1
0固液分离用水力旋流器的设计
固液分离用水力旋流器的设计
东北大学 褚良银
素的研究成果, 关键词 自从1891[,有关;但是其于分级方面,而用于固液分离方面的则要少得多。由于水力旋流器具有结构简单、体积小、成本低及处理量大等优点,因而其在固液分离领域的应用正越来越受到关注,它能用来完成澄清、脱水、浓密、液体的净化(包括除砂)及固体的回收[2]等多种固液分离作业。在一些场合,过去许多依赖于大型重力浓缩机和离心分离机完成的工作正逐步由水力旋流器所承担;而且目前世界上已有一些厂家专业制造固液分离用水力旋流器,如美国克莱布斯工程师公司(KrebsEngineers)就专门提供直径从1215mm到150mm的固液分离用水力旋流器系列,使用这
水力旋流器的直径主要影响其生产能力和固相分离粒度大小。一般说来,随着旋流器直径的增大,其生产能力和分离粒度都将有所增大
5]
(如图1所示[4、),这表明不能简单地利用几何相似准则在实验室或半工业试验厂内用小直径水力旋流器来模拟工业规模的大直径水力旋流器[6],而应借助一些相应的换算关系(详见文献[7]P72—73)
。
些水力旋流器从液体中分离出的固体粒子能够细达5微米[3]。目前,化工、选矿、环保及石油等行业的工程师们都在对固液分离用水力旋流器日益感兴趣。本文拟就固液分离用水力旋流器性能的主要影响因素作一系统分析,并藉此为该类水力旋流器的参数设计提供有效指导,以期促进水力旋流器在固液分离领域的应用。1 水力旋流器直径
3 Ruth,BF.IngEngChem,1935,27:208 4 TillerFM.ChemEngProg,1953,49:467 5 TillerFM.AIChE,1962,8:445
6 GraceHP.ChemEngProg,1953,49:367
7 LeuWF.NewPorosityModelandFiltrationCharacter2
5]
图1 水力旋流器直径对其生产能力和分离粒度影响[4、
在水力旋流器的设计过程中,可以根据设计规模及分离粒度要求借助于图1来选定旋流器的直径。在要求溢流粗,而生产能力高的场
isticsofBinaryMixtures.ThesisofMS,Departmentof
ChemEng,UniofHouston
8 TillerFM,De-ZiCong,N.B.Hsyung.NewRevolving
LaboratoryFilter.AdvancedFiltrationandSeparationTechnology,1992,6
《化工装备技术》第16卷 第1期 1995年
合一般选用大直径水力旋流器;而要求分离粒度很细时则应选用小直径的水力旋流器(组)。由于大直径的水力旋流器比小直径的水力旋流器组操作使用较为简单可靠[7],而且堵塞的机会较少,因此,在可以获得同样性能指标的情况下,应该优先采用大直径的水力旋流器。2 水力旋流器的开口
11
流量之比)增大以及固相分离效率的增大(增大到一定程度后又下降),并使分离粒度下降到某一界限。如果仅考虑分离效率的要求,则分,其值
10]
0135
—[7、。3和溢流口,()对。
产能力和分离粒度增大,并可能减小磨损[1]。文献[7]和[8]推荐的工业用旋流器最佳进料口直径de(或面积当量直径)为de=(0115—0125)D,其中D为旋流器直径;而Rietema[9]认为分离用水力旋流器的最佳进料口(面积当量)直径应为de=0125D。进料口的形状也很重要,文献[6]指出矩形进料口比圆形进料口更有助于进料沿旋流器扩展,而渐开线型进料口同切线型进料口相比,则不仅能使湍动最小,而且能减少磨损。
溢流口直径do是一个很重要的参数(变量),在进口压力不变时,在一定范围内增加溢流口直径会导致生产能力的增加以及分离粒度的增大[6]。溢流口直径应该稍大于进料口直径,一般地取do=(1_2)de[7]。文献[7]和[8]推荐的工业用水力旋流器最佳溢流管内径为do=(012_013)D,而Rietema[9]则认为用于分离的旋流器的最佳溢流口直径为do=0134D。
随着底流口直径的减小,会导致底流浓度增大到某一限度,分离粒度增大以及分离总效率下降。文献[8]推荐的最佳底流口直径du为du=(0107—0110)D。底流口直径要小于溢流口直径,底流口直径与溢流口直径之比(亦称排口比)一般应在0115—1范围内。排口比是影响水力旋流器性能的最重要几何参数之一。排口比的增大,会导致分股比(底流量与溢流
