固-液旋流器结构优化研究进展.pdf

技术综述文章编号院 1000谣7466(2023)05谣0070谣07收稿日期院 2023-03-28作者简介院 王蛟洋（1999-），男，吉林长春人，在读硕士研究生，研究方向为多相流动与分离。E-mail：。通信作者院 朱丽云（1987-），女，江西上饶人，副教授，博士，现主要从事多相流分离过程与装备、反应与分离耦合、环保工艺及装备等方向的研究。E-mail：。固-液旋流器结构优化研究进展王蛟洋袁 王舜袁 朱丽云袁 王振波渊中国石油大学 渊华东冤 新能源学院袁 山东 青岛266580冤摘要院 固-液旋流器具有结构简单尧 效率高及可连续操作等优点袁 在环保尧 能源等领域的固体浓缩尧 固体杂质脱除过程中得到了广泛应用袁 其分离性能受多种因素影响袁 其中结构参数是主要的影响因素之一袁 是技术改进的重点研究方向遥 基于固-液旋流分离原理袁 从入口结构尧 溢流管尧 底流管尧 柱体段尧 锥体段及内构件优化等方面总结了最近 30 余年固-液旋流器结构参数优化的技术研究成果袁 对未来可行的结构优化方向进行了展望遥 可为固-液旋流器的选择和结构优化提供指导遥关键词院 固-液旋流器曰 分离效率曰 结构参数中图分类号院 TQ051.8文献标志码院Adoi:10.3969/j.issn.1000-7466.2023.05.012Research Progress on Structure Optimization of Solid-liquid CycloneWANG Jiao-yang袁WANG Shun袁ZHU Li-yun袁WANG Zhen-bo渊College of New Energy,China University of Petroleum(East China)袁Qingdao 266580袁China冤Abstract:The solid-liquid cyclone has the advantages of simple structure,high separation efficiency,continuousoperation,etc.It iswidelyused in the process of solid concentration and solid impurity removal inthe fields of environmental protection and energy.The separation performance is affected by many factors,amongwhichthestructuralparametersareoneofthemaininfluencingfactors.Basedontheprincipleofsolid-liquidcycloneseparation,thestructureoptimizationofthesolid-liquidcyclonewasintroducedbyfocusingonthe structural parameters such as the inlet structure,overflow pipe,underflow pipe,column section,conesection and internal parts optimization,and the future feasible structural optimization direction was pointedout.Itcanprovideguidancefortheselectionandstructuraloptimizationofsolid-liquidcyclones.Key words:solid-liquid cyclone曰separation efficiency曰structural parameter固液分离在选矿尧环保尧化工尧生物工程及食品等领域都有非常广泛的应用咱1-4暂遥目前常见的分离方法有沉降分离尧过滤分离尧静电分离和离心分离遥 沉降分离效率低袁耗费时间长袁设备占地大袁且难以处理细微颗粒咱5-6暂遥过滤分离虽然分离效率稳定可观袁同样存在设备投资大尧设备寿命短等问题遥 静电分离的分离效果好袁 有着较高的分离精度袁但局限于颗粒浓度较低的液固体系袁且存在投第 52 卷第 5 期2023 年 9 月石油化工设备PETRO谣CHEMICAL EQUIPMENTVol.52No.5Sept.2023资大尧操作难度高及难以维护等问题咱7暂遥 离心分离分为离心机分离和旋流分离袁 