本科毕业设计--FX250型分级水力旋流器的设计与研究.doc

毕业设计论文-分级分离水力旋流器 摘 要水力旋流器是分级、脱泥、浓缩、洗涤、净化、磨矿控制等多件用高效率分选设备。广泛用于黑色金属、有色金属、非金属尾矿的造矿领域中，是矿山分级、尾矿筑坝、提纯、油田泥浆净化等的理想产品。它具有结构简单、操作方便、生产能力大、无转动部件、运行可靠、占地面积小和易于实现自动控制等优点。但它也受到操作条件的影响，稳定性较差、动力源的功耗较大。从水力旋流器的基本结构和工作原理出发,综合评述了水力旋流器在食品工业中具有代表性的应用情况。进而指出,随着科学技术的发展和对其研究的不断深入,水力旋流器将在食品工业领域发挥更为重要作用。此次毕业设计的课题就是分级水力旋流器的研究与在食品工业中的应用。叙词:水力旋流器食品工业应用中图分类号:TS203 文献标识码:AAbstractMany of the waterpower swirler is to grade and sheds mud and concentrating and wasing and purifying and mill mine control etc selects separately equipment with the high efficiency rate . Extensively being used the making in the domain of mine of ferrous metal , nonferrous metal and nonmetal tailings is that dam , purification and ideal product that the slurry purification in oil field waits are built to mine hierarchical and tailings . It possesses the structure simply and operation convenience and production capacity greatly and the nothing moves the parts and the operating is reliable and covers an area of the area small unassuming in realizing the merits such as automatic control etc . But it also suffers the influence of operating condition operational condition , and the stability is wronger and the motive force work loss of source is bigger .AbstractAstheapplicationofhydrocyclonesisgettingmoreandmoreinterestsofengineers,theirrepresentativeapplicationinfoodindustryisintroducedinthispaper.Tosumup,hydrocyclonescanbeusedforoperationsofclarification,thickening,washingandclassificationinvolvedinmanyfoodprocessing.Furthermore,hydrocyclones,especiallymini-hydrocycloneshavealreadyfoundtheirwayintobioengineering,suchasyeastseparation,ect.Onmanyoccasions,hydrocycloneshavesubstitutedforotherseparationequipmentandplayanimportantrole.Itcanbeexpectedthathydrocycloneswillfindwiderapplicationinvariouscasesofthefoodindustry.The