力降或水头损失就是水力旋流器工作过程的实际能耗。当考虑射流阻力 影响时，从周边到最大切线速度轨迹面间的总压力降或水头损失为： ，他= 瓦1 3 6 9 偿2d 2 ( 1 案”一 7 匐 a h = p 彦 ( 3 7 b ) 式中d ，一为进口管内径，c m ： p 。一最大切线速度轨迹面的压力： p 一总压力降活水头损失，m p a ：g = 9 8 1 c m s 2 ： y 一悬浮液密度；c m 3 。 当固相颗粒的密度p 。和悬浮液固相浓度c 。( 质量分数) 已知时，可 按下式计算y ： 2 0 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力旋流器的主要工艺指标 。： 旦 7 c 。+ n ( 1 一c 。) 除式( 3 - 7 ) 外。理论计算式只能定性的说明压力降的关系式，计算结 果精度较差。故采用经验式来计算压力降，结果较接近实测值。 p l i t t 对直径为3 1 7 5 ，6 3 5 ，1 5 2 4 m m 的旋流器，采用进料体积浓度 为8 的石灰石乳液和石英砂料浆进行了系统实验，提出的压力降计算式为： 卸= 书篝器 睁s ， 式中 卸一压力降，k p a ； c 。一悬浮液体积浓度，； 见一底流口直径，c m ； h s 一自由涡高度，即内溢流口与底流口间的距离，c m 。 吉冈和崛田对用直径为7 5 - 3 0 0 m m 的旋流器所做的实验数据进行拟合， 得到： 幻：5 4 3 盟2 丝丝蔓 ( 3 9 ) 1 2 9 。( d o d ) 1 9 式中- p 的单位为够，m 2 或f 可m 2 ( 1 k g 厂l m 2 = 9 8 1 p a ) ； g c 是转换因子，对于i s 制，g 。= 9 8 1 k g f * m ( s2 蜮) ，对于英制单位， g 。= 3 2 1 9 l b ( 1 b f s 2 ) 。 s v a r o v s k y 考虑悬浮液浓度的影响，对直径为1 2 5 r a m 的水力旋流器， 采用石灰石悬浮液进行试验，拟合出压力降计算式： 卸= k ，矿3 2 6 ( 3 - 1o ) 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力旋流器的主要工艺指标 式中系数k 。是浓度c 。的函数，c ，是体积分数a 当0 0 0 3 c ， o 1 5时，k 。与c 。有如下关系 k = ( 4 7 6 0 4 5 1 n c ，) 1 0 8 式中，k 的单位为堙m - 0 6 0 8 s 12 6 。 3 2 生产能力 1 1 0 b a p o b 1 6 根据伯努利方程，经修正后得到生产能力的计算式 q = 5 k d k 。d j d 0 4 9 p ( 3 1 1 ) 足。= 。7 9 + 面丽0 0 而4 4 历 1 k = 0 8 + 二l “ 1 + 0 1 d 式中p 为进口压力，k g f c m 2 ；g = 9 8 1r r d s 2 ；q 为锥角，( o ) ；q 的单位为l m i n 。 p a3y m o b 考虑到水力旋流器高度的影响，提出： q = 5 k d k 。d i d 0 4 9 p 。 ( 3 _ 1 2 ) 当水力旋流器直径d 。时，进口处的 压力必须考虑旋流器的高度，即： c 5 0 0 m m p 。= p + o 0 1 l y 式中三一旋流器高度，m ； y 一悬浮液的密度，g c m 3 。 庞学诗根据半自由涡的最大能耗， ( 3 1 3 ) 导出水力旋流器的生产能力计算式 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 q = 2 6 9 d ，d 。 ( 3 1 4 ) 此式的计算结果精度较高。 经验计算式很多，简要介绍几个如下： 1 d a h l s t r o m 对直径为2 2 5 m m ，d = 2 0 。，进料体积浓度小于8 的粘土悬 浮液进行试验，得到的生产能力计算式： 9 = 0 4 3 ( d , d o ) o9 面 ( 3 1 5 ) 式中日是进1 2 1 压力，单位是m h 2 0 。 2 p l i t t 在式( 3 - 8 ) 条件回归分析出生产能力计算式： d：0042de。2d。s3h,f016(d,2+do-)。49ap“s6( 3 1 6 ) e x p ( 0 0 0 3 1 c 、 3 l y n c h 和r a o 采用k r e b s 公司生产的多种规格的旋流器，用石灰石悬浮 液进行系统试验后，根据实验数j l i 拟合出生产能力的计算式： 当悬浮液的粒度分布不变时， q = 0 8 1 d o 。7 3 d i - “8 6 a 。