旋流器 又称旋液分离器、水力旋流器，是用于分离悬浮液或乳浊液的设备，如图8- 99所示。它的分离原理及结构形式与旋风分离器大致相同。旋流器与离心机的分离原 理相同，其不同之处是，旋流器本体没有运动部件，液体以切线方向进入旋流器的圆筒作 旋转运动而产生离心力，顺着器壁作螺旋形下行至圆锥部分时离心作用更强。粗的和密 度差大的固体粒子(或密度较大的液滴)被抛向器壁，并沿器壁按螺旋线沉降至锥底排出。 澄清的液体或携带密度差小的和极细的粒子的液体则由器顶中心的溢流管排出。旋流器 的用途可根据不同的相分离分为：
①固、液分离： 旋流器主要用于固、液分离，最合适的粒度范围为5～200μm，主要用 途为澄清、增稠、分级。
② 液、液分离： 用于分离两种不相溶的 液体，但分离效率低，剪切力会引起两相的 乳化。
③ 气、液分离： 用于分离气液混合物，例如 蒸发设备及发酵罐的附件–旋液消泡器。
旋流器的优点：
① 结构简单，无运动部件。
② 体积小，生产能力大。
③ 分离颗粒的范围较广，但分离的效率较 低。常采用多级串联的方式或与沉降槽、过滤 机、离心机等其他分离设备组合应用，以发挥各 自的特长，提高分离效率。
图8-99 旋流器
图8-100 旋流器简图
旋流器的缺点：
① 泵的动力消耗大。
② 内壁磨损大。
③ 进料浓度和流量的变化易影响分离性能，操作稳定性差。
8.5.2.1 旋流器结构与旋流现象
(1) 旋流器的结构与尺寸 旋流器的结构形式主要为圆锥 形或圆柱圆锥形，如图8-100所示。旋流器的直径与生产能力 及溢流液中所含固形物的粒度有关，生产能力与旋流器的直径 平方成正比，旋流器的直径小则溢流的粒度小。因此旋流器的 直径一般不大于500～600mm，当必须获得10μm以下的溢流粒 度时，采用直径10～15mm的旋流器组。参阅表8-34～表 8-36。
对旋流器生产能力、压力损失、分离效率影响最大的设计要素 是圆筒内径Dc，进料管直径Di、溢流管直径De、底流管直径Du及 圆锥角θ。
表8-34 旋流器的尺寸
| Dc | Di | De | Du | Hc | θ |
| 10～1220mm | (1/3～1/10)Dc | (1/3～1/6)Dc | (1/6～1/10)Dc | (1/5～3/2)Dc | 10～30° |
表8-35 标准旋流器的尺寸
| Dc | Di | De | Du | Do | He | Hc | θ |
| 75～300mm | 1/7Dc | 1/5Dc | (1/6～1/10)Dc | 1/4Dc | 1 /2Dc | Dc | 20° |
表8-36 旋流器操作性能范围
| 进料压力
/MPa |
进料流速
/(m/s ) |
分割点直径d50
/μm |
单台流量
/(m3/h) |
进料浓度
/%(质量分数) |
底流浓度
/%(质量分数) |
| 0 .02～0.4 | 3～15 | 5～200* | 0.1～300 | 1～20 | 最大75 |
* 颗粒密度：2.5g/cm3，分散介质：水。
(2) 液体在旋流器内的流动状态 液体在旋流器内的运动状态如图8-99所示，由 位于外圈成旋转螺旋下降的准自由漩涡(外旋流)和位于中心附近成旋转螺旋上升的强制 漩涡(内旋流)两者构成的兰肯漩涡(Rankine vortex)运动状态。
液体在旋流器内的运动受到切向、径向、轴向的三维速度场的影响，但径向、轴向的速 度远比切向速度小，因此产生最显著影响的是切向速度。切向速度决定着分离的效果。 用水作为物料对旋流器内速度场进行的试验结果表明，切向速度变化与旋流器半径的关 系可由下列方程式表示：
vrrn＝常数 (8-139)
