蔣明虎 ，邢 雷 ，張 勇

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

1 前言

液-液分離用水力旋流器其工作原理是利用互不相溶的2種液相介質(zhì)之間的密度差實(shí)現(xiàn)離心分離［1，2］。水力旋流器是靜態(tài)分離設(shè)備，其主要是依靠混合液在一定壓力的作用下進(jìn)入旋流入口，在入口壓力的作用下，以一定的速度進(jìn)入旋流腔內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流，然后在旋流腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離［3，4］。因此，入口結(jié)構(gòu)形式成為影響旋流分離效率的重要因素之一，入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理將直接影響旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)分布及分離性能［5］。目前很多學(xué)者關(guān)于旋流入口結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)做了大量工作，如蔣明虎等對(duì)多種不同入口結(jié)構(gòu)對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)探索了入口傾角對(duì)旋流器分離性能的影響，并得出了最佳入口傾斜角度［6，7］。馬藝等對(duì)比了新型軸流式入口及傳統(tǒng)切向入口對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的影響［8］。到目前為止，關(guān)于旋流入口的研究多數(shù)均為在既定結(jié)構(gòu)的前提下分析其對(duì)旋流場(chǎng)的影響，探索其與旋流分離性能之間的關(guān)系［9］。本文采用DPM模型，基于旋流場(chǎng)內(nèi)離散相油滴運(yùn)移軌跡，從分離機(jī)理上對(duì)旋流入口進(jìn)行分離區(qū)域劃分，最終確定新型入口結(jié)構(gòu)，完成了基于旋流器內(nèi)部離散相運(yùn)移軌跡等分離機(jī)理的旋流入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其適用性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 物理模型及入口結(jié)構(gòu)

本文以常規(guī)雙錐型液-液分離用水力旋流器為流場(chǎng)分析載體［10］，同時(shí)選取雙切向等截面入口結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，開(kāi)展基于離散相運(yùn)移軌跡的新型旋流入口研究。主要目標(biāo)入口結(jié)構(gòu)形式及目標(biāo)旋流器流體域模型如圖1所示。

圖1 載體旋流器三維流體域示意

3 流體域的網(wǎng)格劃分

本文采用FLUENT前置軟件Gambit對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格相對(duì)于非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，具有計(jì)算速度快、精度高、收斂性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以本文選用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)目標(biāo)旋流器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2為目標(biāo)結(jié)構(gòu)水力旋流器網(wǎng)格質(zhì)量三維展示。Gambit統(tǒng)計(jì)出本結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總數(shù)為251886個(gè)，有效率達(dá)100%。

圖2 雙錐旋流器網(wǎng)格劃分情況

4 基于離散相油滴運(yùn)移軌跡的入口區(qū)域劃分

本文在FLUENT數(shù)值模擬時(shí)運(yùn)用DPM模型，向旋流場(chǎng)內(nèi)入射離散相油滴。按圖3所示入口位置作為油滴入射點(diǎn)。分別入射10個(gè)、100個(gè)和500個(gè)油滴粒子，觀察不同入射位置處入射不同數(shù)量粒子的運(yùn)移軌跡情況，同時(shí)分析相應(yīng)的粒級(jí)效率。以此來(lái)研究離散相油滴由不同入射位置進(jìn)入旋流場(chǎng)時(shí)對(duì)旋流器分離性能的影響。

圖3 油滴入射位置點(diǎn)

如圖3所示，選取a～g為油滴入射位置點(diǎn)，以此保證入口截面處大部分區(qū)域內(nèi)都有被分析的特征點(diǎn)。同時(shí)，為了可以直接分辨出離散相油滴是從溢流口排出還是底流口排出，本文定義溢流口邊界類型為捕捉（trap），底流口邊界類型為逃逸（escape）。

本文以中心點(diǎn)g為例，展示離散相由該點(diǎn)入射時(shí)的運(yùn)移軌跡情況。當(dāng)不同數(shù)量的油滴由入口截面中心g點(diǎn)入射進(jìn)入旋流器時(shí)，其運(yùn)移軌跡情況如圖4所示，其中軌跡顏色表示油滴在旋流器內(nèi)經(jīng)過(guò)不同位置時(shí)的不同停留時(shí)間。當(dāng)入射油滴數(shù)為10時(shí)，其溢流捕捉到的油滴數(shù)為7；當(dāng)入射油滴數(shù)為100時(shí)，溢流捕捉到的油滴數(shù)為73；當(dāng)入射油滴數(shù)為500時(shí)，捕捉油滴數(shù)為322。

圖4 不同數(shù)量的油滴由g點(diǎn)入射時(shí)的運(yùn)移軌跡情況

按照同樣的方式分別將不同數(shù)量的油滴粒子由圖3中a～f點(diǎn)入射情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并選取入射粒子數(shù)為500為例將其軌跡運(yùn)移情況進(jìn)行對(duì)比。得出如圖5所示500油滴粒子由入口處不同入射位置點(diǎn)進(jìn)入旋流器后的運(yùn)移軌跡情況。

