CN105880045B - 双旋转栅复合式水力旋流器 - Google Patents

Abstract

双旋转栅复合式水力旋流器通过使用两个旋转栅嵌套在一起的特殊方式，增强旋流器外旋流以及内旋流的离心力场，提高旋流器的分离水平。并且，动态水力旋流器机械震动引起的参混、旋转部件引起的流场湍流强度过大、底流口处空气柱湍动引起的跑粗等一系列不利影响均可以通过嵌套式旋转栅来消除。本发明适合对分离效率、分离精度、处理量有较高要求的固液相和液液相分离。

Description

双旋转栅复合式水力旋流器

技术领域

本发明涉及一种多相体系的离心分离分级装置，适合固液相和油水相的高效高精度分离。

背景技术

水力旋流器是离心分离设备的一种，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分离的。由于离心力场的强度较重力场大得多，因此水力旋流器比重力分离设备的分离效率要大得多。从1891年第一台水力旋流器专利的申请至今，水力旋流器的历史已经过去了1个多世纪。如今，水力旋流器在矿产、化工、机械、医药、生物、食品等许多行业被广泛应用。

目前，水力旋流器总体来说可以分为两大类：静态水力旋流器和动态水力旋流器。大部分旋流器都属于静态水力旋流器，其结构紧凑、体积小、质量轻、易于安装、维护费用低、工作寿命长等特点使得它们被广泛使用。但其进行分离作业时，物料的动能完全依赖于入口处压力能的转化，因此压力损失很大，造成旋流器内介质的压差不足而降低旋流器的处理能力。如果选用入口增压进料，除了增大能耗外，还会加剧旋流器内部的湍流流动，使其分离精度降低。此外，处理量增加时会降低分离效率，物料浓度过高时也会降低分离效率，都是静态水力旋流器的不足方面。

动态水力旋流器于上世纪八十年代问世，主要有三种常见形式：全动型，预旋流型和符合型，其共同的特征是都有一段外界驱动的旋转机构。在旋转机构的旋转运动下，介质的旋转速度得到提高，介质的入口压力不需要大量的转换成旋转动能，其离心力场就能得到增强，从而使压降减小，分离效率提高。并且增强的离心力场也能使排液顺畅，处理量增加。

但是动态水力旋流器依旧存在着一些不足：全动型水力旋流器的外转筒在工作时会高速旋转，转筒的机械误差会造成旋流器震动强度过大，旋流器内流场会因震动而不稳定，出现二次参混现象，影响旋流器的分离精度。预旋流型水力旋流器仅靠分离段筒体内壁的摩擦力来提高外旋流的旋转强度，但其作用有限，转动组件传递转动能的效率较低，因此离心力场的增强效果并不明显。

复合型水力旋流器与全动型旋流器相比，其震动强度较低，内部的流场相对平稳，因而分离效果较好。与预旋流型旋流器相比，复合型内部的旋转栅叶片能够更好的传递转动能，使离心力场增强的更加明显，从而达到更好的分离效果。由于以上种种原因，使得复合型水力旋流器成为了当今的发展趋势。

复合型旋流器主要以旋转叶轮水力旋流器为代表，其主要由静止的旋流器外壳和高速旋转的叶轮两大部分组成。该动态水力旋流器具有两大优点：一是有效抑制短路流，减少溢流中粗颗粒的混杂。二是强化柱段内固相颗粒的离心沉降，使旋流器内分离分级过程得到增强。实践证明，旋转叶轮水力旋流器的分离效率和处理能力都得到了一定程度的提高。

动态水力旋流器与静态水力旋流器相比，主要是通过旋转构件增强其外旋流的离心力场，强化了旋流器内的液体在外旋流区域的离心沉降，但内旋流的离心作用并没有得到有效的增强。并且，动态水力旋流器的机械振动无法避免只能削弱，机械振动的存在必然会造成一定程度的二次参混现象，从而降低旋流器的分离精度。动态水力旋流器的旋转构件在高速旋转时，会增大旋流器内部流体的湍流强度，过于强烈的湍流也会降低旋流器的分离精度。此外，溢流跑粗现象也会对旋流器的分离作业产生不利的影响，虽然使用旋转叶轮旋流器可以有效抑制盖下短路流引起的溢流跑粗，但是旋流器锥段底流口处因空气柱湍动造成的跑粗现象并没有消除。

发明内容

根据当前动态旋流器和静态旋流器所存在的问题，本发明提出了一种分离效率高，分离精度高，处理量大，处理范围广的新型动态水力旋流器。

本发明主要由静态部分和动态部分组成，静态部分包括：进料口，旋流器柱段，旋流器锥段，溢流腔，溢流腔密封盖；动态部分包括：外旋转栅，内旋转栅，传动齿轮。溢流腔安装在旋流器柱段的顶部并与之密封连接，溢流腔顶部通过密封盖密封，其侧壁设置有溢流腔出口。外旋转栅的旋转轴通过第一轴承进行固定，末端安装有传动齿轮，旋转轴为空心轴，其在溢流腔内的部位设置有溢流口。内旋转栅通过内旋杆嵌套在外旋转栅的旋流腔中，内旋杆通过安装在旋转轴末端的第二轴承进行固定，并从旋转轴末端的通道伸出；内旋转栅旋转速度大于外旋转栅，外旋转栅的叶片与旋流腔顺时针相切。