式中 vr–旋液器内任意点位置的切向速度
r–旋液器内任意点位置的半径
n–幂指数，n=0.3～0.9，而对于理想液体，则n=1
位于旋流器圆筒壁处的外旋流切向速度vtw较进料管口处的进料速度vi小，两者之 比为α，其值大致取决于Di/Dc与雷诺数(Re)。
(8-140)
对于标准型的旋流器n=0.8，α=0.45。
旋流器内的静压力是由周边向中心逐渐减小的，并取决于液体的旋流速度。由于静 压头和速度头之和在旋流器的任一半径上都是相等的，当静压头随着该半径减小而减小 时，速度头是必然地增加，因此内旋流的切向速度vti随着旋转半径的减小而逐渐增大，并 可能超过进料速度vi，两者的比值φ用下式计算。
(8-141)
式中 Di、De、Dc–分别为进料管、溢流管和圆筒部内径
θ–旋流器锥角，rad
8.5.2.2 旋流器的操作性能与有关参数
(1)进料速度及进料压力 旋液器的进料速度范围为3～15m/s，经常使用的范围为 4～10m/s。一般来说，增加进料速度可提高分离性能，但由于压力损失大致与进料速度的 平方成正比，而且速度高也加剧了旋流器壁的磨损，因此进料速度要控制在适当的范 围内。
旋流器要求的进料压力随分离性能及生产能力而不同，粗粒分级时用低压，微粒分级 时用高压，一般使用的范围为0.02～0.4MPa，经常使用的范围为0.05～0.2MPa。
(2) 流量比 旋流器的底流流量qv，u与进料流量qv的比值Rf称为流量比。它是对 旋流器的分级、浓缩性能影响很大的操作因素。Rf主要取决于底流管直径Du与溢流管 直径De的比值。
(8-142)
Du/Dc在0.5～0.7时，Rf值一般为0.1～0.2。Rf的计算可初步确定底流管直径。
(3) 分级效率和分割点直径d50旋流器的分级效率主要是指小于临界颗粒直径dc 的颗粒的部分回收率，亦即级效率。部分回收率(级效率)曲线如图8-101所示。对于旋 流器，实际的部分回收率Ef在颗粒直径等于0时不等于0，而等于Rf，这是由于进料短 路直接进入底流所致。从图8-102可以看出，Rf值不同，Ef曲线也不同，分割点直径 d50之值也有所不同。为此，需对Ef曲线进行修正，设实际测得的部分回收率曲线为Ef， 修正的部分回收率为Ec。按下式进行修正。
(8-143)
图8-101 部分回收率曲线
图8-102 修正部分 回收率曲线
设修正后的分割点直径为d50′，与d/d50′对应的修正部分回收率曲线如图8-102 所示。
分割点直径d50是判断旋流器性能优劣的一项指标，其经验计算公式见表8-37。
表8-37 旋流器的d50，d′50的经验计算公式
续表
(4)处理能力和压力损失 旋流器的处理能力(进料流量qv)和压力损失(进出口的 压力降△p)是重要的操作参数，旋流器的压力损失△p与流量qv、结构尺寸、内壁粗糙度、 流体密度等有关。表8-38列出较常用的一些计算式。
表8-38 水力旋流器压力降△p计算式
注： ① 标准旋流器计算式中的符号单位(Hass公式用英制外)：
△p–压力降，kgf/cm2;
qv–进料流量，L/min;
Dc–旋流器圆筒内直径，cm。
②gc–转换因子，公制gc＝9.81kgfm/kgf·s2，英制gc＝32.21bft/lbf·s2。
8.5.2.3 标准型旋流器
标准型旋流器的结构尺寸按表8-37所列相关尺寸组成。标准旋流器用于常温下分 离相对密度为2.6的固体颗粒的水悬浮液时，可采用表8-37、表8-38中吉岡-堀田公 式求得压力损失及d50。现摘录如下，由于两式采用非SI制，用时注意按注脚换算：
(8-144)
(8-145)
式中 △p–压力损失，kgf/cm2
qv2–进料流量，L/min
