摘要：指出了气携式液液旋流器是港区小型化、船载化洗舱、压仓含油废水预处理的关键设备。采用流固耦合数值模拟方法再现压缩机进气、油水旋流与设备本体的整体气浮―旋流―分离耦合计算模型，对其核心部件微孔旋流套管的构型、孔径、内外压差及腔内流场分布进行了三维数值模拟，得到了微孔旋流腔内汽、水、油三相的流场分布，合理确定了注气腔气―水平衡分压、溢流比和微孔孔径，并模拟了压缩机、潜水泵正常工况下进气、进水、出水、油污溢流的流量、流速波动范围，为该设备的一体化构型设计和加工选材提供了参考数据。 
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　　关键词：旋流器;气浮;溢流;流固耦合;数值模拟 
　　中图分类号：TE357.1 
　　文献标识码：A文章编号：1674-9944（2015）04-0279-05 
　　1引言 
　　 在港区压载、洗舱含油污水处理回收装置中，气携式液液旋流器是工艺流程中预处理工段的核心设备，担负着将油污分层回收的功能。该装置集气浮罐和液液旋流器两种分离设备的优点于一体，其油水分离效率可达90%以上，且占地面积小，同时也是未来港区含油污水处理工艺小型化、船载化发展方向重点研发的装备[1，2]。 
　　 气携式液液旋流器不是将气浮罐和旋流器的构型和功能简单地叠加，而是要从根本上进行全新的构型设计，以实现气、液、油三相间的分离，该设备的详细构型图如图1所示[3]。其中注气腔与旋流器大椎段之间的微孔旋流管（套筒）是该设备最核心的部件，空压机进气通过该部件的微孔进入旋流器锥段，实现气浮功能，同时利用注气腔内一定的正压，确保锥段内油污水正常旋流分离，不流出到注气腔形成倒灌[4，5]。微孔旋流套筒的构型设计和微孔孔径参数，对设备整体分离效率、处理性能有决定性影响，是工程技术人员研发的重点。 
　　 利用数值模拟分析，如CFD软件Fluent建立各介质在分离设备的场中分布和运动轨迹，分析各个构型参数和水利条件对分离效率的影响，优选构形参数，是近年来化工传质分离设备工程设计的一种趋势[6]。CFD模拟离散相在流场中的传质分离计算，工程上一般采用一维计算方法，且采用经验公式给定诸多参数[7]。油水两相旋流分离的数值模拟，流涉、水油两相相互作用、油滴间相互作用及油滴流动的随机性等的行为，多采用欧拉―拉格朗日方法，该方法在Fluent中表现为对旋流器内的离散相进行模拟[8]。气携式液液旋流器由于其引入了气浮相，旋流器内流场结构呈现三维不对称性，由于气体上升流动较为复杂，还伴有气泡破裂吸纳油滴的过程，所以采用传统的计算方法无法准确预测上述复杂过程。近年来，随着计算流体力学和数值传质分离学的发展，将二者结合起来进行一体化求解的耦合计算方法为多相间的传质分离问题的解决开辟了新的方向，并且已经得到了良好的应用[9]。 
　　 本文拟将这种方法应用到气携式液液分离器微孔旋流套筒内的多离散相分析中，对整个套筒构型进行模拟研究，其中考虑了固体壁面作用，以及流场内部和油水传质过程。由于油滴粒径较小、浓度低，水相流场与油滴运动是相互影响的，因此在计算中只需给定整个计算域外边界的边界条件。同时对油滴采用相间耦合随机轨道模式进行预测，考虑油滴运动与水体湍流的相互作用，利用油滴的运动轨迹来计算整体分离效率[10]。该类方法基于传统经验公式，且各相间计算不再孤立进行，流场与固壁的模拟整合为耦合求解，能更精确地反映流场特性，是目前最流行的模拟方法。 
　　2研究设备参数和模型描述 
　　2.1工艺流程描述 