,旋流器生产
7]
,而分离粒度则有所减小[1、,同
10]
时分股比将会增大[1、。文献[7]和[8]推荐的最佳溢流管插入深度为l=(0133—0150)D,而Rietema[9]则认为用于分离的最佳插入深度为l=014D。4 溢流管壁厚
溢流管壁厚的增加,可以提高旋流器的分离效率,并能降低其内部损失[11],而且还能略微提高旋流器的生产能力[12]。设计分离用旋流器时可适当加大溢流管的壁厚,只要让溢流管的外径不超过D-2de即可。作者最近的研究表
14]明[13、,将溢流管外壁做成环齿形有助于提高旋流器的分离精度。
5 水力旋流器锥角
水力旋流器锥角的增大会引起其内流体阻力变大,因此在同一进口压力下其体积生产能力会有所减小。尽管大锥角水力旋流器内的切向速度比小锥角的要高一些,但是在其他条件相同的情况下,粒子在内旋流中停留的时间要短一些,因此,分离粒度随着水力旋流器的增大而变大[7]。故此,建议固液分离用水力旋流器采
8])[2、用小锥角(Α≤15°;但若处理的料浆浓度大而又颗粒粗并且不要求分离效率很高时,就应
)[7],以防底流口堵塞。考虑采用大锥角(Α>40°6 旋流器筒体柱段长度
水力旋流器筒体柱段长度对其性能的影响
这方面的研究文献较少。文献[15]推荐的筒
12固液分离用水力旋流器的设计
进口压力的增大将会导致分离效率和生产能力的提高[10],同时却又导致分离粒度的下降[4
],其关系如图2所示。在要求获得较粗的溢流时,;在要求获,,就可以按。
,使的。压力的任何变化都会降低水力旋流器的工
体柱段长度为H=(017—210)D。从笔者近来对水力旋流器内固液两相流场的研究结果发
17]
现[16、,柱段是一个有益于固相颗粒分离的有
效离心沉降区,所以建议固液分离用水力旋流器的筒体柱段长度适当取大值。7 进料固相浓度
的,妨碍沉降的程度。而降低;,,因而提高了分离粒度[6]。要实现较细颗粒的分离,只有在低浓度进料和高压力降的条件下才能实现。一般进料浓度以不超过30%(重量浓度)为宜。8 进料固相粒度组成
在其他条件相同的情况下,当水力旋流器处理粗粒物料时,较之处理细粒物料时,底流中的含固量较高,分离粒度较大。所以对于粗粒物料来说,若要获得较小的分离粒度,就要用水力旋流器对其溢流进行串联处理才能实现。
当所处理的物料中含有大量的接近分离粒度的粒子时,水力旋流器的分离效果就会较差[7];反之,若物料中接近分离粒度的粒子含量较少,水力旋流器的“分离负荷”就较小,其分离效果就较佳。9 进料粘度及固液相密度
图2 水力旋流器进口压力
水力旋流器总的生产能力随着介质粘度的提高而增加;但当进口处流体雷诺数为
Re>5000时,介质粘度不再影响生产能力。介质粘
作效率。应当指出的是,进口压力的增加对分离性能的影响是同排口比的大小有密切关系的。如果底流口能够在给定的工作条件下排出水力旋流器中的全部固相颗粒,则在进口压力增加时溢流固相粒度稍有下降;但是,如果底流口过负荷,则有一部分颗粒进入溢流,使固相颗粒分离粒度增大并降低分离效率[7]。11 旋流器安装倾角
度的提高还会增大分股比[7]。液相密度的增加,会引起分离粒度的增大,并引起固相分离总效率的下降。固相密度的增大,则会导致分离粒度的减小,并使固相分离效率得到提高。10 进口压力
一般认为对于中小型水力旋流器,其安装倾角对其分离性能影响不大。绝大多数水力旋流器使用时垂直安装(溢流口在上,底流口在下)。近来有研究表明,随着安装倾角的增大
《化工装备技术》第16卷 第1期 1995年
(垂直安装时倾角定为90°,水平安装时定为
18]
),水力旋流器的生产能力有所提高[12、180°,
13
分离粒度也有所增大[18]。文献[18]建议,为了达到提高水力旋流器生产能力,降低其安装高度,减轻底流口的磨损和堵塞等目的,
可以适当改变水力旋流器的安装倾角。12 底流排料方式
器底流管壁上特设一小管,加入絮凝剂(见图3(b)),以保证固相颗粒能在增稠器内很好地沉降。这时水力旋流器的底流管要适当增长(或添加套管),够充分混合。
LHydrocyclones.Eastbourne(UK):Holt,
andWinstonLtd,1984.
