寧春雪

（天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津300384）

1 研究背景

厭氧反應(yīng)器是廢水厭氧生物處理的核心部件，通過反應(yīng)器進(jìn)水與污泥的良好接觸和污泥減排，可以保證反應(yīng)器內(nèi)有足夠的活性厭氧污泥[1]，從而實(shí)現(xiàn)厭氧反應(yīng)器的高效性.目前，污水厭氧處理工藝發(fā)展的速度較快，不斷地涌現(xiàn)出各種不同的工藝處理方法，主要有厭氧接觸法、UASB 和EGSB 工藝、厭氧生物池和厭氧生物轉(zhuǎn)盤等.其中，UASB 結(jié)構(gòu)簡單、造價低、運(yùn)行操作維護(hù)管理簡單靈活，使其有成熟的技術(shù)和較強(qiáng)的適應(yīng)性，在工程中應(yīng)用最廣泛.但是在運(yùn)行過程中UASB會出現(xiàn)短流、泥水混合效果差、污泥流失等現(xiàn)象[2].

國內(nèi)外對于厭氧反應(yīng)器流態(tài)的研究方法，主要是計(jì)算流體力學(xué)模擬和示蹤實(shí)驗(yàn).運(yùn)用軟件模擬反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)的變化情況，是一種高效、經(jīng)濟(jì)、省時的研究方法，可以進(jìn)一步驗(yàn)證各種改造方案的效能.張自學(xué)[3]利用Fluent 模擬軟件對UASB 內(nèi)部氣液兩相流場的二維分布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析出不同的OLR 或不同三相分離器角度對于固液效果的影響；崔瑋琳等[4]通過對三相分離器分離原理、分離器內(nèi)液滴運(yùn)動情況以及影響分離器效率等因素的分析，選擇合適的油氣分離方法，運(yùn)用分析、綜合等方法來創(chuàng)新設(shè)計(jì)捕霧器、油水堰板、集砂斗等部分元件，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后提出了三相分離器的數(shù)值計(jì)算模型；李彤蔚等[5]分析了影響油氣水分離效果的主要受控因素以及存在問題和所進(jìn)行的優(yōu)化措施；孫立強(qiáng)等[6]人總結(jié)了目前油田用三相分離器設(shè)計(jì)和CFD 模擬研究現(xiàn)狀，指出對于不同油氣田的特點(diǎn)的三相分離器設(shè)計(jì)過程中遇到的問題與挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的解決辦法，論證了計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行三相分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性及目前模擬研究存在的問題，展望了未來三相分離器設(shè)計(jì)及CFD 模擬研究中需要加強(qiáng)研究的關(guān)鍵問題.而本文通過模擬分析三相分離器內(nèi)部沉淀區(qū)高度和回流縫寬度的最優(yōu)值，為三相分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

2 控制方程及計(jì)算模型

2.1 湍流模型的選取

本文選取的湍流模型是雙方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，對三相分離器內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬.雙方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的湍流動能方程是根據(jù)精確方程推導(dǎo)出來，而湍流耗散率根據(jù)物理推理、數(shù)學(xué)模擬原形方程得到的.把模型簡化為一個完全的湍流流動，假定流體為不可壓縮的黏性流體，且分子黏性的影響可以忽略[7].

模型的湍流動能方程及湍流耗散率方程如下[8]

式中：ρ 為流體密度；u 為流速；κ 為湍動能；μ 為流體動力黏度；ε 為湍動能耗散；Gκ是由于平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動能；σκ是湍動能對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；σε是湍動耗散率所對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，在FLUENT 軟件中，取默認(rèn)值為σκ=1.0，σε=1.3.

2.2 多相流模型的選取

采用計(jì)算流體力學(xué)模擬時，根據(jù)解算分散相方法的不同，將多相流的模型分為歐拉-拉格朗日多相流模型和歐拉-歐拉多相流模型.前者是一種離散相模型，模型中有一相為非常稀薄的顆粒相，用拉格朗日法對其進(jìn)行求解，則另外一相采用歐拉法求解.這種模型通常適用于大量顆粒分離、煤粉燃燒等情況，不適用于模擬封閉體系中的懸浮顆粒問題，如流化床、混合器、攪拌釜等.歐拉-歐拉模型簡稱為歐拉模型.模型中分別用歐拉法對連續(xù)相和分散相進(jìn)行描述.

本文涉及的多相流采取的是歐拉模型，F(xiàn)LUENT軟件中歐拉模型，包括VOF 模型、Mixture 模型和Euler 模型[9].常見多相流模型的比較見表1.

