油水分離碟式分離機(jī)內(nèi)油滴破碎與聚并過程的數(shù)值分析
技術(shù)支持
碟式分離機(jī)由于占地面積小、處理量大、分離精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于石油化工、醫(yī)藥及食品等行業(yè)的分離及澄清工藝。雖發(fā)展多年，但對其研究主要集中在轉(zhuǎn)鼓的強(qiáng)度分析、動(dòng)平衡和工業(yè)應(yīng)用等方面，流場及分離性能研究較少。長期以來，中國碟式分離機(jī)的開發(fā)過程依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論支撐，與國際水平差距較大，且核心技術(shù)受國外封鎖，嚴(yán)重影響了中國碟式分離機(jī)行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。
碟式分離機(jī)工作過程中，內(nèi)部兩相流體隨著轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)。由于密度不同，輕、重相流體經(jīng)碟片實(shí)現(xiàn)離心沉降分離，經(jīng)輕、重相出口排出。大量研究表明，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)兩相流動(dòng)及液滴粒徑是影響碟式分離機(jī)沉降分離的關(guān)鍵因素。受現(xiàn)有測量技術(shù)制約，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的碟式分離機(jī)內(nèi)部流場難以直接試驗(yàn)測量，導(dǎo)致對薄層兩相流動(dòng)認(rèn)識(shí)不清。但隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的快速發(fā)展，CFD已然成為研究碟式分離機(jī)內(nèi)部流場的重要手段，國內(nèi)外學(xué)者對此也開展了一系列研究。本文采用CFD-PBM耦合模型，研究油水混合物在碟式分離機(jī)內(nèi)的流動(dòng)特性，以及油滴在其內(nèi)部的聚并與破碎過程，并分析了分離機(jī)內(nèi)部不同位置的油滴粒徑分布規(guī)律，為揭示碟式分離機(jī)機(jī)理及指導(dǎo)新型高效碟式分離機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。
1 模型及計(jì)算方法
1.1 計(jì)算模型
多相流模型：由于文章中油-水體系可以視為互不相溶、具有不可壓縮性質(zhì)，故使用Euler-Euler多相流模型來模擬碟式分離機(jī)內(nèi)的兩相流動(dòng)。Euler-Euler多相流模型對多相流每一相都求解動(dòng)量方程和連續(xù)性方程，并通過壓力和相間交換系數(shù)來實(shí)現(xiàn)相間耦合，能夠有效地模擬油水兩相的流動(dòng)過程。
湍流模型：油水兩相在碟式分離機(jī)內(nèi)部會(huì)進(jìn)行復(fù)雜的各向異性的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，前期研究結(jié)果表明，采用能反映強(qiáng)旋流動(dòng)各向異性的雷諾應(yīng)力湍流模型，對于計(jì)算油水兩相碟式分離機(jī)內(nèi)的流動(dòng)可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
相群平衡模型：油滴在碟式分離機(jī)內(nèi)部流場中會(huì)發(fā)生聚并和破碎現(xiàn)象，為清楚描述這一行為，引入群體平衡模型。油滴粒徑大小的變化與聚并及破碎過程有關(guān)，為考慮多相體系中的粒徑分布，需在動(dòng)量和能量守恒的基礎(chǔ)上添加一個(gè)平衡方程來描述粒子的平衡，該方程稱為相群平衡模型。文章選用Turbulent模型描述油水混合物中油滴的聚并過程，該模型根據(jù)油滴直徑與渦尺寸相對大小的不同，將聚并機(jī)理分為黏性聚并和慣性聚并，從而得到更為 的結(jié)果；另外選用Luo破碎模型來計(jì)算破碎頻率，該模型本身包括了破碎頻率以及粒徑分布函數(shù)，已被證實(shí)可以用于液-液兩相的模擬。
1.2 結(jié)構(gòu)模型
碟式分離機(jī)是高轉(zhuǎn)速設(shè)備，輕重相在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)碟片間的組薄層流場內(nèi)做離心沉降運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的主要組件包括碟片、碟片架、向心泵、比重環(huán)等。物料經(jīng)加速后由進(jìn)料道流入轉(zhuǎn)鼓，通過碟片的中性孔流入碟片間隙，高速旋轉(zhuǎn)的分離腔使物料作高速離心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。輕重相由于密度差的不同導(dǎo)致相對沉降速度不同，輕相液向中心運(yùn)動(dòng)并從輕相流道流出，重相液流向碟片大端運(yùn)動(dòng)并從重相出口流出。