subject of this graduation project is the research and application in food industry of hierarchical waterpower swirler .KeywordsHydrocyclones,Foodindustry,Application 旋流分离是一种分离非均相液体混合物的设备，是一种高效、节能的分离技术,水力旋流器是旋流分离技术的关键设备之一。它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相的分离，由于离心力场的强度较重力场的强度大得多，因此水力旋流器比重力分离设备的分离效率要大得多。水力旋流器结构简单,无运动部件,操作维护方便,分离分级性能优良,运行可靠,对不同工艺过程的适应性较强。它可以完成液体澄清、料浆浓缩、固粒分级、液体除气与除砂、非互溶性液体的分离等多种作业,在工业上得到了广泛的应用。近年来,小型水力旋流器(直径50mm)在国内外受到关注,因其分离因数值高而特别适用于微细颗粒悬浮液的分离分级操作,分离的边界粒度可达25m,是一种新颖、高效的离心分离设备。一.水力旋流器的发展早在1891年，Bretney就在美国专利上申请了第一个水力旋流器的专利。1914年水力旋流器正是应用于磷肥的工业生产。直到20世纪30年代后期，水力旋流器才以商品的形式出现，主要是用于在纸浆工业中水处理。在20世纪40年代前期，荷兰国家矿产部开始资助大吨位的选煤和矿石处理方面的研究，此时水力旋流器的应用提供了两项分离所需的动量。1953年以后才开始出现大量的有关水力旋流器方面的文献。 对于水力旋流器的研究是从理论研究和工程应用研究方面展开的，后者直至二次大战期间在美国原子能委员会和英国原子能管理局共同支持下才开始进行，主要集中在关联操作性能以及在各种分离过程中的作用。在后续的研究中才比较多地考虑到流体力学原理及其分析方法，至1965年，文献中共积累有600多篇有关水力旋流器方面的研究论文及55篇专利，此时水力旋流器已经成为一种标准的固-液分离设备。 20世纪60十年代以后，人们开始将水力旋流器应用于实验设备以及其他更广泛的工业领域，主要的有矿冶行业中的颗粒分级、矿物质回收与水处理、化学工业中液-液萃取、固-液滤取、结晶，空间技术中的零重力场分离，机械加工行业中回收润滑油及贵重金属，电子工业中回收稀有金属，生物化学工业中的酶、微生物的回收，食品与发酵工业中的淀粉、果汁、酵母等与水的分离，石油工业中的油-水分离、油-水-气分离与油-水-泥分离等。目前，水力旋流器已经在广泛的领域内被认同，而且其应用利于正在越来越多。二在食品工业中的应用情况2.1淀粉加工业在淀粉加工业中水力旋流器可完成淀粉的分离、洗涤、浓缩、精制、除石、去砂等多种作业,还可用来处理含淀粉的废水。到20世纪80年代,水力旋流器在淀粉加工中的应用已经发展到几乎整个分离洗涤工序都可由旋流分离来完成的阶段。水力旋流器是一种离心分离设备,与原始的重力沉降设备相比,其离心加速度是重力加速度的几千倍甚至几万倍,分离操作时间很短,并且淀粉的提取率和质量高。而与离心机相比,尽管水力旋流器的离心分离能力有限,但若选择合适的结构和操作条件,完全可以满足淀粉加工的需要。如果使用单级水力旋流器尚不能达到分离要求,则可以采用多级串联或混联旋流器组。对于纤维等与淀粉裹缠在一起而难于分离的成分而言,旋流分离更是具有无可比拟的优势。在水力旋流器内流体的剪切力作用下,部分与纤维、皮渣、果胶等有机物结合在一起的淀粉被洗涤下来进入水中,最终形成淀粉、可溶性固形物、纤维、渣和水所组成的多相体系,再通过离心分离将这些物质按形状、密度、粒度等因素分离开来。因此按传统工艺,淀粉乳的分离工序都是由筛、离心机、水力旋流器等多种设备组合来完成,现代新工艺技术的主要发展趋势则是采用改进的水力旋流器替代复杂的设备组合,从而达到简化、高效、节能的目的。淀粉颗粒的尺寸从几微米到上百微米,均可采用小型水力旋流器进行分离,也就是通常所说的旋流管。