油水分離旋流器分離性能的數值模擬分析

張義科，李福春，余峰，彭軍，張克強，趙登山，蘇志偉

（中國核動力研究設計院第一研究所，成都 610041）

0 引言

旋流分離是一種快速、高效分離水中浮油和懸浮物的處理方法。含油污水切向進入旋流器，在結構約束條件下實現混合液強制旋轉產生離心現象。由于油水兩相密度差異而形成不同的離心力，輕相自由態的油滴匯聚于旋流場中心位置經溢流管排出，重相連續相水的運動軌跡與輕相油滴相反，并沿著旋流管壁螺旋向下經底流口排出，實現油水兩相分離過程。

目前常用的含油廢水處理工藝往往耗時長、空間占據大、設備利用率低。通過一種緊湊、高效的油水分離凈化系統，旨在短時間內解決狹小空間的含油廢水處理問題，提高受限空間的含油廢水處理效率和處理量。為遵循“預防為主、縱深防御，依靠科技、持續改進”的基本原則，通過改進含油廢水處理系統，采用“預處理+精細化處理”相結合的方式，通過物理手段篩選廢水中的輕相介質（油）等污染物，降低后續處理難度。本文主要針對某一特定旋流器，研究操作參數、物性參數與分離效率之間的關系。

1 物理模型及網格劃分

水力旋流器結構形式種類較多，關于液-液分離用水力旋流器的結構，國內外絕大多數是基于英國南安普頓大學的Martin Thew等研發的雙錐形水力旋流器的基礎上進行優化和創新而來。雙錐型水力旋流器其主要適用于小粒徑的液-液分離領域，具有較好的適用性，大錐段可用于分離大粒徑油滴，小錐段可處理大錐段無法分離的小粒徑油滴。

本次設計是以Martin Thew型水力旋流器為參考模型，采用三維建模軟件UG對設計的雙切型入口旋流器流體域完成建模，并以IGS的格式導入前處理軟件ICEM進行網格劃分。考慮到計算精度，本文采用結構化網格，并對關鍵部位進行局部加密處理，非關鍵部位進行疏化處理，可在不影響計算精度的前提下減少工作量，最終確定較為合適的網格參數。

根據流量計算要求，旋流器名義直徑D=20 mm，其余參數則根據關系式確定：溢流口直徑Do=0.14D，圓柱段直徑Ds=2D，長度Ls=2D，入口當量直徑Di=0.35D，大錐段長度Lg=56.7 mm，小錐段長度=382 mm，尾管段直徑Du=0.5D、長度Lu=20D（可調）。進口管形式為雙切入式等。旋流器物理模型、網格劃分及局部加密如圖1所示。

圖1 旋流器物理模型、網格劃分及局部加密

2 邊界條件設置

入口邊采用速度入口（Velocity-Inlet）。多相流模型采用mixture混合模型最佳，湍流模型采用拋棄渦黏性假設而直接求解雷諾應力的RSM模型[1]。默認溢流口和底流出口均與大氣相通，故作為自由流出邊界條件（Outflow），Flow Rate Weighting則根據溢流比進行相應調整。

表1 各物質的物理性質[2]

3 模擬計算結果

3.1 旋流器內含油濃度分布

油濃度分布如圖2所示，油相介質主要集中在中心附近區域，水相介質主要集中在旋流器器壁附近。混合液經切向入口進入旋流器，經高速旋轉會產生渦流現象。油水密度差產生不同的離心力，油相介質會在徑向方向上沿中心位置移動速度遠高于重相介質的移動速度，因此油相則大量匯集在中心附近區域，水相介質則匯集在壁面附近。由于旋流器特殊的雙錐段結構，使得水相介質邊旋轉邊向下沿器壁流動和流出，而輕相介質則被擠壓逐漸向上流動，兩相之間會在某個界面處形成速度接近于0的零軸向速度包絡面（LZVV）。