1.3 計(jì)算方法
利用Ganmbit2.4.6軟件對5層碟片碟式分離機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且規(guī)定從下往上對第1層碟片間隙到第5層碟片間隙，由于碟片間隙內(nèi)的三維流動(dòng)較為復(fù)雜且為主要研究區(qū)域，所以對其進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。由于網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬結(jié)果具有極大影響，所以對網(wǎng)格數(shù)量分別為20萬，100萬，143萬，197萬，300萬進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)格數(shù)量小于140萬時(shí)對模擬結(jié)果的影響較大，與試驗(yàn)值的相對誤差達(dá)到15%以上。網(wǎng)格數(shù)量為140萬時(shí)，與實(shí)驗(yàn)值的 誤差僅在5%。此外，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量繼續(xù)增大對模擬結(jié)果影響較小，因此，為計(jì)算經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，確定模擬所用網(wǎng)格數(shù)為143萬。
模擬所用物料與試驗(yàn)一致，油相體積分?jǐn)?shù)為10%的油水混合物，入口邊界條件采用速度入口，碟片旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針（俯視）。輕、重相出口邊界條件均為outflow，且輕相出口與重相出口的出流比為1:9。壁面采用無滑移條件，求解方法采用SIMPLE算法，壓力方式PRESTO，其余求解方法均為QUICK，時(shí)間步長設(shè)為0.0005s。
2 結(jié)果分析與討論
2.1 碟式分離機(jī)油水分離效率分析
油水混合罐內(nèi)混合物料通過離心泵加速進(jìn)入碟式分離機(jī)內(nèi)，在分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)油水分離，分離后的油、水分別流入相應(yīng)收集罐中。入口流量控制通過控制閥實(shí)現(xiàn)，出、入口管道上設(shè)置的壓力表及流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出液料流量及壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測，轉(zhuǎn)速通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過程中，碟式分離機(jī)初始轉(zhuǎn)速n=9500r/min、處理量Q=0.5m3/h及入口油相體積分?jǐn)?shù)為10%的油水混合物。待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，同時(shí)在碟式分離機(jī)入口管、輕相出口管進(jìn)行采樣。待測樣品的含水量通過卡爾費(fèi)休水分測定儀（ZKF-1）進(jìn)行測定，儀器精度為：含水量在5μg至1000μg時(shí)，誤差小于±3μg；含水量大于1000μg時(shí)，誤差小于±0.5%。
不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)、無PBM模型以及加入PBM模型后不同轉(zhuǎn)速下的分離效率，可以看出分離效率隨碟片轉(zhuǎn)速的增加而增加。此外，PBM模型模擬所得到結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差在2%～5%，而常規(guī)模型與試驗(yàn)值的誤差幾乎都在7%左右。由此可以發(fā)現(xiàn)，PBM模型可以較為準(zhǔn)確預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)?，碟式分離機(jī)在工作過程中油滴在其內(nèi)部必然會(huì)發(fā)生聚并或者破碎現(xiàn)象。油滴破碎后，粒徑變小，所受離心力變小，不利于兩相分離，而當(dāng)油滴聚并后，粒徑變大，所受離心力增大，有利于兩相分離。而PBM模型可以有效地模擬此過程。
2.2 油滴流動(dòng)過程的聚并與破碎分析
為了研究分離機(jī)工作過程中油滴的聚并與破碎行為以及對分離性能的影響，對轉(zhuǎn)速為9500r/min碟式分離機(jī)內(nèi)油水兩相流動(dòng)情況進(jìn)行分析。在PBM模型情況下，油相濃集于底部中心區(qū)域與輕相出口，表明這兩個(gè)位置油滴可能更容易發(fā)生聚并行為。
2.3 碟片間隙內(nèi)油滴聚并破碎分析
