運行時間對油水真空分離的影響

陳 彬，劉 閣，張賢明

（重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

文章編號：1001?246X（2015）05?0579?07

運行時間對油水真空分離的影響

陳 彬，劉 閣，張賢明

（重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

為獲取運行時間對油水分離動態特性的影響，考慮油水汽三相流、水滴蒸發相變等因素，建立濾油機的油水分離流場的數學物理模型及水滴運動蒸發的相變方程；分析運行時間對油水分離過程中油水汽三相體積分數分布以及軸向脫水率的影響，表明不同運行時間油水汽三相流的動態特性，運行時間顯著影響油水分離的脫水效率，為研究濾油機的油水分離機理奠定基礎.

運行時間；油水分離；三相流；脫水率

0 引言

油中含有一定量的水分后，會使油液乳化，降低油液的理化性能，常見的方法有沉降、離心分離、過濾和真空分離等，而真空分離是采用低溫加熱蒸發，不破壞油中的有效成分，防止油品的老化，能有效地解決油水分離問題.真空濾油機是油水分離處理的典型設備.真空濾油機脫水過程中其內部流場十分復雜，涉及油、水、蒸汽三相流動以及傳熱、傳質等多種作用的耦合.以前的研究方法主要采用“黑箱法”，無法正確地了解濾油機的內部流場.國內外學者針對油水真空分離過程提出了很多模型［1－2］，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的發展使得濾油機在設計和操作條件下預測內部流場特性成為可能.對于這種復雜的微觀流場建模，通常只考慮小雷諾數的單液滴受到連續相的拖曳力、對流熱交換、傳質效能情況下的控制方程，Boyadjiev［3－4］等根據擴散理論、邊界層理論對油水分離過程進行研究，建立了分離過程的偏微分方程.Martynenko［5］研究油水分離的非平衡蒸發不可逆熱力學現象，并得到了實驗驗證.Dombrovsky［6］提出一個基于油中水液滴內部近似拋物線上升的非等溫液滴蒸發簡化模型，此模型考慮液滴內部的瞬態升溫過程的d2蒸發方程，對內燃機的燃料液滴的蒸發和溫度變化仿真結果表明此模型比常見的等溫液滴模型符合工程實際.根據求解耦合流體流動和熱傳遞問題非線性特點，一般使用非穩態方法，在液體部分方程中利用UDF（User?Defined?Function）來預定義流場的變量.fluent經典實例中對豎直管流動沸騰單壁面加熱混合模型采用UDF定義水分蒸發凝固的相變過程［7］.

真空分離效率的高低主要受溫度、真空度、初始含水率、油膜蒸發表面積、蒸發表面的更新、蒸發持續時間等因素影響［8－10］.雷諾應力模型（RSM模型）是基于各向異性假設的湍流模型，它具有很強的描述復雜湍流的能力［11］.作者在前期研究中分析了濾油機運行效率受溫度、真空度等因素影響的規律［12－13］.目前，針對真空濾油機脫水過程中內部流場，理論上分析油水蒸汽三相湍流復雜情況下，加上相變因素，運行時間對濾油機內部各相的體積分數分布、脫水效率的影響很少報道.本文選用RSM（Reynolds stressmodel）模型描述湍流，對于濾油機的油水分離過程，從基本的傳熱傳質過程入手，建立數學模型，通過數值求解，揭示濾油機油水在一定真空條件下油、水、蒸汽三相流體動力學，深入分析運行時間對濾油機脫水效率的影響，為濾油機的高效運行提供可靠的數據.

1 基本方程

1.1 控制方程

利用有限體積法對濾油機內真空分離過程的三相流動態特征進行數值分析，其質量守恒和動量守恒方程：

式中，i表示油、水、蒸汽三相的一相；fi表示第i相的體積因子；ρi表示第i相的密度；ui，vi，wi分別表示第i相在笛卡爾坐標系中x，y，z的速度；Sm表示由水相變時轉換為蒸汽相單位體積的質量速率；μi表示第i相的動力粘度；pi表示第i相的壓力；gx，gy，gz分別表示第i相在笛卡爾坐標系中x，y，z的重力加速度；Ψαβx，Ψαβy，Ψαβz分別表示水相變時轉換為蒸汽相在笛卡爾坐標系中x，y，z的動量轉換；Fx，Fy，Fz分別表示在笛卡爾坐標系中x，y，z的相間作用力，由于真空濾油機發生的是蒸發相變，故考慮表面作用力，按照Brackbill公式表面作用力為［14－15］