4 2 ( 3 - 1 7 a ) 当悬浮液的粒度分布变化时 q = 9 d 。0 6 s d 0 1 8 5 见0 1 6 卸0 4 9 - m 5 3 3 5 ( 3 - 1 7 b ) 式中伊5 指悬浮液中一5 3 um 级别的固粒含量，。 4 李建明等通过对直径为8 0 m m 和1 2 5 m m 的水力旋流器采用体积浓度为 0 5 6 6 2 7 的磷酸污水进行试验，得到生产能力计算式： q ：1 0 9 5 k 。0 3 8 矿7 d 0 473(3-18) c 至塑奎兰! 生垄! 曼主笙塞 墨! 兰查查垦亟矍塑圭茎三燮 式中k 。为结构阻力系数，由下式计算： 叠：，：= 爰 。5 6 9 ( 瓮 。4 3 6 ( 爰 。9 2 ( 参 。1 。 式中h 为溢流管插入深度，单位为r h r t ；直径单位为m m 。 生产能力还可以表达成皿和p 的函数： q = k d c 2 , - a t ( 3 1 9 ) 式中q 的单位为m 3 h ：p 的单位为k p 口。a r t e r b u r n 通过试验得出 k ：0 0 0 9 ：m u l a r 和j u l l 对实验数据处理后得彭= 0 0 0 9 4 。 3 3 分离效率 水力旋流器的分离性能可用分离效率表示，它直接反映出固液两相分 离效果。分离效率有两种表示方法即总效率和粒级效率。 3 3 1 总效率 水力旋流器的总效率e r ( 有称底流回收率) 指底流固相质量流率m u 与悬浮液固相质量流率m 之比，即 e ，：丛 一 m 假定在水力旋流器中无物料累积和流失 流口和底流口固相质量流率之和，即 ( 3 2 0 ) 则进料固相质量流率等于溢 m = 心+ m 。 ( 3 - 2 1 ) 进一步假定水力旋流器中固相颗粒的粒度不变( 无聚团或破碎) ，迸料、 溢流和底流固相的粒度积分分布分别为f ( x ) 、f a x ) 、f a x ) 。而微分分布 分别为厂( x ) = d f ( x ) d x ，正 ) = d f ( x ) & ，一o ) = a f ( x ) ，则 有： m f ( x ) = m 。无( x ) + mf , ( x ) ( 3 2 2 ) 石油太学( 华东) 硕士论文第3 章水力旋流器的主要工艺指标 将式( 3 2 0 ) 、( 3 - 2 1 ) 代入式( 3 - 2 2 ) ，然后将此式积分后变形得总效 率的计算式： e ，= 币f ( x 再) - f 丽( x ) 式中x 表示任意颗粒粒度。 如果已知进料、溢流、底流的质量浓度c e r = cg 。一( c c 。) c 。 c g ( c 。一c o ) e ( 3 - 2 3 ) 、c 。、c 。，总效率可表示为 ( 3 2 4 ) 式中g g 分别为底流、进料的质量流率。 刘一横针对磷酸污水用标准型水力旋流器作了一系列实验。在体积浓度 为o 5 6 - - - 6 2 7 时得分离总效率计算式【2 8 ： j f ：堕! 垡：鲨竺! 竺：，- 一= 二一 l - ，、j t 0 0 8 5 c ，o0 3 4 硝0 6 5 磁”7 采用以上各式计算出的总效率是水力旋流器的固相回收率。在实践中， 由于进料中的一部分水将从底流排出，因此，一些不能被分离的细颗粒将 随这部分液体从底流排出，这部分颗粒的重量在计算总效率时已考虑了， 故总效率并不代表水力旋流器的净分离效果，不得不对总效率加以修正。 修正总效率由下式计算： ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) 式中r 一底流与通过量之体积比，即由死通量引起的最小效率，称为流量 比。 篱 。一一 翘 e 一 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 e 一也可以用下式计算 或者 或 3 3 2 级效率 e ：! 立 弘( 等 禹 ；= 三置瓦c c 十c i k 。 ( 3 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) ( 3 3 0 ) 对于大多数类型的水力旋流器来说，由于用式( 3 - 2 0 ) 或式( 3 2 6 ) 计算出的总效率很大程度上取决于进料固相颗粒的粒度分布，因此，以总 效率作为分离效率的一般标准是不合适的，而用分级效率则可较完整地描 述水力旋流器的分离性能。 分级效率是指悬浮液多分散性固相颗粒中各级粒度颗粒的分离效率 ( 或各级粒度颗粒的底流回收率) 。分级效率可用下式计算： g f d1 ：坐丝：丝厶幽 ( 3 3 1 ) 一 ( m ) d ，m f ( d ，) 式中d f 为某一级粒度，f = 1 , 2 ，c ，n ；( m ) d ，表示进料中该级别 粒度颗粒的质量流率；厂( 一) ，z ( d ) 分别表示进料和底流中含d ，粒度级别颗 粒的质量百分数，即粒度的质量微分分布。