水力旋流器工艺参数评述

摘要：水力旋流器结构简单 ，是一种高效率的分级设备，已在国内外广泛使用。影响水力旋流器工作性能的因素很多 ，本文对水力旋流器各工艺参数对其性能影响作了较为全面的阐述。

关键字：水力旋流器；分级；工艺参数

中图分类号：C35 文献标识码： A

旋流器又称旋液分离器，是一种分离非均匀相混合物的分级设备。早在100多年前就被用作固-液两相介质的分离装置， 主要用来完成液体澄清、料浆浓缩、固相颗粒洗涤、固相颗粒分级与分类、液体除砂等多种作业。迄今已经在矿物加工、化工、石油、轻工、环保、采矿等部门得到了广泛的应用。水力旋流器具有一些突出的优点：结构简单紧凑，易于安装和操作；无运动部件，几乎不需要维护；设备成本低廉；体积小，附属设备占地面积也小，单位面积处理量大，可节省现场空间；易于连续化操作及自动控制等。

1、水力旋流器的结构及原理

旋流器是利用离心沉障原理从悬浮液中将两相（或多相 ）介质 进行分离 、分级或分选的 一种 设备 。设备主体是由圆筒和圆锥两部分组成 ，悬浮液经入口 管沿切向进入圆筒 ，向下作螺旋形运动 ，固相颗粒在离心力的作用 下具有向 旋流器壁沉降的趋向 。 粗颗粒由 于受到较大的离心力作用 ，向旋流器壁面运动并随外旋流从旋流器底部排出形成底流 ；细颗粒则由于所受的离心力较小 ，来不及沉降就随内旋流从溢流管排出形成溢流 。 通过底流和溢流从而进行不同介质的分离 。 水力旋流器没有运动部件 ，典型的水力旋流器结构及其内部的主体流动过程见图 1 和图2所示 。水力旋流器的主要部件为进口 、溢流管 、柱段 （旋流腔 ） 、锥段及底流管 。 来料由进口切 向进入旋 流器 内 作 螺 旋 运动 （一 般来说 ，入口 速度都大于 5 m / s） ，液体在腔内 急剧转 ，产生强烈的涡流 ，并分为溢流和底流两部分分别由溢流管和底流管排出 。在水力旋流器内部 ，同时存在着向下运动的外螺旋和向上运动的内螺旋流动。

图1 旋流器结构示意图

图2 旋流器内部流体流动示意图

2、旋流器重要性能参数

2.1处理能力

评价水力旋流器处理能力 （生产能力 ）的 标准为体积流量和质量流量。体积流量是最常用的评价依据 ，是指水力旋流器单位时间内水力旋流器处理的体积量 。 质量流量是指水力旋流器单位时间内处理的质量 ，一般使用较少。

2.2分级效率

分级效率是旋流器的最关键性能。对于一定的旋流器，当粒径大于某一临界粒度d o时，这些粒径的颗粒将被100% 地分离掉。当粒径d < d o时，对某一粒径的颗粒只能被部分分离掉。假设进料口处、底流口处与溢流口处分散相颗粒分布粒度分布的概率

密度函数分别为f （d） 、 f u（d） 、 f o（d） ，则分级效率可以表示为：

G （d）=（f （d）-f o（d） ）/（f u（d）-f o（d））

分级效率从质与量两方面反映出设备性能的好坏、操作参数的优劣等，是改进设备结构、优化操作参数的主要技术依据。

2.3分级粒度

分级效率具有概率特性 ，因此，分级效率曲线亦称为概率分布曲线 ，该曲线表示一定粒级的颗粒被分离进入底流的 概率 。 级效率曲 线上 50%效率所对应的粒径被称为分离粒度 d50 ， 修正级效率曲 线上相应的粒径被称为修正分离粒度d50c。

2.4分级精度

在颗粒分级水力旋流器中，分级效率曲线的陡度是一个非常重要的性能，分级效率曲线越陡，用这种旋流器分离出来的分级颗粒粒度尺寸就越集中，反之，获得的分级颗粒的粒度尺寸的分散性就大，因此分级效率曲线的陡度表示了分级旋流器分级性能精度的高低。取分级效率曲线上对应于两个分离效率时的粒径的比值表示陡度指数。则陡度指数可以记作

