大處理量緊湊型氣浮裝置的數(shù)值模擬

孔祥功，陳家慶，姬宜朋，王春升，張明，尚超，蔡小壘，劉美麗

（1北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2中海油研究總院技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027）

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大處理量緊湊型氣浮裝置的數(shù)值模擬

孔祥功1，陳家慶1，姬宜朋1，王春升2，張明2，尚超2，蔡小壘1，劉美麗1

（1北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2中海油研究總院技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027）

摘要：目前鮮有關(guān)于大處理量氣浮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方面的報(bào)道，氣浮裝置國(guó)產(chǎn)化研究進(jìn)程緩慢。為了解決這一問(wèn)題，本文以自主研發(fā)的處理量為120m3/h緊湊型氣浮裝置為計(jì)算模型，采用Eulerian模型和RNG k-ε湍流模型，運(yùn)用Fluent對(duì)其三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分別研究了內(nèi)筒高度、半徑間隙及入口管徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)和含油量、處理量等操作參數(shù)的影響，以便考察和優(yōu)化氣浮裝置的分離性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著半徑間隙的減小，除油率先增大后減??；隨著入口管徑的減小，除油率先減小后增大；改變內(nèi)筒高度對(duì)除油率的影響較小。操作參數(shù)影響的數(shù)值模擬結(jié)果表明，裝置的操作彈性相對(duì)較大，對(duì)水質(zhì)水量一定程度的波動(dòng)具有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：緊湊型氣浮裝置；含油污水；分離效率；數(shù)值模擬；工程放大

油田開(kāi)采、石油煉制、油品儲(chǔ)存及運(yùn)輸過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的含油污水，含油污水成分復(fù)雜，若未達(dá)標(biāo)處理排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此含油污水的高效、快速分離處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都受到高度重視。近年來(lái)，基于低強(qiáng)度旋流離心場(chǎng)和氣浮組合的緊湊型氣浮裝置（compact flotation unit，CFU）作為一種新型的含油污水處理設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、占地面積小、除油性能高等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外含油污水處理技術(shù)研發(fā)人員的高度關(guān)注，原挪威M-I SWACO Epcon公司（現(xiàn)被美國(guó)Schlumberger公司兼并）、挪威TS-Technology公司（現(xiàn)被美國(guó)Cameron公司兼并）、北京石油化工學(xué)院多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究所、寧波威瑞泰默賽多相流儀器設(shè)備有限公司等先后推出了處理能力各異的工程樣機(jī)或工業(yè)化裝置[1-4]。雖然各種工程樣機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理不盡相同，但在設(shè)計(jì)理論體系尚未完善成熟的情況下，為對(duì)緊湊型氣浮裝置內(nèi)部核心構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬手段進(jìn)行相關(guān)參數(shù)影響研究的做法已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。

2004年，原NATCO Group公司的LEE和FRANKIEWICZ等[5-6]利用CFD軟件Fluent，分別對(duì)處理量為50m3/h立式氣浮罐中氣體噴射器的幾何形狀及位置、注入氣體體積分?jǐn)?shù)、污水入口幾何形狀和內(nèi)部擋板等因素進(jìn)行了數(shù)值模擬討論，優(yōu)化了罐體內(nèi)部流場(chǎng)，保證氣泡能夠均勻分布。2015年，美國(guó)Schlumberger公司的MAELUM等[7]為在該公司第一代CFU產(chǎn)品（Epcon CFU）的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)新一代CFU產(chǎn)品（DUAL CFU）時(shí)，采用拉格朗日多相流模型和單向耦合模擬算法，首先進(jìn)行單一水相的Fluent流動(dòng)模擬，迭代收斂后再加入不同粒徑的氣泡，統(tǒng)計(jì)達(dá)到水體表面氣泡所占的比例，以此來(lái)估算除油效率；在此基礎(chǔ)上分別對(duì)內(nèi)部導(dǎo)流片的圈數(shù)、螺旋角進(jìn)行優(yōu)化，從而確保了新一代產(chǎn)品樣機(jī)（處理量5m3/h）除油性能的實(shí)質(zhì)性提升[7]。本文作者課題組[8-12]近十年來(lái)密切關(guān)注國(guó)外CFU的技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，基于自主建立的工藝尺寸理論設(shè)計(jì)方法和CFD數(shù)值模擬方法，研制開(kāi)發(fā)的BIPTCFU-III-4型（處理量4m3/h）和BIPTCFU-III-20型（處理量20m3/h）工程樣機(jī)分別在中原油田采油一廠、秦皇島32-6油田、流花11-1油田和錦州25-1油田成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，均取得了比較理想的除油效果。但是，縱觀國(guó)內(nèi)外已有的研究工作，迄今尚未見(jiàn)到針對(duì)大、中處理量下緊湊型氣浮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方面的相關(guān)文獻(xiàn)，尤其在國(guó)內(nèi)尚缺乏大、中處理量工程樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用的案例報(bào)道。因此，本文采用CFD數(shù)值模擬手段，首次在國(guó)內(nèi)針對(duì)處理量為120m3/h的BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分別討論內(nèi)筒高度、半徑間隙、入口管徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及處理量、含油量等操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響，以期為大處理量CFU工程樣機(jī)的研發(fā)提供理論指導(dǎo)，進(jìn)而為該類(lèi)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化、系列化設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

