油水分離器不同新型構(gòu)件的流場(chǎng)數(shù)值模擬

王曉靜，許忠政*，閆洋洋，劉　華，施民育

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072； 2.天津君歌分子蒸餾設(shè)備有限公司，天津 301700)

含油廢水是一種對(duì)土壤生態(tài)平衡、大氣環(huán)境、水資源、水生物和人類生命健康危害非常大的污染源[1]。重力式油水分離器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易、穩(wěn)定可靠、成本低等特點(diǎn)，在原油生產(chǎn)、化工、醫(yī)藥、食品等多領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍[2-4]。面對(duì)如此來(lái)源廣泛的含油廢水，僅僅依靠簡(jiǎn)單的重力作用對(duì)油水進(jìn)行分離處理已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，開發(fā)一種脫油效率高、費(fèi)用低、處理量大的油水分離器就變得非常迫切。長(zhǎng)久以來(lái)，研究人員為了提高重力式油水分離設(shè)備的分離性能，進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)，在其內(nèi)部開發(fā)出了多種型式的功能構(gòu)件[5-8]。

CFD多相流三維數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)分離器的開發(fā)提供了有利條件[9-12]。Wilkinson通過(guò)數(shù)值模擬不同開孔率的孔板式整流構(gòu)件的流場(chǎng)紊亂程度，發(fā)現(xiàn)孔板的孔隙率存在最適宜值[8]。程華農(nóng)采用多相流混合模型對(duì)聚結(jié)板分離器進(jìn)行了模擬和分析，得出了聚結(jié)板長(zhǎng)、聚結(jié)板間距、傾斜角度、入口流量的最優(yōu)值[9]。陸耀軍等對(duì)流體通過(guò)幾種聚結(jié)板組的流動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析比較了各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)[12]。

聚結(jié)構(gòu)件是聚結(jié)分離器的核心構(gòu)件，本研究提出的雙維弦波聚結(jié)板在相互垂直的2個(gè)維度上都采用周期性弦波結(jié)構(gòu)，不同于以往任何一種工程常用的波紋板，本研究對(duì)該聚結(jié)構(gòu)件及其他不同構(gòu)件組合的分離器進(jìn)行模擬，探究其流場(chǎng)特性和分離效率。

1　模型和邊界條件

1.1　物理模型

本研究所模擬的臥式油水分離設(shè)備分離器主要由筒體、入口構(gòu)件、穩(wěn)流構(gòu)件及聚結(jié)板組成。簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示，筒體直徑500 mm，總長(zhǎng)度2 500 mm(不包括封頭部分)，兩端均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，油水混合物的入口直徑40 mm，容器右下方的水出口直徑27 mm，最右端的出油口直徑21 mm。

圖1　油水分離計(jì)算模型的具體結(jié)構(gòu)Fig.1　Detailed structure for model of oil-water separator

油水分離器在模擬時(shí)邊界條件的設(shè)定如下：湍流計(jì)算采用混合模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，入口速度為0.221 m/s，入口含油量為20%。油出口和水出口設(shè)置為outflow出口邊界，出油口的Flow Rate Weighting設(shè)置為0.2，出水口的Flow Rate Weighting設(shè)置為0.8。

1.2　網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分用Anasys14.0自帶的mesh工具完成，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)壁面處的網(wǎng)格用inflation加密。為驗(yàn)證模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的獨(dú)立性，以開孔率20%入口為例，考察了構(gòu)件左右2個(gè)開孔的平均速度V1和V2隨網(wǎng)格數(shù)量的變化情況，如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果Fig.2　Result of grid independence

由圖2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到300萬(wàn)以上，V1和V2的變化趨于平緩，因此綜合考慮計(jì)算的精度及耗時(shí)，本研究模擬中網(wǎng)格采用350萬(wàn)左右。

1.3　分離器新型功能構(gòu)件

圖3是在下孔箱式的基礎(chǔ)上開發(fā)出的液盒式的入口構(gòu)件，液盒前端尺寸較小，之后逐漸變大呈漸擴(kuò)形，液盒上部開有許多小孔，使兩相液體能夠垂直向上噴出。

圖3　液盒式入口構(gòu)件具體結(jié)構(gòu)Fig.3　Detailed structure of inlet component with liquid box

圖4為孔隙率分別為20%、30%和40%的液盒式入口構(gòu)件的開孔位置示意圖。

圖4　不同開孔率的孔板開孔布置圖Fig.4　The arrangement of holes on the inlet components with different fractional hole area

圖5所示為3種形式的柵格式穩(wěn)流構(gòu)件，其中圖5a)均勻分布型是最常見的一種柵格結(jié)構(gòu)。

圖5　3種穩(wěn)流構(gòu)件Fig.5　Three flow regulating internals

圖6所示工程上常用的波紋板隔油池(CPI)中的Stokes-Pak(橫向波紋)聚結(jié)板、Plate-Pak(縱向波紋)聚結(jié)板、V形斜置聚結(jié)板以及首次用在油水分離領(lǐng)域的雙維弦波聚結(jié)板。

