除油型水力旋流分离器压降研究

李振国，张晓冬，赵宗昌
（大连理工大学 化工学院，辽宁 大连116012）

　　摘　要：采用各向异性k－ε模型，用有限差分法，以SIMPLE算法为基础对旋流器内流场进行了数值模拟。通过数值计算得到了在流量一定的情况下，随溢流比的增加，进料口与溢流口之间的压力降APiu增大，进料口与底流出口之间的压力降△Pid几乎不变。△Piu与△Pid随进料流量的增大而增大，△Piu随溢流管孔径的减小而变大，△Pid几乎不变。通过算例与实验核验，得出各向异性k－ε模型能够模拟放流器内湍流流场。
　　关键词：旋流器；水处理；分离；流场；数值模拟
　　中图分类号：TU991.34
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）02－0043－03

Study on the Pressure Drop of An on Removal Type Hydroclone
LI Zhen-guo, ZHANG Xiao-dong, ZHAO Zong-chang
(Department Of chemical Engineering, Dalian University of technology, Dalian 1160l2, China)

　　Abstract: The flow field in a hydrocyclone was studied by numerical method with an anisotropic k -ε model on the basis of SIMPLE algorithm. Anisotropic k --ε model can predict the swirling turbulent now in a hydrocyclone.
　　Key words: hydrocyclone; water Process; separation; flow field; numerical simulation

前言

　　传统的含油污水处理方法有过滤、气浮、重力分离、离心分离、蒸发、活性炭吸附等物理方法；混凝沉降、化学氧化、离子交换和化学预处理等化学方法以及活性污泥处理、生物膜法处理、氧化塘等生物法。这些方法不仅投资费用与操作费用高，而且占地面积大，在场地受到限制的场合（如海上采油、油轮的清洗等方面）这种方法就显得很不适应。因此，研究与开发占地面积小、结构简单、维修与运行费用较低的水力旋流器已成为油水分离设备的一个新的方向。

1 压降的实验方法

　　实验流程如图1所示[1]，储罐1中的含油污水由泵输送经流量计计量后，分两股从旋流器顶端双切向入口进人旋流器，底流流人储罐12，溢流从旋流器顶端溢流口流出，经流量计计量后流人到储罐12。测压点为旋流器人口、底流出口、溢流口。模拟计算所得压力值用柏努利方程校正到测压点，结果如图3，图4，图5，图6所示。

2 数学物理模型及求解方法

　　液液旋流器一般由圆柱段、大锥段、小锥段和尾段组成。
　　本文使用的除油型水力族流分离器结构尺寸为：
　　主体直径为：35mm，大锥角：20°，小锥角：1.5°，底流出口直径为：17.5mm，溢流口直径为：3－5mm。
　　图2为流动区域的纵剖面图[2]。计算区域由A1、A2、A3、A4、A5、A6所构成。
　　来流沿切向进入旋流器后，形成旋流流场，其流动规律由流体力学基本方程控制。而湍流流动数值模拟的准确性取决于所采用的湍流模型和计算的数学方法。

　　由于旋流器内流体的流动是强旋转流动，湍流粘性具有各向异性。本文采用各向异性的k－ε模型[3-5]对35mm旋流器进行模拟。在旋流管内，可以将旋流管内流体流动简化为轴对称流动。求解区域采用交错网格技术[6]，方程的离散采用控制容积法，在以上网格系统的控制体内进行积分，其中的对流项和扩散项采用混合差分格式[7]，对源项做线性化处理，壁面上的速度扩散通量采用壁面函数法，计算中采用欠松弛技术，差分方程采用SIMPLE算法进行迭代求解。计算区域划分185×36个网格（见图2），流量为3－6m3／h，溢流比为2％－10％，当每迭代104次各变化量小于10-3，认为已经收敛。

3 试验与计算结果

3.1 压力降的影响因素
　　油水混合物在水力旋流器的离心力场中高速旋转，由于流体的粘性以及水力旋流器壁与旋转流体之间的摩擦等都将消耗能量，表现为压力损失或压力降。压力降是水力旋流器的重要技术指标，要求水力族流器的压力降较小以尽可能地减少能量消耗。同时，压力降还是水力旋流器的重要操作指标，一方面，根据压力降的大小来选择进料所需的压头并由此决定是否需要通过增压泵来提高进料的压头即水力旋流器的人口压力；另一方面，在多级操作中往往是根据压力降的大小来选择下一级的工况。
　　水力旋流器的定义式为：
　　　　　　△Piu=Pi-Pu
　　　　　　△Pid＝Pi-Pd
　　式中：Pi---旋流器人口压力；
　　　　　Pu——旋流器溢流口压力；
　　　　　△P_iu——进料口与溢流口之间的压力差；
　　　　　P_d——底流出口压力；
　　　　　△P_id——进料口与底流出口之间的压力差。

