流体机械

参数	数值	参数	数值
罐体高度H/mm	308	筒体直径D₂/mm	32
罐体直径D/mm	100	叶片高度h/mm	137
入口管直径d_i/mm	8	叶片厚度β/mm	2
溢流管直径d_w/mm	8	叶片倾角α/（°）	45
底流口直径d_s/mm	14	叶片数量n/个	16
叶片直径D₁/mm	75	—	—

参数

数值

参数

数值

罐体高度H/mm

308

筒体直径D₂/mm

罐体直径D/mm

100

叶片高度h/mm

137

入口管直径d_i/mm

叶片厚度β/mm

溢流管直径d_w/mm

叶片倾角α/（°）

底流口直径d_s/mm

叶片数量n/个

叶片直径D₁/mm

—

参数	数值	参数	数值
罐体高度H/mm	308	筒体直径D₂/mm	32
罐体直径D/mm	100	叶片高度h/mm	137
入口管直径d_i/mm	8	叶片厚度β/mm	2
溢流管直径d_w/mm	8	叶片倾角α/（°）	45
底流口直径d_s/mm	14	叶片数量n/个	16
叶片直径D₁/mm	75	—	—

参数

数值

参数

数值

罐体高度H/mm

308

筒体直径D₂/mm

罐体直径D/mm

100

叶片高度h/mm

137

入口管直径d_i/mm

叶片厚度β/mm

溢流管直径d_w/mm

叶片倾角α/（°）

底流口直径d_s/mm

叶片数量n/个

叶片直径D₁/mm

—

项目	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO	其他
数值	58.05	27.63	5.21	3.16	3.6	2.35

项目

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

MgO

CaO

其他

数值

58.05

27.63

5.21

3.16

3.6

2.35

项目	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO	其他
数值	58.05	27.63	5.21	3.16	3.6	2.35

项目

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

MgO

CaO

其他

数值

58.05

27.63

5.21

3.16

3.6

2.35

水平	因素
-1	3	0.2	20
0	3.5	0.3	30
1	4	0.4	40

水平

因素

A/（L⋅min^-1）

C/（g⋅t^-1）

-1

0.2

3.5

0.3

0.4

水平	因素
-1	3	0.2	20
0	3.5	0.3	30
1	4	0.4	40

水平

因素

A/（L⋅min^-1）

C/（g⋅t^-1）

-1

0.2

3.5

0.3

0.4

试验号	流量/（L⋅min^-1）	分流比	药剂用量/（g⋅t^-1）	底流浓度/%	溢流浓度/(mg⋅L^-1)
1	3.5	0.2	20	62.39	740.25
2	4	0.3	20	53.32	372.02
3	3.5	0.4	40	44.29	180.67
4	3	0.4	30	45.38	108.03
5	3	0.3	40	52.75	396.43
6	3.5	0.3	30	59.70	98.57
7	3.5	0.4	20	43.95	203.33
8	4	0.3	40	52.53	405.86
9	3.5	0.3	30	59.70	98.57
10	4	0.4	30	45.39	107.33
11	3.5	0.3	30	59.70	98.57
12	4	0.2	30	68.16	596.01
13	3	0.3	20	55.39	98.57
14	3.5	0.3	30	59.70	98.57
15	3	0.2	30	66.49	637.75
16	3.5	0.2	40	63.85	703.75
17	3.5	0.3	30	59.70	98.57

试验号

流量/（L⋅min^-1）

分流比

药剂用量/（g⋅t^-1）

底流浓度/%

溢流浓度/(mg⋅L^-1)

3.5

0.2

62.39

740.25

0.3

53.32

372.02

3.5

0.4

44.29

180.67

0.4

45.38

108.03

0.3

52.75

396.43

3.5

0.3

59.70

98.57

3.5

0.4

43.95

203.33

0.3

52.53

405.86

3.5

0.3

59.70

98.57

0.4

45.39

107.33

3.5

0.3

59.70

98.57

0.2

68.16

596.01

0.3

55.39

98.57

3.5

0.3

59.70

98.57

0.2

66.49

637.75

3.5

0.2

63.85

703.75

3.5

0.3

59.70

98.57

试验号	流量/（L⋅min^-1）	分流比	药剂用量/（g⋅t^-1）	底流浓度/%	溢流浓度/(mg⋅L^-1)
1	3.5	0.2	20	62.39	740.25
2	4	0.3	20	53.32	372.02
3	3.5	0.4	40	44.29	180.67
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10	4	0.4	30	45.39	107.33
11	3.5	0.3	30	59.70	98.57
12	4	0.2	30	68.16	596.01
13	3	0.3	20	55.39	98.57
14	3.5	0.3	30	59.70	98.57
15	3	0.2	30	66.49	637.75
16	3.5	0.2	40	63.85	703.75
17	3.5	0.3	30	59.70	98.57

