輕質(zhì)分散相水力旋流器的分割尺寸

1、第19卷第4期2003年7月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)TransactionsoftheCSAEVol.19No.4July2003輕質(zhì)分散相水力旋流器的分割尺寸趙慶國1劉相東2(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院北京1000222.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院北京100083)摘要:輕質(zhì)分散相水力旋流器在食用油的提煉、奶品脫脂、果汁濃縮等農(nóng)副產(chǎn)品加工以及廢水回用于農(nóng)田水利的過程中有著廣泛的應(yīng)用前景。該文根據(jù)旋流器的分離效率模型計(jì)算并關(guān)聯(lián)了輕質(zhì)分散相水力

2、旋流器的分割尺寸d50可作為衡量旋流器分離能力的標(biāo)志。得到的結(jié)果可適用于不同的流體流量、不同的分流比、不同的流體物性參數(shù)以及不同尺寸關(guān)系的旋流器。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分流比對(duì)分割尺寸的影響比較小半錐角、溢流口尺寸與底流口尺寸對(duì)分割尺寸的影響比較大。旋流器大小、流體的流量以及物性參數(shù)對(duì)旋流器分割尺寸的影響比較直接當(dāng)旋流器尺寸R0、流量以及物性參數(shù)變化時(shí)分割尺寸的改變遵循旋流器數(shù)不變的規(guī)律。由于分割尺寸與R0的平方根成正比所以旋流器尺寸越小分割尺寸

3、也越小因此旋流器的分離能力也就越大。關(guān)鍵詞:水力旋流器分割尺寸旋流器數(shù)理論預(yù)測(cè)中圖分類號(hào):TQ028.46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100226819(2003)0420049205收稿日期:2002211207修訂日期:2003202215基金項(xiàng)目:北京市自然科學(xué)基金(8032006)資助作者簡(jiǎn)介:趙慶國(1962)男漢族博士副教授從事水力旋流器分離技術(shù)方面的研究工作。北京市北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院1000221引言桔油的提煉過程

4、中需要進(jìn)行油水分離豆油、菜子油等各種食用油的精練過程中也都需要將油與固體混渣進(jìn)行分離脫脂奶的生產(chǎn)過程中需要將油脂與奶水進(jìn)行分離在城鎮(zhèn)生活污水回用于農(nóng)田水利的過程中也需要首先將其中的油污或其它類污染物進(jìn)行分離所有這些都屬于兩相或多相不溶性混合物的分離過程。傳統(tǒng)的兩相液液或固液混合物的分離采用的是重力沉淀或浮上的方法這種分離方法不僅分離效率低、需要預(yù)先留出因可能的處理量的波動(dòng)而增加的處理能力、而且分離設(shè)備需要占用大量的空間。離心機(jī)雖然分離效

5、率比較高然而其動(dòng)力消耗大、處理能力小、需要間歇性卸料或清洗的特點(diǎn)也不適用于長期的連續(xù)性分離過程。在分散相液滴或固相顆粒為幾至200Λm的范圍內(nèi)水力旋流器是一種經(jīng)濟(jì)、高效的分離設(shè)備分離效率高、占用空間小、設(shè)備投資少并適合于連續(xù)性生產(chǎn)。根據(jù)處理料液中分散相的密度是大于還是小于連續(xù)相的密度水力旋流器分為重質(zhì)分散相旋流器(heavydispersionhydrocy2clone)和輕質(zhì)分散相旋流器(lightdispersionhydrocy2

6、clone)兩大類[1]一般在用旋流器進(jìn)行兩相液液或固液混合物的分離時(shí)需要用第一級(jí)旋流器進(jìn)行預(yù)分離然后在第二級(jí)分離中同時(shí)將連續(xù)相液體進(jìn)行進(jìn)一步的分離(澄清)以及將預(yù)分離過程中分離出來的分散相的液體或固體進(jìn)一步脫除液體(濃縮)因此常見的旋流器分離工藝中一般都同時(shí)包括輕質(zhì)分散相旋流器與重質(zhì)分散相旋流器。目前在淀粉的分離[23]、油水分離[45]、果汁的濃縮[6]以及污水處理[7]中已經(jīng)出現(xiàn)大量的旋流器方面的應(yīng)用報(bào)道。旋流器的分離效率與分散相

7、顆粒的大小密切相關(guān)為了簡(jiǎn)潔地對(duì)比不同旋流器對(duì)被處理物料的分離能力規(guī)定分離效率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的單一分散相的顆粒尺寸為分割尺寸簡(jiǎn)記為d50。分割尺寸的大小可以作為對(duì)比不同旋流器的分離能力的一個(gè)標(biāo)志數(shù)據(jù)分割尺寸越小表示這個(gè)旋流器的分離能力越高。目前人們對(duì)重質(zhì)分散相旋流器的分割尺寸研究得比較多由于液液旋流器的研究工作起步較晚有關(guān)液液旋流器的分割尺寸方面的研究鮮有報(bào)道目前唯一可以追蹤的與液液水力旋流器分割尺寸相關(guān)的數(shù)據(jù)來源于M.T.Thew等對(duì)于

