物理分离因不需要或少添加化学品和微生物制剂,在污染物源头治理和回收利用方面具有突出优势。旋流分离器是具有一百多年传统的通用环保设备,具有紧凑、简便和高效优势。但因受湍流扩散的制约,不能直接去除离子分子态污染物。本文创建三维旋转湍流场中微球高速自转检测系统及预测方法,发现在旋流器内颗粒沿螺旋线可高速自转,自转与公转速度大小和方向不一致,螺旋线比旋流器公称半径长一个数量级以上,揭示了旋流器中废催化剂孔隙脱油、油页岩干馏废水油泥分离和碳四脱胺的机理。本文研究成果:(1)建立了旋流场中微球自转速度及分布的理论预测模型。首先,在考虑旋流器溢流管壁厚的影响下,对Bloor&Ingham旋流场模型中流线进行修正,使其适合于预测微旋流器内三维旋转速度场。然后基于旋流器速度场建立微球自转模型,并对HL/S25型微旋流器中的微球轴向自转及其调控进行研究,结果表明:在柱坐标系下,强制涡中微球自转速度为零;准自由涡中微球自转速度随公转半径增大而减小,且方向与公转相反;壁面边界层中微球自转速度急剧增大,方向与准自由涡相同。当微球位于零轴速包络面内侧时(r/R<0.6),自转与公转速度之比为0.95<ω/ωa<1,且比值随轴向高度降低而增大;当微球位于零速点外侧时,ω/ωa>1,且比值随轴向高度降低而减小。微球在壁面边界层中的自转速度可达公转速度的数十倍。另外,微球自转速度与进口流量成线性关系,而与锥角大小正比关系,因此通过进口雷诺数和锥角大小有效调控旋流器中颗粒的自转速度。(2)构建了微球高速自转的检测方法及装置。利用微流控技术自制了外壳透明内含对称双球核的单分散示踪微球,本文研究中所用示踪微球外径470 μm,球核直径200μm。利用两台正交分布高速相机构建了微球自转检测的三维同步高速运动分析系统(S-HSMA),获得了 HL/S25型微旋流器柱锥壁面附近微球自转速度分布,结果表明:微球在壁面附近高速自转,自转速度随公转半径减小而迅速减小,且自转与公转方向相反。旋流器锥形结构对于维持微球高速自转具有重要作用,测试工况下,微球最高自转速度达到3000 rad/s以上,约为边界层内微球自转速度理论预测值的一半。为了研究整个旋流场中微球自转速度,利用单台高速相机构建了微球自转检测的二维高速运动分析系统(HSMA),并联合粒子图像测速(PIV)技术,检测了直径25 mm柱旋流器内螺旋迁移微球的自转速度,结果表明:根据流体公转速度径向分布,旋流场中心区域为准强制涡,微球自转速度先随公转半径增大而减小,在靠近壁面时,受边界层强剪切作用而迅速增大,整个旋流场中微球自转方向与公转相反。另外,在准自由涡区域,自转速度测量值与理论预测值较吻合,但在壁面附近,自转速度测量值约为理论预测值的一半。颗粒自转与公转产生了作用于颗粒上质点的周期性强耦合离心力,有助于孔隙中的污染物向外迁移。(3)建立了旋流器中螺旋迁移微球自转速度的数值模拟方法。该方法首先利用雷诺应力模型(RSM)和分散相模型(DPM)模拟产生旋流器内三维旋转湍流速度场和微球迁移螺旋线,然后通过数值拟合得到微球沿螺旋线运动的自转速度。利用该方法分别对HL/S25型液-固微旋流器中470μm微球,和HL/L35型液-液旋流器中10-50 μm液滴沿螺旋线的自转运动进行预测分析。结果表明:粒径470 μm微球在液-固旋流器中沿螺旋线高速自转,停留时间小于0.3秒,螺旋线长度达到旋流器公称半径的37倍以上。微球沿螺旋线自转呈脉动减小趋势,柱段内自转速度与S-HSMA检测结果误差为7.7%-16.1%,锥段内误差为16.4%-37.1%。粒径30和50μm液滴在液-液微旋流器内沿螺旋线高速自转,自转速度达到10000 rad/s以上,螺旋线长度达到1000 mm以上,是旋流器公称半径的60倍以上,有利于提高萃取微液滴对周围污染物粒子的捕获概率。(4)揭示了旋流场中颗粒沿螺旋线高速自转强化过程分离的机理。利用废催化剂在旋流器近壁面区沿螺旋线的高速自转,实现了颗粒表面油的剪切强化分离,孔隙油的振荡离心强化分离。实验结果表明,在95℃热水中以300r/min的速度搅拌脱除30min的基础上,采用旋流振荡在65℃热水中以小于1 s时间内将废催化剂携带油的脱除效率从52.44%提高到73.74%。利用气泡-油泥复合颗粒在旋流器中高速自转,实现了气泡与油泥分离。在80万吨/年抚顺式油页岩干馏装置700t/h的循环洗涤水净化中,使的循环水中固含量从416mg/L下降至47.4mg/L,保证了装置的稳定运行,总油收率提高了 5.3%,平均每月减少230 t污油排放。利用微液滴在旋流器旋转湍流场中沿螺旋线高速自转,进而加快微界面及两侧传质动力的特性,开发了旋流萃取技术,在2万吨/年甲基叔丁基醚装置碳四脱胺的萃取过程,可使萃取水量从1800-2000 kg/h降至30 kg/h,相比从0.17降至0.01以下,连续运行周期提高3倍,催化剂单耗从0.94 kg/t降低至0.64 kg/t,从源头减少32%的固废排放量。