试验号

流量/（L⋅min^-1）

分流比

药剂用量/（g⋅t^-1）

底流浓度/%

溢流浓度/(mg⋅L^-1)

3.5

0.2

62.39

740.25

0.3

53.32

372.02

3.5

0.4

44.29

180.67

0.4

45.38

108.03

0.3

52.75

396.43

3.5

0.3

59.70

98.57

3.5

0.4

43.95

203.33

0.3

52.53

405.86

3.5

0.3

59.70

98.57

0.4

45.39

107.33

3.5

0.3

59.70

98.57

0.2

68.16

596.01

0.3

55.39

98.57

3.5

0.3

59.70

98.57

0.2

66.49

637.75

3.5

0.2

63.85

703.75

3.5

0.3

59.70

98.57

方差来源	自由度	平方和	均方	F值	P值
模型	9	956.93	875 975	106.33	97 330	76.64	85.17	<0.000 1	<0.000 1
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B	1	838.04	539 968	838.04	539 968	604.09	472.53	<0.000 1	<0.000 1
C	1	0.332 1	964.04	0.332 1	964.04	0.239 4	0.843 6	0.639 6	0.388 9
AB	1	0.688 9	421.07	0.688 9	421.07	0.496 6	0.368 5	0.503 8	0.563 0
AC	1	0.855 6	1 572.12	0.855 6	1 572.12	0.616 8	1.38	0.458 0	0.279 2
BC	1	0.313 6	47.89	0.313 6	47.89	0.226 1	0.041 9	0.648 9	0.843 6
A²	1	12.66	30 819.61	12.66	30 819	9.12	26.97	0.019 4	0.001 3
B²	1	10.93	133 638	10.93	133 638	7.88	116.95	0.026 3	<0.000 1
C²	1	84.08	136 838	84.08	136 838	60.61	119.75	0.000 1	<0.000 1
残差	7	9.71	7 999.08	1.39	1 142.73
失拟项	3	9.71	7 999.08	3.24	2 666.36
纯误差	4	0	0	0	0
总和	16	966.64	883 974

方差来源

自由度

平方和

均方

F值

P值

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

模型

956.93

875 975

106.33

97 330

76.64

85.17

<0.000 1

0.046 5

388.09

0.046 5

388.09

0.033 5

0.339 6

0.859 9

0.578 3

838.04

539 968

838.04

539 968

604.09

472.53

<0.000 1

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964.04

0.332 1

964.04

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0.639 6

0.388 9

0.688 9

421.07

0.688 9

421.07

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1 572.12

0.855 6

1 572.12

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47.89

0.313 6

47.89

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12.66

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B²

10.93

133 638

10.93

133 638

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C²

84.08

136 838

84.08

136 838

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119.75

0.000 1

<0.000 1

残差

9.71

7 999.08

1.39

1 142.73

失拟项

9.71

7 999.08

3.24

2 666.36

纯误差

总和

966.64

883 974

方差来源	自由度	平方和	均方	F值	P值
模型	9	956.93	875 975	106.33	97 330	76.64	85.17	<0.000 1	<0.000 1
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AB	1	0.688 9	421.07	0.688 9	421.07	0.496 6	0.368 5	0.503 8	0.563 0
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A²	1	12.66	30 819.61	12.66	30 819	9.12	26.97	0.019 4	0.001 3
B²	1	10.93	133 638	10.93	133 638	7.88	116.95	0.026 3	<0.000 1
C²	1	84.08	136 838	84.08	136 838	60.61	119.75	0.000 1	<0.000 1
残差	7	9.71	7 999.08	1.39	1 142.73
失拟项	3	9.71	7 999.08	3.24	2 666.36
纯误差	4	0	0	0	0
总和	16	966.64	883 974