Dc–旋流器圆筒部分内直径，cm
d′50–修正部分回收率为50%的颗粒直径，μm
ρs、ρf–固体和液体密度，g/cm3
μ–液体黏度，10-3Pa·s
若将上述条件下固液密度和液体黏度值代入两式并消去qv，得出主结构尺寸为Dc 的标准型旋流器在分级性能为d′50时所产生的压力损失：
(8-146)
图8-103是标准型旋流器的直径，压头损失、流量及d50的算图，由此图可直接相互 找出这4个参数。
图8-103 旋流器相关参数的算图
图8-104是圆筒部直径分别为1.5、7.5、15、20及30cm的标准型旋流器在进料压 力0.1MPa、流量比0.1条件下运行时的部分回收率曲线。表8-39是进料压力为0.1及0.2MPa时的d′50及φ的数值。
图8-104 标准型旋流器的部分回收率曲线
表8-39 不同Dc的标准型旋流器性能
| △p/MPa | Dc/cm | 1.5 | 7.5 | 15 | 20 | 30 |
| 0.1 | d′50/μm qv/(L/s) | 5.2
0.023 |
11.7
0.57 |
16.5
2.28 |
19.1
4.05 |
23.4
9.10 |
| 0.2 | d′_((50)/μm qv/(L/s) | 4.4
0.032 |
9.9
0.80 |
13.9
3.21 |
16.1
5. 72 |
19.7
12.9 |
图8-105 旋流器分离液的 粒度分布及回收率曲线
由式(8-146)可知，标准型旋流器在同一 d′50的运行条件下所产生的压力损失与圆筒部直 径的平方成正比。因此，若使用多个并联的旋流 器可使所需动力大幅度降低。例如，微粒的密度 为2.6，浓度为3%的悬浮液，其粒度分布如图8- 105中的f曲线所示。
分别用1、2或3个标准型旋流器，以流量为 10L/s，流量比为0.1，粒径分级为20μm的运行条 件，用有关图表进行计算，可整理出表8-40。由 表可知，并联使用小型旋流器可使动力消耗显著 减少。
8.5.2.4 旋流器的设计
旋流器的结构尺寸及其相关比例，如圆筒部 直径Dc与进口管直径Di、溢流管直径De、旋流 器长度L、圆筒部长度Hc、溢流管在器内长度He 之比Di/Dc、De/Dc、L/Dc、He/Dc以及锥角θ等 对旋流器的性能有很大影响。各研究者提出了的结构尺寸比例值见表8-40。
表8-40 并联旋流器计算结果
| 使用旋
流器数 |
Dc
/cm |
Di
/cm |
De
/cm |
Du
/cm |
qv*
/(l/s) |
△p
/MPa |
功率
/kW |
| 1 | 28 | 4 | 5.6 | 2.7 | 10 | 0.158 | 2.61 |
| 2 | 22 | 3.1 | 4.4 | 2.1 | 5 | 0.100 | 1.64 |
| 3 | 19 | 2.7 | 3.8 | 1.8 | 3.3 | 0.082 | 1.34 |
| 条件： 原液处理量 10L/s d′50 20μm
流量比 0.1 泵效率 60% |
|||||||
* φ为单台旋流器的流量。
设计旋流器时，一般是根据物料性质(固、液相密度、固相粒度、液相黏度)，处理量，分 离或分级要求(分割点直径d50)和设定的压力降;先初步设定结构尺寸比例，再按表8- 39和表8-40中公式确定Dc。此法需试算且无实验数据供参考。Svarovsky提出了将 φ、△p、Dc、d50关联在一起的准数方程，用此方程再根据已有的实验数据(见表8-43)，可 进行放大设计。准数方程如下：
St50·Eu=consΓ (8-147)
Eu=Kp·Ren (8-148)
式中除Kp外其他三个准数的表达式如下：
(8-149)