TrawinskiH.水力旋流器的理论、应用与实际操作.国
外金属矿选矿,1977(9):8—21 3 Newlyfamilyofsolid liquidseparators.MiningJournal,
1988,310(7963):284_285 4 《选矿设计手册》编委会.选矿设计手册.北京:冶金工
业出版社,1988:160—164
5 PearseG.Somemanufacturersofhydrocyclones.Mining
Magazine,1988(8):106_109
6 WillsBA.Factorsaffactinghydrocyclones′perfor2
mance.MiningMagazine,1980(2):142_146
7 П.选矿厂水力旋流器.王永嘉等译.北京:冶оваровАИ
金工业出版社,1982.
8 庞学诗.水力旋流器的设计计算.有色金属(选矿部
分),1991(2):17—22
9 RietemaK.Themechanismoftheseparationoffinely
.In:RietemaK,VerverCdispersedsolidsincyclones
G,ed.CyclonesinIndustry.Amsterdam:Elsevier,1961.10 刘一横.分离用水力旋流器性能研究:[学位论文].成
都:成都科技大学,1989.
11 XuJirun,LuoQian,QiuJicun.Researchonthepresepa2
.IntJMinerProcess,1991rationspaceinhydrocyclones
(31):1_10
12 苏晓东.旋流器分离性能研究:[学位论文].成都:成
都科技大学,1992.
13 褚良银,罗 茜.锥齿型高效水力旋流器.中国专利
ZL9322971317,1993.
14 ChuLiang-Yin,LuoQian.Anewhydrocyclonewitha
highsharpnessofseparation.In:YalcinT,ed.Proceed2ingsoftheInnovationsinMineralProcessingConfer2ence.Sudbury,Canada,June1994.
15 柳吉祥.旋转流分选的理论及应用.北京:煤炭工业出
版社,1985.
16 ChuLiang-Yin,ChenWen-Mei.Researchonthemo2
tionofsolidparticlesinahydrocyclone.Separati
onSci2enceandTechnology,1993,28(10):1875_188617 ChuLiang-Yin,ChenWen-Mei.Researchonthesolid
-liquidtwo-phaseflowfieldinhydrocyclones.In:Procof18thIntConfMinerProcess.Sydney,Australia,May1993:1469_147218 张 钅监,陈炳辰,刘其瑞.水力旋流器倾角变化对其分级
指标影响的研究.金属矿山,1990(2):42—46
19 LinIJ.Hydrocycloningthinking:dewateringanddensi2
.SeparationScienceandTech2ficationoffineparticles
nology,1987,22(4):1327_1347
(流口与大气相通),;但这种底流,这对于固液分离用水力旋流器来说在某些场合是一种缺憾。为了克服常规底流口形式水力旋流器的这种缺点,让水力旋流器在细粒物料的脱水和浓缩等领域得到更好的利用,文献[19]提出了一种新的底流排料方式(如图3所示),即在常规底流口外套一小型增稠器。这一联接装置的浓缩效果甚至比大型常规重力沉降槽的效果还要好,它还具有容易控制、节能、节省空间以
[19]
及能处理细达1Λ对于难以m的物料等优点。
处理的物料(如粒度特细),还可以在水力旋流
图3 固液分离用水力旋流器高浓度底流排料方式[19]
1—旋流器锥部 2—增稠器 3—浓缩固相物 4—排料螺旋5—底流排料 6—加化学试剂 7—底流套管 8—气动阀
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0固液分离用水力旋流器的设计