方差来源

自由度

平方和

均方

F值

P值

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

模型

956.93

875 975

106.33

97 330

76.64

85.17

<0.000 1

0.046 5

388.09

0.046 5

388.09

0.033 5

0.339 6

0.859 9

0.578 3

838.04

539 968

838.04

539 968

604.09

472.53

<0.000 1

0.332 1

964.04

0.332 1

964.04

0.239 4

0.843 6

0.639 6

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0.688 9

421.07

0.688 9

421.07

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1 572.12

0.855 6

1 572.12

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1.38

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47.89

0.313 6

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0.648 9

0.843 6

A²

12.66

30 819.61

12.66

30 819

9.12

26.97

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0.001 3

B²

10.93

133 638

10.93

133 638

7.88

116.95

0.026 3

<0.000 1

C²

84.08

136 838

84.08

136 838

60.61

119.75

0.000 1

<0.000 1

残差

9.71

7 999.08

1.39

1 142.73

失拟项

9.71

7 999.08

3.24

2 666.36

纯误差

总和

966.64

883 974

模型	$R 2$	$R a d j 2$	C.V./%	信噪比
$Y 1$	0.990 0	0.977 0	2.10	26.598 0
$Y 2$	0.991 0	0.979 3	10.99	24.648 9

模型

R 2

R a d j 2

C.V./%

信噪比

Y 1

0.990 0

0.977 0

2.10

26.598 0

Y 2

0.991 0

0.979 3

10.99

24.648 9

模型	$R 2$	$R a d j 2$	C.V./%	信噪比
$Y 1$	0.990 0	0.977 0	2.10	26.598 0
$Y 2$	0.991 0	0.979 3	10.99	24.648 9

模型

R 2

R a d j 2

C.V./%

信噪比

Y 1

0.990 0

0.977 0

2.10

26.598 0

Y 2

0.991 0

0.979 3

10.99

24.648 9

矿浆浓缩用新型螺旋分离器性能试验研究

吴比 ¹^,²^,³ , 石熠 ¹^,²^,³ , 陈家庆 ¹^,²^,³ , 沈帅帅 ¹^,²^,³ , 宋赛 ¹^,²^,³ , 王余豪 ¹^,²^,³

流体机械 | 试验研究 2025,53(12): 29-37

收起

流体机械 |试验研究 2025 , 53 (12) : 29 -37

矿浆浓缩用新型螺旋分离器性能试验研究

全屏

吴比¹^,²^,³, 石熠¹^,²^,³, 陈家庆¹^,²^,³, 沈帅帅¹^,²^,³, 宋赛¹^,²^,³, 王余豪¹^,²^,³

作者信息

¹北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617

²深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617

³中国海油海洋油气工程技术与智能化重点实验室，北京 100028

通讯作者:

石熠（1990），男，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为环保多相流高效分离技术及设备，通信地址：102617北京市大兴区清源北路19号北京石油化工学院机械工程学院，E-mail：shiyi@bipt.edu.cn。

作者简介:

吴比（1999），男，硕士研究生，主要研究方向为环保多相流高效分离技术及设备，E-mail：2633308451@qq.com。

Experimental study on the performance of a new spiral separator for slurry concentration

Bi WU¹^,²^,³, Yi SHI¹^,²^,³, Jiaqing CHEN¹^,²^,³, Shuaishuai SHEN¹^,²^,³, Sai SONG¹^,²^,³, Yuhao WANG¹^,²^,³

Affiliations

¹School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China

²Beijing Key Laboratory of Key Technologies and Equipment for Deepwater Oil and Gas Pipelines，Beijing 102617，China

³Key Laboratory of Offshore Oil and Gas Engineering Technology and Intelligence，Beijing 100028，China

出版时间: 2025-12-31 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.004

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摘要

收起

针对矿山领域中传统尾矿浓缩设备存在占地面积大、浓缩效率低的问题，提出一种基于螺旋流道强化颗粒迁移沉降的尾矿浓缩用立式分离器，旨在提升尾矿浓缩效果。以底流浓度、溢流浓度为评价指标，试验研究了絮凝剂、流量及分流比对分离器浓缩效果的影响规律；借助响应曲面法试验对操作参数进行优化，并进一步探究了入口浓度、有无叶片对分离器性能的影响。结果表明，在尾矿中位粒径13.5 μm、入口浓度20%的工况条件下，最优操作参数组合为入口流量3.509 L/min、分流比0.244、药剂用量29.9 g/t，此时底流浓度达65.46%，溢流浓度为282.9 mg/L，相较初选值底流浓度59.7%提升了5.76%；有叶片组相较于无叶片组底流浓度（45.54%）提升了19.92%。研究结果可为新型紧凑高效矿浆浓缩设备的研发及推广应用提供思路与参考。