圖5 離散相油滴由a～f點(diǎn)入射時(shí)的運(yùn)移軌跡情況

圖5中a，b，c 3個(gè)入射點(diǎn)的共同特點(diǎn)是均靠近入口右側(cè)邊壁，即遠(yuǎn)離旋流器軸心位置，具有相同的徑向距離，但因軸向位置不同，導(dǎo)致其油滴進(jìn)入旋流器后具有不同的運(yùn)移軌跡。由入射點(diǎn)d，e，f位置處進(jìn)入旋流器內(nèi)部的油滴粒子，雖然這3個(gè)入射點(diǎn)具有不同的軸向距離，但其具有較為相近的粒級(jí)效率，說(shuō)明粒子入射時(shí)的軸向位置并不是決定粒級(jí)效率的唯一決定性因素。

數(shù)值模擬過(guò)程中打開(kāi)隨機(jī)軌道模型，即任由離散相油滴在旋流場(chǎng)內(nèi)隨流場(chǎng)隨機(jī)運(yùn)移，觀察分析油滴運(yùn)移軌跡的規(guī)律性。針對(duì)以上7個(gè)入射點(diǎn)，得出在相應(yīng)入射點(diǎn)下，對(duì)應(yīng)油滴入射數(shù)量時(shí)目標(biāo)結(jié)構(gòu)旋流器的粒級(jí)效率概率值。因隨機(jī)模型具有不確定性，為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文取入射油滴數(shù)為500時(shí)，將其逃逸及捕捉油滴數(shù)為主要依據(jù)，其他入射粒子數(shù)為參考，得出如表2所示離散相油滴由不同入射位置處進(jìn)入旋流場(chǎng)時(shí)，目標(biāo)旋流器粒級(jí)效率的概率值情況。

表1 不同入射位置旋流器粒級(jí)效率概率值統(tǒng)計(jì)表

分析從7個(gè)入射位置進(jìn)入旋流器內(nèi)的油滴運(yùn)移軌跡情況，可以明顯地看到，由b，c位置入射的油滴，多數(shù)都從底流口逃逸，而徑向更接近旋流器軸心位置的入射點(diǎn)具有較高的粒級(jí)效率，但通過(guò)a點(diǎn)與d，e點(diǎn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然d點(diǎn)與e點(diǎn)徑向上距軸心較近，但其粒級(jí)效率并沒(méi)有明顯的高于a點(diǎn)入射的油滴粒子。通過(guò)對(duì)以上情況分析，本文認(rèn)為影響油滴運(yùn)移軌跡的入口位置，應(yīng)呈區(qū)域分布，而并非是單獨(dú)的某個(gè)位置點(diǎn)。為了進(jìn)一步證實(shí)這一結(jié)論，本文通過(guò)對(duì)入口處不同坐標(biāo)位置高密度選取入射點(diǎn)，并對(duì)其運(yùn)移軌跡進(jìn)行分析，得出如圖6所示的臨界區(qū)域分界線。

圖6 入口臨界區(qū)域分界線

如圖6所示，從入口Y值最大X值最小處，依次沿X軸正方向及Y軸負(fù)方向每隔0.05mm選取一個(gè)入射點(diǎn)，觀察油滴由該點(diǎn)進(jìn)入旋流器內(nèi)部的運(yùn)移軌跡，得出上圖短路流分界線。即在該曲線上方位置入射時(shí)，發(fā)生短路流的機(jī)率較高，在該曲線下方位置入射時(shí)，基本不會(huì)發(fā)生短路流。

按照上述同樣的方法，得出圖7所示分界線，模擬得出，在分界線右側(cè)條形區(qū)域進(jìn)入旋流器內(nèi)的油滴，其運(yùn)移軌跡多數(shù)都在外旋流的作用下，直接流向底流。

圖7 入口臨界區(qū)域分界線

整合上述2條分區(qū)邊界線，得出如圖8所示劃分區(qū)域，其中由區(qū)域Ⅰ部分入射的油滴粒子，其發(fā)生短路流的可能性最大。模擬結(jié)果顯示,短路流的發(fā)生，基本上都是由該區(qū)域進(jìn)入旋流場(chǎng)內(nèi)而產(chǎn)生的。而由區(qū)域Ⅱ入射進(jìn)入旋流場(chǎng)的油滴粒子，更容易穿透零軸向速度包絡(luò)面，由溢流口流出的機(jī)率較大。由區(qū)域Ⅲ處入射的油滴粒子，隨外旋流由底流口流出的機(jī)率較大。

