基于油滴粒度測量的螺旋分離器數(shù)值模擬與實驗

徐保蕊 劉佳成 張曉光 趙立新 孟祥麗 蔣明虎

（1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點實驗室；2.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系）

石油、石化行業(yè)含油污水中的油水分離處理面臨著產(chǎn)出量大、處理難度高及經(jīng)濟效益低等諸多難題［1，2］，因而亟需尋找更加高效、靈活的新型分離設(shè)備和處理工藝體系。 螺旋分離器作為一種特殊的水力旋流分離裝置，既有常規(guī)水力旋流器效率高、結(jié)構(gòu)緊湊及體積小等優(yōu)點，又表現(xiàn)出更強的螺旋分離流場及非均質(zhì)兩相分離效果，有著獨特的優(yōu)越性和潛在的應(yīng)用前景［3］。 而螺旋分離器內(nèi)部油水兩相分離流場對于裝置分離性能的影響尤為重要，充分認(rèn)識裝置內(nèi)部油水兩相流場特性對于掌握分離機理、獲取最佳結(jié)構(gòu)、提高分離效率具有重要意義［4，5］。

近年來，利用計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法開展流場分析［6，7］、優(yōu) 化研究［8～11］越來越多地被大家接受和采用， 并成為重要的研究手段。而利用CFD 方法開展油水等多相流動流場分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究時，分散相粒徑的設(shè)置準(zhǔn)確與否是獲取可靠模擬結(jié)果的關(guān)鍵之一。 因此，水力旋流器等流體機械內(nèi)多相流動問題的數(shù)值模擬研究過程中，需要準(zhǔn)確輸入與實際接近或一致的分散相顆粒粒度值，從而可獲取準(zhǔn)確可靠的數(shù)值模擬結(jié)果。

筆者及所在團隊成員已初步完成模擬螺旋流場中一定流體轉(zhuǎn)速下油滴粒度分布測量實驗研究，獲得了油滴粒徑頻率分布曲線。 為使測得的分散油滴粒度實驗結(jié)果可用于分散相的數(shù)值模擬計算中，嘗試將實測具有一定曲線分布的顆粒粒徑進行離散化處理，即分別選取多組顆粒典型粒徑及其體積占比分布替代顆粒粒徑分布曲線。 通過開展利用粒徑分布離散化的螺旋分離器CFD 模擬研究，并將數(shù)值模擬結(jié)果與前期螺旋分離器適應(yīng)性實驗研究數(shù)據(jù)進行對比，檢驗評估基于粒度儀測量油滴粒度分布離散化的螺旋分離器CFD 模擬研究的可行性和準(zhǔn)確度。

1 螺旋分離器油水分離結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)

筆者開展CFD 數(shù)值模擬與實驗對比分析的研究原型的具體結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，其中，D 為分離器主直徑，具體為50 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。CFD 數(shù)值模擬計算模型、網(wǎng)格劃分、湍流模型選 取及其與速度流場實驗驗證詳見文獻［5］。

圖1 螺旋分離器結(jié)構(gòu)尺寸圖

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2 基于馬爾文粒度儀測量的油滴粒徑分布及離散化

通過設(shè)計模擬螺旋分離器螺旋流場中流體轉(zhuǎn)速對油滴粒度分布影響的測量實驗， 并基于馬爾文激光粒度儀、 轉(zhuǎn)速等效的方法對油水混合液中的分散相粒度及其分布進行測量， 粒度測量實驗裝置如圖2 所示。 基于實驗測量已經(jīng)獲得了油相體積濃度Cv≈2%、 螺旋分離器螺旋流道內(nèi)流體轉(zhuǎn)速Sr=2400 r/min 情況下油滴粒徑典型頻率分布曲線。

圖2 粒度測量實驗裝置

為了使分散油滴粒度的測試結(jié)果可用于分散相的數(shù)值模擬計算中，筆者將實測具有一定曲線分布的顆粒粒徑進行離散化，選取了8 種典型顆粒粒徑及其體積占比分布，用以替代顆粒粒徑分布曲線，替代后的顆粒粒徑分布以及體積占比如圖3 所示，圖3 中的標(biāo)記顯示了以面積比表征的離散化典型顆粒粒徑體積占比分布，該面積比即為典型顆粒粒徑所占體積比的值。 如，當(dāng)入口分散油相的體積濃度為2%時， 典型粒徑的含量分別見表2。

