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水力旋流器按顆粒粒度差分離情況分析

[2017/4/22]

   據報導,濃縮和脫泥用的水力旋流器最早是在1939年5月發表的。當時被用於濃縮選煤用的黃土懸浮液,結構如圖1所示。以後水力旋流器經改進,增設了溢流管,到1948年傳入美國時已具有了現在的結構型式。我國是在20世紀50年代開始試驗的。

圖1 早期的旋流器

  所有用於分級、濃縮、脫泥的水力旋流器是在執行按顆粒粒度差分離的作業。給料壓力一般在0.06-0.2MPa範圍內,在給料口處流速為5-12m/s。進入旋流器後由此構成的切線速度將有所降低。料漿在旋流器內停留時間很短,例如錐角20°的φ350mm旋流器,內部容積為0.06m³,麵處理能力為85m³/h,由此可算出料漿在器內的停留時間隻有2.5s。在如此短的時間內,料漿大約隻旋轉4—5圈即將排出,而不會像某些資料中介紹的那樣作多圈運動(如下圖2)。

圖2 料漿在水力旋流器內運動示意圖

  料漿中的粗、細顆粒如何能在這樣短時間內發生分離?原因即在於它們的慣性離心力不同。

  固體顆粒呈懸浮狀態隨料漿一起沿切線方向進入水力旋流器內,料漿液體遇到器壁後被迫作回轉運動,而固體顆粒則依原有的直線運動的慣性繼續向前運動。粗顆粒慣性力大,能夠克服水力阻力靠近器壁,而小小顆粒慣性力較小,未及靠近器壁即隨料漿作回轉運行。在後續沿給料的推動下,料漿繼續向下和回轉運動,固體顆粒相應產生慣性離心力。於是粗顆粒繼續向周邊濃集,而細小顆粒則停留在中心區域。這樣就發生了粗細顆粒油器壁向中心的分層排列。

  當然慣性離心力不僅固體顆粒存在,料漿液體也同樣存在,並且由內向外逐層傳遞,到器壁處達到最大。該處的液體壓強與給料壓力構成平衡。這就是水力旋流器必須有一定的給料壓力的原因。料漿的這種離心運動傾向也使它在進入水力旋流器後不能直接從溢流管排出,而隻能向下作回轉運動。但是如果給料壓力很小,料漿不能形成足夠的回轉速度,便有可能從溢流管直接排出,粗細顆粒也就談不上按粒度分級。

  隨著料漿從水力旋流器的柱體部分流向錐體部分,流動斷麵越來越小。在外層料漿收縮壓迫之下,內襯料漿不得不改變方向,轉而向上流動。於是在水力旋流器內形成了兩組旋轉流;外層向下的旋轉流和內層向上的旋轉流。當然它們的切線流向仍保持一致,隻在軸向發生了變化。在流向的轉變點,速度為零。將零速的各點連結起來。在空間可形成一個敝口杯形的曲麵,成為軸向零速包絡麵(見圖3)。在包絡麵內的細小顆粒將被帶入溢流,在包絡麵外的較粗顆粒則進入沉砂,故包絡麵的空間位置即決定了分離粒度的大小。

 圖3 水力旋流器內料漿軸向流動方向的改變和零速包絡麵

  料漿因回轉產生的曾間壓力在水力旋流器溢流管下方的垂線上為最小。料漿離心擴張的結果,使中心軸線上不可能再有液體存在,而出現—低壓空氣柱,平均直徑約為溢流管內徑的0.5-0.6倍,由於內中壓力低於大氣壓,而不斷從底流口吸入空氣,過去認為空氣柱周邊的液體自由麵,有助於減少粗細顆粒的混雜,但近年的研究發現,空氣柱的距離晃動卻消耗著大量能量,並同時使分級粒度變得不穩定,為此已經提出了多種消除空氣柱的措施。

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