关键词

矿浆浓缩 / 螺旋叶片 / 浅层沉降 / 响应曲面法

Abstract

收起

To address the issues of large footprint and low thickening efficiency in traditional tailings thickening equipment in the mining sector，a vertical separator utilizing spiral flow channels to enhance particle migration and sedimentation is proposed for tailings concentration，aiming to improve tailings thickening performance.Using underflow concentration and overflow concentration as evaluation metrics，experimental studies were conducted to investigate the effects of flocculant dosage，flow rate，and split ratio on the separator's thickening performance.Response surface methodology （RSM） was employed to optimize the operational parameters，and further investigations were carried out to examine the impact of inlet concentration and the presence or absence of blades on separator performance.The results show that under conditions of a tailings median particle size of 13.5 μm and an inlet concentration of 20%，the optimal operational parameter combination is an inlet flow rate of 3.509 L/min，a split ratio of 0.244，and a flocculant dosage of 29.9 g/t.At these settings，the underflow concentration reached 65.46%，and the overflow concentration was 282.9 mg/L，representing a 5.76% increase in underflow concentration compared to the initial value of 59.7%.The group with blades exhibited a 19.92% higher underflow concentration （45.54%） compared to the group without blades.The findings provide insights and references for the development and application of novel compact and efficient slurry thickening equipment.

Key words

slurry thickening / spiral blade / shallow sedimentation / response surface method

引用本文

吴比, 石熠, 陈家庆, 沈帅帅, 宋赛, 王余豪. 矿浆浓缩用新型螺旋分离器性能试验研究. 流体机械, 2025 , 53 (12) : 29 -37 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.004

Bi WU, Yi SHI, Jiaqing CHEN, Shuaishuai SHEN, Sai SONG, Yuhao WANG. Experimental study on the performance of a new spiral separator for slurry concentration[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (12) : 29 -37 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.004

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0　引言

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在全球矿产资源开发强度持续攀升与环保法规日益严苛的双重背景下，尾矿处理技术正经历从“粗放式堆存”向“减量化、资源化、无害化”的转型^［1］。尾矿浓缩作为关键环节，通过提升尾矿固体浓度、优化回水循环利用，有效降低了尾矿库溃坝风险与环境污染负荷^［2］。然而，伴随选矿技术革新，尾矿中细颗粒占比持续增大，尤其是全尾砂分级产生的溢流超细尾砂（中值粒径d₅₀在8~15 μm之间），因其粒度细、比表面积大、泥质含量高，呈现出浓缩困难等问题^［3］。传统基于重力沉降原理的尾矿浓缩技术，面对复杂的颗粒特性与处理需求，在效率与能耗方面的局限性愈发凸显^［4］。

为突破技术瓶颈，研究人员围绕设备结构优化与工艺流程创新开展了大量研究^［5-6］，衍生出斜板浓密机、多级分离工艺等高效技术^［7-10］。某公司通过旋流器分级与旋流澄清器浓缩的协同工艺，将细粒级尾矿浓度提升至55%以上^［7］。其中，立式浓缩设备凭借占地面积小、结构紧凑、处理效率高等优势，成为行业关注焦点^［11］。英国某公司研发的De Hoxar立式动态螺旋分离器，自1997年问世以来，已在加拿大、日本、英国等多地的废水处理厂完成超12处现场应用，其利用板片组与颗粒的相对运动分离机制，使设备占地面积仅为传统装置的3%^［12］。尽管动态分离器展现出卓越性能，但其运动部件带来的密封性要求高、能耗大等问题，仍制约着应用场景拓展。

本文设计一种新型静态螺旋分离器，用于全尾砂分级溢流尾砂的处理，探究絮凝剂种类和用量、流量和底部出口分流比（以下简称分流比）对分离器底流出口质量浓度（以下简称底流浓度）及溢流出口悬浮物浓度（以下简称溢流浓度）的影响规律，为其工程推广应用提供参考和指导。

1　试验系统及方法

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1.1　分离器结构及工作原理

螺旋分离器主要由切向入口、溢流管、底流槽、螺旋叶片组、立式罐体等组成，其结构见图1。分离器尺寸参数见表1，设计额定处理量4 L/min。基于浅层沉降原理的斜板浓密机中颗粒运动过程如图2（a）所示。利用一组表面光滑的特制倾斜板面将沉降区域分隔为多层，改变颗粒的沉降路径，缩短沉降时间，提高分离效率^［13］。

结合螺旋流道强化颗粒迁移沉降原理进行了分离器室内样机设计，颗粒运动过程如图2（b）所示。相较于图2（a）的浅层流道设计，采用横向流与上向流结合的给料方式，即来液从螺旋流道下端一侧给入，矿浆由流道下部排出，污水由流道上端一侧排出。颗粒在竖直的沉降速度v与水平的切向速度v₀形成的合速度v₁，相较于仅靠重力的沉降速度v更大，沉降距离由竖直方向的h缩短为h₀。通过改进内部构件，在增大固体回收量的前提下，减少设备占地面积。