由于水力旋流器存在流量比尺， 因此普遍采用修正分级效率来考察旋流器的净分级效果。同总效率类似， 其修正级效率如下： g ( d ) 一r ， g ( d ) 2 并 ( 3 3 2 ) 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力旋流器的主要工艺指标 级效率值具有概率特性。这可用如下解释来说明：当仅有一粒度为d 的颗粒进入分离设备时，它可能被分离掉也可能随流体通过该设备，因此， 级效率可为1 0 0 或0 。当有两个粒度相同的颗粒进入分离设备时，级效 率可为1 0 0 、5 0 或o ，这取决于分离设备所分离的颗粒是两个还是一 个，或者无颗粒被分离。当具有相同特征粒度的大量颗粒进入分离设备时， 所分离的颗粒将达到某一概率值。级效率具有这种概率特性是由于不同颗 粒( 粒度相同) 通过分离设备时所处的条件不同。此外，分离设备的进料 口和出料口的尺寸有限、分离设备中不同点的分离条件不尽相同以及各颗 粒( 粒度相同) 的表面性质不同都将在很大程度上影响分离过程，这些都 是级效率值具有概率特性的原因。正是由于以上原因，级效率值不能靠严 格的物理计算来确定，若在某些简化假设下进行这样的计算，则其结果必 须用实验确定的系数加以修正。 根据进料和粗级别产品的粒度分布数据以及总效率可求的级效率： 6 ( x 、：丝上d g & ：e 盟(333)t。 md f d xd f 式中f ，f 分别为底流固相颗粒粒度和进料颗粒粒度的积分分布；用x 取 代d 表示固相颗粒的粒度。 在绘有卵d x 曲线和e ，d f 曲 线的图3 1 中，用图表示了( x 1 求值d 法x g 。 于是，对于任何粒度x ，其级效率g 仅) 就 是对应于粒度的两曲线值之比。不过，大 多数粒度分析仪给出的是粒度积分分布 f f x l ，它是粒度微分分布的积分函数，因 此应对f f n 微分以便得到粒度微分分布。 图3 - 1 根据e r 、d f d x 和血。d x 确定g ( x ) g ( x 1 ) = a ，b 根据式( 3 3 3 ) 直接利用积分分布，可避免对两条曲线( 进料和底流产品) 进行微分。图3 2 图示表明了这种方法，绘出相应于各粒度x 的f ( x ) 与f 。( x ) 值的曲线，然后对该曲线进行微分。 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 于是，根据式( 3 - 3 3 ) 将各a f ( x ) c f ( x ) 值乘以e r 就可得到g ( x ) 值 如下： ，= 等掣 ( 3 - 3 4 ) 应当指出，若已知斜率扭。卵极限值，对实际计算有很大的帮助 由最大级效率等于l 可得皿d f = i e ，；由最小级效率r ，可得 d f 卵= r ，e ，a 若在图3 - 2 上，从与x = 。和x = 0 相应的正方 形的两对顶角分别绘出斜率为1 上 ( 对应于x - - - ) , 。0 ) 和r ，e ( 对应 于x 0 ) 的两条直线，则可得到 这两条极限渐近线，从而较容易通 过一组通常是分散的点绘出一条曲 线。 图3 - 2 根据e t 、f ( x ) 和f 。( x ) 泓筛下物) 确定g ( x ) 【g ( x 。) 是x 1 点处切线斜率e t 之积 根据级效率的定义可知，若用单一粒度的物料作为进料，则级效率就是 分离设备的效率。这种单分散粉末是可以制备的，但只能少量制备且很困 难。若在水力旋流器中处理这种物料，则所得的总效率只应是级效率曲线 上与该粒度相对应的一个点。用多分散相物料作为进料，可以靠一次实验 就能计算出级效率。但选择合适的进料要有一定的经验，首要的是进入旋 流器的进料颗粒不得聚团，因为这些聚团物将会同较大的颗粒一起被分离， 然后又在粒度分析时破碎成原来的颗粒。所求的级效率与水力旋流器的实 际性能不相符合，而且对较小的颗粒会给出较高的级效率值。因此，必须 使进料固相在液体中均匀分散，而且固相浓度也应相当低，即体积浓度不 超过1 r v 2 ，以便能减少颗粒间的碰撞和相互作用。 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 3 4 分离粒度 当某一粒度级别的固粒有5 0 被分离，则称此粒度为分离粒度，用符 号d 。表示。有时，需要确定水力旋流器能够分离的最小粒度，即1 0 0 被 分离的颗粒粒度。这种粒度一般很难确定，因此，一般采用9 8 被分离的 颗粒粒度来表示，称为分离极限，用符号d ，表示。