通過對歐拉模型的三種常用模型比較分析，結(jié)合模擬的對象是氣、液、固三相分離效果，而且每一相在反應(yīng)器內(nèi)分布廣泛，故選取的多相流模型為Mixture模型，可以減少計(jì)算量，提高計(jì)算速率.Mixture 模型允許各相間穿插，把三相流體看成一個可以互相穿插的連續(xù)性介質(zhì)，在同一模型內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)可以為0 到1 之間，所有相的體積分?jǐn)?shù)的總和是1.

3 幾何模型的建立

3.1 模型結(jié)構(gòu)的建立

本文選用天津某養(yǎng)殖場現(xiàn)有的UASB 反應(yīng)器作為研究對象.UASB 反應(yīng)器的尺寸如圖1 所示.

圖1 UASB 反應(yīng)器的尺寸（單位：m）

本文研究三相分離器尺寸變化對氣體分離效果的影響，不考慮反應(yīng)區(qū).由于二維模型截面上流量與實(shí)際情況一致，因此將所建模型簡化為二維問題，即研究垂直截面上三相分離器內(nèi)的流動現(xiàn)象，提高計(jì)算效率.

由于模型具有對稱性，實(shí)際建模時可以只建立一半，把中心垂線設(shè)置成對稱邊界[10].合適的下集氣室傾斜角度能使污泥不易積聚，盡快落入反應(yīng)區(qū)內(nèi).本文取下集氣室傾斜角度θ=55°[11]；AB 為回流縫寬度，H2為沉淀的高度.三相分離器模型尺寸如圖2 所示.

圖2 三相分離器模型尺寸（單位：m）

3.2 網(wǎng)格劃分

本文利用FIUENT 的前處理軟件GAMBIT 進(jìn)行模型的建立，幾何建模時避免出現(xiàn)重合的線或者面，模型采用點(diǎn)、線、面的過程進(jìn)行建立.選擇非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對模型區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為Quad Pave，網(wǎng)格尺寸為0.03 m.

3.3 邊界條件的確定

本文設(shè)定三相分離器的入口為VELOCITYINLET類型，進(jìn)口處有三種流動的材料，其中液相為廢水，物理屬性密度為1 010 kg/m3，黏度為0.002 Pas；氣相為常溫下甲烷，物理屬性密度為0.666 9 kg/m3，黏度為1.1e～05 Pas；固相為污泥顆粒，物理屬性密度為1 500 kg/m3，黏度為1.78e～05 Pas，粒徑為0.002 m.進(jìn)口處湍流參數(shù)為湍流強(qiáng)度I 為5%，水力直徑D 為4.8 m.定義液相進(jìn)口速度為0.000 7 m/s，氣相進(jìn)口速度為0.000 3 m/s，體積分?jǐn)?shù)為0.4，固相進(jìn)口速度為0.01 m/s，體積分?jǐn)?shù)是0.1.本文為多相流模擬，出口為外界大氣壓，故選用標(biāo)準(zhǔn)壓力出口PRESSUREOUT，出口處的湍流參數(shù)設(shè)置湍流強(qiáng)度為1%，水力直徑D 為4.8 m.模型是中心對稱圖形，中心處為對稱邊界條件.

本文是在非穩(wěn)態(tài)模擬情況下，進(jìn)行多相流模擬，因此把密度較小的氣相的密度值設(shè)置為參考密度，氣相的密度為0.666 9 kg/m3，這樣可以減少計(jì)算相間動量平衡時的數(shù)值截?cái)嗾`差.對進(jìn)口速度進(jìn)行初始化，選擇模擬的差分格式收斂標(biāo)準(zhǔn)為1e～04.

4 三相分離器沉淀區(qū)高度及回流縫寬度優(yōu)化

4.1 模型的結(jié)構(gòu)尺寸

UASB 三相分離器模型的結(jié)構(gòu)示意見圖2，三相分離器模型尺寸參數(shù)如表2 所示.

表2 UASB 的三相分離器尺寸

4.2 不同沉淀區(qū)高度下的三相流非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析

在非穩(wěn)態(tài)的情況下，采用多相流Mixture 模型對UASB 的三相分離器進(jìn)行模擬.本節(jié)在保持其它尺寸不變的情況下，只針對三相分離器的沉淀區(qū)高度尺寸進(jìn)行模擬優(yōu)化.采用控制變化量法，設(shè)置回流縫寬度為AB=0.4 m（反應(yīng)器實(shí)際尺寸），分別取沉淀區(qū)高度為0.55，0.65，0.75，0.85 m.根據(jù)多相流非穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果，從氣體甲烷體積分?jǐn)?shù)隨著時間推移的變化情況來研究氣體分離效果.

