油水分離器不同新型構件的流場數值模擬

王曉靜，許忠政*，閆洋洋，劉　華，施民育

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

含油廢水是一種對土壤生態平衡、大氣環境、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構簡單、操作簡易、穩定可靠、成本低等特點，在原油生產、化工、醫藥、食品等多領域應用較為普遍[2-4]。面對如此來源廣泛的含油廢水，僅僅依靠簡單的重力作用對油水進行分離處理已經無法滿足現代化生產的需求，開發一種脫油效率高、費用低、處理量大的油水分離器就變得非常迫切。長久以來，研究人員為了提高重力式油水分離設備的分離性能，進行了大量的研究試驗，在其內部開發出了多種型式的功能構件[5-8]。

CFD多相流三維數值模擬技術對分離器的開發提供了有利條件[9-12]。Wilkinson通過數值模擬不同開孔率的孔板式整流構件的流場紊亂程度，發現孔板的孔隙率存在最適宜值[8]。程華農采用多相流混合模型對聚結板分離器進行了模擬和分析，得出了聚結板長、聚結板間距、傾斜角度、入口流量的最優值[9]。陸耀軍等對流體通過幾種聚結板組的流動性能進行了數值模擬，分析比較了各自存在的優缺點[12]。

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

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備分離器主要由筒體、入口構件、穩流構件及聚結板組成。簡化后的模型如圖1所示，筒體直徑500 mm，總長度2 500 mm(不包括封頭部分)，兩端均為標準橢圓封頭，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　油水分離計算模型的具體結構Fig.1　Detailed structure for model of oil-water separator

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

1.2　網格獨立性驗證

網格劃分用Anasys14.0自帶的mesh工具完成，采用非結構網格，對壁面處的網格用inflation加密。為驗證模擬結果與網格數量的獨立性，以開孔率20%入口為例，考察了構件左右2個開孔的平均速度V1和V2隨網格數量的變化情況，如圖2所示。

圖2　網格獨立性驗證結果Fig.2　Result of grid independence

由圖2可知，當網格數量達到300萬以上，V1和V2的變化趨于平緩，因此綜合考慮計算的精度及耗時，本研究模擬中網格采用350萬左右。

1.3　分離器新型功能構件

圖3是在下孔箱式的基礎上開發出的液盒式的入口構件，液盒前端尺寸較小，之后逐漸變大呈漸擴形，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　液盒式入口構件具體結構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種形式的柵格式穩流構件，其中圖5a)均勻分布型是最常見的一種柵格結構。

圖5　3種穩流構件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)聚結板、Plate-Pak(縱向波紋)聚結板、V形斜置聚結板以及首次用在油水分離領域的雙維弦波聚結板。

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

2　模擬結果與分析

2.1　入口構件對分離器內部流場的影響

模擬采用均勻型柵格和工程上應用廣泛的Stokes-Pak聚結板。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，而且整個流場速度比較均勻，能起到一定的預分離效果。對于開孔率為20%的液盒，在開孔上方會形成2個旋轉方向相反的渦流，部分油相在經過孔口之后又向下和水相混在一起，造成一定的返混；對于開孔率為40%的液盒，大部分液體是從比較靠后的位置流出，由于左邊出水孔對流場的沖擊，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　穩流構件對分離器內部流場的影響

模擬采用前文的開孔率為30%的入口構件和Stokes-Pak聚結板。圖8是不同形式的穩流構件的油相體積分數等值線圖。油相體積分數等值線圖表示了經過穩流構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的穩定與否，等值線越是均勻平緩，油水分層效果越好。可以看出內密外疏型柵格式穩流構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流構件。內密外疏型柵格式穩流構件的油相的濃度最高能達到0.95，在較大的空間范圍內都有較大的濃度值；而且其等值線大多很平緩，間距很均勻。

圖8　不同形式的穩流構件油相體積分數等值線圖Fig.8　Oil volume fraction contour map of different type of commutate internals

2.3　引入參數不均勻度分析穩流構件的整流效果

為了能夠更加清楚地看出穩流構件對油水分離設備流場流動特性的影響，引入不均勻度參數，從而對穩流構件的整流效果進行量化，更直觀的看出不同結構的穩流構件的性能優劣。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，流場越穩定。流體截面速度分布的不均勻度的按式(1)計算[13]:

(1)

圖9描述了無穩流構件以及不同穩流構件的情況下，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流構件和不使用穩流構件的流場差異很大，穩流構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，創造出有益于兩相分離的流場環境。此外，上密下疏型和內密外疏型穩流構件的整流效果要好于均勻分布型，而內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中還可以看出流場的混亂程度與截面距入口的遠近相關聯，距入口越近，流場越紊亂，距入口越遠，流場分布越均勻，流動越穩定。

2.4　聚結構件對分離器內部流場的影響

模擬采用前文的開孔率為30%的入口構件和內密外疏型柵格式穩流構件。圖10分別為4種聚結板分離器聚結區后(X=1200 mm)處油相體積分數分布云圖，X為水平坐標，向右為正，以穩流出口為坐標零點。從圖10a)、圖10b)、圖10c)和圖10d)可以直觀的看出雙維弦波聚結板的油水分離效果最好，Stokes-Pak聚結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聚結板分離器、Plate-Pak聚結板分離器中間的油水分層過渡區域范圍明顯更廣。

結合結果分析可知，橫向波紋由于流道沿流動方向并不改變，壁面附近易形成穩定的邊界層，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提供更大的有效面積。Plate-Pak聚結板分離器的油相最高濃度略低于其他2種，說明聚結板的并聚作用還是以軸向波紋對流體的誘導波動為主。由此得到結論，若以誘導碰撞聚結的軸向波紋的基礎上，結合能夠提供更大有效面積的橫向波紋，聚結效果相比單向波紋會明顯改善， 雙維弦波波紋板就是基于這點開發出來的。

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

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

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

通過圖11可知，經過4種聚結波紋板高效分離后，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，中間過渡區域油相濃度變化較大，呈現大致“S”形分布。由圖10a)與圖10b)或圖10c)與圖10d)對比可知，兩端濃度相差越大并且中間過渡層越薄，證明分離效果越好。因此，V形斜置聚結板分離器與雙維弦波聚結板分離器這2種具有雙維波紋結構的分離效果明顯好于只有單向波紋結構的Stokes-Pak聚結板分離器、Plate-Pak聚結板分離器。雙維弦波聚結板分離器在底端油相濃度分布稍稍高于V形斜置聚結板分離器，而且在頂端水相含油濃度略低于V形斜置聚結板分離器，證明其分離效果稍稍好于V形斜置聚結板分離器。

3　結論

通過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件、3種不同結構形式的柵格式穩流構件以及4種聚結構件對分離器三維模型中流場的各種參數的分布情況以及油水的分離效率的影響，對比分析流線、速度矢量場等參數。

1)通過對3種不同開孔率的液盒式入口構件的模擬研究可以得出：開孔率為20%和40%的液盒式入口構件，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%的液盒式入口構件，既有較強的渦流產生，也有高的噴射高度，能充分利用重力消能和水洗作用，能夠達到一定的預分離效果；故推薦使用開孔率在30%左右的液盒式入口構件。

2)從整流效果和分離效果來看上密下疏型和內密外疏型柵格式穩流構件都好于均勻分布型柵格式穩流構件。

3)穩流構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，創造出有益于兩相分離的流場環境。流場的混亂程度與截面距入口的遠近相關聯，距入口越近，流場越紊亂，距入口越遠，流場分布越均勻，流動越穩定。

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

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