BIPTCFU系列緊湊型氣浮裝置在工作過(guò)程中，含油污水與氣體充分混合后由切向入口管進(jìn)入立式氣浮罐壁與內(nèi)筒構(gòu)成的環(huán)形空間中并形成弱旋流，一定的旋流強(qiáng)度使得油滴、氣泡等輕組分向內(nèi)筒中心匯聚，并在匯聚過(guò)程中接觸黏附，所形成的油滴-氣泡黏附體浮升至罐內(nèi)上部液面，依靠罐內(nèi)頂部氣相空間的壓力作用從頂部排油口排出，處理后的水通過(guò)罐底部的排水口排出。由于目前Fluent軟件尚無(wú)法完全考慮油滴、氣泡以及連續(xù)水相之間的相互作用，因此往往將氣浮凈化處理過(guò)程簡(jiǎn)化為兩相流模擬。為不失一般性，保持油相密度不變，將油滴粒徑設(shè)為300μm，以間接考慮氣泡對(duì)油滴浮升的積極作用，從而將油-氣-水三相數(shù)值模擬簡(jiǎn)化為油-水兩相數(shù)值模擬。通過(guò)在相同收斂條件下對(duì)比裝置內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況和油水分離效率，即可篩選出相對(duì)合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值。BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)處理量為120m3/h、水力停留時(shí)間為4min，基于自主建立的工藝尺寸理論設(shè)計(jì)方法可以初步計(jì)算確定主要結(jié)構(gòu)尺寸。為了便于在Gambit軟件中建立油-水兩相流動(dòng)區(qū)域三維實(shí)體模型，忽略頂部氣相空間和下部回流管路等，最終得到簡(jiǎn)化后物理模型的結(jié)構(gòu)尺寸和網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

計(jì)算時(shí)以下部橢圓封頭直邊中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向上取為z軸正方向，通過(guò)Gambit軟件采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。網(wǎng)格劃分時(shí)，首先把計(jì)算區(qū)域劃分成多個(gè)規(guī)則的子塊，利用Map方式生成四邊形面網(wǎng)格，然后利用Hex生成六面體網(wǎng)格，每個(gè)子塊均可單獨(dú)控制其疏密程度，所有的網(wǎng)格全部均為六面體網(wǎng)格，以充分保證網(wǎng)格質(zhì)量。

圖1 BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)的物理模型和CFD數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 數(shù)值模擬模型與網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