　　 本实验所采用的轻质分散相液液分离的气携式液液水力旋流器，它将旋流与气浮原理结合起来，克服了常规旋流器液滴易破碎和小油滴去除效果差的缺点。它的构型主要包括一个小锥段、一个带有微孔的旋流套筒和注气腔，并通过旋流腔入口垫板和旋流腔上盖板将三者联合形成密闭空间。通过螺栓、法兰以及密封垫片构建的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个腔体室，原水腔、注气腔之间开有2个平行的切向入口，油污水从此进入设备。油污水在旋流管内形成高速旋转的涡流，油水之间密度有差从而在离心力作用下，密度较小的油滴分散相向内运动，形成泊核，并最终螺旋向上通过溢流出水管排出。而水体密度较大且是连续相，逐渐在外侧向下运动，由底流出水管排出。同时空压机将压缩气体注入注气室，并经过旋流管壁上的微孔进入旋流管内形成微气泡，它们可以携带细小油滴发生气浮作用，有效去除油滴，提高分离效率。 
　　2.2旋流器构形参数 
　　 实验所用的旋流器，微孔旋流管（即核心部件，图1中部件20）由具有特殊微孔结构的微孔管加工而成，微孔管是标准型号制品，由聚乙烯粉末烧结加工而成。微孔管在注气后可产生大量均匀细小的气泡，从而起到气浮效果。按工程经验，实验设备采用的微孔直径范围在5～10μm之间，大锥角α为20°，小锥段锥角θ为1.5°时，油水分离效果最佳[11]。 
　　2.3模型和边界条件 
　　 由于旋流器结构复杂，某些局部细节在不影响计算结果的前提下为计算方便需进行适当简化，如法兰端面密封圈突出部;旋流器流场网格布设模型尽量简化，分为大锥段、小锥段、注气腔、溢流口、出水口等多个圆柱（圆锥）体;为了保证网格生成的质量，在保证流量相等的前提下压缩空气入口由圆型改为方形便于计算。对流动变化大的局部区域进行适当加密，以保证计算精度。分别对流体区，不同介质所对应的固体区生成各自的体网格，整个网格以六面体网格为主。网格数量约为100万个。划分后的网格如图2所示。 
　　图2流场网格外观和截面 
　　 计算中认为流体在旋流器中的流动是三维不可压的粘性湍流流动，湍流模型选用标准模型。求解方法为“Simple-C”方法，计算采用CFD常用Fluent计算软件完成。计算中主要考虑了液液传质分离和气液分压平衡两种物理分离形式，并耦合嵌入“ω-β”模型，以体现气泡将油滴颗粒化并上升带走这一过程。“ω-β”湍流模型是CFD软件中一种标准模型，它比标准模型修正了湍动黏度，考虑了平均流动中的旋转及旋转流动，很适合处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。它的边界条件设定如下。 　　 进口边界：采用速度入口，根据已知流量以及入口直径，直接得到气相入口速度，其余相应的湍流参数一并计算得出。根据油滴循环量确定固相油滴浓度，其入口速度具体操作参数为：两侧入口流速为5m/s，轴向入口流速为2.5m/s。 
　　 出口边界：出口按照湍流流动充分发展处理，采用自由出流“outflow”。 
　　 固壁边界：壁面为无滑移边界条件，选定默认壁面粗糙度，其值为0.5。采用标准壁面函数法处理边界湍流。设定旋流器最外层壁面为绝热壁。水―油、气―水两个接触壁面，均勾选“Coupled”耦合壁面边界条件。设计水温为15℃，气体温度为25℃，压力1.0MPa.G，水力停留时间为可调参数，将外边界设置为等温壁。为节省计算时间，可以先求解流动初场，此时的水―油壁面设置为绝热壁。当计算达到初步收敛时，加入气―水耦合壁面，最终达到收敛。这样做的好处是在计算网格量很大的情况下，能够提高计算效率。如果开始就加入气―水耦合求解，需要更加长的时间才能达到收敛，计算效率会明显降低。 
　　3模型计算结果分析 
　　3.1结算结果分析 