固液分离用水力旋流器的设计
东北大学 褚良银
素的研究成果, 关键词 自从1891[,有关;但是其于分级方面,而用于固液分离方面的则要少得多。由于水力旋流器具有结构简单、体积小、成本低及处理量大等优点,因而其在固液分离领域的应用正越来越受到关注,它能用来完成澄清、脱水、浓密、液体的净化(包括除砂)及固体的回收[2]等多种固液分离作业。在一些场合,过去许多依赖于大型重力浓缩机和离心分离机完成的工作正逐步由水力旋流器所承担;而且目前世界上已有一些厂家专业制造固液分离用水力旋流器,如美国克莱布斯工程师公司(KrebsEngineers)就专门提供直径从1215mm到150mm的固液分离用水力旋流器系列,使用这
水力旋流器的直径主要影响其生产能力和固相分离粒度大小。一般说来,随着旋流器直径的增大,其生产能力和分离粒度都将有所增大
5]
(如图1所示[4、),这表明不能简单地利用几何相似准则在实验室或半工业试验厂内用小直径水力旋流器来模拟工业规模的大直径水力旋流器[6],而应借助一些相应的换算关系(详见文献[7]P72—73)
。
些水力旋流器从液体中分离出的固体粒子能够细达5微米[3]。目前,化工、选矿、环保及石油等行业的工程师们都在对固液分离用水力旋流器日益感兴趣。本文拟就固液分离用水力旋流器性能的主要影响因素作一系统分析,并藉此为该类水力旋流器的参数设计提供有效指导,以期促进水力旋流器在固液分离领域的应用。1 水力旋流器直径
3 Ruth,BF.IngEngChem,1935,27:208 4 TillerFM.ChemEngProg,1953,49:467 5 TillerFM.AIChE,1962,8:445
6 GraceHP.ChemEngProg,1953,49:367
7 LeuWF.NewPorosityModelandFiltrationCharacter2
5]
图1 水力旋流器直径对其生产能力和分离粒度影响[4、
在水力旋流器的设计过程中,可以根据设计规模及分离粒度要求借助于图1来选定旋流器的直径。在要求溢流粗,而生产能力高的场
isticsofBinaryMixtures.ThesisofMS,Departmentof
ChemEng,UniofHouston
8 TillerFM,De-ZiCong,N.B.Hsyung.NewRevolving
LaboratoryFilter.AdvancedFiltrationandSeparationTechnology,1992,6
《化工装备技术》第16卷 第1期 1995年
合一般选用大直径水力旋流器;而要求分离粒度很细时则应选用小直径的水力旋流器(组)。由于大直径的水力旋流器比小直径的水力旋流器组操作使用较为简单可靠[7],而且堵塞的机会较少,因此,在可以获得同样性能指标的情况下,应该优先采用大直径的水力旋流器。2 水力旋流器的开口
11
流量之比)增大以及固相分离效率的增大(增大到一定程度后又下降),并使分离粒度下降到某一界限。如果仅考虑分离效率的要求,则分,其值
10]
0135
—[7、。3和溢流口,()对。
产能力和分离粒度增大,并可能减小磨损[1]。文献[7]和[8]推荐的工业用旋流器最佳进料口直径de(或面积当量直径)为de=(0115—0125)D,其中D为旋流器直径;而Rietema[9]认为分离用水力旋流器的最佳进料口(面积当量)直径应为de=0125D。进料口的形状也很重要,文献[6]指出矩形进料口比圆形进料口更有助于进料沿旋流器扩展,而渐开线型进料口同切线型进料口相比,则不仅能使湍动最小,而且能减少磨损。
溢流口直径do是一个很重要的参数(变量),在进口压力不变时,在一定范围内增加溢流口直径会导致生产能力的增加以及分离粒度的增大[6]。溢流口直径应该稍大于进料口直径,一般地取do=(1_2)de[7]。文献[7]和[8]推荐的工业用水力旋流器最佳溢流管内径为do=(012_013)D,而Rietema[9]则认为用于分离的旋流器的最佳溢流口直径为do=0134D。
随着底流口直径的减小,会导致底流浓度增大到某一限度,分离粒度增大以及分离总效率下降。文献[8]推荐的最佳底流口直径du为du=(0107—0110)D。底流口直径要小于溢流口直径,底流口直径与溢流口直径之比(亦称排口比)一般应在0115—1范围内。排口比是影响水力旋流器性能的最重要几何参数之一。排口比的增大,会导致分股比(底流量与溢流