外旋转栅包括外旋转栅叶片、旋流腔和旋转轴。旋转轴和旋流腔可以是一体，也可以通过螺纹连接等方式分体连接。旋流腔的入口可以选用渐缩口、直筒口或渐扩口。

外旋转栅叶片具有空心通道，叶片末端为通道出口，空心通道实现了旋流腔与旋流器柱段内腔的贯通。外旋转栅叶片的数量通常为2～16片，可以是直叶片，也可以是弯曲辐射状叶片。叶片的排布方式可以与旋流腔外壁相切，也可以由中心沿径向向外发散，并且可以根据外旋转栅旋转方向倾斜一定的角度。

旋转轴上的溢流口数量为1个以上，并且保证溢流口全部位于溢流腔内部。

旋转轴的末端为实心，传动齿轮通过键连接或其他连接方式与旋转轴实现固定，传动齿轮与调速电机或者其他动力输出设备连接，从而实现外旋转栅旋转运动。

内旋转栅包括内旋转栅叶片、内旋杆和导流锥。内旋杆末端可固定连接装置并与调速电机等动力设备连接，实现内旋转栅的旋转运动，并且必须保证内外旋转栅的旋转方向相同。

内旋转栅叶片的数量通常为2～8个，从中心向四周发散状分布。内旋转栅叶片的叶面可以是平面，也可以沿轴向弯曲一定的角度，弯曲的方向根据旋转方向决定，并且必须保证叶片旋转时产生的升力指向溢流方向。

第一轴承和第二轴承固定的位置都需要安装密封圈或采用其他方式进行密封处理。

本发明的工作工作过程如下：

物料由进料口进入旋流器柱段做旋转运动。当物料运动至外旋转栅所在的区域时，外旋转栅的高速旋转运动会增加物料在旋流器内壁的旋转速度，从而强化了物料在此区域的离心沉降作用，使得物料离心分离的效果更好。物料在到达旋流器锥段区域时，仍然能保持较高的旋转速度，因此，锥段的分离效果也会提高。物料中的粗大颗粒会从底流口排出，细颗粒会随着内旋流螺旋向上运动，但内旋流中仍然夹杂着部分粗颗粒。内旋流的颗粒上升至旋流腔内部时，内旋转栅的高速旋转运动会增加内旋流的旋转速度，增大内旋流中颗粒所受的离心力。由于外旋转栅的旋转叶片具有空心通道，实现旋流腔和旋流器柱段的贯通，因此，在旋流腔中受到较大离心力的粗颗粒能够沿着空心通道进入旋流器柱段再次进行分离，直到从底流口排出。内旋流中的细颗粒受到内旋转栅的升力作用继续向上运动，从旋转轴上的溢流口流入溢流腔，最后从溢流腔出口流出，完成分离工作。

本发明的优点如下：

1.对进口压力的要求低，由于旋转栅可以不断的提供转动能，旋流器内部的压力损耗可以保持才很低的水平。

2.外旋转栅的旋转运动大大的增加了外旋流的旋转速度，使外旋流的离心力场增强，物料受到的离心力增大，提高了旋流器的分离效率。

3.外旋转栅的高速旋转有效的抑制了盖下短路流，因而消除了因盖下断流所引起的溢流跑粗现象，从一定程度上提高了旋流器的分离精度。

4.通过内外旋转栅嵌套在一起组合使用的办法，不仅增强了外旋流的离心效果，还能有效的利用内旋流来进行二次分离。因动态旋流器机械振动造成的二次参混和底流口空气柱湍动造成的溢流跑粗所引起的粗颗粒混杂等不利影响均可以利用这一机构来消除。这一机构使水力旋流器具有更高的分离效率和更高的分离精度，并增加旋流器的处理量。

5.通过调节内外旋转栅的转速，可以根据实际需要改变旋流器的分离粒度，同样也可以改变旋流器的处理量和分离效率，使旋流器的用途更加广泛。

附图说明

附图1是双旋转栅复合式水力旋流器的结构简图。

附图2A是嵌套式旋转栅机构的解析图，2B是嵌套式旋转机构的剖视解析图。

附图3是双旋转栅复合式水力旋流器的全剖一般视图。

附图4是双旋转栅复合式水力旋流器的局剖一般视图。

图中：1、4.第二轴承，3、5、7.第一轴承轴承，2旋转轴，6.内旋杆，8.进料口，9.外旋转栅，10.内旋杆连接头，11.传动齿轮，12.溢流腔密封盖，13旋转轴溢流口，14.溢流出口，15溢流腔，16旋流器柱段，17.旋流腔，18.内旋转栅，19.导流锥，20.旋流器锥段，21.底流出口，22.外旋转栅叶片，23.内旋转栅叶片，24.外旋转栅空心通道，25.旋流腔入口，26.空心通道出口。

