液液离心分离设备性能研究.docx
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液液离心分离设备性能研究
绪论
运用离心力场对非均相物系分离非常有效,这种分离叫做离心分离[.]"离心分离机
械同其他分离机械相比,不仅能够得到高纯度的产物,而且具有节省劳力!
减轻劳动强
度!
改善劳动条件等优点"并且离心分离机械具有连续运转!
自动遥控!
操作安全可靠
和占地面积小等优点"在工业上取得了越来越广泛的应用"
1
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1典型分离设备及比较
离心分离设备按有无旋转部件可分为机身固定的旋流分离设备和机身旋转的离心
分离设备"前者如水力旋流器,流体在固定的机身内旋转而产生离心力场;后者如沉降
式离心机,由旋转的机身带动内部流体作回旋运动而产生离心力场"水力旋流器具有结
构简单!
设备紧凑!
占地面积小和设备成本低等许多优点,日益受到广泛关注zIl"离心
机具有结构紧凑!
应用范围广!
单机生产能力大等优点,它可以相当精确地,同时迅速
地分离极难分离的非均相液态物系3J["
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1离心机
根据分离原理,离心机可以分为沉降式和过滤式两种"这里主要对沉降式离心机4fl
进行介绍"
（）l沉降式离心机
#
¹螺旋卸料沉降离心机
螺旋卸料沉降离心机结构原理见图1.1"高速旋转的无孔转鼓内有同心安装的输料
螺旋,转鼓与输料螺旋同向旋转,但两者之间有一定的转速差,该转速差由差速传动系
统产生"悬浮液经中心的加料管进入转鼓,悬浮液中大部分固体颗粒在离心力作用下沉
降到转鼓内壁并被输料螺旋推送而从小端排出转鼓,澄清后的液体从转鼓另一端的溢流
口排除"液液分离设备性能研究
螺旋卸料沉降离心机的主要操作参数为:
转鼓转数,转鼓与输料螺旋间的转速差,
溢流口位置和进料速度:
主要结构参数为:
转鼓大端内直径D,转鼓长度L,转鼓长径
比L/D,转鼓半锥角",以及输料螺旋的螺旋头数和螺距"
螺旋卸料沉降离心机的主要优点:
自动连续操作,不需用滤布,能长期连续运行,
维护简便;应用范围广,可用于固体脱液,液体澄清,固体颗粒按粒度分级,以及用于
液一液一固分离;对物料的适应性好,能分离的固体粒度的范围O,"05~一Zmm,悬浮液
的体积浓度范围2盼40%"浓度波动对分离效果的影响不大;结构紧凑,容易实现结构上
密闭,密闭式机器可在一定的正压下操作;单机生产能力大（大型机可达190时/h）,
操作费用低,占地面积小"
螺旋卸料沉降离心机的缺点是:
沉渣的含液量一般较高;虽能对沉渣进行洗涤,但
洗涤效果不好;结构较复杂,机器造价较高"
º碟式分离机
碟式分离机5JI是沉降式离心分离中的一种类型,用于分离难分离的物料"分离机中
的碟式分离机是应用最广泛的沉降式离心机"可以完成分离和澄清两种操作"大连理l几大学硕十学位论文
碟式分离机如上图所示是立式离心机,转鼓装在立轴上端,通过传动装置由电动机
驱动而高速旋转"转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件）碟片,碟片与碟片之间留有很小的间隙"悬浮液（或乳浊液）由位于转鼓中心的进料管进入转鼓"当悬浮液（或
乳浊液）流过碟片之间的间隙时一,固体颗粒（或液滴）在离心力作用下沉降到碟片上形
成沉渣（或液层）"沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位,
分离后的液体从出液口排出转鼓"积聚在转鼓内的固体在分离机停车后拆开转鼓由人工
清除,或通过排渣机构在不停车的情况下从转鼓中排出"
碟式分离机主要的操作参数为:
转鼓转数,轻液转速,轻液与重液分界面的位置,
加料速度等;碟式分离机的主要结构参数为:
转鼓内直径,当量沉降面积,碟片的尺寸
与碟片总片数,排渣方式及排渣机构"
碟式离心机结构紧凑,占地面积小,生产能力大,适于液一固也适于液一液分离,因
而在化工!
医药!
轻工!
食品!
生物工程以及交通运输部门都获得广泛应用"碟式分离
机的缺点是结构复杂,转速高,因而操作和维修保养的要求比较高,另外清洗较麻烦"
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2水力旋流器
水力旋流器最早在1891年就取得了专利,由于结构简单!
