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过滤式水力旋流器方案设计
作者:管理员    发布于:2015-12-24 09:01:24    文字:【】【】【

  水力旋流器是一种用途非常广泛的分离、分级设备。其工作原理是:高压流体沿切向进入旋流器,压能转化为动能,流体在旋流器中产生高速旋转运云九在离心力的作用下不同直径的颗粒沿旋流器径向呈规律性分布,其中大直径颗粒分布在旋流器的外边缘,而小直径的细颗粒则分布在中间,再借助旋流器本身特殊的结构将粗细两相分别排出,从而实现分离目的。

  由于水力旋流器在各个领域的广泛应用以及旋流器本身特殊的结构,使得人们对旋流器流场的研究日见深入。迄今为止,对常规的水力旋流器,从定性的角度来说,基本上已经清晰的勾勒出了旋流器内部流场的大致轮廓。如所示,其流体的运动可归纳为以下几种基本形式,水力旋流器的零速包络面大致是倒锥体锥底位于旋流器柱体与锥体联结出的水平面上,锥体高度为旋流器柱体与锥体联结处的平面到底流口中空气柱界面间的垂直距离,零速包络面的直径大致为:器柱体直径。

  对于一定结构参数的旋流器,其轴向零速包络面的形状和大小基本上不变,所以过滤网的位置就设置在这一位置,这在结构上是可以实现的。

  提出这一改动的目的及其理论依据是:(1)消除或降低短路流对分离效率的影响由于旋流器本身特殊的结构,流体进入旋流器不可避免的要产生短路流,消除短路流对于提高旋流器的分离效果有着重要的意义。旋流器的溢流管就是专门针对短路流而设计的,实践表明溢流管的设置大大的提高了旋流器的分离效率,但溢流管并没能完全消除短路流,而且这一问题至今仍然制约这旋流器分离效果的提高。实验表明溢流管直径的大小、管壁的薄厚以及溢流管的长度任何一个量的改变都会影响到旋流器的分离效率。由于短路流的产生与多种因素有关,加之旋流器流场本身的复杂性,很难在理论上给出一个指导性的数学或物理模型,在这方面虽然已有许多作者进行了大量的研究工作,但是迄今为止还没有得出一个令人信服的实络面过滤网。其作用主要是对短路流进行直接的过滤,使短路流中大直径的颗粒被挡在溢流之外。从而可望从根本上解决短路流问题,终提高水力旋流器的分离效率。

  目前对循环流形成的机制尚不明朗,而且其大小和强弱程度也因旋流器的具体结构的差异而各不相同。但是有一点可以肯定,循环流的出现是旋流器流场湍流特性的一种反映。它的存在不仅占据了旋流器相当一部分的分离空间、增加了旋流器无意义的能量消耗,而且加重了旋流器流场内部分离颗粒的扩散程度,所以它对旋流器分离效率的负面影响是肯定的。所以,如果能在一定程度上降低或消除循环流,则可以提高旋流器的分离效率。过滤网的设置将循环流区域一分为二,对速度很大的循环流在完成一个循环时要两次垂直通过滤网,可以在很大程度上降低循环流的强度,而且在循环流区域流体的流动是高度的湍流状态,大部分是未经分离的原始流体在穿过滤网时可以起到很好的过滤作用,所以在循环流区域过滤网的设置不仅能够降低循环流,而且可以对循环流中携带的固相起到很好的过滤作用。

  (3)消除颗粒的扩散运动对旋流器分离效率的影响从理论上讲,在稳定旋转的流场中,由于离心力的作用颗粒按直径大小在径向实现规律性分布。即:径,为流体介质的动力粘度,u为颗粒与介质在径向的相对运动速度,Ps、P分别是颗粒及流体介质的密度,MD为流体的切向速度。

  上式是由BBO方程推导出来的,而旋流器流场的实际条件与BBO方程的理论推导条件还相差甚远。旋流器的流场大的一个特点就是湍流,在这样的一个高速旋转的湍流流场中,颗粒不仅仅表现为在径向按上诉公式呈规律性分布,而且表现出明显的随机性,这时颗粒的扩散效应不能不考虑。

  总体上说,在高速旋转的流场中,颗粒只能是大致地实现了上述的规律性分布,由于湍流运动的存在,颗粒的运动又呈现出明显的随机性,必然有相当一部验尤基于以上原因,本文提出增加轴向零速包分的颗粒在随机运动的过程中穿过轴向零速包络面西南石油学院学报由外旋流进入内旋流,由溢流口排出,终影响到旋流器的分离效果。特别是在高速旋转的外旋流中,颗粒的浓度更高,这一扩散过程更不应该忽略。在目前流行的几种分离理论中,大多数没有考虑这一方面的影响,严格的说这与实际是不相符的。所以,在轴向零速包络面上设置过滤网可以很好的过滤掉那些因随机运动而从外旋流扩散到内旋流的颗粒,从而可以提高旋流器的分离效果。