依据淀粉的种类不同,常用的旋流管直径有10mm、15mm和30mm。为了保证生产能力,每个旋流器可由数十个旋流管组装而成,并采用多级旋流器串联操作的方式来达到理想的分离效果。目前常用的大规模淀粉生产线,其分离工序都采用了全旋流或部分旋流的工艺过程。图2为一种典型的马铃薯淀粉全旋流分离系统流程图,该系统由15级旋流器构成,旋流管直径30mm。目前,国内用于马铃薯淀粉加工的全旋流装置主要是20世纪90年代从俄罗斯进口的。2000年中国农机院完成了“马铃薯淀粉全旋流关键技术与装备”研究项目,成功地设计了具有技术自主权的全旋流系统装置,填补了该项技术的国内空白。采用全旋流工艺可以减少设备的数量,缩小占地面积,降低设备投资和使用、维护费用,降低清水的消耗量。同时采用封闭操作,还解决了因蛋白质与空气广泛接触生成大量难以消除的泡沫而降低生产效率和淀粉提取率的难题。图2马铃薯淀粉全旋流分离系统流程图 小麦淀粉的传统分离方法是采用落后的敞开式半机械化工艺,即间歇式马丁法。利用离心分离的原理进行小麦谷朊粉和淀粉的分离是一种全新的工艺。其中一种称为拉西奥工艺,即先用卧螺离心机得到粗淀粉乳,再用7级旋流器逆流洗涤系统精制淀粉乳,尽可能除去粗淀粉乳中的谷朊粉,同时采用3级旋流器系统洗涤溢流,回收淀粉。该工艺与传统方法相比,具有提取率高、能耗低、产品质量高等特点,在国外已相当成熟,但我国直到20世纪90年代才开始引进上述工艺设备进行小麦谷朊粉与淀粉的工业化试生产。另一种工艺则是用9级旋流器逆流洗涤系统制得粗淀粉乳,过筛除去麸皮后,再用3级旋流器浓缩得到精制淀粉乳。与传统方法相比,该工艺具有用水量少、生产效率和产品质量高等优点。玉米淀粉的分离工序中一个不可缺少的环节就是淀粉乳的精制,此工序也是由多级旋流器系统来完成。要获得纯度理想的产品,一般需要814级旋流器,采用直径10mm的旋流管。淀粉加工中使用的除砂器也是水力旋流器的一种,多用于离心分离之前的预除砂,这样可以大大减少由于磨损造成的设备维护费用,同时产品的洁净程度也得以提高。2.2 制糖业食用砂糖在最终加工成成品之前,应尽可能除去糖汁中的不溶性杂质,以提高糖的质量和商业价值。因此糖汁澄清在制糖过程中显得尤为重要。传统的糖汁澄清方法是采用过滤器(如板框过滤机)过滤,使用这种装置劳动强度大,运行成本高,而且有助滤剂渗漏污染产品的危险。高速转筒离心机作为过滤器的替代品已在许多国家使用,这种离心机转速超过4500r/min。与压滤装置相比,离心机对物料的适应能力强,自动化程度高,且无污染。然而糖液在进入离心机之前除了必须用水力旋流器进行预处理外,还须定期清洗高速转筒离心机离心转筒表面的草酸盐层。另外,耗电量高及噪声大也是其难以克服的缺点。用AlfaLavalMOCL112旋流管(10mm)代替离心机也能达到理想的澄清效果。除澄清液中不溶物的浓度稍高外,澄清液的浑浊度仍保持在正常范围,并且其安装和运行费用要低得多1。2.3乳制品生产 很多饮用乳制品都要经过均质处理,将大团的脂肪球破碎和细化,这样乳脂肪就会均匀地分散在牛奶中,而不会浮在表面形成脂肪层。此外,均质处理还用来防止乳脂肪从奶油、奶粉和冰淇淋中析出。若将水力旋流器与均质机配套使用,在均质前用水力旋流器将大团的脂肪球分离出去,单独进行均质处理,这样不但可以提高均质效率,同时水力旋流器内强大的剪切和湍流运动,还会起到破碎脂肪球、进行均质的作用。2.4植物油生产要将油料中的油充分提出,有时仅靠压榨是不行的,通常要用溶剂萃取法进一步使油料中的油转移出来。油充分溶出后要将油渣从油和溶剂构成的混合物中分离出来,这一作业传统上是由过滤器来完成。因为离心机自带马达和运动部件,而提取油用的溶剂通常又是易燃性化学溶剂,所以使用离心机存在安全隐患,除非采取附加的防爆措施。水力旋流器因本身不含运动部件而不存在安全问题,它完全能够完成这一分离作业1。有些植物油在分离完成并使油中的溶剂挥发后,还需进一步精炼才可食用。可以加入苛性碱水溶液在4085下对油进行处理,然后再用水力旋流器将这些水溶性的乳状液分离出去。2.5 饮料加工以葡萄为原料加工葡萄酒或葡萄汁等饮品时,必须解决酒石酸结晶沉淀的问题。目前,最先进的方法是向酒中接种结晶核,使酒石酸迅速结晶沉淀,进而过滤除去。