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前　　　言

　　固液分离机广泛用于石油、化工和采矿等领域，是重要的固相分离和分级设备。固液分离设备借助离心力场完成固液分离。形成离心力场的方法主要有两种，一是靠转鼓的旋转带动液体旋转而形成离心力场，如卧式螺旋沉降离心机；二是利用液体压能和动能的转化来形成离心力场，如水力旋流器。理论和实践表明，这两种单一离心力场的强度都不大。为此，根据水力旋流器和卧式螺旋沉降离心机的基本分离强度特征和结构特点，研制了集旋转和旋流离心效应于一体的高效大处理量固液分离机。由于把旋转和旋流离心效应有机地结合在一起，使离心力场的强度大大提高，分离效果显著改善，处理量也大大提高。
　　通过对旋转旋流组合原理分离样机的试验和对整机系统的进一步分析，认为可以将供料泵与分离机设计为一体，将供料泵的功能赋予旋转旋流分离机的加速器。这样既可减少动力消耗和机泵间的能量传递损失，又可使整机结构紧凑，操作及维护保养方便，同时还可提高整机系统的工作可靠性。通过对加速器的优化设计和对比试验研究，初步证明机泵一体分离机的设计构想是可行的，只要合理设计加速器的结构参数和级数，完全能够满足分离机所需要的工作压力。因此，机泵一体分离机的技术关键是加速器的设计。

加速器的作用及影响因素

　　1.加速器的作用
　　在机泵一体分离机中，加速器主要有两个作用，一是使液体流经加速器后获得足够的能量，以利于推渣和克服流体的流动阻力；二是使液体流经加速器后获得一个超前于分离机转鼓旋转速度的旋流速度，使液体进入分离机转鼓后形成旋转旋流离心力场，提高固液分离强度和处理能力。
　　加速器的作用实质上相当于离心泵的叶轮。当电动机带动分离机加速器及转鼓旋转时，加速器的中心会形成局部真空而将吸入液池的液体吸入；当液体流经加速器的流道时，也会获得能量而将液体的压能提高。换言之，机泵一体分离机中的加速器本身具有自吸功能，同时会将获得的机械能转化为液体能，使通过加速器的液体能量增加，达到固液分离所必需的能量。
　　2.影响加速器性能的因素
　　(1)加速器中心孔直径dc　当流量一定时，加速器中心孔直径愈小，流体进入加速器的速度也就愈大，流体的局部阻力损失也就愈大。为避免过大的速度波动造成的局部阻力损失，一般要求加速器中心孔面积应稍大于加速器各流道面积之和。
　　(2)流道个数Z与截面形状　加速器的流道个数愈多，流体进入分离机转鼓后的速度分布也就愈均匀，流动就愈稳定，分离机的振动也就愈小，但加速器流道的加工制造也就愈困难。一般加速器流道个数可取3～6个，最多不超过8个。实践证明，加速器流道最好制成矩形，以易于形成旋流，同时也便于加工制造。
　　(3)加速器流道出口面积　加速器流道出口面积由流道出口高度与出口宽度决定。当分离机处理量一定时，加速器流道出口面积愈小，流体进入转鼓的速度也愈大，旋流作用也愈强，同时流体进入转鼓的冲击也愈大，进口处转鼓的磨损也愈严重。一般要求离心机加速器流道出口速度v0＝4～10m/s。
　　(4)加速器流道螺旋角　加速器流道螺旋角的主要作用是把液体从加速器中心孔引到转鼓内腔，同时产生周向旋流速度以形成旋转旋流离心力场，并为推渣提供必要的轴向分速度。当螺旋角过大时，流体沿流道出口处的轴向分速度增大，流体在分离机转鼓内停留的时间也就愈短，分离效果愈差，同时也不利于加速器出口压力的提高。当螺旋角过小时，又可能使流道出口处的轴向分速度过小，造成排渣困难。螺旋角的大小主要由旋转速度、分离机的处理量和悬浮液的性能参数决定。

加速器水力设计的相关因素

　　1.加速器中心孔直径dc
　　加速器中心孔的直径直接影响加速器进口流速及抗汽蚀性能和水力效率。决定加速器内水力损失的因素是相对速度的大小和变化，所以在确定dc时，除应考虑加速器进口对相对速度的影响外，还应考虑分离机转鼓支承轴承及密封对dc的限制要求。从减小进口冲击损失考虑，即使进口相对速度w1最小，dc也可按下式计算

　　(1)

式中Q——分离机处理量，m3/s；
　　n——分离机转鼓转速，r/min；
　　k0——系数，在考虑效率和汽蚀的情况下，可取k0＝4.0～4.5。
　　2.加速器向液体提供的能量
　　　　考虑液体径向进入加速器流道入口，参考离心泵叶轮压头的基本公式，可得到加速器转换给液体的极限能量Hi∞为

　　(2)

式中g——重力加速度，m／s2；
　　u2——加速器出口的圆周速度，m／s；
　　w2——加速器流道出口液体的绝对速度，m/s；
　　α2——w2与u2正方向间的夹角，(°)；
　　c2u∞——加速器流道出口液体的绝对速度的周向分量，m/s。
　　在有限流道内，液体的流动不可能完全受流道形状所约束，它会偏离流道方向，并在流道中形成涡旋运动，使加速器转换给液体的能量减小。对有限流道的加速器，其理论扬程Ht为

