用于重質(zhì)非水相液體分離的新型旋流器研究*

趙 瑋 張學(xué)軍 李劍平 李詩(shī)豪 楊雪晶 呂樹(shù)光

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.中國(guó)石油烏魯木齊石化公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200237；4.高濃度難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海200237；5.國(guó)家環(huán)境保護(hù)化工過(guò)程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237)

重質(zhì)非水相液體(DNAPL)在地下環(huán)境的遷移導(dǎo)致土壤及地下水有機(jī)污染問(wèn)題日益加劇。DNAPL主要是由礦產(chǎn)開(kāi)采、金屬冶煉、石油化工等工業(yè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的煤焦油、重礦物油等和生物醫(yī)藥、電子清洗中廣泛使用的氯代烴等溶劑和萃取劑排放或泄露進(jìn)入環(huán)境的[1-3]。DNAPL中很多成分具有致癌、致畸、致突變性[4-5]，嚴(yán)重危害環(huán)境安全和人體健康。我國(guó)將較為常見(jiàn)的DNAPL組分如三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等列入了優(yōu)先控制的有毒有害水污染物名錄[6-7]。

DNAPL類污染物密度大，難溶于水，易在重力作用下向下遷移至非承壓含水層，在水力梯度作用下也會(huì)沿水平方向運(yùn)移并聚集賦存于低滲透介質(zhì)中，導(dǎo)致其污染的地下水修復(fù)困難，并且修復(fù)后期效率會(huì)顯著降低，出現(xiàn)“拖尾”問(wèn)題[8]。因此，高效分離地下水中的重質(zhì)非水相液體已成為地下水修復(fù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，地下水污染修復(fù)常采用異位修復(fù)，主要通過(guò)過(guò)濾、沉降、吸附、離心等方法對(duì)DNAPL進(jìn)行分離[9]，其中沉降的處理周期較長(zhǎng)，過(guò)濾和吸附不僅材料成本較高，而且還易造成二次污染，而離心處理時(shí)間短、成本低、二次污染可控[10]。但傳統(tǒng)旋流器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的短路流[11]限制了其離心的高效分離。為了減少短路流量，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)改變旋流器溢流管結(jié)構(gòu)和流體運(yùn)動(dòng)軌跡等方式對(duì)旋流器進(jìn)行改進(jìn)。LI等[12]研究表明，采用弧形溢流管相比線性溢流管可有效降低短路流量，從而提高分離效率。ZHANG等[13]研究表明，減小曲率半徑可減少短路流對(duì)粗顆粒夾帶的影響，也可有效提高分離效率。LI等[14]提出了一種厚壁溢流管旋流器，與傳統(tǒng)旋流器相比，短路流量降低了8.09%。這些新結(jié)構(gòu)均不同程度地減少了短路流量，但與傳統(tǒng)旋流器一樣都是基于液固旋流分離器提出的，在液液旋流分離器方面很難直接應(yīng)用，而對(duì)DNAPL進(jìn)行分離屬于液液分離。

本研究在短路流移動(dòng)路徑上通過(guò)改變流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，阻止內(nèi)溢流管外形成短路流，使這些未參與分離的流體重新進(jìn)入旋流器，從而達(dá)到減少短路流量、提高分離效率的目的，而且可用于液液分離。通過(guò)在內(nèi)溢流管外壁到旋流器圓柱段內(nèi)壁之間增加引流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種內(nèi)溢流管外側(cè)帶有環(huán)隙溢流結(jié)構(gòu)的新型旋流器，使用數(shù)值模擬方式與傳統(tǒng)旋流器對(duì)比流場(chǎng)特性、短路流量和分離性能，證實(shí)了新型旋流器的優(yōu)越性。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。新型旋流器是在傳統(tǒng)旋流器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)溢流管外側(cè)增加了環(huán)隙溢流管。旋流器結(jié)構(gòu)的尺寸如表1所示。利用ICEM CFD軟件分別對(duì)兩種旋流器的流體域進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，對(duì)邊界層區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)加密以更精確地捕捉邊壁處的流場(chǎng)信息。

1.2 計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置

運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行模擬，湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)，多相流模型采用混合模型(ASM)。連續(xù)相為水，分散相用工業(yè)污染場(chǎng)地地下水中檢出率較高的DNAPL類污染物——TCE，檢出體積分?jǐn)?shù)通常為1%～70%[15-17]，本研究按ASM適用范圍的最小值設(shè)置TCE體積分?jǐn)?shù)為10%[18]。入口設(shè)置為按速度入口，模擬5種不同入口速度(2、4、6、8、10 m/s)下的分離情況，出口設(shè)置為壓力出口，壁面設(shè)置為無(wú)滑移條件，相間曳力模型選用Schiller-Naumann模型。熱力學(xué)溫度設(shè)置為298 K，選用壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，壓力與速度的耦合選用SIMPLEC算法，壓力空間離散化設(shè)置為PRESTO!，空間離散化其他方程均定義為二階迎風(fēng)格式，殘差精度設(shè)置為1×10-5。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structures of hydrocyclones