其中，fo表示油相的體積因子，σ，ρo，ρw，分別表示油水界面張力、油相密度、水相密度以及曲率，－＝－（Δ·n），n＝Δfo/Δfo表示從水相指向油相的單位正矢量；ρ表示油水乳化液的密度，ρ＝foρo＋（1－ρo）ρw．

1.2 蒸發方程

對油中水的蒸發過程，作如下簡化假設：①水滴球對稱蒸發；②水滴周圍的環境壓力遠低于液滴達到臨界狀態所需壓力，油液在水滴中的擴散速率與水滴蒸發速率相比很小，可認為油液在油水界面上的徑向通量為零，即忽略油液的可溶性；③考慮水滴比熱與汽化潛熱隨壓力變化，忽略水滴密度變化與內部環流影響；④水滴表面附近的油相處于準穩態，滿足Clausius?Clapeyron方程；⑤不考慮熱輻射效應.

根據Fick擴散定律，在液滴表面蒸發時，其質量守恒方程為

式中：ρm為油液和蒸汽的混合密度，ρm＝ρvpv/p＋ρo（p－pv）/p，其中ρv、ρo為液滴蒸汽和油液的密度，p、pv為總壓和蒸汽的分壓；r為液滴的半徑；Cv為液滴蒸汽的質量濃度；vv為液滴蒸汽的流動速度；D為液滴蒸汽在油液中的擴散系數，其擴散系數常用Wilke?Chang公式估算：D＝7.4×10－15（?Mo）0.5T/（μo），其中，T為油液的溫度K；μo為油液的粘度Pas；Mo油液的摩爾質量kg·（kmol）－1；?為油液的締合參數，具體值為1.0；Vg為蒸汽在正常沸點下的分子體積，22.4×103cm3·mol－1，則液滴表面的蒸發率

根據油中水滴的能量傳遞過程，可得能量守恒方程為

式中λo為油液的導熱系數；Qn為液滴升高所需的熱量，在本文中不考慮液滴加熱階段，即認為送入液滴的熱量等于液滴蒸汽帶走的熱量，因而Qn＝0；L為液滴的蒸發潛熱；cp為液滴的比熱；To為油液的溫度.

2 計算模型和邊界條件

選擇直徑為1.1m的真空濾油機作為研究對象，真空抽氣口連接真空泵，向濾油機內部提供一定的真空，一定的油水乳化液在標準大氣壓下從濾油機頂部進口管經過流體分配器噴射進入圓形罐體；在罐體中部設置多層波紋孔板，乳化液在孔板中有曲折復雜的路徑，油中水分得到充分的蒸發，其蒸汽向上通過真空抽氣口排出罐體，除去水分的油液沉降在罐體底部由出油口排出，除油水進口和真空抽氣口局部區域外，真空濾油機流場具有軸對稱性，計算模型結構示意圖如圖1所示.

對計算模型利用gambit2.3.16進行網格劃分，采用四面體非結構網格，在真空濾油機罐體壁面、進油口和真空抽氣口等區域采用邊界層網格進行微調，以捕捉低壓和逆流等流動特征，共劃分312 057個網格單元.

圖1 真空濾油機的典型結構示意圖Fig.1 Schematic of vacuum oil purifier

利用ANSYS.12中的RSM模型對真空濾油機進行仿真，基于有限體積法對控制方程進行離散，選取二階迎風差分格式，對流動時均控制方程組的數值求解采用SIMPLE算法，壓力插補格式為PRESTO！.水滴相變過程采用自行編寫UDF文件進行.