3.1.1 溢流管直径对△Piu的影响
　　图3为溢流管直径对△Piu的影响曲线。对同一溢流管，随着溢流比的增加即溢流流量的增大，内旋流的中心油核区的流体能及时从溢流管排出，这时其中的静压降低，因而溢流与进料之间的△Piu增大，而且△Piu随溢流比线性变化。随着溢流管直径的减小，△Piu增大。对于同样溢流流量，显然直径小的溢流管中的流体速度较大，即其动能较大，因而静压能较低。同时小直径时阻力损失也较大，所以西比值较大。
3.1.2 流量与△Piu的关系
　　图4为（溢流管直径为3mm）△P_iu与流量关系曲线。进料流量的大小直接决定了水力旋流器压力降的大小。因此，一般把压力降作为衡量水力旋流器生产能力的一个指标。为了保证其生产能力，降低水力旋流器的压力降从而降低能耗，总是尽可能选择合理的旋流器进料入口、底流出口及器壁的几何结构。由图4可知，旋流器内的压降随流量增大而增大。这是由于进料流量的增加将导致流体切向人口速度增加，旋流器内的离心力场增强所致。由于水力族流器主要是利用管路阀门控制背压来调节溢流流量的大小，因此需增大溢流流量时就需要增加背压。当进料流量一定时，则进料口压力需要提高，所以人口与溢流口压差增大。由此可见，为了降低压力降应尽量在小溢流下操作。

3.1.3 溢流管直径及进料流量对西凡的影响
　　国5是进料流量在5m³/h条件下不同溢流管直径对△P_id的影响曲线。

　　图6为溢流管直径为3mm时进料流量对△Pid的关系曲线。

　　由于溢流流量远小于底流流量（溢流流量最大只占进料流量的10%）因此从图5可以看出，改变溢流比几乎不影响底流流量，因而△Pid与溢流比几乎无关。
3.2 放流器中内旋流与外放流压力沿轴向变化
　　旋流器中存在着两个沿轴向流动方向相反的区域，分离器中的轴向速度从轴心向器壁方向，速度由负变正，轴心附近速度为零的各点形成了所谓的零轴速包络体。该面内部流体向上流动，形成了内旋流。包络体外部的液体则向下流动，形成了外旋流。从图7（图中数据为以旋流器入口压力为基准的压力计算值）可以看出，内旋流和外旋流沿流向压力梯度均为负，这两种流动的反向压力梯度是造成它们反向流动的根本原因。

4 结论

　　采用各向异性k－ε模型，可以有效地模拟旋流器内的压力分布。
　　在流量一定的情况下，随溢流比的增加，压力降△Piu增大，△Pid几乎不变。
　　压力降△Piu和△Pid随进料流量的增大而增大，压力降△Piu随溢流管孔径的减小而变大，但压力降△Pid却几乎不变。

参考文献：

　　[1]蒋明虎，贺杰，赵立新.油水分离用水力旋流器的模拟实验[J].石油机械，1994，（5）：15－17.
　　[2] 赵宗昌，徐维勤，沈自求.转动式油水分离水力旋流器内部流场的数值计算[J].大连理工大学学报，1998，（2）：180－183.
　　[3]S Y JU，T M MULVAHILL and R W PIKE. Three-Dimensional Turbulence Model[J]. The Canadian Joumal of Chemical Engineering 1990,68(2):3-16.
　　[4] Toshio KOBAYASHI and Morio YODA. Modified k-εModel for Turbulent Swirling Flow in a Straight Pipe[J].JSME Intemational Jiumal, 1987,30(259):66-71.
　　[5]C B Hwang, C A Lin. A low Reynolds number two-equation kθ-εθmodel to predict thermal fields[J]. Intemational Joumal of Heat and Mass Transfer, 1999,42(17):3217-3230.
　　[6]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，1998.11-15.
　　[7]贺友多.传输过程的数值方法[M].北京：冶金工业出版社，1991.111-115.

　　作者简介：李振国（1972－），男（满族），辽宁绥中人，大连理工大学化工学院化学工程系99级硕士研究生，电话（0411）3631333－3239O