圖6　4種聚結(jié)板分離器模型Fig.6　Four kinds of coalescence separator model

2　模擬結(jié)果與分析

2.1　入口構(gòu)件對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響

模擬采用均勻型柵格和工程上應(yīng)用廣泛的Stokes-Pak聚結(jié)板。圖7是不同開孔率下入口部分豎直界面的速度矢量圖。

圖7　入口構(gòu)件不同開孔率下的速度矢量圖Fig.7　Velocity vector distribution of the inlet component with different fractional hole area

由圖7可以看出，開孔率為30%的入口構(gòu)件，有高的噴射高度，能充分利用重力消能和水洗作用，而且整個(gè)流場(chǎng)速度比較均勻，能起到一定的預(yù)分離效果。對(duì)于開孔率為20%的液盒，在開孔上方會(huì)形成2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流，部分油相在經(jīng)過(guò)孔口之后又向下和水相混在一起，造成一定的返混；對(duì)于開孔率為40%的液盒，大部分液體是從比較靠后的位置流出，由于左邊出水孔對(duì)流場(chǎng)的沖擊，左邊的漩渦不再明顯，右邊的漩渦也有所減少。但是開孔前后有很大的速度梯度，不利于兩相的分離。

2.2　穩(wěn)流構(gòu)件對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響

模擬采用前文的開孔率為30%的入口構(gòu)件和Stokes-Pak聚結(jié)板。圖8是不同形式的穩(wěn)流構(gòu)件的油相體積分?jǐn)?shù)等值線圖。油相體積分?jǐn)?shù)等值線圖表示了經(jīng)過(guò)穩(wěn)流構(gòu)件之后的油相的濃度分布，而且在一定程度上反映出其流場(chǎng)的穩(wěn)定與否，等值線越是均勻平緩，油水分層效果越好?？梢钥闯鰞?nèi)密外疏型柵格式穩(wěn)流構(gòu)件的整流效果和分離效果要好于均勻分布型和上密下疏型柵格式穩(wěn)流構(gòu)件。內(nèi)密外疏型柵格式穩(wěn)流構(gòu)件的油相的濃度最高能達(dá)到0.95，在較大的空間范圍內(nèi)都有較大的濃度值；而且其等值線大多很平緩，間距很均勻。

圖8　不同形式的穩(wěn)流構(gòu)件油相體積分?jǐn)?shù)等值線圖Fig.8　Oil volume fraction contour map of different type of commutate internals

2.3　引入?yún)?shù)不均勻度分析穩(wěn)流構(gòu)件的整流效果

為了能夠更加清楚地看出穩(wěn)流構(gòu)件對(duì)油水分離設(shè)備流場(chǎng)流動(dòng)特性的影響，引入不均勻度參數(shù)，從而對(duì)穩(wěn)流構(gòu)件的整流效果進(jìn)行量化，更直觀的看出不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)流構(gòu)件的性能優(yōu)劣。流體在截面上速度分布不均勻度的大小表示該截面處流體的返混程度，不均勻度越小，流體在該截面處的返混程度越小，流場(chǎng)越穩(wěn)定。流體截面速度分布的不均勻度的按式(1)計(jì)算[13]:

(1)

圖9描述了無(wú)穩(wěn)流構(gòu)件以及不同穩(wěn)流構(gòu)件的情況下，軸向不同位置的橫截面上速度uz分布的不均勻度Mf。

圖9　不同位置處的軸向速度分布不均勻度Fig.9　Mf of axial velocity distribution

由圖9可以看出，在油水分離器中使用穩(wěn)流構(gòu)件和不使用穩(wěn)流構(gòu)件的流場(chǎng)差異很大，穩(wěn)流構(gòu)件的引入能夠有效減少兩相流體的軸向速度分布不均勻度，創(chuàng)造出有益于兩相分離的流場(chǎng)環(huán)境。此外，上密下疏型和內(nèi)密外疏型穩(wěn)流構(gòu)件的整流效果要好于均勻分布型，而內(nèi)密外疏型則要稍微好于上密下疏型，相差基本不大。另外從圖9中還可以看出流場(chǎng)的混亂程度與截面距入口的遠(yuǎn)近相關(guān)聯(lián)，距入口越近，流場(chǎng)越紊亂，距入口越遠(yuǎn)，流場(chǎng)分布越均勻，流動(dòng)越穩(wěn)定。

2.4　聚結(jié)構(gòu)件對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響

模擬采用前文的開孔率為30%的入口構(gòu)件和內(nèi)密外疏型柵格式穩(wěn)流構(gòu)件。圖10分別為4種聚結(jié)板分離器聚結(jié)區(qū)后(X=1200 mm)處油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，X為水平坐標(biāo)，向右為正，以穩(wěn)流出口為坐標(biāo)零點(diǎn)。從圖10a)、圖10b)、圖10c)和圖10d)可以直觀的看出雙維弦波聚結(jié)板的油水分離效果最好，Stokes-Pak聚結(jié)板分離器的油水分離效果最差，底部油相最高濃度明顯低于其他3種。而且，Stokes-Pak聚結(jié)板分離器、Plate-Pak聚結(jié)板分離器中間的油水分層過(guò)渡區(qū)域范圍明顯更廣。