3 計算結果與分析

計算介質為46＃汽輪機油和水，配置含水率為10％的油水混合液進行數值計算，主相為油，密度為889kg·m－3，粘度為0.826 5kg·（m·s）－1，雷諾數Re為591；次相為水，密度為1 000kg·m－3，粘度為1.003×10－3kg·（m·s）－1，第三相為水蒸氣，密度為0.554 2kg·m－3，粘度為1.21×10－5kg·（m·s）－1.設定濾油機內油水混合液真空壓力為1kPa，由安托因公式可知，此時水的汽化溫度為276K，因而設定溫度為343K，則運行時間分別為10s、30s、60s和90s時的數值計算結果分析如下

1）模型驗證

圖2是油水分離過程不同運行時間對脫水影響的計算值與實測值，由圖可知，計算值與實測值基本一致，運行時間為10s、30s和90s時計算值小于實測值，且隨著運行時間的增大，脫水效率的計算值與實測值偏差趨于升高，分別為1.8883％、2.4348％和2.4803％，而在運行時間為60s時計算值則大于實測值，二者的偏差為2.2381％.表明該模型在實驗范圍內（含水率為10％、真空壓力為1kPa、溫度為343K、運行時間為0～90s條件下的油水混合液）計算值與實測值基本吻合，可對運行時間這個主要影響因素進行正確分析.

2）運行時間對油水汽三相體積分數分布的影響

圖2 運行時間對脫水影響的計算值與實測值Fig.2 Calculated and measured dehydration at different running time

由于濾油機的分離塔板高400mm，其上表面軸向位置為293mm，下表面軸向位置為693mm，分離塔板是濾油機實現真空分離的關鍵部分，為了分析不同運行時間對真空濾油機內油、水、汽三相的體積分數分布的影響，取濾油機幾何軸線（Z軸）的平面作為分析油水汽三相運動軌跡的平面，得到運行時間分別為10s、30s、60s和90s時油相、水相和汽相的分布如圖3、4和5所示.

圖3 不同運行時間下油相體積分數分布Fig.3 Oil?phase volume fraction distributions at different running time

從圖3可以看出，運行時間對油相（數值計算中的Phase 2）的體積分數在分離塔板軸向中心分布影響較小，其體積分數沿軸向呈遞減趨勢，主要影響了油相在壁面區域的體積分數，隨著運行時間的增加，油相沿徑向的體積分數呈逐漸減少的趨勢.這是由于在軸向中心，油相主要受進口壓力的驅動作用使油液集中沿軸向流動，在分離塔板的內部阻力作用下沿軸向油液的體積分數逐漸降低.

如圖3（a）運行時間為10s工況下，油相的體積分數在分離塔板中的分布較為均勻，最大達到了0.94，而最小的體積分數為0.915.隨著運行時間的持續增加，油相的體積分數在軸向分布梯度越來越大，在徑向的分布越來越均勻，如圖3（d）中軸向較小范圍內，其軸向體積分數就由0.715降為0.45，徑向的體積分數基本一致為0.20.則為了表征不同運行時間對油相的體積分數分布的非均勻性，定義非均勻度為體積分數的最大值和最小值之差

式中σ為非均勻度，fmax、fmin分別為體積分數的最大值和最小值.

由圖3可得，隨著運行時間的增大，油相體積分數分布的非均勻度依次增大，運行時間分別為10s、30s、60s和90s時油相的非均勻度分別為2.66％、28.90％、58.86％和72.03％.這是因為運行時間的增加，油液中的水相蒸發相變的體積分數增大，產生的汽相體積分數越來越多，在軸向中心壓力作用下，汽相從軸向中心油流中“排出”，在近壁面區域形成向上運動的“氣流”，改變了油水分離運行的初期油相的體積分數分布狀態，加大了油相的Re數以及湍動能，因而其體積分數分布的非均勻度就相應增加.

如圖4所示，在運行時間較小的情況下（小于30s），水相（數值計算中的Phase 3）的體積分數沿軸向和徑向的分布較為均勻，與圖3（a）油相的分布一致，這是因為運行時間較小，油中的水相得不到充分的蒸發相變，會隨著油相的“拖曳”作用和重力而均勻分布.由于其體積分數的分布較為均勻，在一定程度上緩解了運行時間較小對脫水效率的影響，即增大了水相在分離塔板中的停留時間，為充分得到“蒸發”相變提供了有利條件.