室内试验流程如图3所示。其主要包括物料罐、电动搅拌器（LC-ES-60SH型）、螺旋分离器、蠕动泵（YT6001F型，BT601F型）等。测量仪器包括电子天平（T1000型）、Mastersizer 3000激光粒度仪（英国）、Multisizer 3库尔特粒子计数及粒度分析仪（美国）等。试验过程中设置搅拌器转速1 500 r/min，重复3次试验，结果取平均值。

1.2　试验材料及评价指标

细尾砂的化学成分以钙、硅、铝、镁、铁的氧化物为主，总含量可达70%~90%，主要矿物组成为石英、长石和云母等^［14］。采用400目双层筛网对高岭土矿尾砂进行筛分，用马尔文和库尔特粒度分析仪分别测量了筛分后的尾矿粒径，结果基本一致，粒径分布如图4所示。

尾砂中位粒径d₅₀=13.5 μm，小于15 μm粒径颗粒含量高于45%，属于超细尾砂，堆积密度为1 300 kg/m³，化学组成如表2所示。液相采用自来水，密度为998 kg/m³。

采用d₅₀=13.5 μm尾砂进行试验，以底流浓度和溢流浓度作为评价指标，溢流口取样后，利用库尔特分析仪测量悬浮物浓度

Y 2

。底流口取样后记总质量为

w

（量筒）＋

w 1

（固相）＋

w 2

（水），样品静置24 h以上，观察到上层水体基本澄清后，将上清液排出，设置电热鼓风干燥箱为105 ℃，干燥处理湿固相12 h以上，其质量记录为

w 1

w

，计算底流浓度（

Y 1

）：

Y 1 = w 1 w 1 + w 2 × 100 %

（1）

絮凝剂可以促使细尾砂颗粒聚集，形成尺寸更大、沉降速度更快的絮团^［15-17］。试验采用非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）、阴离子型聚丙烯酰胺（HPAM）三种类型的絮凝剂，其分子量范围为800万~1 600万。

2　试验结果与讨论

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2.1　药剂筛选

保持分离器入口流量4 L/min，分流比0.3，入口矿浆质量浓度（以下简称入口浓度）20%，依次投加NPAM，CPAM，HPAM三种絮凝剂，分子量均为800万，絮凝剂溶解液浓度0.1%，药剂用量20 g/t，考察不同絮凝剂种类对分离器浓缩性能的影响。图5示出底流浓度及溢流浓度的变化曲线。可以看出，无药剂组底流浓度最低为41.55%，溢流浓度最高为1 261.17 mg/L；HPAM组底流浓度最高为59.09%，溢流浓度最低为822.68 mg/L；添加絮凝剂效果为HPAM>NPAM>CPAM>无药剂。后续选择HPAM进行研究。

絮凝剂的分子量对絮凝性能起着重要的影响，保持工况参数不变，依次投加HPAM分子量500万，800万，1 000万，1 200万，1 600万，探究絮凝剂分子量对浓缩效果的影响，试验结果如图6（a）所示。结果表明，HPAM的分子量对其絮凝性能有直接影响，较高的分子量能够提供更多的交联点，增强絮凝剂的聚集作用，使得其絮凝效果更好^［18］，其分子量1 600万组底流浓度上升至64.68%，溢流浓度下降至682.92 mg/L。后续采用HPAM的分子量为1 600万进行研究。

絮凝剂用量是影响絮凝效果的重要因素，选择适当的药剂用量范围，以获得最佳的絮凝效果。保持工况参数不变，依次投加药剂用量10，20，30，40，50 g/t，探究絮凝剂用量对浓缩效果的影响，试验结果如图6（b）所示。絮凝剂用量存在最优取值，随着絮凝剂用量的增加，底流浓度先增大后减小，溢流浓度先减小后增大，最优絮凝剂用量为30 g/t，此时底流浓度为67.05%，溢流浓度为623.67 mg/L。当絮凝剂的添加量过低时，尾砂浆只有部分形成了絮凝体，导致溢流悬浮物过多；此时继续向尾砂浆中加入絮凝剂至最佳值，会逐渐提高尾砂的沉降速率；但当絮凝剂的添加量超过最优添加量时，尾砂间形成的絮体网状结构会出现相互纠缠作用，这反而降低了尾砂的沉降速率^［19］。筛选后，采用药剂用量30 g/t进行后续试验。