當(dāng)時間為1 500 s 時，不同沉淀高度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖3 所示.從圖中可以看出，在懸浮區(qū)，隨著水流和固相顆粒向上運(yùn)動，氣體逐漸被排出并進(jìn)入集氣室.在三相分離區(qū)，沉淀區(qū)高度為0.55 m 時，如圖3a 所示，各氣室均有氣體流入，左側(cè)集氣室流入的氣體比右側(cè)集氣室流入的氣體多一些，有少量的氣體流出反應(yīng)器.沉淀區(qū)高度為0.65 m 時，如圖3b 所示，上集氣室右側(cè)幾乎沒有氣體流入，其它的集氣室內(nèi)均有氣體流入.沉淀區(qū)高度為0.75 m 時，如圖3c 所示，上下集氣室充滿的氣體最多，各氣室內(nèi)均有氣體流入，下集氣室左側(cè)氣體較少些.沉淀區(qū)高度為0.85 m時，如圖3d 所示，上集氣室左側(cè)幾乎沒有氣體流入，其它的集氣室內(nèi)均有氣體流入.在沉淀區(qū)，都有少量的氣體流入，而沉淀區(qū)高度為0.55 m 時，流入的氣體較多些.

圖3 1 500 s 時不同沉淀區(qū)高度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

當(dāng)時間為3 600 s 時，不同沉淀高度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖4 所示，從圖中可以看出，隨著時間的推移，氣體被逐漸排出，各集氣室的氣體也在不斷地增加.在三相分離區(qū)，沉淀區(qū)的高度為0.55 m 時，如圖4a 所示，各集氣室均有氣體流入，只有少量的氣體沿著回流縫進(jìn)入沉淀區(qū).沉淀區(qū)的高度為0.65 m 時，如圖4b 所示，上集氣室右側(cè)幾乎沒有氣體流入，而其它集氣室內(nèi)的氣體不斷地增加.沉淀區(qū)高度為0.75 m時，如圖4c 所示，上下集氣室充滿的氣體最多，上集氣室?guī)缀醣粴怏w占滿，有部分氣體流入沉淀區(qū)，沿著沉淀區(qū)左側(cè)流出反應(yīng)器.沉淀區(qū)高度為0.85 m 時，如圖4d 所示，上集氣室開始有氣體流入，左側(cè)流入的氣體比右側(cè)流入的氣體少一些，其它集氣室內(nèi)的氣體也在不斷地增加.

圖4 3 600 s 時不同沉淀區(qū)高度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

當(dāng)時間為7 200 s 時，不同沉淀高度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖5 所示.從圖中可以看出，隨著時間的推移，集氣室的氣體在不斷地增加，沉淀區(qū)均有少量的氣體流入.沉淀區(qū)高度為0.55 m，如圖5a 所示，在集氣室的右側(cè)上方有少量的氣體進(jìn)入沉淀區(qū).沉淀區(qū)高度為0.65 m，如圖5b 所示，上集氣室左側(cè)已經(jīng)被氣體占滿，有少量的氣體進(jìn)入沉淀區(qū)，并隨著液體流出反應(yīng)器，右側(cè)集氣室還有一小部分沒有被占滿.沉淀區(qū)高度為0.75 m，如圖5c 所示，上下集氣室被氣體幾乎占滿，沉淀區(qū)兩側(cè)有氣體沿著回流縫流入沉淀區(qū)形成回流.沉淀區(qū)高度為0.85 m，如圖5d 所示，上集氣室右側(cè)被氣體占滿，有氣體流入沉淀區(qū)形成回流，有少量的氣體隨著液體流出反應(yīng)器，造成氣體的流失.

圖5 7 200 s 時不同沉淀區(qū)高度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

通過對三相分離器沉淀區(qū)高度進(jìn)行多相流非穩(wěn)態(tài)的模擬，研究結(jié)果表明，從氣體分離的情況來看，沉淀區(qū)高度的變化會引起UASB 反應(yīng)器內(nèi)部流場的變化，從而使氣體在三相分離器內(nèi)的分離效果不同.沉淀區(qū)高度過高，氣體就會集于懸浮區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)入上集氣室的氣體較少；沉淀區(qū)高度過低，流入沉淀區(qū)的氣體隨著液體流出，容易造成氣體的流失.沉淀區(qū)高度為0.75 m，上下集氣室最先被氣體充滿.當(dāng)時間為3 600 s 時，其它高度的情況下上集氣室的氣體充滿大約四分之三的氣室.而沉淀區(qū)的高度為0.65 m 時，上集氣室右側(cè)幾乎還沒有氣體流入.本文選擇沉淀區(qū)高度為0.75 m 時，三相分離器的氣體分離效果最好.

4.3 不同回流縫寬度下的三相流非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析

以上文模擬計(jì)算出的沉淀區(qū)高度最優(yōu)值H2=0.75 m 為前提，分別取回流縫寬度AB 為0.2，0.3，0.4，0.5 m，對這四種不同回流縫寬度的三相分離器進(jìn)行多相流非穩(wěn)態(tài)的模擬.分析隨著時間的增加，三相分離器內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)的變化情況，分別選取時間為1 500，3 600，7 200 s 時氣體體積分?jǐn)?shù)云圖進(jìn)行分析.