圖2 油濃度分布

3.2 不同截面速度分布特性

不同截面處切向速度分布如圖3所示，由于采用雙切式入口方式，Z軸不同截面處的切向速度分布關于周向對稱[3]。從邊壁開始，隨半徑的減小，切向速度先增加、后減小，存在最大切向速度值。最大切向速度隨半徑的進一步減小而減小，直至中心位置處降為最低。而最大切向速度所圍成的區域即為零軸向速度包絡面，將流場分為外流場和內流場。在入口附近的截面Z=0.02 m處，由于在大圓柱段最大，其切向速度也最大，Z=0.05 m在大錐段處，結構呈減縮型，為主要的分離區域，切向速度比截面Z=0.02 m處小，以及截面Z=0.08 m處于小錐段處，其切向速度為三者中最小。說明在軸線方向上，切向速度具有相似性，且依次從大圓柱段、大錐段、小錐段及小圓柱段，切線速度依次遞減。由于溢流管插入深度為9 mm，故在截面Z=0.0045 m處存在兩組切向速度，分別為溢流管內部和溢流管與大圓柱段兩者之間的區域。

圖3 不同截面處切向速度分布

不同截面處軸向速度分布如圖4所示，Z軸不同截面處的軸向速度分布關于周向對稱，旋流器內部流場的軸對稱性較好，紊流現象不明顯。在旋流器內的三維速度場中，流動方向發生明顯改變的是軸向速度，直接影響兩相的分離時間。從圖4中可看出：以軸向速度為零的點將旋流場分為內旋流區和外旋流區，內旋流區軸向速度方向朝上，外旋流區軸向速度方向朝下。在越靠近溢流口出口處的數值越大，說明排出輕相介質的速度越快，在中心位置處取得軸向速度最大值。數值小于零，說明軸向速度方向已從朝上變為朝下，由底流口排出。Z=0.0045 m處的軸向速度最大，原因是該處溢流管口徑小，輕相介質匯集在此位置排出。

圖4 不同截面處軸向速度分布

不同截面處的壓力分布如圖5所示，由旋流器內部壓力分布可知，動壓和靜壓均呈現對稱性分布。動壓和靜壓隨半徑的減小而減小，靜壓在中心位置處達到最小，剛好能解釋輕相介質通過離心力匯聚于中心并通過溢流管自由流出的現象，也能解釋中心位置附近流速相對較緩，動壓能相對較低。

圖5 不同截面處的壓力分布

3.3 操作參數與分離效率的聯系

3.3.1 入口流量的影響

流量與分離效率的關系如圖6所示，對于不同粒徑的油滴，分離效率隨著流量的增加而先增加、后趨于平穩甚至降低。這是因為隨著流量的增加，進入旋流器的混合液切向速度也增加，在一定程度上有利于提高分離效率。超過設計值時，流體湍動能隨流量的增加而增加，切向速度增大，剪切力也增大，導致油滴剪切變形，剪切破碎成小油滴，反導致分離效率降低。旋流器的分離效率還與所分離物質的物理參數有關[4-5]。大粒徑油滴不一定適用于特定的旋流器，在某一流量下，大粒徑油滴所受離心力較大，變形程度大，剪切力作用增大，反而不利于分離效果。

圖6 流量與分離效率的關系

3.3.2 溢流比的影響

溢流比與分離效率的關系如圖7所示，溢流比反映出溢流口與底流口流的平衡關系。隨著溢流比的增加，分離效率逐漸增加，最后趨于穩定。溢流比越大，混合液中的輕相介質從溢流口流出的概率越大，另一方面也有利于減少重相介質的流出，提高混合相的凈化效果。溢流比從0.10增加至0.14時，分離效率由86.58%提高至95.57%，當溢流比增加到0.14以上時，分離效率逐漸減少，故最佳溢流比為0.14。

圖7 溢流比與分離效率的關系

3.3.3 入口流量與壓降的關系

流量與壓降的關系如圖8所示，壓力降反映旋流器流動的內部壓力損耗。壓力能耗主要轉化靜壓能和流體動能。在一定從程度上，溢流口和底流口的壓降均隨著處理流量的增加而增加。流量越大，湍動能耗增加，壓降相應增加。在一定范圍內，溢流口壓降從0.08 MPa 增加到1.61 MPa，而底流口壓降從0.23 MPa 上升至2.57 MPa，底流出口的壓降隨流量的增加變化更為明顯。