  综上所述,辅助的过滤作用可以很好地解决原来单一的旋流分离很难解决的问题,可以说是一种新的设计思路。

  2引入的滤网对流场影响的分析从理论上来分析,目前大家比较认同的观点认为流体进入旋流器,其速度可以分解为切向速度、轴向速度和径向速度。其中切向速度是流体运动的主要方面,也是实现颗粒在径向规律性分布的必要条件。轴向速度是实现流体分离的必要条件,流体正是因轴向速度方向的不同而分为内旋流和外旋流,从而终分为底流和溢流,实现分离作业。而径向速度相比切向速度要小的多,到目前为止人们对其产生的作用尚有争议。在这样的一个流场中加入一个与旋流器回转轴同轴的而且与旋流器的轴向零速度包络面重合的轴向零速度包络面过滤网,由于滤网上每一点的切线方向都与其周边流体的切向速度方向平行,所以它只对滤网表面的流体切向速度产生影响,而对大部分的外旋流的切向速度的影响不是很大,当大部分的液体穿过滤网成为内旋流从而终形成溢流的过程中,由于滤网的存在必然有能量损失,使得内旋流的旋转速度要相对降低,但是做内旋流的液体已经完成了分离作业,其旋转速度在某种程度的降低不会对旋流器的分离效率产生严重的影响。而且滤网是和旋流器的轴向零速度包络面重合的,在轴向零速度包络面附近流体的轴向速度很小或者为零,所以它对流体的轴向速度的影响也应该不是很大。只有流体的径向速度与滤网面垂直,径向速度是液体内迁的速度,它的大小与旋流器径向压力梯度的大小有关,滤网的引入在一定的程度上会增加流体内迁的阻力,但是由于旋流器的回转中心是空气柱,是一个负压区,所以只要适当增加进液压力提高旋流器的径向压力梯度,就可以提高所以,从总体上讲,滤网的引入虽然会造成流场或多或少的改变,但是,它的有点要远大于它的缺点,它使得原来的旋流器成为一种集旋流、过滤分离为一体的新的分离设备,相对于以前的单纯的从旋流分离的角度来进行结构改进而言,应该是一个新的思路。

  3需要进一步考虑的几个问题总结以上分析,增设轴向零速包络面过滤网,在理论上有着明显的优点,它不仅解决了短路流,而且改善了循环流和颗粒的扩散影响,对提高旋流器的分离效果有着积极的意义,但是过滤网的引入或多或少要改变流场的分布,其中影响大的应该是旋流器的能量损失问题。因为过滤网的设置增加了流体的接触表面,将增加流体能量的损失,同时当液体穿过滤网时也要产生能量损失。关于这一点,可以考虑适当增加旋流器的工作压力来弥补因引入滤网所增加的能量损失。另外,因为大量的短路流主要是沿旋流器顶壁经溢流管外壁进入溢流的,所以我们的滤网长度可以小于零速包络面的长度,可以取包络面长度的1/2~2/3.这样不仅可以减小滤网对流场的负面影响,同时可以增加滤网的稳定性。

  对于具体结构的旋流器应由具体实验来选择佳滤网长度。

  (2)过滤网的稳定性和耐磨性问题从理论上讲,轴向零速包络面是轴对称的圆锥面,但是由于进口压力等因素的影响,实际的轴向零速包络面不可能完全与理论上的轴向零速包络面重合,特别是旋流器的实际处理量与设计的理论处理量不相同时,实际的轴向零速包络面只能是一个围绕理论位置波动的轴向零速包络带,接近滤网的流体轴向速度不可能完全为零,这时流体对过滤网将产生冲击;另外,外旋流携带了大量的粗固相在高速旋转的过程中亦可能对过滤网产生磨损。为了尽量减小过滤网对流场的影响以及能量的损失,过滤网结构应该尽量薄,这对滤网的材料提出了较高的要求。在进料口的同水平面一段,进液速度较大,对滤网的冲击较大,在这一段上可以考虑不开设网孔,而且可以设计的稍厚实一点,这样不仅可以增加滤网的耐磨性同时可以增加滤网的稳定性。

  任连城等:过滤式水力旋流器方案设计文中提出的改进方案适合用于固一液、固一气分离旋流器,而且更适合于低粘度工作介质的分离作业环境的旋流器。

  4结论由以上分析可以看出,在现有旋流器上增设轴向零速包络面过滤网的改进方案,对提高旋流器的分离效果有着积极的作用,它既继承了现有旋流器的全部优点,又克服了现有旋流器的主要缺点,不失为一种新的改进思路。经过改进后的旋流器是一种以旋流分离为主,过滤分离为辅的新型旋流分离设备。旋流器工作时,80的粗相在离心力的作用下经外旋流直接形成底流,无须经滤网过滤,同时,滤网又能有效的将原短路流以及循环湍流中携带的粗相滤在溢流之外,使之终随外旋流进入底流。从而有望终提高旋流器的分离效果。

  基于篇幅所限,以上都是定性的理论分析,是一个总体的设计思路,相关的实验验证以及详细结构设计等方面的工作拟另文讨论。

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