8、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果[58]其中他們使用了d75的概念(分離效率為75%時(shí)對(duì)應(yīng)的分散相粒度)。但當(dāng)旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸之間的比例關(guān)系與Thew的旋流器不一致時(shí)人們就缺乏對(duì)比不同輕質(zhì)分散相旋流器分割尺寸的方法。前文[910]給出了單錐水力旋流器的遷移率計(jì)算模型并且根據(jù)Thew對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸結(jié)果證實(shí)計(jì)算方法能獲得可靠的遷移率數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上如果已知旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)、流體物性參數(shù)、操作條件以及確定的分離效率即可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的分散相粒度的大小因此可以

9、得到旋流器的分割尺寸d50。必須說明的是由于前文中的遷移率計(jì)算模型中只限定是分離輕質(zhì)分散相的旋流器、而沒有對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化因此可用來計(jì)算不同結(jié)構(gòu)尺寸輕質(zhì)分散相旋流器的分割尺寸。又由于在計(jì)算模型中并沒有限定輕質(zhì)分散相是固體顆?；蛞旱我虼擞?jì)算結(jié)果等同地適用于輕質(zhì)分散相的液液分離或固液分離過程。2單錐旋流器遷移率分析與無因次數(shù)組方法球坐標(biāo)系與柱坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及單錐旋流器中計(jì)算用結(jié)構(gòu)參數(shù)分別表示于圖1和圖2。為了便于說明現(xiàn)將前文中得

10、到的有關(guān)流場(chǎng)及遷移率計(jì)算的公式列出如下[2]:內(nèi)流場(chǎng)部分Υ=ΡΧ2[Kln(tan(Η?2))]sin2Η(1cosΗ)D(1cosΗ)(1)其中94?19952003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.Ltd.Allrightsreserved.中Ε′=50%d?d50=1)有關(guān)。3操作參數(shù)與流體物性參數(shù)對(duì)分割尺寸的影響旋流器數(shù)Hy=Q(ΘcΘd)d25036ΠΛR30根據(jù)(22b)式及上面的分析只要我們關(guān)聯(lián)出

11、旋流器數(shù)與F、Α、Χu、Ηu四個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系有可以獲得任意條件下的分割尺寸d50其中操作參數(shù)中只有分流比F為影響參數(shù)而Α、Χu、Ηu均為結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算分流比對(duì)分割尺寸的影響時(shí)取底流口半徑:ru=8.75mm溢流口半徑ro=3mm半錐角Α=0.75錐頂半徑R0=17.5mm流量Q=2103m3?s物性組合參數(shù)st=(1010865.4)?(186.666104)=1.20500104(s?m2)則分割尺寸與分流比之間的關(guān)系見圖3所示其中

12、分割尺寸d50隨分流比的增加稍有增加說明隨著分流比的增加旋流器的實(shí)際分離能力有所下降但增加的幅度非常小至少在F28.6%時(shí)分割尺寸的變化不足3Λm因此分流比對(duì)旋流器分離能力的影響不是很大。圖中的連線為擬合曲線擬合結(jié)果為d50=795.266F4361.500F364.5123F22.69614F9.76363(Λ)(23)圖3d50與分流比之間的關(guān)系ru=8.75mmro=3mmΑ=0.75Fig.3Cutsized50versussp

13、litratioforru=8.75mmro=3mmΑ=0.75圖4分割尺寸d50與半錐角Α之間的關(guān)系Fig.4Cutsized50versussemicone2angleΑ4旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)遷移率的影響影響分割尺寸的旋流器結(jié)構(gòu)尺寸中包括Α、Χu、Ηu三個(gè)參數(shù)其中Χu和Ηu兩個(gè)參數(shù)為球坐標(biāo)系中的參數(shù)它們對(duì)分割尺寸的影響也可以用柱坐系中的參數(shù)Γo=R0、Γu=ru?R0來表示因此在考察旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分割尺寸的影響時(shí)只需研究Α、Γ0、Γu

14、的影響即可。4.1半錐角Α對(duì)分割尺寸的影響當(dāng)其他參數(shù)不變而只增大錐角時(shí)錐體部分的高度減小流體在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間減小分離效率必然降低分割尺寸d50也必然增大。下面計(jì)算所依據(jù)的參數(shù)為Q=2103m3?sst=1.2051104s?m2F=10%R0=17.5mmΓu=0.5Γo=0.1714。計(jì)算與擬合結(jié)果見圖4所示其中分割尺寸d50與半錐角Α之間的關(guān)系可以表示為d50=4.45155105Α44.46216103Α30.182062Α2

15、4.35500Α8.480620.5≤Α≤40(24)同時(shí)考慮分流比與半錐角的影響可將(23)式與(24)式合并為d50=0.0858640cFcΑ其中cF=795.266F4361.500F364.5123F22.69614F9.76363cΑ=4.45155105Α44.46216103Α30.182062Α24.35500Α8.48062(25)4.2底流口尺寸Γu(=ru?R0)對(duì)分割尺寸的影響底流口尺寸越大從溢流口排出的分散相

16、越少分離效率越低反映在分割尺寸上則是d50隨底流口的增加而增加。圖5所示為分割尺寸d50隨底流口尺寸的變化情況其變化關(guān)系和表示成d50=137.418Γ2u71.9315Γu11.96040.4≤Γu≤0.62857(26)圖5分割尺寸d50隨底流口尺寸的變化:F=10%Fig.5Cutsized50versusunderflowsizeΓuatF=10%圖6分割尺寸d50隨溢流口尺寸的變化:F=10%Fig.6Cutsized50ve