圖3 典型粒徑的選取及其體積占比分布

表2 典型粒徑體積占比數(shù)據(jù)表

實際油滴粒度并不是恒定不變的，作為分散相的油滴，受剪切力、分子間作用力等綜合外力的影響，會發(fā)生變形、破碎及聚結(jié)等多種可逆行為， 文中將顆粒粒度分布進行離散化研究的方法，是在假設(shè)這些可逆行為對于油滴粒度分布的影響是平衡的前提下進行的。 當(dāng)采用油滴粒徑分布離散化方法開展模擬實驗預(yù)測時，即假設(shè)分散相油滴的某一粒度的體積含量是恒定的，粒徑之間可能存在破碎和聚并，但受破碎影響形成的小粒徑顆粒與受聚并影響形成的大粒徑顆粒體積含量相等。

3 油水分離模擬結(jié)果分析

對分離器開展變螺旋圈數(shù)n、入口流量Qi和分流比F的油水分離CFD 數(shù)值模擬計算， 基于已開展的螺旋分離器油水分離可行性研究的實驗數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比分析，重點檢驗所選多相流模型和油滴粒度離散化方法的準(zhǔn)確性。

3.1 螺旋圈數(shù)對分離性能的影響

針對3 種螺旋圈數(shù)（n=1.5、n=3.0、n=4.5）的螺旋分離器分別建模并進行數(shù)值模擬研究，將計算結(jié)果與相同工況條件下的實驗結(jié)果進行對比分析。 本部分的模擬研究保持分離器的處理流量Qi=5 m3/h、溢流分流比F=30%、入口含油體積濃度Cv=2%的操作參數(shù)不變。 分離器質(zhì)量效率計算式Ez=1-（1-F）Cd/Ci，Ci、Cd分別為入口、 底流口水相出口含油濃度［12］。 圖4 所示為模擬得出的不同螺旋圈數(shù)分離器質(zhì)量效率Ez變化曲線及其與實驗結(jié)果對比。

圖4 分離器質(zhì)量效率隨螺旋圈數(shù)變化的實驗與模擬結(jié)果對比

由圖4 可見，質(zhì)量效率的模擬與實驗結(jié)果均隨螺旋圈數(shù)的增加而增加； 對于螺旋圈數(shù)較?。╪=1.5）的分離器樣機，實驗與模擬所得結(jié)果的誤差相對較大，且模擬值小于實驗值，當(dāng)螺旋圈數(shù)增加到3.0、4.5 時， 模擬計算質(zhì)量效率數(shù)值大于實驗值，且誤差逐漸減小。 分析造成誤差較大的原因在于模擬計算采用的離散化油滴粒徑分布，是一種穩(wěn)定狀態(tài)下的粒徑分布，即流場（湍流）狀態(tài)越穩(wěn)定，其計算結(jié)果越接近于實際粒徑分布規(guī)律。 而在螺旋圈數(shù)較小僅有1.5 圈的分離器樣機內(nèi)，實驗過程中螺旋分離段內(nèi)的湍流會對顆粒粒徑的分布產(chǎn)生一定影響。 根據(jù)模擬與實驗所得結(jié)果來看， 實驗中的大顆粒較模擬計算中設(shè)置的更多，從而造成了實驗分離效率高于模擬計算值。不僅如此，螺旋圈數(shù)較少，螺旋流道內(nèi)的紊流也會增加油滴顆粒隨機分離現(xiàn)象的發(fā)生， 因為部分分散相顆粒并未發(fā)生分層分離狀態(tài)， 從而增加了實驗與模擬的計算誤差。由螺旋圈數(shù)增加，實驗與模擬計算效率值誤差逐漸減小可見， 更加穩(wěn)定的分離流場對于采用離散化油滴粒徑分布方法預(yù)測螺旋分離器的效率值時更有效，準(zhǔn)確度也更高。

圖5 為模擬得到的不同螺旋圈數(shù)螺旋分離器內(nèi)油相體積濃度分布云圖，由圖可見，油相沿螺旋流道流動逐漸向中心臨近螺旋流道內(nèi)壁區(qū)域集中，螺旋圈數(shù)越長流道也越長，此時油相沿螺旋流道在其內(nèi)壁面處就越集中，所獲得的油相體積濃度就越高，在螺旋圈數(shù)分別為1.5、3.0、4.5的3 種分離器內(nèi)，油相在螺旋流道末端的內(nèi)壁臨近區(qū)域所達到的最高油相體積濃度分別為0.2、0.4 和0.8，可見增加螺旋圈數(shù)對于油水兩相的螺旋分離分層影響明顯。

