固-液旋流器结构优化研究进展

王蛟洋， 王 舜， 朱丽云， 王振波

（中国石油大学（华东） 新能源学院， 山东青岛 266580）

固液分离在选矿、环保、化工、生物工程及食品等领域都有非常广泛的应用［1-4］。目前常见的分离方法有沉降分离、过滤分离、静电分离和离心分离。 沉降分离效率低，耗费时间长，设备占地大，且难以处理细微颗粒［5-6］。过滤分离虽然分离效率稳定可观，同样存在设备投资大、设备寿命短等问题。 静电分离的分离效果好， 有着较高的分离精度，但局限于颗粒浓度较低的液固体系，且存在投资大、操作难度高及难以维护等问题［7］。离心分离分为离心机分离和旋流分离， 离心机分离需要提供能量使其旋转，所需能量比旋流分离大得多，并且造价昂贵、处理量小。对比以上分离方法存在的各种问题，旋流分离法具有分离效果好、操作流程简单、投资少且安全可靠等优点［8］。 基于以上优点，旋流器被广泛应用于在汽车、选矿、冶金及环保等行业［9-13］。 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［14］，以及如何降低压降［15］，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［16-17］。

本文主要介绍旋流器结构及工作原理， 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，为固-液旋流器结构优化提供指导。

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， 由圆柱段、圆锥段、进料口、溢流管及底流管组成［18］。 待分离混合液通过进料口处造旋，然后进入圆柱段，由入口直线流变成高速旋转流， 在产生的强旋转剪切力作用下，待分离混合液向下作螺旋线运动，重相介质受离心力作用被甩向器壁， 在后续流体的推动下，沿着器壁向下流动，由底流口排出。 由于旋流器内径方向压力分布不均匀， 其中心位置会形成低压区，轻相介质向低压区运动，向轴心聚集，在后续流体的推动下，从顶部溢流口排出［19］。图1中，底流指由底部排出的重相混合液，溢流指从顶部排出的轻相介质。

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。圆柱段是旋流器分离空间之一，其直径大小不仅决定了旋流器的处理能力， 也影响着旋流器分离精度。圆锥段是旋流器内的主要分离空间，影响着分离精度和能量损耗。 进料口大小决定了入口流速大小，影响着旋流器内离心力场大小。底流管是高浓度介质出口， 底流口大小影响着内部流场稳定性，从而对分离效率产生影响。溢流出口为低浓度介质出口，其直径、结构形式及插入深度等参数影响了短路流的形成与发展。

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， 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，往往需要根据不同物料特性、分离环境等来调整旋流器结构及参数［20］。 以下从进料口、溢流管、底流口、柱段与锥段、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。

2.1 进料口

物料从进料口进入旋流器， 进料口参数主要包括进料口形状、 直径(非圆形进料口取当量直径)、造旋结构等。

进料口形状一般有圆形和方形， 通常为了尽量减少底流夹细和溢流跑粗的问题， 建议采用适宜的长宽比矩形进料口［21-22］。

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。流量确定的情况下，进料口直径增大，旋流器内切向速度减小［23］，旋流器内离心力流场强度减小，分离效率下降。但如果进料口直径设计过小，就会对其产生磨损，从而影响旋流器寿命并且会对流场稳定性产生影响。 在处理量不变时， 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［24-25］。

旋流器进料口的造旋结构分为切流式和轴流式2 类。 切流式中，最常见的为直切式，直切式进料口进料时，物料进口速度过大，冲击强度大，容易导致进口流场不稳定。 为了提高旋流器内流场稳定性，有研究者提出了螺旋线进料口［26-28］。

典型的轴流式旋流器（图2）的造旋构件为导向叶片， 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［29］。 因此，相比于切流式旋流器，轴流式旋流器具有结构更紧凑、流场更加稳定、分离效率更高及能耗更低等优势［30-31］。在切流式旋流器无法满足工业条件的时候， 可以考虑使用轴流式旋流器。

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，主要通过影响短路流的形成与发展来影响分离性能。 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［32-33］，短路流会导致溢流跑粗，使粗颗粒混入溢流口，导致分离效率与精度降低，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。 经研究发现，溢流管最优插入深度为(0.28～0.93)D(D 为柱段直径)［34-36］， 最优溢流管直径大小一般取(0.11～0.2)D［37-39］。 此外，还可通过改变溢流管结构形状来削弱短路流的影响［40］，比如增大壁厚或采用非传统圆柱型溢流管结构［41-44］。

2.3 底流管

底流管是旋流器分离后重相介质出口， 底流口直径大小对旋流器分离性能影响较大。 在溢流管直径与流量不变的情况下，底流口直径越大，分离效率越大，分流比(分流比指溢流量与总流量之比)越高，分离效果越差。 此外，过大的底流口直径会引起浓缩倍数 （底流出口浓度与入口浓度比值）降低，分离精度下降［45-46］。 随着低流口直径的减小，分流比增大，分离效果逐渐变好，但底流口直径过小易发生堵塞，紊乱旋流器内流场，分离效率降低。 综合上述因素， 底流口直径一般取(0.07～0.14)D［47-48］。

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， 旋流器柱体段结构参数有长度和直径，主要影响停留时间和处理能力。

柱体段长度越长，分离空间越大，物料在旋流器内停留时间越长，物料能够获得更多的离心力，分离效果就越好［49］。 柱体段过长不但意味着更高的材料成本， 而且会增大能量损失导致切向速度降低，进而引起固液分离的驱动力降低，所以柱体段的长度要根据实际工况确定。

柱体段直径决定着旋流器的处理能力和分离粒度。同时，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，一般情况下，柱体段直径越大， 处理能力与分离粒度都更大， 直径越小，处理精度越高。 分离细微颗粒时，一般会采用小直径旋流器或微旋流器［50］，但是小直径旋流器容易出现堵塞的现象， 并且堵塞后清理操作难度较高［51］，所以在设计旋流器柱段直径时应综合考虑这些因素。

2.5 锥体段

旋流器锥体段是主要的分离空间， 其主要参数是锥角，锥角会对旋流场内部产生影响，旋流器锥角增大，会使分离器内流体切向速度降低，分离粒度增大，分离精度减小，压降增高，能量损耗增高。 减小锥角会使内部流体的切向速度与轴向速度增大，对细颗粒的分离有着促进作用，但过小的锥角又会使锥体段的涡流强度增加， 不利于对固相的分离［52-54］。 所以实际选择时要根据处理颗粒的粒度， 以及圆柱段的设计尺寸具体决定锥角的大小［55］。

2.6 内构件优化

除去以上的结构参数， 旋流器的内构件也会影响其分离性能。在旋流器顶端加设倒锥形结构，或在底端加设斜环结构都能够提升其分离效率，其主要原理是稳定了旋流器内的离心力场， 降低了旋流器内部的湍流强度［56-58］,并通过增大固体的回收率增大分离效率。

3 总结与展望

旋流器一般情况下作为预处理装置， 相比其他预处理工艺，具有分离效率高、占地面积小、易维修、成本低及可连续操作等优点，目前在选煤、石油、化工及冶金等行业广泛应用。目前旋流器的结构优化大多是以传统旋流器结构为基础， 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。 目前有许多专家学者提出许多创新方案， 但具有突出成效的极少［59］。 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。