當(dāng)時間為1 500 s 時，不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖6 所示.從圖中可以看出，隨著廢水和固相顆粒的向上運(yùn)動，反應(yīng)器懸浮區(qū)的氣體逐漸被排出，不同工況下，集氣室均有氣體流入.回流縫寬度為0.4 m 時，如圖6c 所示，懸浮區(qū)內(nèi)的氣體最少.回流縫寬度為0.5 m 時，如圖6d 所示，集氣室內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)最小.回流縫寬度為0.3，0.4，0.5 m 時，上集氣室右側(cè)氣體比左側(cè)多，且回流縫寬度為0.4 m 時，各集氣室充滿的氣體最為均勻，回流縫寬度為0.5 m 有氣體流入沉淀區(qū).

圖6 1 500 s 時不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

當(dāng)時間為3 600 s 時，不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖7 所示，從圖中可以看出，隨著回流縫寬度的增加，在三相分離器中心區(qū)域內(nèi)存在的氣體逐漸減少.回流縫0.4 m 時，如圖7c 所示，集氣室充滿的氣體較大，但是流入沉淀區(qū)的氣體較多些，會造成少量氣體的流失.回流縫寬度為0.5 m 時，如圖7d 所示，懸浮區(qū)存在的氣體較多，上集氣室左側(cè)還有大部分的體積沒有被氣體充滿，整體氣室的氣體體積分?jǐn)?shù)較少.

當(dāng)時間為7 200 s 時，不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖8 所示，從圖中可以看出，當(dāng)回流縫寬度為0.2 m 時，如圖8a 所示，三相分離器的上集氣室?guī)缀醣粴怏w全部占滿，下集氣室中間氣室還有部分氣室未充滿，有氣體沿著上集氣室頂部進(jìn)入沉淀區(qū).回流縫寬度為0.3 m 時，如圖8b 所示，流入沉淀區(qū)的氣體最少，氣體整體分離效果比較好.回流縫寬度為0.4 m 時，如圖8c 所示，三相分離器的上下集氣室?guī)缀跞怀錆M氣體，但沉淀區(qū)兩側(cè)有氣體回流.回流縫寬度為0.5 m 時，如圖8d 所示，三相分離器的上下集氣室還有部分未充滿，有氣體進(jìn)入沉淀區(qū)，流出反應(yīng)器.

圖7 3 600 s 時不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

圖8 7 200 s 時不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

通過對三相分離器回流縫寬度進(jìn)行多相流非穩(wěn)態(tài)的模擬，研究結(jié)果表明，從氣體分離的情況看，回流縫的寬度變化會引起UASB 反應(yīng)器內(nèi)部的流場的變化，進(jìn)而導(dǎo)致氣體在三相分離器內(nèi)的分離效果不同.回流縫寬度過寬，氣體會隨著液相與固相進(jìn)入沉淀區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)入上集氣室的氣體較少.時間為7 200 s時，回流縫寬度為0.5 m，上集氣室還有部分體積未充滿氣體.回流縫寬度過窄，集氣室氣體收集較快，但也會導(dǎo)致固、液兩相不能很好地進(jìn)入沉淀區(qū)，在懸浮區(qū)的氣體增加，導(dǎo)致三相不能很好地分離.本文選擇的回流縫寬度為0.3 m 時，三相分離器氣體的分離效果最好.

5 結(jié) 論

UASB 反應(yīng)器是一種高效的厭氧生物處理的設(shè)備，在世界各地的應(yīng)用也越來越廣泛，本文在流體為三相流情況下，運(yùn)用k-ε 湍流模型、多流Mixture 模型，研究尺寸差異對UASB反應(yīng)器三相分離器內(nèi)部流場的影響；觀察氣相的體積分?jǐn)?shù)隨著時間推移的變化情況；分析沉淀區(qū)高度和回流縫寬度兩方面尺寸的變化對氣、液、固三相分離效果的影響，并得出以下結(jié)論.

（1）沉淀區(qū)高度太高，氣體容易在懸浮區(qū)堆積，導(dǎo)致上集氣室氣體收集較慢.沉淀區(qū)高度太低，氣體容易隨著液體流入沉淀區(qū)，會造成氣體的流失.沉淀區(qū)高度為0.75 m，氣體分離效果最好.

（2）回流縫寬度過寬，氣體容易流入沉淀區(qū)，導(dǎo)致氣體收集效果差.回流縫寬度過窄，集氣室氣體收集較快，但也影響固、液兩相不能很好地進(jìn)入沉淀區(qū)，使懸浮區(qū)的氣體增加，導(dǎo)致固、液、氣三相不能很好地分離.本文選用的UASB 反應(yīng)器，當(dāng)回流縫寬度為0.3 m，氣體分離效果最好.