旋流过滤器的结构与性能研究 -上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘　要:　基于旋流设备的多元化发展趋势,开发了一种新型旋流过滤的组合式分离器。该结构以轴流导叶式水力旋流器为原型,其部分筒段和锥段都由过滤介质制成。本研究针对这种新型的旋流过滤器进行不同结构参数和操作参数下的实验研究,并与同尺寸的旋流器进行了比较。实验发现,在分离效率变化不大的情况下,旋流过滤器的处理量更大,其组合形式是以小锥角搭配短筒段为最佳,并总结出过滤介质孔径对分离性能的影响规律。
关键词:　旋流过滤器;轴流式;过滤介质;实验
中图分类号:　TQ028. 5　　　　文献标识码:　A
1　前言
旋流分离器是一种应用广泛的湿法分离设备,它具有结构简单、操作和安装方便、生产能力大等优点[1]。近年来,其应用领域已扩展到化工、环保、食品、轻工等,其功能也从单一的分离功能向多元化方向发展[2、3]。旋流过滤器是一种将旋流器和过滤器的分离机理相结合的新型分离设备。首先,作为一台旋流器,它增加了一股过滤流,分级能力更强;其次,作为一台过滤器,由于内部流体的高速旋转运动,阻止了滤饼的生成,可以实现连续操作[4]。旋流过滤器的优越性显著,具有广阔的发展空间。在全面考察前人研究成果的基础上,我们设计了一种直径为50mm的旋流过滤器(如图1所示)[5]对其结构进行优化组合,并对其分离性能进行实验研究。

2　实验装置及测试方法
2. 1　实验装置及物料
旋流过滤器实验装置如图2所示。整个装置主要由供料系统、流体管路系统、泵、旋流过滤器及测量系统5部分组成。料罐中的悬浮液经搅拌器充分搅拌均匀后,由旋涡泵吸入,经玻璃转子流量计和流体管路系统进入旋流过滤器。分离后的溢流液经流量计和管路系统流回到料罐,底流液则经管路系统直接返回料罐,过滤液经量筒计时收液后倒回料罐。

实验用旋流过滤器直径D=50mm,采用不锈钢复合丝网和有机玻璃制成,如图1所示。实验介质为清水,物料为滑石粉(d50=11. 73μm)。
2. 2　测试方法
实验中流量、压力数据均由仪表直接读取。物料浓度采用过滤称重法,利用微量分析天平称重。过滤流量太小不便用流量计测量,所以采用量筒计时收液法测量。实验数据分析中选用分离总效率、压力降和过滤流量作为不同结构旋流过滤器分离性能的评价指标。分离总效率的计算公式为:

图3示出不同结构组合形式对分离效率的影响曲线。首先,可以从图中看出,随着入口流量的增大分离效率呈上升趋势,在达到一临界点后,又逐渐下降。这与普通水力旋流器的结论是一致的。同时,从各结构的对比中看出,减小锥角尺寸和增长过滤筒长都可以增加旋流器的分离空间,提高流体在旋流器内的停留时间,因此都能起到提高分离效率的作用,但是前者的效果更加明显。由于结构5的分离空间最大,所以分离效率最高。

由图可知:随着流量的增大,压力降均升高。旋流过滤器内部的能量损失也主要包括局部阻力损失、湍动能耗和沿程摩擦阻力损失。这些能耗都随着进口流速的升高而上升,因此入口流量升高,压力降随之上升。在相同流量下, 5种结构的压降相差都不大。当锥角相同时,过滤筒越长,压降越大;当过滤筒长相同时,锥角越小,压降越大。但是锥角的改变对压降的影响小于过滤筒长。从图中可以看出,结构5的压降最低。
图5所示为不同结构下过滤流量的对比曲线。随入口流量的增加,流速增大,离心力增强,过滤的推动力增大,因此过滤流量增大。增长过滤筒段,过滤面积增加,过滤流量反而减小;减小过滤锥角,过滤面积增加,过滤流量也增加。这充分说明过滤锥段的面积才是对过滤流量大小起推动作用的部分。而过滤筒段越长,流体到达锥段的旋流强度就越弱,因此过滤流量就越小。由于结构5的锥段最长,筒段最短,所以过滤流量最大。

综上所述,结构5的分离效率最高,能耗最小,过滤流量最大。因此,可以总结出对旋流过滤器而言小锥角、短筒段的组合形式分离性能最优越。
3. 2　过滤介质孔径对分离性能的影响

由图6可知,过滤介质孔径越大,分离效率越高,这主要是因为过滤出的清液量增加,底流的增浓效果更好所致。但同时,随着介质孔径的增大,透过的液体量增加,对旋流的干扰更大,所以就需要更高的能量来保持内部的强旋流状态,达到最大分离效率时所需的能耗也更大。
从图7可以看出,过滤介质孔径越大,过滤流的流量也越大,而且随进料流量变化的趋势也越大。这主要是因为介质孔径增大,过滤阻力减小,所需的过滤推动力也减小,所以在相同的进料流量和相同的能耗下,都是随着过滤介质孔径的增大,过滤流量增加。
总的来说,过滤介质孔径增大,分离效率上升,过滤流量增大,但其代价是增加了能量的消耗。

3. 3　旋流过滤器与旋流器分离性能的比较
图8、9是相同尺寸的旋流器与旋流过滤器的对比图。从图中可以看到,在达到稳定状态时,两者的分离效率相差不大;随进料量的增大,旋流过滤器的分离效率上升得更快,说明其操作弹性更大。另一方面,在相同进料量下,旋流过滤器的压降更小,而且随着进料量的增大,这种优势表现得更加明显。在相同的能耗下,旋流过滤器具有处理量更大的优势。

4　结论
(1)过滤筒和过滤锥的组合形式是以较小锥角(10°)搭配较短筒段(45mm)为最优,该组合形式可以获得较高的分离效率、较低的压降和较大的过滤流量;
(2)过滤介质孔径增大,分离效率上升,过滤流量增大,但其代价是增加了能量的消耗;
(3)在相同的能耗下,旋流过滤器与旋流器的分离效率相差不大,但是处理量明显更大。

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