1.2.1 有效數(shù)值模擬模型的建立

油-水兩相流動(dòng)選用Eulerian模型，湍流模型采用RNG k-ε模型，壓力-速度耦合選用Phase Coupled SIMPLE算法，連續(xù)相、分散相、體積分?jǐn)?shù)、松弛因子等參考文獻(xiàn)[13-14]進(jìn)行設(shè)置。在邊界條件設(shè)置時(shí)，將緊湊型氣浮裝置的切向入口設(shè)置為速度入口，入口速度為7.03m/s，入口含油量設(shè)為200mg/L，換算成體積分?jǐn)?shù)為0.02564%；裝置頂部出口和底部出口均設(shè)置為Outflow條件，其中頂部出口流量設(shè)為5%，底部出口流量設(shè)為95%。操作條件在x=0m、y=0m、z=2.7m處壓力設(shè)置為101325Pa，重力加速度設(shè)為?9.81m/s2。圖2為相應(yīng)得到的內(nèi)部速度場(chǎng)分布。從圖2(a)的切向速度分布云圖可以看出，通過(guò)切向入口使罐內(nèi)液體產(chǎn)生了一定強(qiáng)度的旋流流動(dòng)，并且液體的切向速度沿徑向從中心到邊緣逐漸增大；罐壁與內(nèi)筒之間的環(huán)形間隙內(nèi)切向速度最大，但該區(qū)域內(nèi)液體在下行過(guò)程中的切向速度逐漸減??；在內(nèi)筒內(nèi)部區(qū)域，液體切向速度較小，尤其在內(nèi)筒軸心區(qū)域附近均不超過(guò)0.5m/s。正是由于切向速度的這種分布特征，所以油滴在環(huán)形間隙區(qū)域的離心浮選效應(yīng)較為明顯，而內(nèi)筒內(nèi)部則以重力浮選為主。罐壁與內(nèi)筒之間環(huán)形間隙部分的油滴在離心浮選與重力浮選的共同作用下上浮，并在擴(kuò)張口下緣聚集形成局部高濃度區(qū)；未來(lái)得及上浮的油滴隨液流下行，到達(dá)內(nèi)筒下緣后因流通面積驟然增大，液流速度大幅度減小，接著基于重力浮選機(jī)理從內(nèi)筒區(qū)域上浮至罐內(nèi)液面上部，最終依靠壓力從頂部排油口排出。從圖2(b)的油相速度矢量分布圖可以發(fā)現(xiàn)，罐內(nèi)液體除了主體流動(dòng)之外，還存在二次渦流，該流動(dòng)會(huì)增大油滴的上浮速度。另外，由于在罐內(nèi)底部加裝了防沖板，極大地減弱了下部排水口的抽吸作用和對(duì)上浮油滴的拖曳力，使得排水口上部流場(chǎng)較為穩(wěn)定，為油滴提供了一個(gè)相對(duì)平靜的浮選環(huán)境。

1.2.2 數(shù)值模擬網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有2臺(tái)HPZ820服務(wù)器（32個(gè)Intel Xeon @2.90GHz處理器、64Gb內(nèi)存），所有模擬計(jì)算工作均在這兩臺(tái)服務(wù)器上進(jìn)行。為了在確保數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的同時(shí)，盡可能縮短計(jì)算時(shí)間，首先需要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。為此對(duì)BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)采用相同的網(wǎng)格劃分方式，僅在其徑向、軸向、周向改變其網(wǎng)格尺寸大小，尤其是在切向入口和環(huán)形間隙等流動(dòng)變化劇烈的區(qū)域劃分3種不同疏密程度的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分及計(jì)算耗時(shí)情況如表1所示。在參數(shù)設(shè)置相同的條件下進(jìn)行運(yùn)算，達(dá)到相同的收斂條件，圖3為z=1.5m截面上的油相速度分布。從圖中可以看出，不同網(wǎng)格數(shù)目對(duì)應(yīng)截面處的油相速度變化很小，3種網(wǎng)格數(shù)目對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，可認(rèn)為139萬(wàn)的網(wǎng)格已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，因此最終選用網(wǎng)格數(shù)目為139萬(wàn)。

圖2 BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)立式氣浮罐體內(nèi)的速度場(chǎng)分布

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)和分離性能的影響

本文作者課題組前期針對(duì)實(shí)驗(yàn)室小型樣機(jī)（BIPTCFU-III-4）進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究時(shí)已采用正交試驗(yàn)方法考察了多個(gè)參數(shù)對(duì)裝置分離性能的影響，分析了各因素的影響權(quán)重，得出主要影響因素有半徑間隙、入口管徑和內(nèi)筒高度。因此本文中主要考察某一參量對(duì)CFU性能的影響規(guī)律，暫不考慮各因素之間的交互影響。通過(guò)單一改變H （600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm）、d1（50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、140mm、150mm）、d（60mm、66.1mm、70mm、75mm、77.7mm）分別來(lái)調(diào)整氣浮裝置的內(nèi)筒高度、半徑間隙和入口管徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)，以討論不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其流場(chǎng)和分離性能的影響。