結(jié)合結(jié)果分析可知，橫向波紋由于流道沿流動(dòng)方向并不改變，壁面附近易形成穩(wěn)定的邊界層，并不利于油滴之間的碰撞聚并，橫向波紋的主要作用是為粘附聚結(jié)提供更大的有效面積。Plate-Pak聚結(jié)板分離器的油相最高濃度略低于其他2種，說(shuō)明聚結(jié)板的并聚作用還是以軸向波紋對(duì)流體的誘導(dǎo)波動(dòng)為主。由此得到結(jié)論，若以誘導(dǎo)碰撞聚結(jié)的軸向波紋的基礎(chǔ)上，結(jié)合能夠提供更大有效面積的橫向波紋，聚結(jié)效果相比單向波紋會(huì)明顯改善， 雙維弦波波紋板就是基于這點(diǎn)開發(fā)出來(lái)的。

圖10　縱截面(X=1200)含油體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.10　Oil volume fraction distribution of coalescence plates’ section X=1200

為了更加精確的比較4種聚結(jié)波紋板的分離效果，本研究分別導(dǎo)出了圖11中4種不同聚結(jié)波紋板在軸橫截面對(duì)稱軸Y上的油相體積分?jǐn)?shù)濃度，并將結(jié)果繪制成油相體積分?jǐn)?shù)與截面上Y軸不同位置的曲線，如圖11所示，其中橫軸表示截面(X=1200)對(duì)稱軸上的Y軸坐標(biāo)，縱軸表示油相體積分?jǐn)?shù)濃度。

圖11　不同聚結(jié)板分離器的油相濃度分布Fig.11　Oil concentration profile with different coalescence boards

通過(guò)圖11可知，經(jīng)過(guò)4種聚結(jié)波紋板高效分離后，靠近筒壁上端處(Y=250)以及靠近下端(Y=-250處)附近油相濃度變化小，中間過(guò)渡區(qū)域油相濃度變化較大，呈現(xiàn)大致“S”形分布。由圖10a)與圖10b)或圖10c)與圖10d)對(duì)比可知，兩端濃度相差越大并且中間過(guò)渡層越薄，證明分離效果越好。因此，V形斜置聚結(jié)板分離器與雙維弦波聚結(jié)板分離器這2種具有雙維波紋結(jié)構(gòu)的分離效果明顯好于只有單向波紋結(jié)構(gòu)的Stokes-Pak聚結(jié)板分離器、Plate-Pak聚結(jié)板分離器。雙維弦波聚結(jié)板分離器在底端油相濃度分布稍稍高于V形斜置聚結(jié)板分離器，而且在頂端水相含油濃度略低于V形斜置聚結(jié)板分離器，證明其分離效果稍稍好于V形斜置聚結(jié)板分離器。

3　結(jié)論

通過(guò)Fluent軟件模擬了在特定入口流速的條件下，3種不同開孔率的入口構(gòu)件、3種不同結(jié)構(gòu)形式的柵格式穩(wěn)流構(gòu)件以及4種聚結(jié)構(gòu)件對(duì)分離器三維模型中流場(chǎng)的各種參數(shù)的分布情況以及油水的分離效率的影響，對(duì)比分析流線、速度矢量場(chǎng)等參數(shù)。

1)通過(guò)對(duì)3種不同開孔率的液盒式入口構(gòu)件的模擬研究可以得出：開孔率為20%和40%的液盒式入口構(gòu)件，不能充分利用重力消能和水洗作用，分離效果不佳；開孔率為30%的液盒式入口構(gòu)件，既有較強(qiáng)的渦流產(chǎn)生，也有高的噴射高度，能充分利用重力消能和水洗作用，能夠達(dá)到一定的預(yù)分離效果；故推薦使用開孔率在30%左右的液盒式入口構(gòu)件。

2)從整流效果和分離效果來(lái)看上密下疏型和內(nèi)密外疏型柵格式穩(wěn)流構(gòu)件都好于均勻分布型柵格式穩(wěn)流構(gòu)件。

3)穩(wěn)流構(gòu)件的引入能夠有效減少兩相流體的軸向速度分布不均勻度，創(chuàng)造出有益于兩相分離的流場(chǎng)環(huán)境。流場(chǎng)的混亂程度與截面距入口的遠(yuǎn)近相關(guān)聯(lián)，距入口越近，流場(chǎng)越紊亂，距入口越遠(yuǎn)，流場(chǎng)分布越均勻，流動(dòng)越穩(wěn)定。

4)雙維波形式的聚結(jié)板聚結(jié)效果明顯好于單向波形式的聚結(jié)板，并且雙維弦波聚結(jié)板分離器的分離效果稍好于V形斜置聚結(jié)板分離器。

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