由圖5 可以看出，發(fā)生分層分離的油水兩相經(jīng)分流段分流后大部分的油相由中心溢流口流出，且對比可見，螺旋圈數(shù)越多其流向中心溢流口的油相也越多，在螺旋圈數(shù)為1.5 的分離器內(nèi)，由于油水兩相來不及形成明顯的分層流，造成大部分油相由底流口流出。 受垂直單入口的影響，在螺旋起始階段，油相分布雖有向中心運移的趨勢，但油相分布紊亂，隨著螺旋流道導(dǎo)流作用持續(xù)影響，油相逐漸集中在螺旋流道的內(nèi)部及臨近區(qū)域，且當(dāng)螺旋流道增加到一定圈數(shù)后繼續(xù)增加螺旋圈數(shù)，螺旋流道內(nèi)油相的分層流態(tài)變化不明顯，由此可見，一定處理介質(zhì)參數(shù)和操作條件下，存在一定的臨界螺旋圈數(shù)nc：當(dāng)n＜nc時，油水兩相在螺旋流道內(nèi)未形成穩(wěn)定的離心分離分層流態(tài)，造成過多的油相由底流出口流出， 效率較低；當(dāng)n=nc時，油水兩相在螺旋流道內(nèi)可形成穩(wěn)定的離心分離分層流態(tài)，分布在螺旋流道內(nèi)壁及臨近區(qū)域的油相基本可由中心溢流出口流出， 效率較高；當(dāng)n由nc繼續(xù)增加時，螺旋流道內(nèi)的油水兩相分層流態(tài)穩(wěn)定。

圖5 螺旋圈數(shù)變化對分離器內(nèi)油相體積濃度分布云圖的影響

3.2 流量對分離性能的影響

針對螺旋圈數(shù)n=3.0 的螺旋分離器進行變?nèi)肟诹髁康哪M研究，將計算結(jié)果與相同工況條件下的實驗結(jié)果進行對比分析。 本部分的模擬研究保持分離器其他操作參數(shù)F=30%、Cv=2%恒定。 圖6 為不同入口流量時CFD 模擬計算得出的螺旋分離器質(zhì)量效率變化曲線，由圖可見，在研究范圍4.5～5.5 m3/h 內(nèi)，模擬計算值與實驗值變化規(guī)律基本一致，除在較小流量（4.5 m3/h）時二者誤差較大外，其他流量條件下模擬與實驗的質(zhì)量效率值誤差較小，均在5%范圍以內(nèi)；分離器質(zhì)量效率雖隨著流量的增加而變大， 但變化幅值較小，即分離器質(zhì)量效率受流量的影響變化不大。

圖6 入口流量變化對分離器質(zhì)量效率的影響

圖7 為不同入口流量時螺旋分離器內(nèi)油相體積濃度分布云圖，由圖可見，在研究范圍4.5～5.5 m3/h 內(nèi)， 分離器內(nèi)部油相分布云圖變化不明顯， 即分離器內(nèi)油相分布受流量的影響變化不大。

圖7 入口流量變化對分離器內(nèi)油相體積濃度分布云圖的影響

3.3 分流比對分離性能的影響

本部分的模擬研究保持分離器的其他操作參數(shù)Qi=5 m3/h、Cv=2%恒定。 圖8 為不同分流比條件下，模擬得出的螺旋分離器質(zhì)量效率隨分流比變化曲線及其與實驗結(jié)果對比，由圖可見，在研究范圍20%～35%內(nèi)， 模擬與實驗二者得出的分離器質(zhì)量效率變化規(guī)律基本一致，即其隨著分流比的增加呈逐漸增加趨勢，不同的是，當(dāng)分流比高于30%時實驗值趨于平緩，模擬值繼續(xù)隨分流比的增加而增大。 通過對比還可以看出在分流比較大或較小情況下， 模擬值與實驗值的誤差也較高，分析原因主要為模擬采用的油滴粒徑離散化分布方法的局限性，實際在螺旋分離器的螺旋分離管段內(nèi)壁面及鄰近區(qū)域油相應(yīng)該為離心力場下的連續(xù)相分層流態(tài)，而模擬方法本身模擬不出具體分散相顆粒粒度的連續(xù)變化，由于分流比變化對于螺旋分離器的分流管段的湍流場影響較大，勢必會對該部分的油相聚集程度有所影響，因此會造成過大或過小分流比條件下的模擬值與實驗值的誤差增加。 在分流比為30%時，模擬與實驗結(jié)果誤差最小，也說明采用油滴粒徑離散化分布方法對于預(yù)測一定操作條件下的分離器分離效率是準(zhǔn)確可行的。