圖4 不同運行時間水相體積分數分布Fig.4 Water phase volume fraction distributions at different running time

當運行時間大于30s時，水相的體積分數沿軸向分布趨勢比較明顯，其體積分數沿軸向逐漸降低，沿徑向先快速降低后緩慢增加，且運行時間越長，這種趨勢越明顯.這是因為在真空壓力為1kPa時，水相的汽化溫度為276K，而計算的溫度參數為353K，遠大于汽化溫度，水相的汽化速度大于汽相的凝結速度，水相在隨著油液向下“拖曳”的過程中得以快速蒸發，因而其體積分數的軸向分布梯度較大.

同理水相體積分數的非均勻度隨著運行時間的增加而增加，依次為1.27％、28.05％、61.78％和79.24％.這是因為隨著運行時間的增加，水相沿軸向運動過程中，在分離塔板中的停留時間加大，水相蒸發相變的體積分數逐漸加大的緣故.

與油水兩相的體積分數變化相反，汽相（數值計算中的Phase5）的體積分數隨著運行時間的變化如圖5所示.汽相的體積分數沿軸向逐漸升高，且呈近似對稱分布；沿徑向先增加后降低；其體積分數的非均勻度隨著運行時間的增加而逐漸增加.當運行時間為10s時，如圖4（a）所示，水相的體積分數分布較為均勻，汽相的體積分數分布同樣比較均勻；當運行時間超過30s后，分離塔板內產生的汽相隨著運行時間的增加而增加.這是因為汽相不是真空脫水過程前設定的“物質”，是在脫水過程中產生的新“物質”，是水相在真空條件下吸熱蒸發的產物，在軸向中心油液主流區域與壁面之間是水相蒸發相變的主要區域，因而汽相的體積分數在此處達到極大值；且汽相的體積分數的極大值隨著運行時間的增加而增加.

3）不同運行時間對軸向脫水率的影響

圖6為運行時間對軸向脫水率的影響，圖中從油水入口截面到油液排出口總長1.15m，其中濾油機分離塔板高400mm，其上表面軸向位置為293mm，下表面軸向位置為693mm.從圖6看出，運行時間小于60s時，水相體積分數沿軸向距離變化，脫水效率呈先增加后降低的趨勢，在293mm到693mm范圍內（對應于濾油機的分離塔板的上下兩個表面），水相體積分數明顯發生較大的轉折，脫水率取得極大值；當運行時間大于60s時，水相體積分數沿軸向距離變化，脫水效率呈逐漸增加的趨勢，在運行時間為60s取得脫水率的極大值為59.75％.

圖5 不同運行時間下汽相體積分數分布Fig.5 Vapor volume fraction distributions at different running time

隨著運行時間的增加，在分離塔板內部脫水效率依次增大，運行時間分別為10s、30s、60s和90s時脫水效率分別為2.74％、33.26％、56.13％和58.27％；同理在油液排出口，運行時間分別為10s、30s、60s和90s時脫水效率分別為－2.39％、15.49％、49.63％和72.65％，可見運行時間為90s時脫水效率最高，這與實驗規律相符，也和運行時間對油水汽三相體積分數的分布影響結果一致.

圖6 不同運行時間對脫水率的影響Fig.6 Impact of different running time on dehydration rate

4 結論

對于濾油機的真空分離過程，從基本的傳熱傳質過程入手，建立過程的數學模型，分析運行時間對濾油機脫水效率的影響，結果表明：

1）運行時間對油相的體積分數在分離塔板軸向中心分布影響較小，其體積分數沿軸向呈遞減趨勢，隨著運行時間的增加，油相沿徑向的體積分數呈逐漸減少的趨勢，其體積分數分布的非均勻度依次增大.

2）在運行時間小于30s的情況下，水相的體積分數沿軸向和徑向呈對稱分布，較為均勻；當運行時間大于30s時，油相對水相的拖曳力作用比較明顯，其體積分數沿軸向逐漸降低，沿徑向先快速降低后緩慢增加.

3）汽相的體積分數沿軸向逐漸升高，且呈近似對稱分布，并沿徑向先增加后降低，其體積分數的非均勻度隨著運行時間的增加而增加.

4）運行時間小于60s時，水相體積分數沿軸向距離變化，脫水效率呈先增加后降低的趨勢，在分離塔板內達到極大值；當運行時間大于60s時，水相體積分數沿軸向距離變化，脫水效率呈逐漸增加的趨勢，在分離塔板內部脫水效率隨著運行時間的增加而增大.