2.2　流量和分流比的影响

保持入口浓度20%，依次改变入口流量（2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 L/min）和分流比（0.1，0.2，0.3，0.4，0.5），考察不同入口流量和分流比对分离器浓缩性能的影响。图7示出不同流量及分流比下，底流浓度和溢流浓度的变化情况。

同一分流比下，随着入口流量的增加，底流浓度先升高后降低，溢流浓度先降低后升高；当分流比为0.1~0.2时，最优流量为4 L/min；当分流比为0.3~0.5时，最优流量为3.5 L/min。流量较低时，切向入口提供的旋流强度不足，导致颗粒受到的离心力较小，叶片挤压效果较差，难以达到浓缩效果。随着流量的增大，底流浓度逐渐升高，到最高点之后，颗粒在流道内停留时间缩短，颗粒运动速度过快，还没来得及沉降就被带到溢流口，导致底流浓度降低、溢流浓度升高。

同一流量下，随着分流比的增加，底流浓度下降，溢流浓度先下降、然后趋于平缓。高分流比下，增加底流口泵提供的抽吸力会导致更多的水从底部出口流出，底流浓度降低。低分流比下浓缩效果到达临界值，底部出口固体通量降低，更多颗粒从溢流口流出。

当流量为4 L/min、分流比为0.1时，底流浓度最高为71.63%，溢流浓度为1 222.22 mg/L；当流量为3.5 L/min、分流比为0.5时，溢流浓度最低为80.03 mg/L，底流浓度为39.20%。为了满足工业用水排放要求^［20］，以及综合考虑底流浓度和固体通量，初步选择的参数组合为流量3.5 L/min、分流比0.3，此时底流浓度为59.7%，溢流浓度为98.57 mg/L。

3　基于响应曲面法的操作参数优化

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选定流量（A）、分流比（B）、药剂用量（C）三个因素作为自变量，利用Design-Expert 13软件，采用Box-Behnken Design（BBD）设计方法进行了三因素三水平的试验设计，探究多目标条件下最优操作参数组合。响应面试验因素及水平如表3所示。

3.1　响应面试验设计及结果

依据响应曲面法完成17组试验，得到对应的底流浓度和溢流浓度，如表4所示。

3.2　回归模型及显著性分析

利用Design-Expert 13软件，对试验结果进行方差分析后，得到关于底流浓度

Y 1

和溢流浓度

Y 2

的二次多项式回归方程式：

Y 1 = - 49.646 + 48.1 A + 31.8 B + 2.4 C - 8.3 A B + 0.093 A C - 0.28 B C - 6.935 A 2 - 161.125 B 2 - 0.045 C 2

（2）

Y 2 = 8 044 - 2 324 A - 14 109 B - 94.2 C + 205.2 A B - 3.965 A C + 3.46 B C + 342.22 A 2 + 17 815.5 B 2 + 1.803 C 2

（3）

对表4中的数据进行回归模型方差分析，结果如表5所示。

在表5中，以F，P为主要指标，其中，P表示原假设成立时的概率，P值越小，影响因子的显著性越高；F为影响因子的均方除以其误差均方，表示对整体显著性的影响，其值越大，影响因子的显著性越高^［21］。该模型的P值均小于0.01，表明该模型的显著性较高。分流比对应P值小于0.000 1，说明该因素是显著的。通过P值和F值的分析结果表明，分流比（B）对底流浓度和溢流浓度的影响最大，其次是药剂用量（C），而流量（A）的影响最小，因此，这3个因素的影响顺序为B>C>A。

模型可信度分析结果见表6。可以看出，底流浓度、溢流浓度的决定系数

R 2

均大于0.95，调整决定系数

R a d j 2

与

R 2

差值小于0.02，变异系数（C.V.）均小于15%，信噪比均大于4。表明在所选择因素的工艺范围内，上述模型的拟合度较高，模型能够有效地反映分离器浓缩过程中各因素与响应值的关系^［22］。

3.3　响应曲面分析

利用Design-Expert 13软件，得到各因素之间交互作用对底流浓度和溢流浓度影响的等高线及响应曲面图，分别如图8、图9所示。

响应曲面图在水平方向落下的投影是等高线，当响应曲面图中的等高线呈椭圆形时，说明两个因素之间存在显著的交互作用；反之，若呈圆形，则说明交互作用并不显著。因此，综合以上对等高线和响应曲面图进行分析可以得出：流量（A）与药剂用量（C）交互作用显著；分流比（B）与药剂用量（C），以及流量（A）与分流比（B）交互作用不显著。