,旋流器生产
7]
,而分离粒度则有所减小[1、,同
10]
时分股比将会增大[1、。文献[7]和[8]推荐的最佳溢流管插入深度为l=(0133—0150)D,而Rietema[9]则认为用于分离的最佳插入深度为l=014D。4 溢流管壁厚
溢流管壁厚的增加,可以提高旋流器的分离效率,并能降低其内部损失[11],而且还能略微提高旋流器的生产能力[12]。设计分离用旋流器时可适当加大溢流管的壁厚,只要让溢流管的外径不超过D-2de即可。作者最近的研究表
14]明[13、,将溢流管外壁做成环齿形有助于提高旋流器的分离精度。
5 水力旋流器锥角
水力旋流器锥角的增大会引起其内流体阻力变大,因此在同一进口压力下其体积生产能力会有所减小。尽管大锥角水力旋流器内的切向速度比小锥角的要高一些,但是在其他条件相同的情况下,粒子在内旋流中停留的时间要短一些,因此,分离粒度随着水力旋流器的增大而变大[7]。故此,建议固液分离用水力旋流器采
8])[2、用小锥角(Α≤15°;但若处理的料浆浓度大而又颗粒粗并且不要求分离效率很高时,就应
)[7],以防底流口堵塞。考虑采用大锥角(Α>40°6 旋流器筒体柱段长度
水力旋流器筒体柱段长度对其性能的影响
这方面的研究文献较少。文献[15]推荐的筒
12固液分离用水力旋流器的设计
进口压力的增大将会导致分离效率和生产能力的提高[10],同时却又导致分离粒度的下降[4
],其关系如图2所示。在要求获得较粗的溢流时,;在要求获,,就可以按。
,使的。压力的任何变化都会降低水力旋流器的工
体柱段长度为H=(017—210)D。从笔者近来对水力旋流器内固液两相流场的研究结果发
17]
现[16、,柱段是一个有益于固相颗粒分离的有
效离心沉降区,所以建议固液分离用水力旋流器的筒体柱段长度适当取大值。7 进料固相浓度
的,妨碍沉降的程度。而降低;,,因而提高了分离粒度[6]。要实现较细颗粒的分离,只有在低浓度进料和高压力降的条件下才能实现。一般进料浓度以不超过30%(重量浓度)为宜。8 进料固相粒度组成
在其他条件相同的情况下,当水力旋流器处理粗粒物料时,较之处理细粒物料时,底流中的含固量较高,分离粒度较大。所以对于粗粒物料来说,若要获得较小的分离粒度,就要用水力旋流器对其溢流进行串联处理才能实现。
当所处理的物料中含有大量的接近分离粒度的粒子时,水力旋流器的分离效果就会较差[7];反之,若物料中接近分离粒度的粒子含量较少,水力旋流器的“分离负荷”就较小,其分离效果就较佳。9 进料粘度及固液相密度
图2 水力旋流器进口压力
水力旋流器总的生产能力随着介质粘度的提高而增加;但当进口处流体雷诺数为
Re>5000时,介质粘度不再影响生产能力。介质粘
作效率。应当指出的是,进口压力的增加对分离性能的影响是同排口比的大小有密切关系的。如果底流口能够在给定的工作条件下排出水力旋流器中的全部固相颗粒,则在进口压力增加时溢流固相粒度稍有下降;但是,如果底流口过负荷,则有一部分颗粒进入溢流,使固相颗粒分离粒度增大并降低分离效率[7]。11 旋流器安装倾角
度的提高还会增大分股比[7]。液相密度的增加,会引起分离粒度的增大,并引起固相分离总效率的下降。固相密度的增大,则会导致分离粒度的减小,并使固相分离效率得到提高。10 进口压力
一般认为对于中小型水力旋流器,其安装倾角对其分离性能影响不大。绝大多数水力旋流器使用时垂直安装(溢流口在上,底流口在下)。近来有研究表明,随着安装倾角的增大
《化工装备技术》第16卷 第1期 1995年
(垂直安装时倾角定为90°,水平安装时定为
18]
),水力旋流器的生产能力有所提高[12、180°,
13
分离粒度也有所增大[18]。文献[18]建议,为了达到提高水力旋流器生产能力,降低其安装高度,减轻底流口的磨损和堵塞等目的,
可以适当改变水力旋流器的安装倾角。12 底流排料方式
器底流管壁上特设一小管,加入絮凝剂(见图3(b)),以保证固相颗粒能在增稠器内很好地沉降。这时水力旋流器的底流管要适当增长(或添加套管),够充分混合。
LHydrocyclones.Eastbourne(UK):Holt,
andWinstonLtd,1984.