　　 图3给出了数值计算迭代的步数与残差的关系和旋流器内流体迹线图。在设定各个相关参数，残差数量级为10-3时，程序计算到500步，质量流率的监控曲线已趋近平衡，说明收敛。一般而言各个参量的残差随着迭代步数的增加逐渐减小，且变化曲线光滑，即可认为模型的选择和初始操作参数设置合理。迭代收敛的步数还与残差等级精度有关，但主要的评判标准是看进出口液体质量流率是否趋于稳定。 
　　 模型中液体在旋流器内是以螺旋流形式运动，且从固壁向中心形成两种运动方向相反的螺旋线。外部液体向下流向底流口形成外旋流，内部液体向上流向溢流口形成内旋流，实现旋流分离。油相液滴与连续相液体介质在给定速度时由环向入口匀速进入旋流器，油水两相的密度差，决定了在离心力作用下较轻的油相向旋流器中心移动，在轴线附近形成分散相的核心，并向上从溢流口排出。 
　　3.2油相浓度分布 
　　 图4为水力旋流器内部沿轴向纵断面的油滴等浓度分布图（以分流比F=10%为例），在已有模型下进行预测处理，当油水混合液由入口进入旋流器后可以在其内部实现分离。初始阶段在器壁附近油相浓度几乎为零，随着向中心移动油相浓度逐渐增高，在溢流口附近和大小锥段中心处油相浓度最大。在底流出口处，油相体积浓度减至0.1%～0.3%左右，分离率85%。此外锥段下部靠近底流口处的迹线形状基本呈直线流束，可说明底流口附近区域基本无螺旋流存在，也说明底流口处没有分离作用。将分流比操作参数加大，底流口附近的直线流束起始点随之逐渐远离底流口，因此表明旋流器的油水分离主要是在旋流腔、大锥段和小锥段实现，这符合旋流分离理论分析。当流体进入大锥段加速后，由于流速急剧增大，使流体形成高速旋转的螺旋流并产生较高的离心力，分散油相在离心力的作用下分离出来聚集到中心处，形成油芯并反向流向溢流低压区，进而从溢流口排出。 
　　 此外在分流比为F=6%、F=10%、F=15%条件下，旋流器纵断面油相浓度分布得出的分流比，它对分离效率的影响很大。当F=10%时，分离效果最好，底流含油体积分数可降至0.5%以下，分离效率在85%以上，实际工业用旋流器分流比也大致在10%～12%这一区间，也侧面证实了这一观点。F=6%时，分离效果不错，但由于分流比过小，油滴大部分都从底流流出，使底流含油浓度加大。F=15%时，分离效果不好，由于加大了分流比，旋流器内部的流场发生了变化，此时流体的迹线在接近小锥段尾部时几乎不再成螺旋形，故而效果较差。 
　　4速度场分布特性 
　　4.1切向速度流场分布 
　　 在速度场方面，对于切向速度、轴向速度和径向速度三个速度分量，切向速度是它们最重要的单独分量，它表明油滴受离心力大小，且它的实际测量参数在三个分量中最大。因为它容易测定，经多长期研究，多数学者认为切向速度场可以分为内部的准强制涡和外部的准自由涡。本次模拟实验中就是要将旋流器内的双涡结构表现出来，即中心处的强制涡和外部的自由涡。 
　　 图5中切向速度在径向方向上先增大后减小，然后速度反向增大又减至零。同时壁面处速度不为零，这与假定的边界与固壁条件相符。分析大锥段A（Z=0.01m）和小锥段B（Z=0.04m）处截面的切向速度矢量图，看出各个截面的切向速度分布大体相似，随着流体向下流动切向速度的数值不断衰减，沿径向的读数也有相同规律，都可表明中心处的强制涡和外部自由涡的存在，以及反向速度证明了内螺旋流的存在。 
　　4.2轴向速度场 
　　 轴向速度场分两部分，即占主要趋势的走向溢流的内旋流，以及走向底流的外旋流，它内部存在一个零轴向速度包络面。该包络面将流场分成内、外两个旋流区。外旋流区轴向速度指向底流，在旋流器器壁附近轴向速度达到最大值，随着半径减小轴向速度亦减小，这一区域的流体边旋转边向底流流动，最终从底流口排出。图6是x=0面的轴向速度矢量图，图中可以看到内、外两个旋流区，曲线清晰地反映出了油水分离情况。 