在保证溢流浓度不高于300 mg/L条件下，以最高底流浓度为目标，根据分析结果，预测最佳的参数组合：入口流量3.509 L/min，分流比0.244，药剂用量29.9 g/t，底流浓度预测值为64.93%。试验结果为底流浓度65.46%，溢流浓度282.9 mg/L。

4　最优操作参数下分离器性能研究

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4.1　入口浓度的影响

考虑实际工业生产中面临的复杂来液情况^［23］，在最优参数组合下，依次改变入口矿浆浓度10%，15%，20%，25%，30%，分析不同入口浓度对分离器浓缩性能的影响。结果如图10所示。可以看出，随着入口浓度的上升，底流浓度逐渐增大；在入口浓度大于20%时，底流浓度增大趋势变缓；在入口浓度小于20%时，溢流浓度变化较小。溢流浓度较大的情况下，底流出口堵塞现象明显，溢流口悬浮物明显增多，影响分离器正常运行，控制入口浓度在20%以下浓缩效果较好。

4.2　有无叶片的影响

按照最优操作参数，研究不同入口浓度下叶片对分离器的浓缩效率的影响，试验结果如图11所示。

无叶片分离器可视作竖流式浓缩机，以入口浓度20%为例，加入叶片后可将底流浓度从45.54%提升至65.46%，提升了19.92%；溢流浓度从902.67 mg/L降低至282.9 mg/L，降低了68.7%，叶片提升分离器浓缩性能显著。

5　结论

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（1）对絮凝剂优选后，采用分子量1 600万的HPAM。在入口浓度为20%时，同一流量下，随着分流比的增加，底流浓度下降，溢流浓度先下降、后趋于平缓。同一分流比下存在最优流量，当分流比为0.1~0.2时，最优流量为4 L/min；当分流比为0.3~0.5时，最优流量为3.5 L/min。优选的参数组合为流量3.5 L/min、分流比0.3、药剂用量30 g/t，此时底流浓度为59.7%，溢流浓度为98.57 mg/L。

（2）不同操作参数对分离器浓缩性能的影响程度排序为分流比>药剂用量>流量，其中，分流比的影响最显著，应该予以优先考虑，流量与药剂用量交互作用显著。响应曲面法得到的最优操作参数为入口流量3.509 L/min、分流比0.244、药剂用量29.9 g/t，底流浓度预测值为64.93%。试验结果为底流浓度65.46%，相较初选值59.7%提升了5.76%，溢流悬浮物浓度282.9 mg/L，满足工业排放要求。

（3）过大的入口浓度可能会造成底流出口堵塞和溢流浓度增加。螺旋叶片显著增加了底流浓度、降低了溢流浓度。分离器对于不同运行工况的适应性较好，具备连续浓缩排放的能力。

参考文献

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排序方式：

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2025年第53卷第12期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.12.004

接收时间：2025-07-14
首发时间：2026-10-22
出版时间：2025-12-31

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收稿日期：2025-07-14
修回日期：2025-09-15

基金

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¹北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617

²深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617

³中国海油海洋油气工程技术与智能化重点实验室，北京 100028

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

参数	数值	参数	数值
罐体高度H/mm	308	筒体直径D₂/mm	32
罐体直径D/mm	100	叶片高度h/mm	137
入口管直径d_i/mm	8	叶片厚度β/mm	2
溢流管直径d_w/mm	8	叶片倾角α/（°）	45
底流口直径d_s/mm	14	叶片数量n/个	16
叶片直径D₁/mm	75	—	—

参数

数值

参数

数值

罐体高度H/mm

308

筒体直径D₂/mm

罐体直径D/mm

100

叶片高度h/mm

137

入口管直径d_i/mm

叶片厚度β/mm

溢流管直径d_w/mm

叶片倾角α/（°）

底流口直径d_s/mm

叶片数量n/个

叶片直径D₁/mm

—

项目	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO	其他
数值	58.05	27.63	5.21	3.16	3.6	2.35