离心机分离需要提供能量使其旋转袁所需能量比旋流分离大得多袁并且造价昂贵尧处理量小遥对比以上分离方法存在的各种问题袁旋流分离法具有分离效果好尧操作流程简单尧投资少且安全可靠等优点咱8暂遥 基于以上优点袁旋流器被广泛应用于在汽车尧选矿尧冶金及环保等行业咱9-13暂遥 目前学者们对于固-液旋流器的研究主要集中在如何提升分离效率咱14暂袁以及如何降低压降咱15暂袁通常可以通过优化结构参数以及操作参数的方式来实现上述 2 种目的咱16-17暂遥本文主要介绍旋流器结构及工作原理袁 重点介绍旋流器结构参数对分离的影响以及结构优化研究进展袁为固-液旋流器结构优化提供指导遥1固-液旋流器结构及工作原理固-液旋流器的基本结构见图 1袁 由圆柱段尧圆锥段尧进料口尧溢流管及底流管组成咱18暂遥 待分离混合液通过进料口处造旋袁然后进入圆柱段袁由入口直线流变成高速旋转流袁 在产生的强旋转剪切力作用下袁待分离混合液向下作螺旋线运动袁重相介质受离心力作用被甩向器壁袁 在后续流体的推动下袁沿着器壁向下流动袁由底流口排出遥 由于旋流器内径方向压力分布不均匀袁 其中心位置会形成低压区袁轻相介质向低压区运动袁向轴心聚集袁在后续流体的推动下袁从顶部溢流口排出咱19暂遥图 1中袁底流指由底部排出的重相混合液袁溢流指从顶部排出的轻相介质遥图 1固-液旋流器结构及工作原理示图上述分离过程与旋流器各个部分的结构息息相关遥圆柱段是旋流器分离空间之一袁其直径大小不仅决定了旋流器的处理能力袁 也影响着旋流器分离精度遥圆锥段是旋流器内的主要分离空间袁影响着分离精度和能量损耗遥 进料口大小决定了入口流速大小袁影响着旋流器内离心力场大小遥底流管是高浓度介质出口袁 底流口大小影响着内部流场稳定性袁从而对分离效率产生影响遥溢流出口为低浓度介质出口袁其直径尧结构形式及插入深度等参数影响了短路流的形成与发展遥2结构参数对分离的影响及优化工业生产过程中涉及的介质复杂多变袁 采用统一的旋流器结构无法满足不同的生产工艺分离要求袁往往需要根据不同物料特性尧分离环境等来调整旋流器结构及参数咱20暂遥 以下从进料口尧溢流管尧底流口尧柱段与锥段尧内构件结构参数变化等方面阐述固-液旋流器结构优化研究进展遥2.1进料口物料从进料口进入旋流器袁 进料口参数主要包括进料口形状尧 直径(非圆形进料口取当量直径)尧造旋结构等遥进料口形状一般有圆形和方形袁 通常为了尽量减少底流夹细和溢流跑粗的问题袁 建议采用适宜的长宽比矩形进料口咱21-22暂遥进料口直径大小会对混合介质进入旋流器的切向速度直接产生影响遥流量确定的情况下袁进料口直径增大袁旋流器内切向速度减小咱23暂袁旋流器内离心力流场强度减小袁分离效率下降遥但如果进料口直径设计过小袁就会对其产生磨损袁从而影响旋流器寿命并且会对流场稳定性产生影响遥 在处理量不变时袁 可以通过增加旋流器入口数量减小入口磨损及提高流场稳定性咱24-25暂遥旋流器进料口的造旋结构分为切流式和轴流式 2 类遥 切流式中袁最常见的为直切式袁直切式进料口进料时袁物料进口速度过大袁冲击强度大袁容易导致进口流场不稳定遥 为了提高旋流器内流场稳定性袁有研究者提出了螺旋线进料口咱26-28暂遥典型的轴流式旋流器渊图 2冤的造旋构件为导向叶片袁 当流体流经叶片时会使轴向流动变为旋转流动而产生稳定的旋流场咱29暂遥 因此袁相比于切流式旋流器袁轴流式旋流器具有结构更紧凑尧流场更加稳定尧分离效率更高及能耗更低等优势咱30-31暂遥在切流式旋流器无法满足工业条件的时候袁 可以考虑使用轴流式旋流器遥第 5 期王蛟洋袁等院固-液旋流器结构优化研究进展71窑窑2023 年第 52 卷石油化工设备图 2轴流式旋流器结构示图2.2溢流管溢流管是旋流器分离后轻相介质的出口袁主要通过影响短路流的形成与发展来影响分离性能遥 溢流管插入过浅或溢流管直径过大都会产生明显的短路流咱32-33暂袁短路流会导致溢流跑粗袁使粗颗粒混入溢流口袁导致分离效率与精度降低袁采用适当的溢流管插入深度可以有效减少短路流现象的发生遥 经研究发现袁溢流管最优插入深度为(0.280.93)D(D 为柱段直径)咱34-36暂袁 最优溢流管直径大小一般取(0.110.2)D咱37-39暂遥 此外袁还可通过改变溢流管结构形状来削弱短路流的影响咱40暂袁比如增大壁厚或采用非传统圆柱型溢流管结构咱41-44暂遥2.3底流管底流管是旋流器分离后重相介质出口袁 底流口直径大小对旋流器分离性能影响较大遥 在溢流管直径与流量不变的情况下袁底流口直径越大袁分离效率越大袁分流比(分流比指溢流量与总流量之比)越高袁分离效果越差遥 此外袁过大的底流口直径会引起浓缩倍数 渊底流出口浓度与入口浓度比值冤降低袁分离精度下降咱45-46暂遥 随着低流口直径的减小袁分流比增大袁分离效果逐渐变好袁但底流口直径过小易发生堵塞袁紊乱旋流器内流场袁分离效率降低遥 