碟片間隙是油水兩相的主要分離區(qū)，為深入研究油滴在碟片間隙的聚并與破碎的行為，選取轉(zhuǎn)速為9500r/min下第1層與第5層碟片間隙的油滴粒徑分布進(jìn)行對比分析。經(jīng)過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，油滴在每個(gè)碟片扇形區(qū)域分布規(guī)律相似，均為左側(cè)油滴粒徑較小，右側(cè)較大，說明油滴在碟片左側(cè)區(qū)域的破碎程度較大。原因在于，碟片間隙內(nèi)的流場被定距筋條所分割，導(dǎo)致油水兩相在筋條附近流動(dòng)受阻，油滴與碟片左側(cè)筋條碰撞造成油滴破碎。此外，可以發(fā)現(xiàn)油滴在碟片間隙下表面的聚并程度明顯大于上表面，是因?yàn)橛退畠上嘁驗(yàn)槊芏炔钤诘g隙分離時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。表現(xiàn)為水相主要存在于間隙上部，而油相主要存在于間隙下部，導(dǎo)致了油滴在間隙下部聚并程度更大且聚并區(qū)域更為集中。通過觀察不同層位碟片間隙內(nèi)油滴的粒徑分布可以發(fā)現(xiàn)，第5層間隙內(nèi)油滴粒徑分布與第1層相似，但第5層碟片間隙下部油滴聚并程度明顯大于第1層。發(fā)生此現(xiàn)象的主要原因是物料在進(jìn)入碟片間隙進(jìn)行分離時(shí)，由于頂部約束作用，導(dǎo)致油滴在第5層碟片間隙內(nèi)出現(xiàn)濃集現(xiàn)象，增加了此處油滴聚并幾率。
為研究油滴從中性孔進(jìn)入碟片間隙后的聚并與破碎行為，對第1層中性孔處以及不同間隙內(nèi)表面油滴的粒徑分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在第1層中性孔處8μm油滴的粒徑比接近15%，粒徑在60μm以上的油滴占50%左右，而其他粒徑油滴的占地基本都在10%以下。在第1層與第3層間隙下表面處油滴粒徑的分布大致相同，由于進(jìn)入碟片間隙內(nèi)發(fā)生聚并現(xiàn)象，8μm油滴的占地均降至5%左右，8～60μm油滴含量幾乎為零，此時(shí)粒徑在60μm以上油滴的數(shù)量占地在60%左右。而在第5層碟片間隙下表面處，粒徑在60μm以上油滴的占比超過80%。從粒徑的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，油滴從中性孔進(jìn)碟片間隙區(qū)域后主要發(fā)生聚并行為，前幾次碟片間隙的聚并與破碎的情況大致相同，上層碟片間隙聚并的程度較大。
2.4 碟片分離機(jī)中性孔內(nèi)油滴聚并破碎分析
中性孔作為油水兩相進(jìn)入碟式分離機(jī)碟片間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離的關(guān)鍵入口通道，研究油滴在此處的流動(dòng)特性與聚并破碎行為尤為重要。分別考察第1層、第3層與第5層中性孔處不同粒徑油滴分布情況，對其占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不難發(fā)現(xiàn)， 層中性孔處粒徑為8～60μm油滴的占地大于第3層與第5層，而粒徑在60μm以上油滴的數(shù)量則正好相反。第3層與第5層中性孔油滴粒徑分布情況類似。主要原因是 層中性孔靠近底部的流道，油水混合物從底部流道流向中性孔時(shí)，由于湍流的影響，油滴會(huì)發(fā)生少量的破碎現(xiàn)象。而進(jìn)入碟片間隙內(nèi)，由于碟片間隙很小（間隙為0.58mm），內(nèi)部可以形成穩(wěn)定的層流，所以第3層和第5層中性孔油滴粒度分布情況相似。
3 結(jié)論
文章基于CFD-PBM模型對碟式分離機(jī)內(nèi)油滴的聚并與破碎行為以及油水分離特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并利用自行搭建的碟式分離機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，主要得出以下結(jié)論：
（1）相比單一油滴尺寸模型，采用CFD-PBM耦合模型可以更準(zhǔn)確預(yù)測碟式分離機(jī)油水兩相分離性能。
（2）通過分析碟片分離機(jī)內(nèi)油水混合物的流動(dòng)特性和油滴粒徑的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)碟式分離機(jī)內(nèi)油滴以發(fā)生聚并行為作為主導(dǎo)，平均油滴粒徑從入口進(jìn)入后呈增大趨勢，且在油相濃積的區(qū)域聚并程度尤為大。
（3）油水混合物從預(yù)分離區(qū)進(jìn)入碟片間隙后，由于碟片間隙內(nèi)形成穩(wěn)定的層流，各層中性孔處油滴粒徑分布基本一致，但第1層中性孔由于受湍流影響，油滴破碎大于其他層位。
（4）油滴在碟片扇形分離區(qū)分布規(guī)律相似，表現(xiàn)為中性孔前側(cè)區(qū)域油滴粒徑較小，后側(cè)較大，且油滴在碟片間隙下表面聚并程度明顯高于上表面。隨著碟片層位增加，油滴聚并程度增強(qiáng)。