同时为了降低成本,还要尽可能使晶种能够循环利用。水力旋流器则可用于晶种的回收,而且在将晶种分离出来的同时,其内部强大的剪切力还能充分清洗晶种。2.6废水再生处理食品工业废水中的固体物质主要是蛋白质、碳水化合物等有机物,将这些物质排放到河流后,会产生污染。处理这类有机废水最主要的方法是利用生物化学反应,将有机物分解再利用。但这种方法成本很高,运行费用昂贵,相对而言,机械分离法则便利得多。水力旋流器常用于废水处理,一方面可将澄清后的水循环使用,另一方面回收的有机固体可作为副产品,加工成饲料或肥料。若用离心机处理污水, 通常也要先经过水力旋流器除砂。国外采用直径10mm或15mm的旋流管回收清洗玉米、小麦、马铃薯后水中的淀粉,以一定方式组合联接而成的系统可连续得到波美度达22的淀粉乳,淀粉回收率高达98%99%9。另外,水力旋流器可有效地处理加工方便食品、速冻食品、罐装食品和淀粉产品所产生的含淀粉的废水。禽类、鱼类屠宰加工中产生的含蛋白物质的废水也可用水力旋流器处理。例如在加工马哈鱼、蟹、虾等海产品时,用多级旋流器系统回收废水中海产品的碎块,并将废水澄清。另外,还可用水力旋流器回收和漂洗海鱼卵等。2.7其他方面在肉骨产品加工中,有效的肉骨分离方法对保留骨中富含的磷酸钙等营养成分,实现肉和骨的合理利用至关重要。采用机械挤压悬浮法可以在水力旋流器中实现肉和骨分离,在获得去除水分后的肉蛋白产品的同时,也获得了具有多种用途的骨产品。近年来,水力旋流器已经被应用到生物工程中,如多环芳香烃的分离、水的杀菌、酵母等微生物细胞的分离、生物固相物的分离等,这些应用技术的成熟,必将加大水力旋流器在食品工业领域中应用的范围和深度。三. 工作原理和基本结构 3.1工作原理水力旋流器是利用离心力场加速重相颗粒沉降和强化分离过程的分离设备。一般的水力旋流器由进料管、柱锥旋流腔、溢流管和底流管组成,其内部流体的流动是一种特殊的三维椭圆形强旋转剪切湍流运动。与离心机相比,水力旋流器的器壁固定,是非运动型分离设备。受旋流腔内几何结构的限制,其内部的流体以渐开线、切线或螺旋线的方式加压进入后产生涡旋运动,这种涡旋运动由两种基本的旋转液流构成,即顺螺旋线向下运动的外旋流和沿螺旋线向上运动的内旋流,它们的旋转方向相同,但轴向运动方向相反。在强大的离心力场的作用下,外旋流携带大而重的物料由底流口排出,内旋流携带小而轻的物料由溢流口排出。图1为水力旋流器内液流的双螺旋模型。水力旋流器内流体运动的特殊性使其既具有离心分离作用又具有洗涤作用,离心分离作用是由离心力场决定的,洗涤作用则由水力旋流器内存在的强大的流体剪切力场决定。剪切力的作用使得水力旋流器在许多洗涤和分级场合有很广泛的应用前景。 图1水力旋流器双螺旋模型按照BradIey的定义，水力旋流器是一种利用流体压力产生旋转运动的装置。这一定义也许不够全面，但确实揭示了水力旋流器工作原理的本质特征。若流体以静压力初速度沿切向给入旋流器且为分析简单期间不计压头损失，则在入口处与螺旋形流线上的另一点列出伯努利方程 （31）式中-流体密度 p、u-流体在流线上某一点的压力与速度按通常的方法，在主坐标系内，水力旋流器的流体速度u可分解为径向速度切向速度及轴向速度沿切向输入的流体在不计损失的情况下，其旋转动量矩将保持不变，即：=常数可见，随回转半径r的减小，切向速度增大。而在进口处，r=R（R为旋流器圆柱段半径）。这样，旋流器内部任一点r,从而p,即流体的静压头转换为速度头（东压头），或者如Bradly所说，流体压力产了旋转运动。 在这样的旋转流场中，进入水力旋流器的固体颗粒或液滴、气泡等所受到的惯性离心力比重力场中所受到的重力要大得多；通常离心力强度来表征这种强化作用。定义为离心加速度与重力加速度之比 在水力旋流器中，这一比值通常高达几十、几百甚至上千倍，从而大大强化了分离过程。此外，离心力场与重力场的另一显著区别是离心加速度对回转半径的强烈依赖关系：在理想流体的情况下，应与成反比，可见，随回转半径的减小，离心力强度急剧增大。 由此可见，在受力平衡的条件下，粒度越大的颗粒，达到受力平衡后的回转半径r也就越大。