(8-150)
(8-151)
以上式中，vc是旋流器的特征速度，是圆筒部截面积上的名义平均流速即
K和n是经验常数，由实验确定，见表8-41。
表8-41 两种常用旋流器的几何形状及常数
| 旋液器型式 | Di/Dc | De/ Dc | Du/Dc | He/Dc | L/Dc | θ | St50·Eu | K | n |
| Rietema | 0.28 | 0.34 | 0.20 | 0.4 | 5 | 20° | 0.0611 | 316 | 0.134 |
| Bradley | 0.133 | 0.20 | 0.07 | 0.33 | 6.85 | 9° | 0.1111 | 446.5 | 0.323 |
8.5.2.5 旋流器在食品工业中的应用
旋流器在食品工业中的应用简介如下：
(1) 淀粉工业 淀粉工业应用旋流器较多，各种不同设计的旋流器用于从浸泡玉米 中分离沙石，从破碎玉米中分离胚芽，从淀粉乳中分离细沙，以及用于淀粉乳的洗涤、分 级、浓缩等。
用于分离淀粉乳中细沙的旋流器如图8-106所示。
淀粉乳中固形物的97%～98%为淀粉，其余2%～3%是细沙、细渣及少量可溶性物质。
除沙旋流器由旋流器本体、水洗室、排沙室三部分组成，比重较大的细沙及部分大颗 粒淀粉在离心力作用下被抛向旋流器壁，沿着螺旋线从底部进入水洗室而绝大部分淀粉 颗粒和水从顶部溢流管排出。在水洗室中清水以切线方向进入，使细沙及大颗粒淀粉继 续旋转，细沙沿着水洗室的内壁螺旋向下至底部进入细沙收集器中，而大颗粒淀粉和清水 一起由中心螺旋向上经旋流器底部上升至顶部溢流管排出。
(2) 油脂工业 在油脂工业中旋流器用于混合油的净化。用浸出法生产油脂时，从 浸出器中出来的由溶剂、油脂、类脂组成的混合油中含有一定数量(0.4%～1.0%)的悬浮 固体粕粗粒。常利用过滤、重力沉降和离心沉降等方法进行混合油净化。
用离心沉降方法净化混合油的旋流器如图8-107所示。旋流器的分离效果与其结 构尺寸、混合油黏度、悬浮物的浓度以及混合油的进口压力等因素有关。
图8-106 ΓΠ-100型旋流分离器示意图
Ⅰ-旋流器 Ⅱ-水洗室 Ⅲ-排沙室
1-悬浮液进入管 2-除出沙后的清净淀粉悬浮液的排出管 3-旋流器的圆柱部分 4-旋流器的圆锥部分 5-带沙底流液排放孔 6-进入排沙室的通道 7-水洗室 8-水洗室 9-清洗水进入管
图8-107 油脂净化用旋流分离器
1-混合油进口管 2-溢流管 3-接受室 4-出口管 5-排渣口
(3) 蔗糖工业 在蔗糖工业中旋流器用于糖浆除杂、石灰乳除沙。
糖浆除杂： 糖液在蒸发浓缩时，随着糖液浓度增加，有一些可溶性非糖及钙盐会形成 微小悬浮粒子而析出。糖浆旋流器在糖浆锤度达到70°Bx也能正常工作，可全部除去 40μm以上的杂质。糖浆旋流器用合金钢铸造，内部精加工，具有很好的光洁度，较强的 耐磨性。
石灰乳除沙： 石灰乳用来清净糖汁。从石灰消和机中得到的石灰乳，其浓度约为 20°Bé，通常含有3%～5%的沙石，其中粒度在1～10mm的约占50%。消和机尾端的转 筒筛可筛分出5～10mm以上的沙石，再通过除沙机、重力沉降槽或振动筛除去1～5mm 的沙石，而1mm以下的细沙则用旋流除沙器分离。
由于沙石对旋流器内壁的磨耗较大，旋流除沙器的材质可用铸石离心浇铸，离心浇铸 的铸石旋流器内壁光滑，其耐磨性是钢材的40倍。
(4) 制盐工业 在制盐工业中，旋流器用于盐浆分离。从蒸发工序出来的盐浆是一 种含有大粒盐、微粒盐和石膏(或芒硝)的悬浮液，用盐浆旋流器分离后，含有石膏(或芒 硝)和微粒盐的清液从旋流器上端的溢流口流出，返回蒸发工序。含大粒结晶盐的增稠液 则从旋流器底部排出。