项目

SiO₂

Al₂O₃

Fe₂O₃

MgO

CaO

其他

数值

58.05

27.63

5.21

3.16

3.6

2.35

水平	因素
-1	3	0.2	20
0	3.5	0.3	30
1	4	0.4	40

水平

因素

A/（L⋅min^-1）

C/（g⋅t^-1）

-1

0.2

3.5

0.3

0.4

试验号	流量/（L⋅min^-1）	分流比	药剂用量/（g⋅t^-1）	底流浓度/%	溢流浓度/(mg⋅L^-1)
1	3.5	0.2	20	62.39	740.25
2	4	0.3	20	53.32	372.02
3	3.5	0.4	40	44.29	180.67
4	3	0.4	30	45.38	108.03
5	3	0.3	40	52.75	396.43
6	3.5	0.3	30	59.70	98.57
7	3.5	0.4	20	43.95	203.33
8	4	0.3	40	52.53	405.86
9	3.5	0.3	30	59.70	98.57
10	4	0.4	30	45.39	107.33
11	3.5	0.3	30	59.70	98.57
12	4	0.2	30	68.16	596.01
13	3	0.3	20	55.39	98.57
14	3.5	0.3	30	59.70	98.57
15	3	0.2	30	66.49	637.75
16	3.5	0.2	40	63.85	703.75
17	3.5	0.3	30	59.70	98.57

试验号

流量/（L⋅min^-1）

分流比

药剂用量/（g⋅t^-1）

底流浓度/%

溢流浓度/(mg⋅L^-1)

3.5

0.2

62.39

740.25

0.3

53.32

372.02

3.5

0.4

44.29

180.67

0.4

45.38

108.03

0.3

52.75

396.43

3.5

0.3

59.70

98.57

3.5

0.4

43.95

203.33

0.3

52.53

405.86

3.5

0.3

59.70

98.57

0.4

45.39

107.33

3.5

0.3

59.70

98.57

0.2

68.16

596.01

0.3

55.39

98.57

3.5

0.3

59.70

98.57

0.2

66.49

637.75

3.5

0.2

63.85

703.75

3.5

0.3

59.70

98.57

方差来源	自由度	平方和	均方	F值	P值
模型	9	956.93	875 975	106.33	97 330	76.64	85.17	<0.000 1	<0.000 1
A	1	0.046 5	388.09	0.046 5	388.09	0.033 5	0.339 6	0.859 9	0.578 3
B	1	838.04	539 968	838.04	539 968	604.09	472.53	<0.000 1	<0.000 1
C	1	0.332 1	964.04	0.332 1	964.04	0.239 4	0.843 6	0.639 6	0.388 9
AB	1	0.688 9	421.07	0.688 9	421.07	0.496 6	0.368 5	0.503 8	0.563 0
AC	1	0.855 6	1 572.12	0.855 6	1 572.12	0.616 8	1.38	0.458 0	0.279 2
BC	1	0.313 6	47.89	0.313 6	47.89	0.226 1	0.041 9	0.648 9	0.843 6
A²	1	12.66	30 819.61	12.66	30 819	9.12	26.97	0.019 4	0.001 3
B²	1	10.93	133 638	10.93	133 638	7.88	116.95	0.026 3	<0.000 1
C²	1	84.08	136 838	84.08	136 838	60.61	119.75	0.000 1	<0.000 1
残差	7	9.71	7 999.08	1.39	1 142.73
失拟项	3	9.71	7 999.08	3.24	2 666.36
纯误差	4	0	0	0	0
总和	16	966.64	883 974

方差来源

自由度

平方和

均方

F值

P值

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

Y 1

Y 2

模型

956.93

875 975

106.33

97 330

76.64

85.17

<0.000 1

0.046 5

388.09

0.046 5

388.09

0.033 5

0.339 6

0.859 9

0.578 3

838.04

539 968

838.04

539 968

604.09

472.53

<0.000 1

0.332 1

964.04

0.332 1

964.04

0.239 4

0.843 6

0.639 6

0.388 9

0.688 9

421.07

0.688 9

421.07

0.496 6

0.368 5

0.503 8

0.563 0

0.855 6

1 572.12

0.855 6

1 572.12

0.616 8

1.38

0.458 0

0.279 2

0.313 6

47.89

0.313 6

47.89

0.226 1

0.041 9

0.648 9

0.843 6

A²

12.66

30 819.61

12.66

30 819

9.12

26.97

0.019 4

0.001 3

B²

10.93

133 638

10.93

133 638

7.88

116.95

0.026 3

<0.000 1

C²

84.08

136 838

84.08

136 838

60.61

119.75

0.000 1

<0.000 1

残差

9.71

7 999.08

1.39

1 142.73

失拟项

9.71

7 999.08

3.24

2 666.36

纯误差

总和

966.64

883 974

模型	$R 2$	$R a d j 2$	C.V./%	信噪比
$Y 1$	0.990 0	0.977 0	2.10	26.598 0
$Y 2$	0.991 0	0.979 3	10.99	24.648 9

模型

R 2

R a d j 2

C.V./%

信噪比

Y 1

0.990 0

0.977 0

2.10

26.598 0

Y 2

0.991 0

0.979 3

10.99

24.648 9