　　(3)

式中P——有限流道的理论扬程修正系数。
　　由加速器出口速度三角形得

　　(4)

式中v2m——加速器流道出口液体的绝对速度的径向分量，m/s；
　　β2——加速器出口的结构角，(°)；
　　F2——加速器出口有效过流面积，m2。
　　将式(2)和式(4)代入式(3)得

　　(5)

　　加速器提供给液体的理论压力pt为

　　(6)

式中ρ——分离机处理液的密度，kg／m3。
　　由式(6)可知，当处理液的性质及处理量一定以及分离机转鼓转速和直径一定时，加速器提供给液体的理论压力取决于加速器出口结构。选取合适的加速器结构尺寸可使液体流经加速器时水力损失最小，并获得较大的转化压力，以满足分离机对处理液压力的要求。
　　3.推渣速度验证
　　推渣速度是由加速器提供的。推渣速度的大小直接影响推渣的可靠性和处理液的固相分离效果，因此，必须根据分离要求验证轴向推渣速度。
　　固体颗粒在分离机转鼓内运动时，受到离心力、斯托克斯阻力和浮力的作用，根据这三种力的关系和沉降到转鼓壁的固体颗粒不会被液流带走的条件，可得到从转鼓内表面冲刷固相颗粒的极限速度vc为

　　(7)

式中Fr——分离机的分离因数；
　　f——固体颗粒相对于转鼓壁或沉渣的摩擦系数；
　　α——系数，取决于固体颗粒形状，一般由实验确定；
　　v0——重力沉降速度，即在重力作用下，固体颗粒在液体中的运动速度，m／s,可表示为

　　(8)

式中μ——流体粘度，Pa.s；
　　Δρ——固相与液相的密度差，kg/m3；
　　d——固体颗粒直径，m。
　　考虑液体粘附力Fa时，则

　　(9)

式中k——粘附系数，N/m。
　　根据加速器的结构特点，液流从加速器出口流出的轴向分速度vz为

vz=v2sinγ　　(10)

式中v2——加速器流道出口液流速度，m／s；
　　γ——加速器流道升角，(°)。
　　由加速器流道出口速度三角形可得

　　(11)

　　由此可见，影响液流推渣速度的因素很多，在分离机工作参数一定时，推渣速度vz主要取决于加速器流道的结构参数。为保证用液力可靠地推渣，应满足vz≥vc。值得指出的是，液流从加速器流出后，由于旋流效应，液流的轴向速度并非恒定不变，它从转鼓中心向鼓壁逐渐减小，并沿轴向也有所减弱。因此，在验证推渣条件时，应根据具体情况验证，保证都能满足要求。
　　4.推渣压力验证
　　液体流经加速器后获得了动能和压能。其动能一方面使液流加速运动并在离心力作用下分离固相；另一方面是冲刷沉降到转鼓壁上的固相颗粒。压能使液流克服固相颗粒与转鼓壁的摩擦阻力和粘附阻力，防止沉渣在转鼓内堆积。因此，液体流经加速器后，获得的压能能否达到克服推渣阻力的要求是液力推渣是否可靠的又一重要因素。
　　(1)物料层作用在转鼓壁的离心液压力　　　根据对分离机转鼓内液体运动的分析，可得到转鼓内液体沿径向的压力分布为

　　(12)

式中ρ1——液体的密度，kg/m3；
　　c1、c2——积分常数；
　　r——转鼓内液体的径向半径，m；
　　r0——转鼓内自由液面半径，m；
　　w——转鼓的旋转角速度，rad/s。
　　将r＝R（转鼓内壁半径）代入上式，即可得到转鼓中物料层作用在转鼓壁的离心液压pmax的表达式

　　(13)

　　物料层作用在转鼓壁的离心液压力Nmax为

Nmax＝pmaxA沉渣　　(14)

式中A沉渣——转鼓内沉渣面积，m2，A沉渣＝2πRL沉,其中L沉为转鼓内沉渣长度。
　　(2)推渣条件　　推渣所要克服的阻力，即沉渣与转鼓壁间的摩擦阻力P阻为

P阻＝Nmaxf＝pmaxA沉渣f　　(15)

　　加速器出口液体压头产生的推力P推为

P推＝ptA　　(16)

式中A——转鼓内液体环形面积，m2。
　　保证从加速器流出的液体能可靠推渣，应满足条件P推≥P阻。

试验研究及结果

　　为了验证旋转旋流组合原理新型分离机的分离效果、处理能力和机泵合一的可行性，笔者设计了转鼓直径为200mm的旋转旋流组合原理分离机试验样机，并建立了试验台架，对分离机的分离效果、处理能力和功率消耗等进行了试验研究，并对加速器改进前后流道结构参数和流道个数等对分离机的分离效果、功率消耗等的影响进行了对比试验研究。设改进前进口压力为p1，转鼓电动机消耗功率为W1，设改进后进口压力为p2，转鼓电动机消耗功率为W2，试验结果见表1和表2。

表1　组合原理分离机参数测试结果