这样，只要水力旋流器内的分离空间足够大，则在离心力场的作用下，不同粒度的颗粒（包括液滴、气泡）沿旋流器的径向就形成了一定的分布规律，这种分布规律是水力旋流器进行有效分离的必要条件。固体颗粒在水力旋流器内达到规律分布以后，还须借助于旋流器本身的特殊结构将至分成粗细两部分并分别排出，从而最终完成分离作业。水力旋流器的结构特点主要有两个方面。其一，在柱体上段接入溢流管，它的作用是排出进入溢流管的流体。当分散相颗粒的密度大于连续相流体的密度时，分散相颗粒将从旋流器的底流口排出。为了减少由于短路的作用而使进入旋流器顶部的分散相颗粒直接从溢流管排出从而降低分离效率，在这种旋流器中，溢流管还要向旋流器内部插入一定深度。对于分散相颗粒密度小于连续相密度的情况，分散相介质是从溢流口排出的，因此这种短路不会降低分离效率，在设计溢流管时没必要将溢流管插入至旋流器内部。其二是主分离区的锥形设计，这种结构亦具有两个作用，一方面便于器壁处的颗粒从底流口排出，另一方面可弥补实际工作中流体的能量耗散而在整个主分离区保持相似的回转运动。一般可以认为，旋流器重远逐段的主要作用就是是切向进口处的流体能够达到相对来说比较均匀的流场，在圆锥段内进行分离，而圆柱段本身的分离作用并不十分常明显。综上所述，水力旋流器的工作原理应包括三部分：首先，依靠切向输入流体的静压力产生旋转运动；继而，在该旋流器中完成待分离物料的空间规律分布；最后，经特殊的结构设计实现分离。依据这样的工作原理，水力旋流器已在诸多分离领域获得应用。可以说，凡是牵涉到不相容的两相或多相液体混合物分离的场合，水力旋流器皆可发挥其作用。3.2基本结构水力旋流器之所以能在众多领域得到广泛应用，是由于它具有结构简单、占地面积小、设备成本低和处理能力大等众多优点。在这些优点中，其结构简单是首要一点。但是，随着现代工业的发展，各行各业对水力旋流器提出了更多的要求。为了提高常规水力旋流器的性能，多年来对水力旋流器的结构及其形式进行了许多独特的改进，是水力旋流器的结构形式日趋多样化。典型的常规水力旋流器的器壁为柱锥形筒体结构，其上部为圆柱筒体，下部为圆锥体。其大体结构有进料口，溢流管，底流管，出料口等几部分构成，大体如下图所示。 图 水力旋流器结构图 1进口管 2.圆柱体 3.锥体 4.卸料口 5.溢流管（或排气管） 3.2.1水力旋流器的局部结构类型水力旋流器的局部结构包括进料口结构，溢流管结构，底流管结构和旋流器器壁结构。1 进料管结构进料管结构一般又包括横截面形状、纵截面形状以及与旋流器顶部柱段相贯的形状等几方面内容 。横截面形状也成为断面形状，一般以圆形截面用得最为广泛。在实际应用中，也有些旋流器的进料管截面为矩形，这样能使进料口处液体的湍动和扰动程度减弱，从而降低水力旋流器的能量耗损。进料口纵截面的形状一般指与旋流器轴线相垂直的进料观众心弦的截面形状，通常为两条平行线虽未成的不收缩形通道，也有许多水力旋流器采用具有收缩形纵截面的进料管，这样可使流体在进料口处加速以坚强旋流器内的离心力强度，是水力旋流器内的细粒分选更加有效。水力旋流器得进料管一般为二维结构，它与水力旋流器柱钝相接形式通常为切线形，切线形容易造成进料口处的扰动和湍动，而且由于流体的转向损失和涡流损失等而造成较大的局部阻力，所以这种进料管引起的进料部位局部能量耗损巨大。于是，除切线形进料管外，还出现了渐开线形，弧线型，螺旋线型，同心圆型以及多管对称进料等多种形式。这些形式能使进料部位能耗降低，是处理能力增大。为了使流体进入水力旋流器的流动水力旋流器内流体旋转运动之间的流动角度差减小，从而减小因流体转向损失引起的局部阻力，可采用三维螺旋形进料管，这样能使进口处的扰动和湍流脉动得到有效控制，降低了进口部位能耗，提高了水力旋流器的处理能力。2.溢流管结构水力旋流器的溢流管一般为薄壁直圆管。一般情况下，固液旋流器中的溢流管要向圆柱段内插入一定深度，而轻质分散相水力旋流器的溢流管一般直接与旋流器的顶盖连接、不向圆柱段插入。为了消除薄壁纸圆管对重质分散相水力旋流器性能的某些不良影响，或为了使旋流器用于某些特殊场合，人们提出了许多水力旋流器的溢流管特形结构。如：带环齿形外壁的溢流管，厚壁溢流管，渐扩管型溢流管，虹吸式溢流管，外带环流旁路的溢流管，双管式溢流管。3.