［1］ Brighton PW M.Evaporation from a plant liquid surface into a turbulent boundary layer［J］.Journal of Fluid Mechanics，1985，159：323－345.

［2］ Kunsch J P.Two?layer integral model for calculating the evaporation rate from a liquid surface［J］.Journal of Hazardous Materials，1998，59（2）：167－187.

［3］ Boyadjiev C，Boyadjiev B.On the non?stationary evaporation kinetics（Ⅰ）：Mathematicalmodel and experimental data［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46：1679－1685.

［4］ Boyadjiev B，Boyadjiev C.On the non?stationary evaporation kinetics（Ⅱ）：Stability［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46：1687－1692.

［5］ Martynenko O G，Khramtsov P P.Relaxation phenomena in non?stationary evaporation of liquid［J］.Journal of Engineering Physics，2001，74（3）：537－545.

［6］ Dombrovsky L.A simplified non?isothermalmodel for droplet heating and evaporation［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2003，30（6）：787－796.

［7］ ANSYS Inc.The APDL programmer’s guide［M］.Beijing：Publish of Electronics Industry，1994：3－91.

［8］ Liu Ge，Chen Bin，Zhang Xianming.Analysis of dispersed phase parcitlemovementunder the action ofwater?hammer standing wave Field［J］.Journal of Applied Mechanics，2012，29（2）：120－126.

［9］ Liu Xiaoyan，Liu Dianwei，Mao Qianjun，et al.The flow pattern study of oil?gas?water three phase flow in horizontal circular gathering and transferring pipe line［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2010，31（12）：2038－2042.

［10］ Jiang Yiqiang，QiQi，Yao Yang，et al.Thermal energy discharge performance of PCM?based cylindrical shell?and?tube energy storage cell［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40（6）：927－930.

［11］ Ma Honglin.Efficient transformer oil vacuum oil purifier［J］.Hydraulic and Pneumatic Seal，2010，29（1）：55－59.

［12］ Chen Bin，Liu Ge，Zhang Xianming.Study on influence of temperature on the water/oil separation［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2014，33（2）：233－238.

［13］ Chen Bin，Liu Ge，Zhang Xianming.Study on influence of vacuum pressure on the water/oil separation［J］.Journal of Harbin Engineering University，2013，34（10）：1339－1344.

［14］ Ramalho J，Lechuga F.Commercial poly（ethylene oxide?b?propylene oxide）demulsifier bases on the demulsification ofwater?in?crude oil emulsions：Elucidation of the emulsification［J］.Quim Nova，2010，33（8）：1664－1670.

［15］ Lissant K.Demulsification：Industrial applications［M］.Britain：Surfactant Science Series，1983：162.

Influence of Run?time on W ater/Oil Vacuum Separation

CHEN Bin，LIU Ge，ZHANG Xianming
（Engineering Research Centre forWaste Oil Recovery Technology and Equipment，Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

To study influence of run?time on dynamic characteristics of water/oil separation，amathematicalmodel is established to describe flow field in vacuum oil purifier.Evaporation of droplet phase transition equations are established，considering effectof three?phase flow of oil/water/vapor and water droplets evaporation phase change.Influences of run?time on oil/water/vapor three?phase volume fraction distribution and axial dehydration rate are analyzed.Dynamic characteristics of oil/water/vapor three?phase flow at different run?time is indicated.Efficiency of dehydration ofwater/oil separation is enhanced with run?time.It provides a foundation for further research on water/oil separationmechanism in vacuum oil purifier.

run?time；water/oil separation；three?phase flow；dehydration rate

TH13

A

2014－10－02；

2015－01－31

國家自然科學基金（51375516）；重慶基礎與前沿研究（cstc2014jcyjA90015，cstc2013 jcyjA90021）；重慶市教委科技（KJ130710）；重慶市應用技術重點項目（cstc2014yykfB90002）及重慶市教委科技重點（KJZH14210）資助項目

陳彬（1972－），男，博士，教授，主要從事油液污染控制技術研究，E?mail：hustchb＠163.com

Received date： 2014－10－02；Revised date： 2015－01－31