以上附图描述的均为典型实例

具体实施方式

参照附图1给出的典型实例，溢流腔15安装在旋流器柱段16的顶部并与之密封连接，溢流腔15顶部通过密封盖12密封，其侧壁设置有溢流腔出口14。外旋转栅9的旋转轴2通过第一轴承3、5、7进行固定，末端安装有传动齿轮11，旋转轴2为空心轴，其在溢流腔15内的部位设置有溢流口13。内旋转栅18通过内旋杆6嵌套在外旋转栅9的旋流腔17中，内旋杆6通过安装在旋转轴2末端的第二轴承1、4进行固定，并从旋转轴2末端的通道伸出。

内旋杆连接头10、传动齿轮11均与调速电机或其他动力输出设备连接以实现动力输入。根据旋流器的处理量、分离效率、分离粒度等参数决定内外旋转栅的转速。一般情况下，内旋转栅的转速应该高于外旋转栅的转速以实现大颗粒从空心通道向外的流动。

参照附图3给出的嵌套式旋转栅机构的典型实例，内旋转栅18安装在外旋转栅9的旋流腔17内部，内外旋转栅的旋转方向均与进料的方向相同。内旋转栅18旋转速度大于外旋转栅9，外旋转栅9的叶片与旋流腔17顺时针相切，从而使大颗粒更容易经空心通道流出。根据内外旋转栅转速的差异，决定内外旋转栅叶片的切向、旋向、倾斜角度，以免造成对流现象。

Claims (8)

1.双旋转栅复合式水力旋流器，主要由静态部分和动态部分组成，静态部分包括：进料口(8)，旋流器柱段(16)，旋流器锥段(20)，溢流腔(15)，溢流腔密封盖(12)；动态部分包括：外旋转栅(9)，内旋转栅(18)，传动齿轮(11)；其特征在于：溢流腔(15)安装在旋流器柱段(16)的顶部并与之密封连接，溢流腔(15)顶部通过密封盖(12)密封，其侧壁设置有溢流腔出口(14)；外旋转栅(9)的旋转轴(2)通过第一轴承(3、5、7)进行固定，末端安装有传动齿轮(11)，旋转轴(2)为空心轴，其在溢流腔(15)内的部位设置有溢流口(13)，内旋转栅(18)通过内旋杆(6)嵌套在外旋转栅(9)的旋流腔(17)中，内旋杆(6)通过安装在旋转轴(2)末端的第二轴承(1、4)进行固定，并从旋转轴(2)末端的通道伸出；内旋转栅(18)旋转速度大于外旋转栅(9)，外旋转栅(9)的叶片与旋流腔(17)顺时针相切。

2.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其外旋转栅(9)的特征在于：包括外旋转栅叶片(22)、旋流腔(17)和旋转轴(2)，旋转轴(2)和旋流腔(17)为一体结构或通过螺纹连接的分体结构，旋流腔的入口(25)可以选用渐缩口、直筒口或者渐扩口。

3.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其外旋转栅(9)的特征在于：外旋转栅叶片(22)具有空心通道(24)，叶片末端为通道出口(26)，空心通道(24)实现了旋流腔(17)与旋流器柱段(16)内腔的贯通，外旋转栅叶片(22)的数量通常为2～16片，为直叶片或弯曲辐射状叶片，叶片的排布方式为与旋流腔(17)外壁相切，或着由中心沿径向向外发散，或者根据外旋转栅(9)旋转方向倾斜一定的角度。

4.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其外旋转栅(9)的特征在于：旋转轴(2)上的溢流口(13)数量为1个以上，并且保证溢流口(13)全部位于溢流腔(15)内部。

5.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其外旋转栅(9)的特征在于：旋转轴(2)的末端为实心，传动齿轮(11)通过键连接或其他连接方式与旋转轴(2)实现固定，传动齿轮(11)与调速电机或者其他动力输出设备连接，从而实现外旋转栅(9)旋转运动。

6.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其内旋转栅(18)的特征在于：包括内旋转栅叶片(23)、内旋杆(6)和导流锥(19)，内旋杆末端(10)可固定连接装置并与动力设备连接，实现内旋转栅(18)的旋转运动，并且必须保证内外旋转栅(18、9)的旋转方向相同。

7.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其内旋转栅(18)的特征在于：内旋转栅叶片(23)的数量通常为2～8个，从中心向四周发散状分布；内旋转栅叶片(23)的叶面为平面或沿轴向弯曲一定的角度，弯曲的方向根据旋转方向决定，并且必须保证内旋转栅叶片(23)旋转时产生的升力指向溢流方向。

8.如权利要求1所述的双旋转栅复合式水力旋流器，其特征在于：第一轴承(3、5、7)和第二轴承(1、4)固定的位置都需要安装密封圈或采用其他方式进行密封处理。