TrawinskiH.水力旋流器的理论、应用与实际操作.国
外金属矿选矿,1977(9):8—21 3 Newlyfamilyofsolid liquidseparators.MiningJournal,
1988,310(7963):284_285 4 《选矿设计手册》编委会.选矿设计手册.北京:冶金工
业出版社,1988:160—164
5 PearseG.Somemanufacturersofhydrocyclones.Mining
Magazine,1988(8):106_109
6 WillsBA.Factorsaffactinghydrocyclones′perfor2
mance.MiningMagazine,1980(2):142_146
7 П.选矿厂水力旋流器.王永嘉等译.北京:冶оваровАИ
金工业出版社,1982.
8 庞学诗.水力旋流器的设计计算.有色金属(选矿部
分),1991(2):17—22
9 RietemaK.Themechanismoftheseparationoffinely
.In:RietemaK,VerverCdispersedsolidsincyclones
G,ed.CyclonesinIndustry.Amsterdam:Elsevier,1961.10 刘一横.分离用水力旋流器性能研究:[学位论文].成
都:成都科技大学,1989.
11 XuJirun,LuoQian,QiuJicun.Researchonthepresepa2
.IntJMinerProcess,1991rationspaceinhydrocyclones
(31):1_10
12 苏晓东.旋流器分离性能研究:[学位论文].成都:成
都科技大学,1992.
13 褚良银,罗 茜.锥齿型高效水力旋流器.中国专利
ZL9322971317,1993.
14 ChuLiang-Yin,LuoQian.Anewhydrocyclonewitha
highsharpnessofseparation.In:YalcinT,ed.Proceed2ingsoftheInnovationsinMineralProcessingConfer2ence.Sudbury,Canada,June1994.
15 柳吉祥.旋转流分选的理论及应用.北京:煤炭工业出
版社,1985.
16 ChuLiang-Yin,ChenWen-Mei.Researchonthemo2
tionofsolidparticlesinahydrocyclone.Separati
onSci2enceandTechnology,1993,28(10):1875_188617 ChuLiang-Yin,ChenWen-Mei.Researchonthesolid
-liquidtwo-phaseflowfieldinhydrocyclones.In:Procof18thIntConfMinerProcess.Sydney,Australia,May1993:1469_147218 张 钅监,陈炳辰,刘其瑞.水力旋流器倾角变化对其分级
指标影响的研究.金属矿山,1990(2):42—46
19 LinIJ.Hydrocycloningthinking:dewateringanddensi2
.SeparationScienceandTech2ficationoffineparticles
nology,1987,22(4):1327_1347
(流口与大气相通),;但这种底流,这对于固液分离用水力旋流器来说在某些场合是一种缺憾。为了克服常规底流口形式水力旋流器的这种缺点,让水力旋流器在细粒物料的脱水和浓缩等领域得到更好的利用,文献[19]提出了一种新的底流排料方式(如图3所示),即在常规底流口外套一小型增稠器。这一联接装置的浓缩效果甚至比大型常规重力沉降槽的效果还要好,它还具有容易控制、节能、节省空间以
[19]
及能处理细达1Λ对于难以m的物料等优点。
处理的物料(如粒度特细),还可以在水力旋流
图3 固液分离用水力旋流器高浓度底流排料方式[19]
1—旋流器锥部 2—增稠器 3—浓缩固相物 4—排料螺旋5—底流排料 6—加化学试剂 7—底流套管 8—气动阀