H2 5 / 7 5=d25/d75

由公式可以看出，陡度指数越大，表示分级效率曲线越陡，分级精度也就越高。

3、水力旋流器结构参数和操作参数

3.1结构参数

马力强等通过对水力旋流器溢流引出管处的三维速度流场的分析和研究，发现扩径的溢流引 出管（相对于溢流管直径）会引起切向速度减小，轴向速度不变，径向速度稍稍降低 。 在轴向速度不变的条件下，径向和切向速度减小，有利于溢流的排出。同时由于径向和切向速度的减小，也会使得对溢流引出管磨损的减小，从而增加管道的使用寿命 。

王元文等对溢流部分结构做了比较多的研究，发现溢流口直径对其浓缩性能有明显的影响。随着溢流口直径的增加，水力旋流器浓缩倍数增加，底流口产率有减小趋势。溢流管插入深度对水力旋流器的处理能力和分流比均有显著影响。随着溢流插入深度的增加，水力旋流器处理能力先下降后增大，分流比则相应减小。同时还发现溢流管插入深度对其浓缩性能没有明显的影响，但对其产率则有明显的影响。随着溢流管插入深度对其浓缩性能没有明显的影响，但对其产率则有明显的影响 。 随着溢流管插入深度的增加，水力旋流器溢流产率增加，底流口产率有减小趋势。

刘晓敏等在对水力旋流器脱油性能研究中发现，合理选取转筒的长径关系对效率有比较大的影响；相同流量与分流比时，随转速增加，增加旋转栅叶片数，叶片对液滴的剪切乳化作用增强，入口压力增高，底流与溢流压力损失均增大，脱油性能降低；动态水力旋流器收油套过渡锥角约为 40度时分离效果较理想 。

3.2操作参数

影响水力旋流器分级性能的因素主要有进料压力和安装角度 。 水力旋流器的分级效率较高，但要求操作控制条件稳定，所以使进口压力保持在一个恒定的水平上是很重要的。刘刚 等通过计算机模拟实验的方法研究水力旋流器的操作参数，尤其是进口压力和进口第二项的体积率对旋流器分离总效率的影响。研究表明，进口压力的增加会使分离效率增大；进口第二相的体积率增加会使分离性能增强，但是如果第二相的体积率增加过大，反而会使分离性能降低 。 由此得出：要实现较细颗粒的分离，只有在较低浓度进料和较高压力的条件下才能达到较好的分离效果 。

对于中小型水力旋流器，其安装倾角一般对其分级性能影响不大。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（ 垂直安装时倾角定为90 °， 水平安装时定为180°） ，水力旋流器的生产能力有所提高[12-13] ，分级粒度也有所增大。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。

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，使固相颗粒分级粒度增大并降低分级效率。

西安建筑科技大学刘家祥、金冠璋、张治元通过试验发现在其他条件固定时，水力旋流器随着安装倾角的增大，处理量和分级粒度都呈直线增加，但分级粒度增加的幅度大。同样随着给矿压力的减小，分级粒度呈直线增大，但增大的幅度小；处理量呈直线减小，且减小的幅度大。石油大学寇杰等通过研究发现在小的进口压力条件下，流量比较小，离心力不足，水力旋流器的分离效率很低。随入口流量的增加，水力旋流器的分离效率较为平稳并稍有增加。兰州理工大学龚俊等通过实验研究得出进口压力的增加使生产能力增加，分离粒度减小，溢流固相浓度相应减小。威海市海王旋流器有限公司刘培坤等通过研究发现在低浓度下，旋流器的分离效率是比较高的，这是由于旋流器分离过程中，固体颗粒的干涉

沉降影响比高浓度下的影响要小得多。

4、结论

通过对旋流器的性能参数、结构参数及操作参数等工艺参数的全面分析研究，对旋流器的设计研究及生产现场的操作优化起到了十分重要的指导意义。

参考文献

[1] 王元文 ，张少明 ，方 莹 . 水力旋流器结构参数对其性能的影响 [ J ]. 广东化工 2005 （1 0） ： 26230.

[2] 曹 卫 ，等. 水力旋流器的操作参数与物性参数对其性能影响研究 [ J ]. 中国非金属矿工业导刊 . 2006， 56 （4） ： 45-47

[3] 黄枢. 水力旋流器的理论基础与应用（上）[J]. 金属矿山， 1984（12） ：56- 61.

[4]刘晓敏 ，等. 水力旋流器结构形式及参数关系 研究 [ J ]. 机械设计. 2005 ， 2. 22 （2） ： 26-28.