水力旋流器工艺参数的实验研究

中国科技论文在线水力旋流器工艺参数的实验研究封萍，毛俊，梁鹏飞*作者简介：封萍（1987年2月），女，本科.E-mail:[e-mail]（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083）摘要：通过在不同给料压力和底流口直径的情况下，测定水力旋流器的底流和溢流的流量、浓度及产物分配等工艺参数的变化关系，结果表明：处理量和溢流流量随给料压力的增大而增加；底流流量随底流口直径的增大明显增加。但底流流量与给料压力，底流口直径与处理量和溢流流量不再具有确定的大小对应关系，并对这些现象做出了合理的解释。关键词：水力旋流器；流量；给料压力；底流口直径中图分类号：TD163+.1ResearchonParametersofHydraulicCycloneFENGPing,MAOJun,LIANGPengfei(SchoolofChemistryandEnvironmentEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083)Abstract:Theresearchteststherelationsbetweenquantityofoverflowandunderflow,consistency,andproductsdistributionindifferentfeedpressureanddiametersofunderflowoutlets.Resultsfromthesetestsindicatethefollowingmainpoints:productioncapacityandquantityofoverflowincreasewhenfeedpressureincreases,andquantityofunderflowincreaseswhendiameterofunderflowoutletincreases.Butrelationsbetweenquantityofunderflowandfeedpressure,anddiameterofunderflowoutletandquantityofoverflowareuncertianty.Thispaperwillgiveabetterdiscritpiontothesephenomena,aswellasreasonableexplanations.Keywords:hydrocyclone;quantityofflow;feedpressure;diameterofunderflowoutlet0引言水力旋流器是利用离心力场分离不同粒度（密度）混合物的分选设备，具有结构简单、操作方便、生产能力大、分离效率高、无转动部件、占地面积小和易于实现自动控制等优点，广泛应用于分级、脱泥、浓缩、澄清、选别和洗涤等作业[1]。目前国内外对于水力旋流器分离过程的物理模型有很多理论，各个理论均未综合考虑影响分离的各种因素，故不能全面地描述水力旋流器复杂的分离过程[2]。本文以不同直径和锥角的水力旋流器，在不同给料压力和底流口直径的状态下，对水力旋流器的工艺参数进行了实验研究，获得各个工艺参数的分析结果，提出了旋流器的适宜工作范围，为新的分离理论的提出奠定了基础。1实验装置及实验方法实验装置见图1。该装置图中将一组旋流器的位置以一个旋流器作为代表，通过调节电动机转速来调节给料压力。①—搅拌桶；②—搅拌器；③—离心机；④—阀门；⑤—压力表；⑥—旋流器；⑦—底流槽；⑧—溢流管；⑨—溢流槽实验入料选用密度为2.7×103kg/m3石英矿粉，粒度组成如表1。表1实验物料的粒度组成Tab.1sizecompositionoffeedinexperiments粒级/μm产率/%负累计产率/%2.5-3.25.45100.001.25-2.516.9094.550.5-1.2522.8077.650.25-0.513.1054.850.125-0.2512.2041.750.074-0.1258.3029.550.055-0.0743.1021.25-0.05518.1518.15实验将石英粉按一定比例配水后倒入搅拌桶中，启动电动机和泵，待物料充分混匀且压力稳定后开始采样；采得的底流和溢流分别进行浓度和流量分析，对5个直径的水力旋流器进行了实验研究，其规格参数见表2。表2水力旋流器的规格参数Tab.2ParametersofHydraulicCyclone旋流器编号直径/mm溢流口直径/mm入料口尺寸/mm锥角/度1#5011972#75201373#1004023204#1254026175#1504036152实验结果及讨论2.1给料压力对流量的影响图2和图3分别给出了1#旋流器的给料压力与处理量的关系曲线和给料压力与溢流流量的关系曲线。由图2、图3可见，随着给料压力的增加，处理量和溢流流量明显增加。这是因为旋流器结构不变的情况下，给料压力增加，处理量必然增加。而底流口直径不变，底流口的排料能力基本不变，给入矿浆量增加，导致溢流流量增加。图4和图5分别给出了1#和2#旋流器的给料压力和底流流量的关系曲线。由图4、图5可见，底流口的流量与给料压力不再具有确定的大小对应关系。这是因为压力增加，旋流器中形成的离心力场增强，更多的颗粒向器壁靠近。这将会导致两种结果：一是外旋流的浓度增加，即旋流器的浓缩作用加强，使底流的粘度增加；二是颗粒与器壁的摩擦力增加。这两中国科技论文在线种结果，都会影响底流口负压空气柱形成和底流矿浆流动的稳定性，可能造成底流口短时间间断性阻塞，导致底流流量减小。