微粒排序强化废水微旋流净化机理研究

This project is mainly in the background of the purification for industrial wastewater with fine particulate pollutants. Based on the idea of the enhancement of separation with porous particles sorting inside mini-hydrocyclone, the experimental, theoretical and numerical method are combined to study the particle sorting control, transportation regulation, particulate coalescence, residence time, size and concentration profile of the fine particle groups and the structure-efficiency relationship of the sorting method, flow structure and separation efficiency. The relevant mathematical model is also established to describe the process and improves the knowledge on the transportation regulation on the fine particles in the three-dimensional cyclonic turbulent field, which helps to guide the design and optimization of solid-liquid mini-hydrocyclones. This study will help to improve the performance and grade efficiency of the separation of fine particulate pollutants from wastewater with solid-liquid mini-hydrocyclone and provide theoretical support for the development of related control techniques with mini-hydrocyclone.

本项目主要以含微细颗粒污染物的工业废水净化技术为应用背景，基于多孔微粒排序强化污染物微旋流迁移的思路，采用实验测试研究、理论建模和计算机模拟相结合的手段，研究微粒排序强化微旋流分离过程中分散相微粒的排列结构调控、运动迁移规律、颗粒聚并、停留时间、细颗粒群的粒度与浓度分布特征，以及微粒排序结构、流场结构与分离效果的构-效关系，并建立相应的描述模型，提升对微细颗粒在三维湍旋流场中迁移运动规律的认识水平，从而指导固液微旋流分离器的设计和优化。通过研究，有效提升固-液微旋流分离器对废水中微细颗粒污染物的分离、分级效果，为开发出适用于处理含微细颗粒污染物废水的微旋流控制技术提供理论支持。

微细颗粒的分级、分离与回收问题涉及的领域很广，分离的优劣不但关系到生产的经济效益，且对环保也会产生深远影响。本项目基于旋流器进口微粒排序强化旋流分离过程思路，创造性的提出通过旋流器进口微粒排序改善旋流器分离性能的思想，通过计算流体力学、激光测量及实验研究等手段，对微粒排序强化微旋流分离机理进行了深入研究，得到微粒排序与分离效果的构-效关系，提升对微旋流器内颗粒运动规律的认识水平，并对微旋流分离的工程化的进行应用研究，所完成的研究工作和取得的创新性研究成果如下：.（1）提出微粒旋流排序方法及强化微旋流分离过程的新思路，发明了微粒旋流排序器及对应的逆旋进口和正旋进口型微旋流器，逆旋提高微粒分离效率，正旋提高微粒分级效率，建立了简单可靠的微粒排序旋流分离实验测试系统及激光测试实验系统。.（2）计算流体力学(CFD)的方法对不同进口条件下对常规、正旋、逆旋微旋流器内的流场进行了数值计算，讨论微粒排序对分散相颗粒运动及分布特性的影响。计算发现，颗粒入口位置对颗粒运动轨迹有明显作用，越靠近外边壁及下部区域加注的粒子越易被分离进入底流；在靠近进口截面上部的颗粒受“盖下流”运动死区的影响较大，且容易进入短路流；在溢流管插入深入截面附近有较明显的短路流。进口微粒排序对细小粒子的可分离性有影响，进口颗粒沿外壁到内自小到大排布的分离效率最高，但颗粒自大到小排布有对短路流的消除作用。.（3）利用PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) 在不同进口条件下对常规、正旋、逆旋旋流器的进口及内部分散相颗粒运动、分布规律作测量研究。结果表明微粒排序对分散相颗粒轴向速度的分布及零轴速包络面的大小有明显影响，分散相零轴速包络面的大小是决定旋流器分离效率的重要因素；进口微粒自外侧到内侧横向截面内微粒自小到大排序形式可提高旋流器对小颗粒分离效率，反之则可以提高分级效率。. （4）对常规、正旋、逆旋微旋流器的分离性能进行了测试。实验研究表明，旋流器的流体压降主要由本身结构而引起的，随着进口流量增大到一定程度，流体流动方向改变而引起的压降因素降低，分散相零轴速包络面的大小是决定旋流器分离效率的一个指标与模拟及实测一致。在实验物料体系及相同操作条件下，对于粒径小于5微米颗粒，逆旋旋流器的分离效率比正旋旋流器效率高约5%-8%，正旋旋流器比常规旋流器的分离效率高约3%。.