表1 網(wǎng)格劃分情況匯總

圖3 z=1.5m截面上不同網(wǎng)格單元數(shù)目下的油相速度分布

2.1.1 內(nèi)筒高度的影響

圖4 不同內(nèi)筒高度下的油相切向速度和離心加速度分布

圖4為保持其他參數(shù)不變，僅改變內(nèi)筒高度時(shí)，氣浮罐內(nèi)的油相切向速度和離心加速度的分布，其中，z=1.4m截面位于內(nèi)筒中部區(qū)域，z=0.9m截面位于內(nèi)筒下部區(qū)域（下同）。從圖4(a)中可以看出，不同內(nèi)筒高度下罐內(nèi)的流場(chǎng)分布相同，內(nèi)、外筒間隙區(qū)域內(nèi)的油相切向速度遠(yuǎn)大于內(nèi)筒內(nèi)部區(qū)域的切向速度，且在內(nèi)、外筒間隙區(qū)域切向速度的徑向梯度較大，內(nèi)筒內(nèi)部區(qū)域切向速度的徑向梯度較小。與此對(duì)應(yīng)，離心加速度在內(nèi)外筒間隙區(qū)域最大，并且沿徑向向內(nèi)迅速衰減，如圖4(b)所示。

圖5為不同內(nèi)筒高度對(duì)應(yīng)的除油率的變化。從圖5中可以看出，不同內(nèi)筒高度對(duì)應(yīng)的除油效率差別很小，說(shuō)明隨著處理量的增大，內(nèi)筒高度對(duì)除油性能的影響程度越來(lái)越弱，因此在設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)筒高度可以不作為主要影響因素來(lái)考慮，本文將內(nèi)筒高度H取為900mm。

圖5 不同內(nèi)筒高度對(duì)應(yīng)的除油率的變化

2.1.2 半徑間隙的影響

保持其他參數(shù)不變，通過(guò)改變內(nèi)筒圓柱段外徑進(jìn)而調(diào)整內(nèi)、外筒之間的半徑間隙d1，得到內(nèi)部油相的切向速度和離心加速度分布如圖6所示。圖7為相應(yīng)油相軸向速度分布和除油效率的變化情況。

從圖6中可以看出，不同半徑間隙下罐內(nèi)的油相切向速度分布態(tài)勢(shì)相同，僅具體量值大小有所變化。隨著半徑間隙從150mm逐漸減小至50mm，切向速度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)半徑間隙在70～80mm之間時(shí)，內(nèi)、外筒之間的切向速度明顯較大，內(nèi)筒內(nèi)部區(qū)域切向速度的徑向梯度較小。相應(yīng)地，離心加速度亦呈先增后減的變化趨勢(shì)，最大可達(dá)6m/s2，因此旋流場(chǎng)在罐內(nèi)僅起使油滴向中心匯聚的作用，分離則主要依靠重力浮選作用。當(dāng)半徑間隙較大時(shí)，污水以一定速度切向進(jìn)入罐內(nèi)，在環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)紊亂而無(wú)法形成有效旋流，導(dǎo)致主體液流快速下降；隨著半徑間隙逐步減小，來(lái)流逐漸開(kāi)始形成旋流，直至形成穩(wěn)定的旋流場(chǎng)；由于入口管徑為77.7mm，流速為7.03m/s，隨著間隙的進(jìn)一步減小，部分來(lái)流進(jìn)入罐內(nèi)時(shí)會(huì)直接撞擊內(nèi)筒，導(dǎo)致動(dòng)能損失，切向速度和離心加速度迅速下降。

從圖7(a)可以看出，內(nèi)、外筒的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的軸向速度明顯大于內(nèi)筒區(qū)域的軸向速度，且徑向梯度較大，內(nèi)筒壁面附近油滴具有的上行速度相對(duì)較大，內(nèi)筒中心區(qū)域次之，內(nèi)筒壁面和中心區(qū)域之間存在一個(gè)環(huán)形區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)油滴上浮速度較慢，甚至部分油滴的軸向速度為負(fù)值，這是由于罐內(nèi)底部安裝有防沖板，能夠?yàn)槠渖喜康膬?nèi)筒中心區(qū)域提供一個(gè)較為安定的浮選環(huán)境，而在防沖板周邊附近因排水口的抽吸作用使得該部分油滴具有一定的下行速度，對(duì)浮油滴的曳力增大導(dǎo)致油滴上浮速度很慢，甚至出現(xiàn)油滴向下運(yùn)動(dòng)。另外，在半徑間隙較大時(shí)，油滴軸向速度的下降幅度明顯偏大，有效停留時(shí)間減少；在半徑間隙較小時(shí)，油滴的軸向速度及徑向梯度均比較小，油滴浮升較慢。因此，隨著半徑間隙的減小，除油率先增大后減小。綜合衡量，最終將半徑間隙d1取為80mm。