表1 旋流器結(jié)構(gòu)的尺寸Table 1 The structure size of hydrocyclones

2 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)用于驗(yàn)證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，選擇底流壓降與分離效率作為驗(yàn)證指標(biāo)。底流壓降是研究能量消耗的主要依據(jù)，混合物中的TCE經(jīng)旋流器分離后由底流口排出，因此底流壓降對(duì)于分離較為重要，根據(jù)入口壓力與底流口壓力的差值計(jì)算得到。分離效率根據(jù)底流口TCE相質(zhì)量和入口TCE相質(zhì)量的商值計(jì)算得到。

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。TCE與水的混合液從混合罐流出，經(jīng)增壓泵增壓、金屬管浮子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入旋流器，在離心力的作用下進(jìn)行分離，分離后的水相、TCE相分別經(jīng)旋流器溢流口、底流口返回混合罐，完成循環(huán)過(guò)程，短路流及未完全分離的混合液重新進(jìn)入旋流器進(jìn)行分離。

1—增壓泵；2—金屬管浮子流量計(jì)；3—進(jìn)口取樣閥；4—入口壓力表；5—環(huán)隙溢流管出口控制閥；6—內(nèi)溢流管出口控制閥；7—旋流器；8—底流口壓力表；9—底流口取樣閥；10—混合罐；11—控制柜圖2 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flow of bench test

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3.1.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為減小網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果的影響，對(duì)3種網(wǎng)格數(shù)量(①1 809 574、②2 470 810、③2 840 866)進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，3種不同網(wǎng)格數(shù)量下新型旋流器柱錐交界面(Z=0 mm)的切向速度和軸向速度如圖3所示。由圖3可知，3種網(wǎng)格數(shù)量的切向速度和軸向速度分布具有相似的變化趨勢(shì)，特別是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)2 470 810后，切向速度和軸向速度分布更是高度一致，不再與網(wǎng)格數(shù)量有關(guān)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，后續(xù)模擬采用網(wǎng)格數(shù)量2 470 810進(jìn)行計(jì)算。

注：R為垂直于Z軸的截面上的點(diǎn)離Z軸的距離與截面半徑的比。圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Grid independence verification results

3.1.2 邊界條件驗(yàn)證

圖4為新型旋流器分離效率、底流壓降的實(shí)驗(yàn)值與模擬值隨入口速度的變化曲線。分析分離效率可知，當(dāng)入口速度為2～6 m/s時(shí)，模擬值與實(shí)驗(yàn)值比較接近且均呈上升趨勢(shì)，當(dāng)入口速度超過(guò)6 m/s后，分離效率實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)下降，而模擬值未有下降趨勢(shì)。分析原因：一是模擬過(guò)程中忽略了導(dǎo)致TCE相液滴破碎的切向剪力和壁面對(duì)液滴的摩擦力；二是當(dāng)入口速度超過(guò)6 m/s后，旋流場(chǎng)內(nèi)強(qiáng)湍流作用會(huì)使TCE相發(fā)生乳化，且速度增大使得TCE相在旋流腔內(nèi)停留時(shí)間變短；三是實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取樣、測(cè)量過(guò)程會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的干擾，導(dǎo)致分離效率降低。分析底流壓降發(fā)現(xiàn)，底流壓降隨入口速度的增加而增大，且實(shí)驗(yàn)值與模擬值上升趨勢(shì)一致，但實(shí)驗(yàn)值大于模擬值。分析原因：實(shí)驗(yàn)中新型旋流器入口、底流口所安裝的壓力表距旋流器還有一段管道連接距離，有損失?？傮w而言，在入口速度2～10 m/s(特別是2～6 m/s)時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。

圖4 邊界條件驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Simulation condition verification results