圖8 分流比變化對分離器質(zhì)量效率的影響

圖9 為不同分流比條件下螺旋分離器內(nèi)油相體積濃度分布， 由圖可見， 在研究范圍20%～35%內(nèi)， 入口段和螺旋分離管段內(nèi)油相分布變化不明顯，而分流管段和出口管段內(nèi)油相分布受分流比變化的影響較為明顯，根據(jù)速度矢量標(biāo)記的油相體積濃度分布對比可見，在底流口的環(huán)形管段內(nèi)存在一個臨近內(nèi)環(huán)形管壁的回流區(qū)，隨著分流比的變大， 回流區(qū)逐漸向中心溢流管處運移，由于回流區(qū)在環(huán)形底流出口管的內(nèi)壁及臨近區(qū)域，該部分存留有一定的油相，分布在該回流區(qū)的油相隨著分流比的增加，逐漸向中心溢流管流動。在分流比由32.5%增加到35.0%時，該回流區(qū)基本分布在環(huán)形分流管與底流出口管交界位置，且變化不大，由此預(yù)測，該回流區(qū)不會隨著分流比的繼續(xù)增加而消失。 另外，由于受螺旋流道導(dǎo)流作用持續(xù)影響，在出口管段內(nèi)流體繼續(xù)存有較強的螺旋流場，受其影響，剩余未分流出的油相分布在底流環(huán)形出口管的內(nèi)管壁及其臨近區(qū)域，因此該回流區(qū)的存在有利于未分離的油相繼續(xù)回流至中心溢流管內(nèi)。

圖9 分流比變化對分離器內(nèi)油相體積濃度分布云圖的影響

在分流比研究范圍內(nèi)，中心溢流管中的油核寬度有逐漸減小的趨勢，為便于對比，選取分離器軸向位置z=430 mm（分離器入口端面為z=0 mm 位置） 處中心溢流管的沿徑向變化線Linez=430mm， 其中徑向位置用實際徑向半徑與分離器主直徑1/2 的比r*來表示。 圖10 為不同分流比條件下該溢流管內(nèi)直線Linez=430mm上油相體積濃度的分布對比，由圖可見，溢流管中的油相體積濃度沿徑向位置呈中心高、邊壁處低的類梯形分布趨勢， 分流比越大， 該梯形結(jié)構(gòu)也越低、越窄，即溢流管內(nèi)的油相體積濃度也就越低，因此雖增加分流比會引起更多的油相流入到中心溢流管內(nèi)， 但也會引起較多的水相進入溢流管，從而引起溢流管中的油相濃度降低。

圖10 分流比對油相體積濃度沿徑向分布的影響（Linez=430 mm 位置）

4 結(jié)論

4.1 對于一定含油濃度的油水混合介質(zhì)進行了分散油滴粒度實驗測量（體積濃度Cv≈2%），結(jié)合螺旋分離器數(shù)值計算的轉(zhuǎn)速分布結(jié)果，將測量結(jié)果進行了離散化處理，并應(yīng)用到分離器內(nèi)油水兩相分離CFD 數(shù)值模擬中，通過與分離器的實測結(jié)果進行對比， 驗證了Mixture 多相流模型與油滴粒度離散化分布方法模擬計算螺旋分離器油水兩相分離流場及分離效率是準(zhǔn)確可行的。

4.2 由螺旋圈數(shù)增加得到的分離性能對比可見，更加穩(wěn)定的分離流場對于采用離散化油滴粒徑分布方法預(yù)測螺旋分離器的效率值時更有效，準(zhǔn)確度也更高。

4.3 通過對螺旋分離器初始結(jié)構(gòu)的流動特性分析，可見螺旋分離器螺旋分離管段內(nèi)螺旋流場的強度和持續(xù)時間可通過一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)改進進一步增強，也說明了新型螺旋分離器具有優(yōu)化改進后可實現(xiàn)油水兩相高效分離的潛力。