| 高根樹， 用一種新型的針輪轉子取代傳統(tǒng)的滾筒轉子來啟動離心場進行物相分離，通過對顆粒磨損動量的合理布局可充分解決磨損問題，在結構簡化、能耗降低的同時，地完成多相分離。這是一項新型、經(jīng)濟的沉降離心機技術。 1 轉鼓沉降離心機存在問題 轉鼓沉降離心機特別是碟式離心機的分離效率是很高的，但同時也存在一些問題。首先，轉鼓笨重，對動平衡要求*，維持轉鼓旋轉消耗的能量很大，轉鼓啟動時間更長達半小時；其次，是自軸心喂?jié){形成的動密封問題；其三，轉鼓液流層出現(xiàn)波浪影響轉鼓的動平衡，設備噪聲增大，壽命縮短；其四，轉鼓是外旋轉子，從技術上限制了離心機的卸料方式并與高速旋轉轉鼓形成沖突；其五，轉鼓磨損問題突出，必須采用材料。 可見諸多的問題皆出于轉鼓，因此改變轉鼓啟旋是離心機技術進步的關鍵。 2 軸流式沉降離心機的分離效率 在一個軸對稱強度為ω的強制渦旋場內，顆粒自ri 以外的斷面以一定的速度進入旋流場，在離心力的作用下通過一定的軸向距離，這個過程中有的顆?？梢缘竭_強制渦旋場外部邊界ra，有的則不能。 離心機對同等粒徑重相顆粒的分級分離效率hT為高根樹 hT=1－[exp（－ l2k/nz ）] r2a －r2i exp（l 2k/nz）/ r 2a －r2（1） k =——（rK－rA ）n2d2 2?29h （2） 式中 l——離心腔強制渦旋場的某一軸向延伸長度，m； nz——離心腔內液流的軸向流速，m/s； d ——球形重相顆粒的直徑，m； ri——重相顆粒進入離心場的截面zui小半徑, m； ra ——強制渦旋場的某一設定范圍，m； n——轉子轉速，r/s； rK ——重相顆粒物密度，kg/m3； rA ——液相密度，kg/m3； h ——液體的動力黏度系數(shù)，kg/（m·s）。 從式（1）、式（2）可以看出，離心機轉子轉速越大、離心腔延伸長度越大、腔內液流的軸向速度越小、重相顆粒直徑和密度越大、重相顆粒進入離心腔的位置半徑越大，分級分離效率就越高。 對設計有重要指導意義的一個簡單推論是只要顆粒進入離心腔的位置半徑足夠大，在一定經(jīng)濟的路徑上，離心機就可以達到100 % 的分級效率。 3 針輪轉子沉降離心機的結構 針輪轉子沉降離心機包括傳動裝置、針輪轉子、殼體、錐形離心筒、水動力分離器、卸料出漿組件等 零部件，如圖1 所示。  在殼體與離心筒之間有預分離區(qū)，離心筒上部進漿孔環(huán)周分布，大部分大顆粒物可以提前在低速區(qū)域分離沉降。 內旋轉子針輪可以由U字形線材環(huán)周掛苗均勻密集的排列組合在輪轂上組成，見圖2。 水動力分離器為錐形，壁上有孔，或采用局部覆蓋濾料。  4 針輪轉子沉降離心機的設計原理 4.1 針輪啟旋與強制渦旋場的形成 4.1.1 針輪的動平衡 針輪針苗密度大，啟旋能力強。其針苗末端自由，在輪轂一端為鉸支座約束，故而在環(huán)向能夠隨受力擺動和變形，在軸向也可以有適當?shù)霓D動和變形。針輪在轉動中能夠自我調整動平衡。動平衡等級高，可以適應轉速在1000 r/min以上的轉動。 4.1.2 針輪的啟動阻力 針輪針苗的能量傳遞方式以剪切為主，針苗排列層之間有間隙，采用局部分部啟動。針苗在徑向可以通過擺動、彎曲來化解啟動阻力沿徑向增大的影響。 4.1.3 針輪發(fā)動渦旋場的有效性 渦旋場內有針苗，故湍流廣泛存在，湍流分離有效性的影響，實際上可歸結到渦旋場內針苗對顆粒運動或目標物相移動的影響。