2.1.3 入口管徑的影響

保持其他參數(shù)不變，僅通過(guò)改變?nèi)肟诠軓絛來(lái)調(diào)整入口流速，d分別取為77.7mm、75mm、70mm、66.1mm和60mm，對(duì)應(yīng)的入口流速分別為7.030m/s、7.545m/s、8.661m/s、9.714m/s和11.789m/s，得到罐內(nèi)油相切向速度、離心加速度分布如圖8所示，同時(shí)得到油相軸向速度和除油率的變化如圖9所示。從圖8中可以看出，不同入口管徑對(duì)應(yīng)的油相切向速度變化趨勢(shì)一致，僅當(dāng)入口管徑d=77.7mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的油相切向速度和離心加速度比較高。入口管流速越大，引起的管路沖擊振動(dòng)和阻力損失也相應(yīng)增大，所以并不是入口流速越大越好。從圖9(a)亦可看出，當(dāng)入口管徑較小時(shí)，內(nèi)、外筒之間的油滴軸向速度比較大，主流下降較快，內(nèi)筒內(nèi)部油滴向下的軸向速度較大，除油率并非最高。綜合衡量，選取入口管徑d為77.7mm。

2.2 操作參數(shù)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)和分離性能的影響

工程實(shí)際中，處理設(shè)備所面臨的水質(zhì)水量往往會(huì)發(fā)生一定程度的波動(dòng)，對(duì)設(shè)備的除油效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。為此需要圍繞污水處理量和含油量這兩個(gè)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬與討論，以考察設(shè)備的操作彈性和適應(yīng)能力。

2.2.1 污水處理量的影響

圖6 不同半徑間隙對(duì)應(yīng)的油相切向速度和離心加速度分布

圖7 不同半徑間隙對(duì)應(yīng)的油相軸向速度和除油率的變化

圖8 不同入口管徑對(duì)應(yīng)的油相切向速度和離心加速度分布

圖9 不同入口管徑對(duì)應(yīng)的軸向速度和除油率

圖10 不同處理量下油相速度分布和除油率的變化

保持入口含油量（200mg/L）不變，通過(guò)改變?nèi)肟诹髁縌（分別為80m3/h、100m3/h、120m3/h、 150m3/h、200m3/h、250m3/h）來(lái)考察處理量對(duì)分離性能的影響。圖10為不同處理量下對(duì)應(yīng)的氣浮罐內(nèi)油相的速度和除油率分布。從圖10(a)、(b)中可以看出，隨著處理量的增大，氣浮罐內(nèi)的油相切向速度明顯增大，內(nèi)筒內(nèi)部徑向梯度增大，離心沉降加速度也相應(yīng)增大，有利于油滴向中心匯聚，增強(qiáng)油滴的離心沉降作用，增加氣泡和油滴之間的碰撞黏附概率；但從圖10(c)能夠看出，隨著處理量的增大，氣浮罐內(nèi)的有效停留時(shí)間減小，下行液流對(duì)油滴的攜帶作用增強(qiáng)，致使油滴向下的速度增大，這均不利于油滴的浮選過(guò)程。由圖10(d)可知，隨著處理量的增加，除油率呈先略微上升后逐漸下降的變化趨勢(shì)，在額定處理量附近的分離效果總體較高。另外，處理量在80～150m3/h變化時(shí)，設(shè)備能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，除油率改變量?jī)H在?10%～12%。