旋流器的器壁结构 一般情况下，柱锥形水力旋流器的器壁内表面应保持光华，即为连续性无奇点柱椎内表面。但是为了满足某些特殊要求或改进水力旋流器的性能，出现了一些与传统形式相差甚远的旋流器器壁结构。如：螺旋形阶梯状器壁、环形阶梯状器壁、曲面锥形器壁、细筛形器壁、带砂库的器壁、挂耐磨冰冻衬层的器壁、带阶梯状多分离室的器壁、多孔材料器壁、带注水孔的器壁等等。4.底流管结构 水力旋流器底流管一般为直圆管，底流产品从中直接排出。需要注意的是一般固液旋流器的底流口为固体颗粒排出口，液体的含量较少，当底流产品直接向大气排出时，空气会进入旋流器内形成固液旋流器中的特殊现象-空气柱;对于液液旋流器来说，底流口与溢流口排出的都是液体，可直接与液体输送管道相连接，不致于友空气进入旋流器形成空气柱。为了改进旋流器的性能，也出现了一些特殊形状的底流管结构以及特殊的底流管外附加结构。如：渐扩管型底流管、不同底流口结构、带胶皮活门的底流管、带单向阀的底流管、外带水风箱的底流管、外带增稠器的底流管、外带储砂仓的底沉口、外带储液室的底流管、带锥口的底流管。3.2.2水力旋流器的内件 通常水力旋流器是一种中空的分离设备，只是利用其设备的外部结构尺寸是流体产生旋转，进而产生离心作用来是流体达到分离的目的，一般，通过调节水力旋流器的一些结构尺寸可以改变其分离性能，但是在某些特殊物料以及特殊需要的情况下，但除通过改变结构尺寸来满足其分离要求的需要会付出很大的代价，这是可以通过其他的方式来实现目的，其中之一就是在旋流器内设置各种形式的内件。如：带导向装置的旋流器、圆柱段带螺旋导向叶片结构的旋流器、带涡流产生器的轴向旋流器、带挡板的旋流器、中心带固棒的旋流器、溢流管外带旋转叶轮的旋流器、内带空气导管的旋流器、内部具有小旋流器的旋流器、带弹簧振子的旋流器、内部增加卸料螺旋的水力旋流器等等。四. 水力旋流器内固相颗粒的运动41 综述固相颗粒进入水力旋流器后，即同液流一起绕水力旋流器的轴线作旋转运动，同时颗粒还作袖向和径向运动，其运动速度依其所受作用力的相互关系而变化。颗粒越细或颗粒密度与液相密度之差越小，它们的运动轨迹与液流流线越接近。极细颗粒在水力旋流器中的运动几乎与液体质点的运动相同，而且它们在底流与溢流之间的分布比例也同液体分配比例一样，这样的颗粒不能从液相中分离出来，而较粗的颗粒由于所受离心力足以使其依靠离心沉降而与液相流体之间产生相对运动，从而得以与液相分离。固相颗粒在水力旋流器内所受的作用力有：离心力、重力、依运动粘度和湍流粘度而改变的液体动压力及颗粒与液体界面上的摩接力；随悬浮液浓度而变化的阿基米德力；产生于湍流的上升力：对其他颗粒及水力旋流器壁碰撞时产生的力，等等。在研究中把所有这些力的综合影响都考虑到是不可能的，因为这些力的大小随水力旋流器的工作参数和被处理物料的持性不同而变化。所以、在研究水力旋流器内固相颗粒的运动时，都要进行一些简化和假设。通常只从液相介质中取出个单独颗粒来，并在仅考虑其所受离心力、向心浮力和流体阻力的条件下研究固相颗粒的径向运动。水力旋流器内固相颗粒的运动与液体的流动一样是认识水力旋流器内固相颗粒分级分离过程机理的基础。本章将介绍水力旋流器内固相颗粒的速度分布、浓度分布、粒度分布、不同密度颗粒的运动及分布以及重介质旋流器中按密度分层的规律。42固粒的径向运动速度 固体颗粒的径向速度对水力旋流器的分离分级性能影响甚大，它被认为是旋流器流场中最为重要的一维速度。实测结果表明，在水力旋流器锥段各截面上，颗粒的径向速度分布规律具有相似性。除空气校外，颗粒径向速度从袖心到器壁呈由大至小分布，最大速度值出现在靠近空气柱处。颗粒径向速度的变化幅值，在内旋流中明显大于外旋流。VtRm=C式中v为颗粒径向速度，m和c分别为与实验条件及截面位置有关的指数和常数 从图31中还可看出，在其他条件都不变的情况下，在空气性附近，随着半径r的进一步减小，密度较小颗粒的径向速度明显大干密度较大颗粒的径向速度然而，仅仅了解颗粒的径向速度还不足以说明水力旋流器中固液两相的分离成因，更重要的是要知道旅流器中固相颗粒与液相(水流)的相对速度。正是由于固相与液相具有径向相对(滑移)速度，水力旋流器内的分离或分级才得以实现。