3.2 切向速度分布模擬

切向速度在旋流器三維流動(dòng)中數(shù)值最大，是產(chǎn)生離心力使兩相分離的基本前提。圖5為旋流器的切向速度分布。由圖5(a)可知，在Z=8D處，兩種旋流器切向速度均符合Rankine渦[19]分布，但新型旋流器內(nèi)旋流區(qū)的切向速度小于傳統(tǒng)旋流器，而在外旋流區(qū)大于傳統(tǒng)旋流器。在內(nèi)旋流區(qū)中減小切向速度有利于減少?gòu)较驕u，而外旋流區(qū)中增大切向速度可以提高兩相的分離效率。在Z=0D處，與在Z=8D處不同，兩種旋流器的切向速度在內(nèi)旋流區(qū)均出現(xiàn)了一段下凹現(xiàn)象，分析其原因?yàn)樾髌鲀?nèi)溢流管結(jié)構(gòu)壁面及其產(chǎn)生的阻力影響了流體的流動(dòng)狀態(tài)。由圖5(b)可知，隨著入口速度的增加，內(nèi)旋流區(qū)內(nèi)切向速度顯著增大，離心力變大，對(duì)分離有利，但是考慮到徑向渦可能會(huì)增大，所以需要綜合考慮入口流速。由此可見(jiàn)，新型旋流器的環(huán)隙溢流管降低了內(nèi)旋流區(qū)的切向速度，增大了外旋流區(qū)的切向速度，入口流速需要平衡離心力和徑向渦。

3.3 軸向速度分布模擬

圖6為旋流器的軸向速度分布。由圖6(a)可見(jiàn)，軸向速度在數(shù)值上小于切向速度且有正有負(fù)，表示同時(shí)存在著上行流和下行流。對(duì)比不同截面處兩種旋流器的軸向速度可以發(fā)現(xiàn)，總體上，在內(nèi)溢流管直徑范圍內(nèi)，傳統(tǒng)旋流器的向下的軸向速度大于新型旋流器，在內(nèi)溢流管直徑范圍外則小于新型旋流器，分析其原因?yàn)榄h(huán)隙結(jié)構(gòu)改善了流場(chǎng)分布，導(dǎo)致新型旋流器在內(nèi)溢流管直徑范圍內(nèi)向上的軸向速度減小，不容易夾帶重質(zhì)TCE相微粒向外逃逸，對(duì)分離有利。由圖6(b)可知，隨著入口速度的增加，軸向速度的絕對(duì)值增大，導(dǎo)致混合液在旋流器內(nèi)停留時(shí)間變短，不利于兩相分離，這也說(shuō)明入口速度需要綜合考慮?？梢?jiàn)，新型旋流器的環(huán)隙溢流管降低了旋流器內(nèi)旋流區(qū)的軸向速度，增加入口速度會(huì)導(dǎo)致混合液在旋流器內(nèi)停留時(shí)間變短。

圖5 切向速度分布Fig.5 Tangential velocity distribution

圖6 軸向速度分布Fig.6 Axial velocity distribution

3.4 流線分布模擬

圖7為兩種旋流器在入口速度為6 m/s時(shí)圓柱段在X=0 mm處的流線分布。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知，新型旋流器內(nèi)循環(huán)渦流較傳統(tǒng)旋流器明顯減小，表明新型旋流器的渦損失較小，流場(chǎng)更加穩(wěn)定，且新型旋流器的環(huán)隙結(jié)構(gòu)引流了短路流，使得內(nèi)溢流管中無(wú)短路流存在。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的方法計(jì)算得到短路流量，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)旋流器的短路流量占13.61%，而新型旋流器已沒(méi)有短路流量?？梢?jiàn)，新型旋流器的環(huán)隙溢流管可消除短路流。

圖7 X=0 mm處流線分布Fig.7 Streamline distribution at X=0 mm

在同等分離效率的前提下，通過(guò)新型旋流器與傳統(tǒng)旋流器出口的面積比可換算得到處理相同質(zhì)量的污染物時(shí)，新型旋流器的分離時(shí)間縮短到只有傳統(tǒng)旋流器的81%?？梢?jiàn)，在處理相同質(zhì)量的污染物時(shí)，新型旋流器所需分離時(shí)間更短，效率更高。

3.5 分離效率

由圖8可知，兩種旋流器的分離效率均隨入口速度的增加而增大，原因是隨著入口速度增加，旋流器內(nèi)壓力升高，混合液受到的離心力增大，因此分離效率提高。對(duì)比兩種旋流器的分離效率可知，在入口速度為2～6 m/s時(shí)，新型旋流器的分離效率均高于傳統(tǒng)旋流器，而在入口速度超過(guò)6 m/s后，由于會(huì)發(fā)生乳化現(xiàn)象兩者的分離效率差異不大。綜合而言，新型旋流器的最佳入口速度為6 m/s，對(duì)應(yīng)的最高分離效率達(dá)到99.91%。

圖8 分離效率Fig.8 Separation efficiency

4 結(jié) 論

(1) 新型旋流器的環(huán)隙溢流結(jié)構(gòu)降低了旋流器內(nèi)旋流區(qū)的切向速度和軸向速度，增大了外旋流區(qū)的切向速度，且消除了短路流。

(2) 新型旋流器在網(wǎng)格數(shù)量2 470 810、最佳入口速度6 m/s時(shí)，分離效率最高達(dá)到99.91%，在同等分離效率的前提下分離時(shí)間縮短為傳統(tǒng)旋流器的81%。