　　4.3径向速度场 
　　 在水力旋流器内部速度场中的径向速度是三个速度分量中数量级最小，常见的LDA系统无法实现对径向速度的直接测量，故而它较难测定。径向速度影响被分离介质径向迁移，对旋流器内径向速度分布规律具有重要意义。 
　　 本实验的径向速度结果在图7中表示，可以看出分散相油滴沿径向的滑移速度指向中心，由器壁向中心处逐渐增大，最大滑移速度出现在距离中心1cm左右，此处离心加速度最大。这是由于离心分离过程导致油水两相的径向速度差异。而图中在中心处滑移速度几乎为零，这是因为在中心处油滴集合成油芯，基本上不存在相对滑移速度。 
　　5结论 
　　 从以上的模拟分析我们可以得出这样的认识：原型机对油水两相的分离效果最高可达85%以上，进一步提高其分离效率主要是看微孔注气的气浮作用。如果对原型机进行注气，由于空气密度为油、气、水三相中最小，因此当气体会有相当一部分进入旋流器的核心处，最终由溢流口排出，如果注气量及气泡的粒径大小适当，会更好地携带油滴并加速油滴的运移过程，同时也将更多的油滴带入核心处。但如果注气量过大或气泡粒径过大，它向中心运移的速度会明显加快，其携带油滴的能力也会受到影响，并且许多个这样的气泡会占据旋流器核心的大部分空间，不利于油从溢流口的排出。 
　　 实验证实在设计气携式液液旋流器时，在旋流器入口处注入一定的气体，并将溢流管直径加大;在单体旋流器锥段开注气口，并将溢流管直径加大;旋流腔用微孔材料代替刚性管，并加上钢套使此处形成环形腔，加大溢流管直径三种方式，提升旋流器油水分离效果。同时旋流器的操作参数，分流比在10%～12%区间，将获得较好的油水分离效果，且注气量不宜过大，微孔的孔径也需要较为合适才可以形成较好的气浮分离效果。 
　　参考文献： 
　　[1]陈家庆，蔡小嘞，尚超，等.旋流气浮一体化技术在低含油污水处理中的应用[J].石油机械，2013，41（9）：62～67. 
　　[2]蒋明虎.旋流分离技术研究及其应用[J].东北石油大学学报，2010，34（5）：101～114. 
　　[3]王波，陈家庆，梁存珍，等.含油废水气浮旋流组合处理技术浅析[J].工业水处理，2008，28（4）：87～94. 
　　[4]刘丽军，赵兴龙，王丹.旋流分离技术在炼油污水处理中的应用分析[J].石油化工安全环保技术，2010，26（2）：55～59. 
　　[5]白志山，汪华林，裴世俞，等.用于含油污水处理的气浮旋流耦合技术研究[J].环境污染治理技术与设备，2006，7（8）：86～90. 
　　[6]陈玉明，杨龙兴，陈超峰，等.数值模拟技术在旋流式油烟机优化设计中的应用[J].化工机械，2011，38（5）：600～604. 
　　[7]王振波，马艺，金有海.切流式旋流器内两相流场的模拟[J].中国石油大学学报，2010，34（4）：136～143. 
　　[8]张玉春，王振波，金有海.入口结构对超短接触旋流反应器流场影响的数值模拟[J].中国石油大学学报，2012，36（5）：169～175. 
　　[9]吴小林，申屠进华，姬忠礼.PV型旋风分离器内三维流场的数值模拟[J].石油学报，2003，19（5）：74～81. 
　　[10]王福军.计算流体力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004. 
　　[11]魏培静，闫小妮，田凤仙.基于CFD的旋流器油水分离仿真研究[J].石油矿场机械，2011，40（2）：24～27.