颗粒与液流间的相互作用是水力旋流器分离的关键。如31中所述，颗粒在水力旋流器中将受到离心力、液体阻力及湍动附加力等多种力的共同作用。但在受力分析中，欲将所有的作用力影响都加以考虑，几乎是不可能的，因而必须进行简化。通常认为，在水力旋流器的分离分级过程中，颗粒运动主要受径向离心力和液体阻力(曳力)的作用，而其他各种力可以忽略不计，由此得出颗粒运动微分方程 43 固粒的轴向运动速度水力旋流器大部分流区中固相颗粒的轴向速度沿径向的分布规律与液流的轴向速度分布基本一致：但在锥段中上部，存在较明显的差异。图32所示的固粒轴向速度分布曲线表明，在旋流器锥段的中上部，存在一个由两条零包络线所夹的低速区(在液流中，一般仅存在一条零包络线)。实测中还发现，在激光测速仪的激光束照射下，可以清楚地看见，在上述低速区中时有颗粒原地“打转”或悬浮不动的现象发生。轴向速度的低速区是由于环涡流的作用而形成，位于此区域(不同于文献79中的零速过渡区)中的颗粒只能沿着径向运动进入内旋流，而不能进入锥段下部或外旋流中被分离出去。它表明，轴速低速区属于分离“低效区”或“死区”，进入该区的颗粒难以被分离；而只有当这些颗粒随内旋流上升到柱段后，才有可能被再次分离。固液分离低效区的存在，严重地影响了水力旋流器分离工作的顺利进行；故消除或尽量减小该区的范围，应作为改善水力旋流器的性能，提高分离分级效率的有效措施之一。颗粒在水力旋流器中的运动有很强的规律性。在锥段，颗粒的径向速度方向几乎都由器壁指向中心(轴心)；其中，在外旋流中的颗粒是沿器壁向下滑动，而进入内旋流中的颗粒又以较大的轴向速度向上朗溢流口方向运动。在柱段上半部，颗粒沿径向的运动方向，却又大都是由中心朝器壁方向(溢流管外壁附近除外)。这样，除水力旋流器壁面附近的较粗颗粒将随外旋流下滑至底流口而被排出，以及空气柱表面附近的细颗粒将进入溢流管外颗粒在水力旋流器内部的基本运动状态可以描述成为：从柱段到银段，经器壁到中心，再上升至住段，然后回到器壁，作明显的涡(回)旋运动；其颗粒的运动轨迹构成了一簇闭环涡线，进入内旋流中的颗粒并不一定都会从溢流管中排出；在溢流管的下端，它们可能重新进入待分离的悬浮液中而被再次分离。这个结论与传统的认为零轴速包络面(LZvv)是因相颗粒的绝对分界面的论点不甚相符对此，水力旋流器内的颗粒沿径向朝中心或是向器壁运动，无论颗粒沿径向是胡中心或是向器壁运动只要在底流口附近还保持在外旋硫中，它们就会随下旋的底流从底流口被排出。而那些在旋流器锥段被卷入内旋流的颗粒，在向中心运动的同时，还将随内旋流的上升又回到柱段。然后，它们中的一部分在溢流管下端附近，又会随液流朝向器壁运动，从而被再次分离。以上所述的颗粒在水力旋流器中的运动规律都说明了LZVV界面不是颗粒分离的绝对分界因为在LZVV界面内侧的颗粒，仍还有可能被再次分离。颗粒轴向滑移边度只与液体和颗粒的物性有关，而与旋流器流场的运动速度无关。44固粒的切向运动速度 关于水力旋流器内固体颗粒的切向速度，考虑到颗粒在切向的运动几乎不受任何力的阻碍(不计较大颗粒作用于液流相的滞后摩阻力)，故可认为，颗粒的切向速度与该处的液体切向速度相同。这已得到实测结果的证实。45 颗粒的浓度分布 颗粒浓度实测结果表明，水力旋流器中悬浮液的最大浓度并不是出现在以前通常认为的器壁附近，而是发生在固粒轴向速度为零处。在旋流器柱段和锥段的接合部附近截面上，固相颗粒轴向速度出现了两个零速点(如图32所示)；而在该处的颗粒浓度分布正好对应有两个峰值，这充分表明，颗粒的浓度分布和速度分布两者之间，有着必然的内在联系。浓度最大值出现在轴向速度为零处，是因为该处的固粒运动合速度也达到了极小值；而四周颗粒速度的逐渐降低，将促使这些颗粒向速度最低的地方聚集，从而造成了在固粒速度最低处，悬浮液的绝对浓度达到了最大值。 对水力旋流器内部悬浮液浓度分布规律的了解，可以帮助我们进一步认识旋流器器壁磨损机理。水力旋流器内壁表面磨损的主要原因不是因为该处的固相颗粒太多，而是由于器壁附近的固粒尺寸较大且具有较高的运动速度。即器壁受到具有较大动量的固相颗粒碰撞，才是水力旋流器内壁易受磨损的主要原因。五.