雙維弦波聚結(jié)板油水分離流場(chǎng)數(shù)值模擬

楊 濤 王曉靜 王 菁

（天津大學(xué)化工學(xué)院）

隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，每年化工企業(yè)生產(chǎn)出大量的含油工業(yè)廢水，越來(lái)越多的含油污水的排放， 不僅給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染，而且給國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失［1］。

聚結(jié)分離法是在重力式分離器內(nèi)加入聚結(jié)元件的一種分離方法。 其中，雙維弦波聚結(jié)板分離器就是在重力式分離器內(nèi)加入雙維弦波聚結(jié)板，利用聚結(jié)板片復(fù)雜的內(nèi)部通道，使得在通道內(nèi)流動(dòng)的流體的速度和方向不斷發(fā)生變化，增加了小油滴碰撞幾率來(lái)提高油水分離效率，從而達(dá)到油水分離的一種物理法油水分離設(shè)備［2］。 雙維弦波聚結(jié)板分離器具有能耗低、 分離效率高、可操作性強(qiáng)及環(huán)保無(wú)二次污染等特點(diǎn)。

筆者利用數(shù)值模擬方法對(duì)雙維弦波聚結(jié)板的流體情況進(jìn)行模擬計(jì)算， 得到分離后油的體積分?jǐn)?shù)云圖和出水口含油率， 然后分析比較雙維弦波聚結(jié)板上波幅、周期和板間距對(duì)分離效果的影響。

1 雙維弦波聚結(jié)板

雙維弦波聚結(jié)板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 油水混合液經(jīng)過(guò)聚結(jié)板上復(fù)雜通道的碰撞聚結(jié)，然后流出到靜置區(qū)域，靜置后被分離的油和水分別從不同的出口流出。

2 計(jì)算模型和數(shù)值模擬方法

2.1 幾何模型

采用SolidWorks 2014對(duì)雙維弦波聚結(jié)板分離器進(jìn)行建模，如圖2所示。 入口設(shè)置為速度入口，出油口與出水口設(shè)置為流量出口，其他設(shè)置為壁面。

圖1 雙維弦波聚結(jié)板

圖2 雙維弦波聚結(jié)板分離器模型

筆者設(shè)置了4種尺寸的雙維弦波聚結(jié)板 （表1）來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)模擬，從而分析比較雙維弦波聚結(jié)板的波幅A、周期T和板間距D對(duì)雙維弦波聚結(jié)板流場(chǎng)特性的影響。

2.2 數(shù)值模擬方法

在油水分離過(guò)程中，設(shè)定油和水為不可壓縮的連續(xù)流體，且密度和黏度為定值，流體的流動(dòng)形式視為定常流動(dòng)。 分離器內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程［3］。

表1 雙維弦波聚結(jié)板尺寸 mm

不可壓縮流體的連續(xù)性方程為：

其中，μx、μy、μz是速度矢量在x、y、z方向上的分量。

對(duì)于黏度為常數(shù)的不可壓縮流體，主要受到壓力、黏性力與單位質(zhì)量力的作用，則其動(dòng)量方程為：

式中 fx、fy、fz——x、y、z方向上的單位質(zhì)量力；

p——壓強(qiáng)；

t——時(shí)間；

ρ——密度；

μ——流體的動(dòng)力黏度。

2.3 計(jì)算模型設(shè)置

對(duì)模型的邊界條件和物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：油水分離器的入口設(shè)為速度入口邊界條件，入口速度為0.14m/s； 出口設(shè)置為流量出口邊界條件，水出口流量權(quán)重80%，油出口流量權(quán)重20%；聚結(jié)板分離器的壁面除進(jìn)、 出口外全部設(shè)置為壁面邊界；模擬所使用介質(zhì)分別為液態(tài)水和液態(tài)二氯乙烷。 介質(zhì)相關(guān)物性數(shù)據(jù)見表2。

表2 模擬介質(zhì)的物性數(shù)據(jù)

3 模擬結(jié)果與討論

對(duì)4種雙維弦波聚結(jié)板流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，并經(jīng)過(guò)可視化處理以等值線和坐標(biāo)曲線圖的形式表現(xiàn)出來(lái)［4］。 分離效率是一個(gè)分離設(shè)備性能是否優(yōu)異的主要考核指標(biāo)，油水分離器的分離性能通常采用分離效率表征，其定義如下［5］：

式中 Win——混合液進(jìn)口含油率，%；

Wout——水出口含油率，%；

η——分離效率，%。

在入口速度0.14m/s下，4種雙維弦波聚結(jié)板分離器靜置區(qū)縱截面油相體積占比云圖如圖3所示。

由圖3可知，1～4號(hào)4種聚結(jié)板底部的最高油相濃度和油相分布范圍都呈下降趨勢(shì)，分離效果逐漸減弱。 由Fluent模擬計(jì)算得出4種雙維弦波聚結(jié)板分離器的水出口含油率和分離效率見表3。

圖3 4種雙維弦波聚結(jié)板分離器靜置區(qū)縱截面油相體積占比云圖

表3 4種聚結(jié)板分離器的分離特性

4 結(jié)論

4.1 由1號(hào)與2號(hào)聚結(jié)板對(duì)比可以得出，雙維弦波聚結(jié)板波幅從10mm增大到15mm， 水出口含油率由2.4%增加到3.6%，分離效率由88%降低到82%，整體分離效果下降，因此雙維弦波聚結(jié)板波幅取10mm合適。

4.2 由1號(hào)與3號(hào)聚結(jié)板對(duì)比可以得出，雙維弦波聚結(jié)板周期從100mm增大到200mm， 水出口含油率由2.4%增加到4.4%， 分離效率由88%降低到78%，整體分離效果下降，因此雙維弦波聚結(jié)板的周期取100mm合適。

4.3 由1號(hào)與4號(hào)聚結(jié)板對(duì)比可以得出，雙維弦波聚結(jié)板的板間距從25mm增加到40mm， 水出口含油率由2.4%增加到5.0%，分離效率由88%降低到75%，整體分離效果下降，因此雙維弦波聚結(jié)板的板間距取25mm合適。