分离粒度和分离极限是 分级效率曲线上的重要点，对结构比例尺寸一定的水力旋流器，一般存在 下式的关系： 吃。= 厂( 皿，p ，p ，q ) 式中l , t 、p 分别为液体的粘度和密度；ap 表示固体与液体的密度之差。 庞学诗提出最大切线速度轨迹法并通过实验证明水力旋流器中流体运 动的最大切线速度的轨迹是以r ：r ：2 r 为半径，以溢流管入口断面到 “ 3 。 底流口间的距离为高的圆柱面，此面是水力旋流器的分离面。由此导出分 离粒度和分离极限( 9 5 被分离) 的计算式： 式= 4 4 8 5 d 。”见。”p 。5 d m = 1 6 5 d 5 。 ( 益) 。s p ( 3 - 3 5 ) ( 3 - 3 6 ) 中d s o 、d m 的单位为“i t i ，、圯分别为进料悬浮液的粘度( p 躔s ) 和 邓ll，llllo，。，。，。，j 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章水力旋流器的主要工艺指标 相对密度；y ，为固相颗粒相对密度；a h 。为旋流器柱段长度h 与溢流管插 入深度h 之差，c m ：p 的单位为m p a 。 以两相流湍流理论为基础，s c h u b e r t 和n e e s e 2 9 1 提出的分离粒度计算式 观e s s 髟t 等暑粉咎，； b ， 式中c ，的单位为体积分数；卸的单位为可c m2 ：k 。由下式计算： 牛卜删5 丁 式中d 。是进料固相粒度分布的平均粒度；a p = p ，一p ，堙m ；d 。的 单位m ；m 为常数，当d o 2 5 0 r a m ，口= 2 0 。：d r 2 5 0 m m ，a = 1 2 4 的几何条件下，进行 了系统的实验研究所建立的分离粒度模型为： 氏。娟9 瓦高 协，。， 式中d 。为修正d 。，胪”；p 的单位为k p a 。 p l i t t 对直径为3 1 7 5 ，6 3 5 ，1 5 2 4 m m 的旋流器采用进料体积浓度为 8 1 3 的石英砂料浆进行了系统试验。提出的计算公式为： d；。=!i；!：；j；：i：!糌 cs 一。， 一1 汐矿场呵万i 厂 圳 式中d ，。的单位为a n ：h ，= l h ，c m 。 陈炳辰采用k r e b s 型水力旋流器( 7 5 r a m ) ，对包钢造矿厂工业生产矿石 料浆，在改变水力旋流器倾角的条件下进行系统试验，用线性回归法得修 正分离粒度的计算式1 ： l g d 5 0 。= 1 0 7 5 + 0 1 7 8 d f + 0 1 1 4 d o 一0 7 5 5 d 。+ 0 0 1 5 c 。一0 0 0 0 1 2 q + 0 0 0 2 4 , 8 ( 3 4 1 ) 式中q 的单位为l m i n ：的范围为9 0 。1 8 0 。；d ，。的单位为o n 。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章实验装置及方法 第4 章实验装置及方法 本章的主要内容是建立实验装置并给出实验方案。为验证前面所述水 力旋流器的分离性能与控制操作参数的关系做好基础工作。实验装置的安 装严格按照有关规定操作。 4 1 实验装置的描述 实验装置的流程如图4 1 所示。 i 一采藉：2 - 供斡幕3 - 握摔泵，4 - 静态混鲁墨：5 一压力丧 6 一弯f 渡t 计：7 - 取样o is 一水力艇巍嚣 图4 一l实验装置流程图 水箱l 中的悬浮液由供料泵2 增压后，经静态混合器4 ，弯管流量计6 进入旋流器8 中，分离后悬浮液内大部分砂粒和少量液体从底流e l 流出， 迸入水箱，旋流器顶部流出的溢流液体，通过管线直接返回水箱。实验过 程中，旋流器的进料压力和溢流压力由压力传感器测定，进料流量由弯管 流量计计量，底流流量由称重法计量。取样口用来提取进料的样品，底流 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章实验装置及方法 样品可以直接从底流口提取。泵3 用来搅拌水箱内悬浮液，使砂粒分布均 匀。供料泵2 抽出的部分液体经阀门直接返回水箱中，可用来搅拌水箱中 的悬浮液，同时为泵3 灌泵。静态混合器的作用是使悬浮液混合均匀。 实验装置主要设备规格为：水箱：中1 0 0 0 1 0 0 0 ( 直径高) ；供料泵： i s 6 5 5 0 一1 6 0 ( 0 = 2 5 m3 h ，h = 3 2 m ) ，配套电机y 1 3 2 s 1 2 ，p = 5 5 k w ：静 态混合器：自制；搅拌泵：2 b a 6 a ( q = 2 0 m 3 h ，h = 2 5 2 m ) ，配套 电机j 0 2 1 0 0 s 2 ，p = 3 k w ：弯管流量计：d n 5 0 ( 附r o