水力旋流器的主要参数51基本结构参数 水力旋流器的结构参数是旋流器设计与制造过程中要确定的，其中的结构参数如何也就决定了它的分离性能有关旋流器的结构参数可分为几部分来进行说明。（1） 进口部分 包括界面的形状，进口流动通道的形状，进口管的个数， 进矿口的尺寸等（2） 圆柱段部分 包括圆柱段的直径，圆柱段的长度，与圆柱段相连的溢流管的直径与插入旋流器的长度、溢流管旋流部分的壁厚等。（3） 椎段 椎段的个数，椎段的椎角，底流口的直径，如果是双椎段，还要确定两椎段之间的直径（4） 尾管段 主要是尾管段的长度，尾管段的直径一般与底流口直径相等这些参数决定了内流场的形势以及对旋流器的操作性能的影响，所以确定旋流器的组合尺寸是旋流器技术中的一项很重要的内容。52 物性参数物性参数主要包括分散相的颗粒尺寸，两相的密度，黏度及表面的张力。由于旋流器的分离效率随分散相颗粒的尺寸的增加而提高，所以颗粒尺寸是影响旋流器操作性能的重要参数，两相之间的密度差的大小决定了一定操作条件下离心力场的强度大笑，黏度及表面张力则影响流体的剪切力大小及液滴的难易程度。 53操作参数操作参数包括很多：（1）温度T 温度的高低影响物性参数，特别是流体的黏度，表面张力。（2） 进出口料液的流量q 进口料液的流量也就是旋流器处理料液的能力，在固液旋流器里也成为生产能力。进口料液的流量直接决定了内流场的强度，将直接影响旋流器的性能，当流量小时，旋流器的流速也小，离心力液比较小，不足以对两相混合物进行有效的分离，当流量增大时，不仅通过旋流器的压降增大，而且有可能是液液混合物的分离效率降低。（3） 进口处的压力p1 进口料液的压力在固液旋流器的也叫给矿压力，进口料液的压力的大小对很多的性能参数以及其他的操作参数都会发生影响（4） 进口分散相浓度k1或 c1 k1 时表示进口分散相的浓度，c1表示分散相的质量浓度，进口分散相的浓度的大小决定被分离的分散相的流量的大小，为了适应这种要求，在设计底流口与溢留口尺寸时必须要考虑进口料液的浓度以及因此分配在两个出口处的分散相的流通面积。（5） 分流比f 分流比表示分散香料液的排出口处的体积浓度流粮站进口体积流量的比值，在固液分离中，分流比也叫流量比（6） 分股比 也叫流量分配，是指正式生产旋流器的的底流口的总体及流量溢流口的总体积的流量之比。（7） 水量比FW 水量比时值正式生产旋流器底流口中的水量与进料口中的水量之比（8） 水量分配比 水量分配是指正常生产旋流器底流口中水的流量与溢流管水的流量之比（9） 产量分配s 产量分配是指正常生产中旋流器的底流口中的固体物料与进口料液中的质量流量之比54 性能参数所谓性能参数，是指反应一个旋流器的各方面操作性能的量化指标，也就是我们设计旋流器的主要依据，这些性能指标归纳起来有以下几个参数（1） 分离效率和折算分离效率 是水力旋流器分离性能的最主要指标，这种指标主要用来表示一个具体的旋流器，针对具体的物料性质与分散相粒度。在具体操作过程中所能达到的实际分离效果，根据习惯，在固液分离中，奋力效率表示的识别分离吊的分散相物料站进口物料的体积百分数。折算分离效率表示的是取出未被分离而随底流口和溢流口的液体排出旋流器的分散相的那部分影响厚的实际的分离效率（2） 级效率和折算级效率（3） 压降六. 水力旋流器的尺寸确定 此次所涉及的FX250型水力旋流器的具体尺寸如下： 旋流器直径：250mm 溢流直径：60mm 沉砂嘴直径：35mm 进口当量直径：20mm 此次设计的旋流器的性能指数如下： 单台体积料浆处理能力：Q=3KaKdDiDo 其中Q-单台料浆的体积处理能力 Ka-锥角校正系数 Kd-直径当量系数Di,Do-进口当量直径、溢流口直径，mm;Po-进口压力Mpa;其中Kd的计算方法公式如下:Kd=0.8+D-旋流器直径，cm对于具体的旋流器而言，进口当量直径是固定的，溢流直径的中间尺寸约为柱体直径的0.3倍。取Po=1Mpa,求得Q=51m3 对于FX250型分级水力旋流器的各结构详细尺寸参照所附的毕业设计图纸七.谢辞近四个月的毕业设计即将结束，在这期间，我体会到了作为一名设计人员进行设计工作的辛苦，知道了设计工作的不容易，但在这工作的辛苦之后，我品尝到的是一次又一次的在获得新知识后感受到的无比的兴奋与喜悦。 在设计的过程中，杨