便于制造和安装,以及
处理量大等优点,受到了各国选矿专家的推崇"从20世纪50年代起,旋流器的应用领
域以及规模均得到了迅猛的发展,同时不断地吸引着越来越多的学者和工程师们致力于
旋流器理论与应用的研究"到了20世纪80年代以后,形成了相当大的规模"随着现代
测试技术和计算与模拟技术的飞速发展,人们对旋流器的工作能力及过程行为有了越来
越深刻的认识,从而大大推动了旋流器结构型式的多样化及其应用领域的不断拓展"可
以说,在科学与技术日新月异的今天,旋流器也在逐年发展成为具有高科技含量的分离
设备"目前,无论是从科技界还是从工程界来看,人们对旋流器的兴趣有增无减"
一般地,水力旋流器均由上部圆筒段和下部圆锥段组成（见图1.3）"在筒体上方有
一切向布置的进液管,筒体顶部有一涡流导管,构成溢流管,在锥形筒体的底部有一底
流口"当具有一定速度的两相流流体沿切向进入常规旋流器后,在旋流器内形成高速旋
转运动"根据斯托克斯定律,体积和密度较大的颗粒受到较大的离心力的作用,被迅速
甩向筒壁,并沿着锥筒壁螺旋向下运动,从底流口排出,在溢流管的涡旋导向作用下,
较轻较小的颗粒则和大部分流体从溢流管排出,完成两相流的分离过程"液液分离设各性能研究
进料
Z撇流
拜!
-尧洲,忍0飞
t矛乙护!
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嘿滚
图1.3水力旋流器结构简图
F191.3Configurationofhydrocyelone
目前被广泛采用的旋流器,筒体直径从10mm到2000~6J[,分离粒度可以小到十
微米,且操作流量具有一定的弹性范围,如果降低流量,离心加速度降低,离心力场减
小,显然这对效率有负面的影响,而在流量降低的同时,旋流器中的液流停留时间延长
对分离过程又有着积极影响,在一定程度上抵消了负面影响"此外,固体颗粒平均粒度
的大小对分离效率影响显著,对于分离颗粒尺寸较大时,分离效率相对较高,可以达到
95%以上,对于分离超细颗粒时,分离效率会下降很多,甚至低于50%"
经过对旋流器的大量的试验研究和生产实践,已经形成了百家争鸣的旋流器分离理
论,包含了分离的基础理论模型,速度场和压力场的数值模拟,旋流器各参数对其分离
性能影响以及能耗降减理论等等"其中我国的庞学诗,褚良银等人的研究成果已经为大
多数学者接受并运用于生产实践"
液一液分离旋流器领域7l]的开发研究工作则是从1967年英格兰海南岸的/Torrye
Caynon0汕轮遇难事件后刁-开始的"当时一由于原油的大量泄漏,造成附近大面积海域的
严重污染及大批鱼鸟的死亡"为了保护生态环境,英国政府及科技界曾呼吁对被污染海
域的治理进行研究,由此唤起了osuthamPotn大学的MartniThew教授及其同事对液一
液旋流分离技术的研究兴趣"随后在1968年的初步研究中,他们首先突破了前人关于
/液一液旋流分离难于实现0的认识,提出了只要结构设计合理,液一液旋流同样可以取
得良好分离效果的新观点"此后从1970年起,在有关部门的资助下,一个为期8年的研究
计划在osuthampton大学开始实施"以Marit叮hew教授为代表的osuthamPtno大学的研
究人员,先后以聚丙烯与水!
尼龙与水!
煤油与水!
原油与水为介质,采用AT一型库尔大连理_l:
大学硕十学位论文
特计数器!
自行研制的电导实时测量系统!
一维激光测速仪和ASM湍流模型,对液一
液旋流分离技术进行了多年的大量研究"1978年率先提出了液一液旋流分离的第一种芯
管结构即A型旋流管并获英国专利8[];1983年该旋流管开始产品化,同年在澳大利亚的
一个海上平台应用"随后SouthamPotn大学的研究工作,得到更多工业部门的重视和资
助"在此条件下,他们除不断发展和完善含油污水的静态旋流分离技术外,还努力开拓
液一液旋流分离技术应用的新领域,并相继在高含水原油的旋流预分离及低含水原油的
旋流脱水净化方面取得了进展"继英国southampton大学之后,法国的TOTALCEP和
Ney.rtec联合对静态旋流分离技术又进行了发展,并于1986年开发成功了用于含油污水
净化处理的动态旋流分离技术,现该机构又转向原油动态旋流脱水技术的开发研究"因
此,就液液旋流分离技术来讲,目前主要呈现两种发展趋势:
一是以英国osuthamPotn大
学为代表的静态旋流分离技术;二是以法国NEYRTEC和TOTALCEP为代表的动态旋
流分离技术及其相关配套技术"
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3两种分离设备的比较
离心机相对于旋流器来说由分离效率高!