圖8 旋流器入口分區(qū)示意

圖8所示由區(qū)域Ⅰ入射進(jìn)入旋流場(chǎng)的油滴顆粒，很容易由溢流流出實(shí)現(xiàn)分離，但由于該區(qū)域距離旋流器上端蓋最近，因此極易被蓋下流帶走，未達(dá)到分離區(qū)便進(jìn)入溢流管排出。由區(qū)域Ⅱ進(jìn)入旋流器的油滴，因其距旋流器軸心位置較近，且距上端蓋有一定距離，同時(shí)該區(qū)域與內(nèi)旋流的徑向距離最小，所以進(jìn)入流場(chǎng)后很容易先隨外旋流運(yùn)移，到達(dá)分離區(qū)后進(jìn)入內(nèi)旋流最終由溢流口排出完成分離。區(qū)域Ⅲ入射的粒子，首先因其距內(nèi)旋流徑向距離較大，且其靠近入口最下側(cè)，即在軸向上距底流方向最近，進(jìn)入旋流器后被分離的機(jī)會(huì)與時(shí)間較少，所以極易隨外旋流直接由底流排出。

通過(guò)上述針對(duì)入口處不同區(qū)域入射粒子的運(yùn)移軌跡的分析可以得出，當(dāng)油水混合液在進(jìn)入旋流器入口時(shí)，如果能將油相盡可能多地聚集在區(qū)域Ⅱ處，減少由區(qū)域Ⅲ處入射時(shí)產(chǎn)生的底流逃逸，有利于油滴經(jīng)旋流分離由溢流口排出?？赏ㄟ^(guò)將區(qū)域Ⅲ進(jìn)行封堵，以此來(lái)減少離散相油滴由底流口流出的可能，從而提高目標(biāo)旋流器的分離效率?；谏鲜鼋Y(jié)論，本文設(shè)計(jì)了一種新型旋流入口，其具體結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖9 新型旋流入口結(jié)構(gòu)示意

5 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所述新型旋流入口結(jié)構(gòu)的適用性及其對(duì)旋流器分離性能的影響。針對(duì)該新結(jié)構(gòu)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)研究。

本次室內(nèi)試驗(yàn)工藝流程如圖10所示。油相通過(guò)柱塞計(jì)量泵進(jìn)入到靜態(tài)混合器與螺桿泵供應(yīng)的水相混合，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)螺桿泵的工作頻率，調(diào)節(jié)所需的注水量，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)柱塞泵流量控制手柄調(diào)整注油量。通過(guò)含油分析儀，對(duì)所接樣品含油濃度進(jìn)行測(cè)量。

圖10 室內(nèi)試驗(yàn)工藝流程

5.1 操作參數(shù)

本次試驗(yàn)針對(duì)不同的入口結(jié)構(gòu)采用相同的操作參數(shù)，保證入口結(jié)構(gòu)為單一變量。試驗(yàn)中油相體積分?jǐn)?shù)為2%，入口流量為4 m3/h，溢流分流比為20%。在該操作參數(shù)下待流場(chǎng)穩(wěn)定后對(duì)入口、溢流及底流進(jìn)行接樣，并通過(guò)含油分析儀對(duì)含油量進(jìn)行測(cè)量分析。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)所接樣品進(jìn)行含油濃度測(cè)量，得出不同入口結(jié)構(gòu)下旋流器樣機(jī)入口、溢流及底流處含油濃度分布情況。同時(shí)根據(jù)下式對(duì)分離效率進(jìn)行評(píng)價(jià)［1］：

式中 E——旋流器分離效率

F——溢流分流比

cd——底流口含油濃度，%ci——入口含油濃度，%整合含油分析測(cè)量結(jié)果，將2種不同入口結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的3組樣品分離效率進(jìn)行對(duì)比，得出如表2所示分離效率對(duì)比表。

表2 不同入口結(jié)構(gòu)下旋流器分離效率對(duì)比表

由表2可以看出，在其它條件相同的情況下，應(yīng)用原始結(jié)構(gòu)入口盤(pán)時(shí)旋流器平均分離效率為77.1%，應(yīng)用新結(jié)構(gòu)入口盤(pán)時(shí)旋流器平均分離效率為80.1%，明顯高于原始入口盤(pán)結(jié)構(gòu)下旋流器的分離效率。證明本文所設(shè)計(jì)的新入口結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)旋流器入口區(qū)域的分區(qū)，改變了離散相油滴的入射位置，進(jìn)一步改變油滴粒子群在旋流器內(nèi)的運(yùn)移軌跡，降低由底流口逃逸的油滴粒子數(shù)量，提高了旋流器分離效率。

6 結(jié)語(yǔ)

本文得出了油滴由常規(guī)雙切向入口截面不同位置入射形成的不同運(yùn)移軌跡。并探索出離散相入射位置與運(yùn)移軌跡呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當(dāng)油滴由入口上方的區(qū)域Ⅰ進(jìn)入旋流器時(shí)，形成短路流及蓋下流的機(jī)率較高；當(dāng)油滴由入口右下方的區(qū)域Ⅱ進(jìn)入旋流器內(nèi)部時(shí)，更容易穿過(guò)零軸向速度包絡(luò)面，由溢流口排出；當(dāng)油滴由入口右下方的區(qū)域Ⅲ進(jìn)入旋流器內(nèi)部時(shí)，更容易隨外旋流由底流口排出。通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)入口盤(pán)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，得出新入口結(jié)構(gòu)可明顯地提高目標(biāo)旋流器的分離效率。

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