物性參數(shù)對臥螺離心機分離性能影響的研究
行業(yè)動態(tài)
1 引言
鉆井污水主要由廢棄鉆井液、巖屑、油、沖洗水和各類添加劑組成，懸浮物含量高，組分復雜多變，可降解能力差，是石油行業(yè)比較難以處理的污染源。臥式螺旋卸料沉降離心機具有單機處理能力強、能夠連續(xù)自動化運行以及對物料適應力強等優(yōu)點，在鉆井污水處理領(lǐng)域占有重要地位。
2 模型與邊界條件
模型的結(jié)構(gòu)形式來自實際使用中的LW-250型臥螺離心機，其主要尺寸參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑：250mm
半錐角：8°
轉(zhuǎn)鼓長徑比：4
螺旋推料器的螺旋內(nèi)筒外徑：170mm
葉片傾角：0°
螺旋導程：60mm
對出渣段予以適當簡化，并做出以下假設(shè)：
①轉(zhuǎn)鼓內(nèi)充滿液體且流動穩(wěn)定。
②液相是連續(xù)不可壓縮流體。
③固相是密度均勻等粒徑球形顆粒，運動過程中無變形與破碎。
④不考慮重力作用。
分離物料選擇體積分數(shù)20%的滑石粉漿液，滑石粉的顆粒形狀均勻，不易發(fā)生破碎和聚結(jié)現(xiàn)象，能夠巧妙地回避絮凝影響。粒度分布由Malvern激光粒度儀測得，顆粒中徑為28.73μm，體積平均粒徑為32.59μm。由于Fluent中的Mixture模型不能直接對正態(tài)分布的顆粒進行計算，模擬取單一粒徑30μm，顆粒堆積極限取理論值0.72。
模型采用Pro/E與Gambit聯(lián)合建立，在進料管、溢流口和螺旋流道中心區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)無關(guān)性驗證，確定的網(wǎng)格數(shù)目約為54萬。
邊界條件設(shè)置如下：進口采用速度進口，流速取1.2m/s；溢流口與出渣口采用Outflow邊界，出流質(zhì)量權(quán)重取0.45:0.55；流道內(nèi)與流體接觸的壁面均采用無滑移條件；螺旋與轉(zhuǎn)鼓間差轉(zhuǎn)速通過SRF模型指定。進料的物性參數(shù)和離心機的操作參數(shù)如下：固相粒徑30μm，固相密度2621.2kg/m3，液相密度998.2kg/m3，液相黏度1.003mPa·s，處理量2.0m3/h，液池深度20mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速4000r/min，差轉(zhuǎn)速20r/min。
3 求解策略及過程
用RSM湍流模型來模擬臥螺離心機內(nèi)部流動。顆粒的沉降與輸送過程采用Mixture模型模擬，Mixture模型采用單流體方法，但允許相與相之間的相互貫穿，也允許各相以不同的速度進行運動，因此能夠比較全面地反映臥螺離心機的內(nèi)部流動狀況。
4 結(jié)果分析和驗證
4.1 顆粒直徑對分離性能的影響
當粒徑較小時，沉渣含濕量沿轉(zhuǎn)鼓軸向的變化不大，分離效果不佳。隨著顆粒直徑的增加，沉降速度變快，沉渣含濕量在轉(zhuǎn)鼓軸向的下降速度明顯變快，出渣含濕量也更低。當顆粒直徑大于50μm時，不同粒徑下沉渣含濕量曲線的斜率基本保持不變，說明粒徑的增加對脫水速度影響較小，但對脫水效果仍有一定影響。
評價臥螺離心機分離性能的指標主要有固相回收率與出渣含固率。在粒徑大于10μm后，固相回收率不再明顯變化，說明在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和操作條件下，直徑大于10μm的顆粒幾乎都不會從溢流口逃逸，符合臥螺離心機保持高回收率的情況。出渣含固率隨顆粒直徑變化而提高，增加幅度先快后慢，逐漸逼近顆粒的堆積極限對應的質(zhì)量含固率82.7%。
4.2 顆粒密度差對分離性能的影響
當顆粒密度大于液相密度時，顆粒密度越大，離心沉降速度越快，分離效果越好。但當固相密度接近甚至小于液相密度時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固相體積分數(shù)分布將發(fā)生很大變化。當顆粒密度與水接近時，此時的出渣含固率與固相回收率都比較低，這說明兩相沒有實現(xiàn)有效分離。固相含量在靠近排渣口附近為13%～15%，在溢流口附近為25%～28%，即出現(xiàn)了“排渣口排水，溢流口溢渣”的情況。其機理可概括為：密度較大的液相分布在螺旋流道外側(cè)，顆粒漂浮在液體內(nèi)表面，在轉(zhuǎn)鼓錐段，液相流動半徑縮小，開始擠壓分布在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)的顆粒相，迫使其反向流動至轉(zhuǎn)鼓大端。此時，液固兩相雖然也發(fā)生了分離，但固相只能集中在轉(zhuǎn)鼓中部，分離效果很差，溢流口的出渣也容易導致出口的堵塞，這些顯然都違背設(shè)計意愿。因此，采用傳統(tǒng)的螺旋卸料式離心機難以實現(xiàn)輕質(zhì)固體的分離。
4.3 液相黏度
液相黏度表示物料中液相水的黏度，區(qū)別于物料的混合黏度，顯然混合黏度與進料濃度有關(guān)，而進料濃度的影響通過Mixture多相流模型進行考慮。因此，分析黏度對分離性能的影響時只需考慮不同操作溫度下液相黏度的變化范圍即可。
溫度降低時，液體黏度增加，切向速度略有下降，而低切向速度對分離過程不利，因此降低液體黏度有利于固液分離。對于一些難分離物料，機械脫水前一般要進行調(diào)質(zhì)處理，使顆粒絮凝，從而變得容易沉降。然而，調(diào)質(zhì)有時也會增加物料的混合黏度，因此，雖然調(diào)質(zhì)對分離性能的改善比較明顯，但仍要以分離效果較佳為宜。
5 結(jié)論
（1）臥螺離心機的分離效果隨顆粒直徑增加而提高，但當粒徑增加到一定程度時，固相回收率不再明顯變化；出渣含固率的增長先快后慢，但不會超出等粒徑顆粒堆積極限所對應的質(zhì)量分數(shù)。
（2）當顆粒密度大于水時，一定范圍內(nèi)，顆粒密度越大，分離效果越好；當顆粒密度與水接近甚至小于水時，輕質(zhì)固體與液相雖然也會分離，但由于無法有效排渣，只能堆積在轉(zhuǎn)鼓中心。
（3）物料溫度越高，液相黏度越低，越有利于分離；絮凝劑的添加有時會增加分離液的混合黏度，但也能顯著改善顆粒的沉降效果，因此要合理選擇用法和用量，避免不必要的運行成本。