分离效果好!
处理量大等优点,但是离心
机工作时需要耗费额外的能量带动转鼓转动"水力旋流器结构相对于离心机更加紧凑,
并且设备生产及工作成本低,更为广泛的应用在两相预分离等工作条件下"当对分离效
率及分离纯度都有较高要求时,这时就必须使用离心机"
从单位分离器体积的处理量和分离临界粒径的角度考虑,所探讨的两种分离器的优
劣排序为:
离心机!
水力旋流器9l]"
通过设计以提高两种分离器的性能是可能的"
当可用空间有限（如海上采油）或极其有限（井眼分离）,出于经济原因,所选择的分
离器类型通常是水力旋流器"
探求更紧凑的分离器仍是大势所趋,水力旋流器和离心机在这方面都有发展潜力"
当要分离的油滴粒径极小,如在5林m时,这只能用离心机来实现"但这种分离设
备的主要缺陷是成本高"
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2离心分离装备新进展及其展望
离心机发展到现在产品已经程式化,但是随着新的材料及技术的出现,离心机的发
展出现了一些新的趋势"
（l）
1新材料的应用
玻璃钢材料的应用液液分离设备性能研究
玻璃钢是玻璃和树脂组成的复合材料I-/],虽然玻璃和树脂的韧性和强度都不高,玻
璃钢却有很高的强度和韧性,而且耐腐蚀性能好,重量很轻"所以玻璃钢发展很迅速,
己成为一种重要的工程结构材料,使机器构件不用金属成为可能"由于玻璃钢有强度高!
l耐腐蚀的性能特点,可以考虑用玻璃钢来制作离心机转鼓"这是因为玻璃钢的高强度,
满足了在高速旋转情况下转鼓对强度的要求;玻璃钢的耐腐蚀性保证了一般情况下转鼓
直接与物料接触也不会被腐蚀"用玻璃钢制作离心机转鼓不仅可行而且还具有许多金属
材料所不具备的优点:
由于玻璃钢的密度约只为不锈钢的14/,同样大小的玻璃钢转鼓
的质量远远小于不锈钢转鼓的质量,而转鼓自身的质量所引起的应力约占总应力的一半
左右,所以玻璃钢转鼓的总应力大大降低了"并且在总消耗功率中占相当大比重的离心
机的启动功率也与转鼓质量（密度）成正比,降低了转鼓的密度,就意味着降低了功率
消耗,所以玻璃钢转鼓节省了能耗l川"
除此以外,因玻璃钢满足了离心机机壳对优良的耐磨性（以承受强力冲刷）的需要,
故它还可用来制作离心机的机壳"例如在三足式离心机中,转鼓的转速可达
750一200Or/mni,抛出的液体对壳体内壁有很强的冲击力,如果接触的介质腐蚀性不很
强,可选用通用不饱和聚酷做基体材料,增强材料外层采用表面毡,其余均采用中碱玻
璃纤维布铺覆和短切玻璃纤维纱喷射交替成型并在内表层加入氧化铝粉末以增加其耐
磨性"将按此方法制成的玻璃钢机壳用在三足离心机上,经过一年多的试运行,证明其
综合性能优于不锈钢机壳I.2]"
（2）工程塑料的应用
工程塑料发展历史较短,但由于质轻!
节能!
强度高!
耐腐蚀等特性,几十年来发
展迅速"如今已经出现比钢材硬,强度超过钢!
钦的塑料"在氟塑料品种中,产量最大,
用途最广的是聚四氟乙烯（PTFE）"PTFE具有最低的摩擦系数和特异的自润滑性,
有卓越的耐药品性和耐溶剂性,酸!
碱!
溶剂对它均无侵蚀"
卧螺离心机的径向滑动轴承是一种非自润滑轴承,常用的轴承材质是ZQSnlo一1,
一般在有润滑条件下刁-能正常工作,否则就会发生轴瓦一与轴颈的/干磨0现象,轴瓦与
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