00.10.20.30.40.50.60.040.060.080.1压力/MPa处理量/m³·h-1底流口d=6mm底流口d=8mm底流口d=10mm图21#旋流器压力与处理量的关系Fig.2relationsbetweenfeedpressureandproductioncapacityofhydrocycloneNo.100.050.10.150.20.250.30.350.40.040.060.080.1压力/MPa溢流流量/m³·h-1底流口d=6mm底流口d=8mm底流口d=10mm图31#旋流器压力与溢流流量的关系Fig.3relationsbetweenfeedpressureandquantityofoverflowofhydrocycloneNo.100.050.10.150.20.250.30.040.060.080.1压力/MPa底流流量/m³·h-1底流口d=6mm底流口d=8mm底流口d=10mm图41#旋流器压力与底流流量的关系Fig.4relationsbetweenfeedpressureandquantityofunderflowofhydrocycloneNo.10.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.040.060.080.10压力/MPa底流流量/m³·h-1底流口d=8mm底流口d=10mm图52#旋流器压力与底流流量的关系Fig.5relationsbetweenfeedpressureandquantityofunderflowofhydrocycloneNo.22.2底流口直径对流量的影响图6和图7分别给出了1#旋流器的底流口直径与处理量的关系曲线和底流口直径与底流流量的关系曲线。由图可见，随着底流口直径的增加，底流流量增加，而处理量基本不变中国科技论文在线或略有增加。图8和图9分别给出了1#旋流器和3#旋流器的底流口直径和溢流流量的关系。由图8、图9可见，底流口直径和溢流流量的变化也不具有确定的大小对应关系。底流口直径是限制底流流量的最主要因素。Kelsall认为：零速包络面是锥形表面，锥筒直径与溢流口直径成正比，锥高为溢流管入口断面到底流口之间的距离[3]，即零速包络面的锥底直径不随底流口直径的变化而变化。当底流口直径增加时，底流口与零速包络面之间的空隙增加，向下的外旋流量增多，到达底流口附近的矿浆能够及时排出，从而底流口流量显著增加。底流口直径的改变对旋流器处理能力的影响很小，处理能力主要取决于注入能量的多少，即给料压力的大小。底流口增加时，旋流器的浓缩作用减弱，一方面导致底流的浓度减小，矿浆粘性减弱，另一方面导致矿浆与器壁之间的摩擦力减弱，能量的损失减小，有利于处理量的略微增加。底流口直径增加，使得底部的漩涡半径增加，转化为内旋流的作用减弱，使内旋流的流量相对减少，导致溢流的流量也相对减少。但当底流口直径的增加对于改善底流流体的粘度不明显时，底流口仍可能出现短时间间断性阻塞，出现溢流流量增加的情况。00.10.20.30.40.50.6678910底流口直径/mm处理量/m³·h-1压力P=0.04MPa压力P=0.06MPa压力P=0.08MPa压力P=0.04MPa图61#旋流器处理量与底流口直径的关系Fig.6relationsbetweenproductioncapacityanddiameterofunderflowoutletofhydrocycloneNo.100.050.10.150.20.250.36810底流口直径/mm体积流量/m³·h-1压力P=0.04MPa压力P=0.06MPa压力P=0.08MPa压力P=0.10MPa图71#旋流器底流流量与底流口直径的关系Fig.7relationsbetweenquantityofunderflowanddiameterofunderflowoutletofhydrocycloneNo.100.050.10.150.20.250.30.350.46810底流口直径/mm体积流量/m³·h-1压力P=0.04MPa压力P=0.06MPa压力P=0.08MPa压力P=0.10MPa图81#旋流器溢流流量与底流口直径的关系Fig.8relationsbetweenquantityofoverflowanddiameterofunderflowoutletofhydrocycloneNo.1底流口直径/mm溢流流量/m³·h-1压力P=0.04MPa压力P=0.06MPa压力P=0.08MPa压力P=0.10MPa图93#旋流器底流口直径与溢流流量的关系Fig.9relationsbetweenquantityofoverflowanddiameterofunderflowoutletofhydrocycloneNo.32.3给矿压力和底流直径对底流浓度的影响当水力旋流器用于浓缩沉淀作业时，底流浓度是衡量浓缩效果的一个重要指标。如油井产液除砂对旋流器的要求主要是提高底流口排砂浓度，以减小二次处理的难度。在分离作业时应将底流浓度和浓缩比作为关键因数，而在澄清作业时则溢流浓度是重点因素[4]。影响底流产物浓度的因素有入料口直径、溢流口直径、锥角、底流口直径、给矿压力、和进液压力等。本实验主要研究了不同给矿压力和底流口直径对底流浓度的影响情况。本实验中，研究了五个不同规格旋流器在不同给矿压力底流浓度的变化规律，绘制了压力和浓度变化曲线，从图中可以发现变化规律是相同的，即：随着给矿压力的增加，底流口浓度有增加的趋势；从1#和5#可以看出：但是压力增大到一定程度时，底流浓度会达到一个极限值。1015202530350.020.070.12给矿压力/Mp底流口浓度/%du=6mmdu=8mmdu=10mm