針苗的徑向延伸，并不妨礙物相的徑向運動，顯然這一點是有利于分離的。針苗軸向分層迭置，形成一定的軸向阻力，但并非不能穿透。 針苗形成的湍流與針苗的相對尺寸、形狀有關，也與其相對目標物相的速度有關。只要截面尺寸相對于旋流場的尺寸足夠小，湍流的程度就會削弱，對有效分離的影響就可以忽略。 針苗與漿液的相對速度在不同位置可能有所不同，但是，如果把初入離心腔的漿液加速安置在針輪外周的自由渦旋區(qū)內，則強制渦旋區(qū)內的針苗與漿液的相對速度就幾乎可以達到零，從而消除湍流的影響。 4.1.4 針輪的極限尺寸 斷面為圓形，直徑為d，自r0延伸至ra的針苗，以強度w旋轉，其應力集中發(fā)生在r0 處，為拉應力。該 zui大拉應力s max 的大小為 s max=2?2rn2（r2a－r20） （3） 式中 r——針苗材料容重，N/m3； n——轉速，r/min。 從式（3）看，針苗極限尺寸與轉速的關系zui大，與延伸長度（ra－r0）的關系次之。 4.2 進漿的初始位置 針輪轉子沉降離心機可選擇多種進料位置，這要依據(jù)主要分離對象而定。 如果分離的重點對象是重相顆粒，針輪轉子沉降離心機就可以自周邊進料，側重于輕相的向心運動。這時，重相顆粒進入強制渦旋場的初始位置ri大于出口半徑ra，在理論上意味著離心機只要分離因數(shù)大到可以平衡向心流的慣量，就可以分離任意大小的顆粒。這是針輪轉子降離心機比轉鼓離心機或碟式離心機具有更巨大的分離潛力的理論基礎。 如果分離的重點對象是輕相顆粒，針輪轉子沉降離心機就可以自小于轉子半徑的位置進料，側重于重相的離心運動。 4.3 磨損動量分布 在預分離區(qū)域，在水力慣性的作用下，大部分大顆粒物不能穿過與其慣性方向鈍角相交的進漿孔，從而提前在低速區(qū)域分離沉降，能夠穿過孔進入離心腔的顆粒都是比較細小的顆粒。料漿從離心腔zui大半徑 的位置進入轉子與離心腔之間的間隙區(qū)域。結果是，越大的固體顆粒物越傾向于在間隙區(qū)域內低速旋轉， 其磨損動量不大，離心腔的磨損問題得到顯著改善。 4.4 水動力分離 水動力分離器有規(guī)律地沿柱面或錐面分配出漿，其壁孔方向與微細顆粒的離心動量鈍角相交，不適宜 通過顆粒。 4.5 加速沉降 離心筒為錐形，顆粒在壁面上獲得一個比重力大得多的離心力分量，幫助顆粒物加速向料斗移動。這 與碟式離心機碟片的作用相同。 5 針輪轉子沉降離心機的特點 （1） 分離效率高，低轉速運轉時可以作為除砂器使用，高速運轉時具有超越碟式離心機的分離性能； （2） 可以無壓自流進漿，省去泥沙泵； （3） 產(chǎn)品啟動時間短，穩(wěn)定性強，噪聲比轉鼓離心機低得多； （4） 輕便，安裝要求低，可以船載、車載遠程作業(yè)，有望應用在海洋油輪泄漏事故中用來消除海洋污染，同時可經(jīng)濟地回收資源； （5） 結構可調整的余地很大，可以根據(jù)不同的工況和安裝要求設計出多種形式。 6 結 論 針輪轉子沉降離心機采用了*的內旋針輪轉子，有效地優(yōu)化了邊界條件的軸對稱性，削弱了向心湍流對顆粒離心的擾動，縮短了顆粒沉降的路徑和時間，耦合了水動力分離、過濾技術，在理論和實踐上都有著的技術與經(jīng)濟價值。 |
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