综合上述因素袁 底流口直径一般取(0.070.14)D咱47-48暂遥2.4柱体段旋流器结构中的柱体段对分离过程有着非常重要的影响袁 旋流器柱体段结构参数有长度和直径袁主要影响停留时间和处理能力遥柱体段长度越长袁分离空间越大袁物料在旋流器内停留时间越长袁物料能够获得更多的离心力袁分离效果就越好咱49暂遥 柱体段过长不但意味着更高的材料成本袁 而且会增大能量损失导致切向速度降低袁进而引起固液分离的驱动力降低袁所以柱体段的长度要根据实际工况确定遥柱体段直径决定着旋流器的处理能力和分离粒度遥同时袁柱体段直径也是确定底流口直径与溢流口直径等结构参数的基础袁一般情况下袁柱体段直径越大袁 处理能力与分离粒度都更大袁 直径越小袁处理精度越高遥 分离细微颗粒时袁一般会采用小直径旋流器或微旋流器咱50暂袁但是小直径旋流器容易出现堵塞的现象袁 并且堵塞后清理操作难度较高咱51暂袁所以在设计旋流器柱段直径时应综合考虑这些因素遥2.5锥体段旋流器锥体段是主要的分离空间袁 其主要参数是锥角袁锥角会对旋流场内部产生影响袁旋流器锥角增大袁会使分离器内流体切向速度降低袁分离粒度增大袁分离精度减小袁压降增高袁能量损耗增高遥 减小锥角会使内部流体的切向速度与轴向速度增大袁对细颗粒的分离有着促进作用袁但过小的锥角又会使锥体段的涡流强度增加袁 不利于对固相的分离咱52-54暂遥 所以实际选择时要根据处理颗粒的粒度袁 以及圆柱段的设计尺寸具体决定锥角的大小咱55暂遥2.6内构件优化除去以上的结构参数袁 旋流器的内构件也会影响其分离性能遥在旋流器顶端加设倒锥形结构袁或在底端加设斜环结构都能够提升其分离效率袁其主要原理是稳定了旋流器内的离心力场袁 降低了旋流器内部的湍流强度咱56-58暂,并通过增大固体的回收率增大分离效率遥3总结与展望旋流器一般情况下作为预处理装置袁 相比其他预处理工艺袁具有分离效率高尧占地面积小尧易维修尧成本低及可连续操作等优点袁目前在选煤尧石油尧化工及冶金等行业广泛应用遥目前旋流器的结构优化大多是以传统旋流器结构为基础袁 如何在分离机理不变的条件下对旋流器进行结构改进使其得到较大的提升是一个难题遥 目前有许多专家学者提出许多创新方案袁 但具有突出成效的极72窑窑少咱59暂遥 如何改变旋流器的传统结构增大分离效率和减小能量损耗是旋流器未来发展的趋势遥参考文献院咱1暂 黄枢.固液分离技术的新进展 咱J暂.金属矿山,1990(6):39-43.HUANGS.Newdevelopmentofsolid-liquidseparation technology 咱J暂.Metal mine,1990(6):39-43.咱2暂 杨小刚,谭蔚,邓嘉胤.对苯二酚生产脱色过程中固液分离技术的应用咱J暂.过滤与分离,2005(2):26-28袁38.YANG X G,TAN W,DENG J Y.Application of solid-liquid separation technology in decolourization processof hydroquinone production 咱J暂.Journal of filtration&separation,2005(2):26-28,38.咱3暂 江滔,温志国,马旭光,等.畜禽粪便固液分离技术特点及效率评估咱J暂.农业工程学报,2016,32(S2):218-225.JIANG T,WEN Z G,MA X G,et al.Characteristicsand efficiency evaluation of livestock slurry separationtechnologies咱J暂.Transactions of the Chinese society ofagricultural engineering,2016,32(S2):218-225.咱4暂 周松茂.通过固液分离技术加工马铃薯主食的初步研究咱J暂.农产品加工,2016(10):61-62,64.ZHOU S M.Staple food processing of potato by solid-liquid separation 咱J暂.Farm products processing,2016(10):61-62,64.咱5暂 蔡云龙.催化裂化油浆脱固工业侧线试验研究 咱D暂.上海院华东理工大学,2014.CAI Y L.Research on pilot scale test of catalyst re鄄moval in FCC slurry咱D暂.Shanghai院East China Uni鄄versity 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