圖8 流量與壓降的關系

3.3.4 溢流比與壓降的關系

溢流比與壓降的關系如圖9所示，由圖9可知，溢流口的壓降隨溢流比的增加而增加，底流口的壓降隨溢流比的增加而降低。油水分離旋流器的溢流管小，分流比小，小部分由溢流口排出，大部分液體由底部流出。但溢流比提高時，對溢流口壓降影響較小，對底流口壓降影響較大。溢流比從0.10增加至0.18時，溢流口壓力從0.23 MPa增加至0.34 MPa，底流口壓力從0.37 MPa降低至0.35 MPa。

圖9 溢流比與壓降的關系

3.4 物性參數與分離效率的聯系

3.4.1 含油濃度的影響

含油濃度與分離效率的關系如圖10所示，分離效率隨含油濃度的增加而增加，并逐漸區域平穩趨勢。含油濃度從5%到10%時，分離效果明顯，分離效率從75.68%到96.57%；含油濃度從10%到15%時，分離提升緩慢，僅從96.57%提升至96.85%。

圖10 含油濃度與分離效率的關系

在一定范圍內，混合液中的含油濃度越高，通過離心作用匯聚到油芯附近的含油量就越高，分離效率隨之增加；當含油濃度高于某一值時，零包絡面范圍擴大，并逐步擴散至底流口附近，在底流口排出，溢流分離效率將逐漸趨于穩定，嚴重時將導致輕相介質大量從底流管流走，分離效率反而會降低。

3.4.2 油滴粒徑的影響

油滴粒徑與分離效率的關系如圖11所示，流量為3 m3/h時粒徑從0.1 mm增加到1 mm，分離效率從40.08%增加至96.57%；粒徑從1 mm增加到2 mm時，分離效率從96.57%增加至81.16%。流量為4 m3/h時粒徑從0.1 mm增加到1 mm，分離效率從44.06%增加至96.74%；粒徑從1 mm增加到2 mm時，分離效率從96.74%降至84.21%。

圖11 油滴粒徑與分離效率的關系

對比兩組不同流量下的分離效果，當粒徑小于1 mm時，分離效率隨粒徑增大而增大，當高于1 mm時，分離效率呈逐漸下降的趨勢。這是由于在旋流分離過程中，由于粒徑不同而產生不同的離心力，受剪切力的影響而出現變形、破碎及再碰撞聚結，湍動能對大粒徑的剪切破壞效果遠高于對小粒徑油滴的破壞，因此油水分離的現象遠比液固分離更為復雜。

4 結論

通過數值模擬的手段分析旋流器內部流動狀態，得出了以下結論：

1）由旋流器內部壓力分布可知，動壓和靜壓均呈現對稱性分布。動壓和靜壓隨半徑的減少而減小，靜壓在中心位置處達到最小。

2）溢流比越大，混合液中的輕相介質從溢流口流出的概率越大，另一方面也有利于減少重相介質的流出，提高混合相的凈化效果。故最佳溢流比為0.14。

3）在一定從程度上，溢流口和底流口的壓降均隨著處理流量的增加而增加。溢流口壓降從0.08 MPa增加到1.61 MPa，而底流口壓降從0.23 MPa上升至2.57 MPa，底流出口的壓降隨流量的增加變化更為明顯。

4）溢流比從0.10增加至0.18時，溢流口壓力從0.23 MPa增加至0.34 MPa；底流口壓力從0.37 MPa降低至0.35 MPa。溢流比提高時，對溢流口壓降影響較小，對底流口壓降影響較大。

5）分離效率隨含油濃度的增加而增加，并逐漸趨于平穩。含油濃度從5%到10%時，分離效果明顯，分離效率從75.68%到96.57%；含油濃度從10%到15%時，分離效率提升緩慢，僅從96.57%提升至96.85%。

6）流量為3 m3/h時，粒徑從0.1 mm增加到1 mm時，分離效率從40.08%增加至96.57%；粒徑從1 mm增加到2 mm時，分離效率從96.57%增加至81.16%。流量為4 m3/h時，粒徑從0.1 mm增加到1 mm時，分離效率從44.06%增加至96.74%；粒徑從1 mm增加到2 mm時，分離效率從96.74%降至84.21%。當粒徑小于1 mm時，分離效率隨粒徑增大而增大；當高于1 mm時，分離效率呈逐漸下降的趨勢。

7）粒徑不同而產生不同的離心力，受剪切力的影響而出現變形、破碎及再碰撞聚結，湍動能對大粒徑的剪切破壞效果遠高于對小粒徑油滴的破壞。