2.2.2 污水含油濃度的影響

保持入口流量（120m3/h）不變，通過(guò)改變?nèi)肟诤土喀眨ǚ謩e為100mg/L、200mg/L、300mg/L、500mg/L、1000mg/L、1500mg/L）來(lái)考察水質(zhì)對(duì)除油率的影響。圖11為不同入口含油量對(duì)應(yīng)的切向速度和油水分離效率的變化。從圖11(a)可知，入口含油濃度對(duì)氣浮罐內(nèi)的流場(chǎng)分布影響極小。由圖11(b)可看出，在處理低含油濃度（100mg/L）時(shí)，除油效率接近60%，且隨著入口含油量的增大，除油效率呈緩慢增大的變化趨勢(shì)，含油量從100mg/L變化到1500mg/L，除油率變化量?jī)H為?1.66%～2.6%，入口含油濃度對(duì)設(shè)備的分離性能影響很小。綜上所述，BIPTCFU-Ⅲ-120型工程樣機(jī)的操作彈性比較大，對(duì)污水處理現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)水量一定程度的波動(dòng)情況具有良好的適應(yīng)性和分離性能。

圖11 不同入口含油量下切向速度和油水分離效率的變化

3 結(jié) 論

借助Fluent軟件對(duì)自主設(shè)計(jì)的BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下裝置內(nèi)的流場(chǎng)及油水分離情況，并討論了處理量和入口含油量對(duì)裝置除油性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）利用CFD數(shù)值模擬可以有效地獲取氣浮罐內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，并可通過(guò)對(duì)比改變結(jié)構(gòu)參數(shù)前后設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)和分離效率的變化，進(jìn)而對(duì)BIPTCFU-III-120型工程樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使裝置的分離性能得到大幅提升，大大縮短了設(shè)備研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）半徑間隙對(duì)分離性能的影響最大，其次是入口管徑，內(nèi)筒高度對(duì)分離性能的影響最小。隨著半徑間隙的減小，分離效率先增大后減小，當(dāng)半徑間隙d1為80mm時(shí)，分離效率相對(duì)較好；隨著入口管徑的增加，分離效率先減后增，當(dāng)入口管徑d為77.7mm時(shí)，裝置的除油效率可達(dá)到62%。

（3）在給定流量工況下，除油率隨入口含油量增加而緩慢增大；在給定入口含油量工況下，除油率隨處理量的增加而逐漸降低，處理量在80～150m3/h波動(dòng)時(shí)，設(shè)備均能穩(wěn)定運(yùn)行，除油率改變量?jī)H在?10%～12%；同時(shí)表明氣浮裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一定程度的水質(zhì)水量波動(dòng)情況具有良好的適應(yīng)性。

參 考 文 獻(xiàn)

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研究開(kāi)發(fā)

Numerical simulation of flow field and structural and operational parameters in a large capacity compact flotation unit(CFU)

KONG Xianggong1，CHEN Jiaqing1，JI Yipeng1，WANG Chunsheng2，ZHANG Ming2，SHANG Chao2，
CAI Xiaolei1，LIU Meili1
（1School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2CNOOC Research Center，Beijing 100027，China）

Abstract：There were few reports about the structure design of large capacity floating device at present. The pace for domestication of flotation units was slow. In this paper，the self-developed compact flotation unit(CFU) with 120m3/h capacity was chosen as a simulation model. 3D flow fields were analyzed using Eulerian model and RNG k-ε turbulence model. The structural parameters such as inner cylinder height，radial clearance，inlet tube diameter were examined，as well as the influences of operational parameters including oil wastewater treatment capacity and inlet oil content，in order to investigate and optimize de-oiling performance of the unit. Results of structural parameters analysis showed that the inner cylinder height has less influence on separation efficiency. As radial clearance decreases，oil-water separation efficiency raises then declines. As the inlet tube diameter decreases，de-oil efficiency decreases first then increases. Results of operational parameters simulations indicated that CFU has a relatively large operational flexibility and good adaptability to a certain degree of fluctuations on water quality and quantity.

Key words：compact flotation unit；oily water；separation efficiency；numerical simulation；engineering scale-up

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51079006）及北京市屬高等學(xué)?！伴L(zhǎng)城學(xué)者”培養(yǎng)計(jì)劃（CIT&TCD20150317）項(xiàng)目。

收稿日期：2015-09-11；修改稿日期：2015-10-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.013

中圖分類(lèi)號(hào)：X 74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）03–0733–08

第一作者：孔祥功（1989—），男，碩士研究生，主要從事多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究工作。E-mail kongxianggong@bipt.edu.cn 。聯(lián)系人：陳家慶，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail Jiaqing@bipt.edu.cn。