螺旋管分离器流场分布及影响规律分析.pdf

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1、592化工机械2010年螺旋管分离器流场分布及影响规律分析+赵立新”(东北石油大学)华正荣关风珠(大庆油田有限责任公司)蒋明虎李枫张勇(东北石油大学)摘要针对螺旋管分离器介绍了数值模拟模型的选取和基本参数，分别开展了无孔螺旋管和开孔螺旋管的流场模拟。对回转半径和入口流量对流场分布和螺旋管分离器分离性能的影响做了分析。模拟结果表明，螺旋管的回转半径和入口流速是影响分离效果的两个主要因素。另外，螺旋管开孔的孔径尺寸对分离效果也产生一定的影响。在本研究中，当回转半径为500mm、入口速度为0．3m／8时达到理想的分离效果。关键词分离器螺旋管油水分离．流场中图分类号TQ052．5文献标识码A文章编号

2、0254缶094(20lO)05_0592-05含油废水是一种典型的有机废水，量大面广且对环境的危害大。目前，我国大部分油田已经进入石油开采的中后期，采出原油的含水率已经达到70％～80％，油水分离后产生大量的含油污水¨’21，这不仅造成了水资源的污染与油资源的浪费，而且油类污染物对生态环境和人体健康的危害也已引起人们极大的关注。因此，开发出高效经济的油田含油污水处理技术，达到节能、降耗、保护环境和重复利用水资源的目的，成为油田水处理站新建和改造的重要项目¨’41。含油废水处理的难易程度随其来源及污油的状态和组成不同而有差异，其处理方法"1按原理可分为物理法(沉降、机械、离心、粗粒化、过滤、

3、膜分离等)；物理化学法(浮选、吸附、离子交换等)；化学法(凝聚、酸化、盐析、电解等)；生物化学法(活性污泥、生物滤池、氧化塘等)。螺旋管分离器独特的结构特性，能自生离心力场并产生二次流。尽管螺旋管结构比较简单，内部流场却十分复杂，不同的相混合时其流型和颗粒分布情况各不相同，流动机理至今仍不明确。为此，笔者对螺旋管分离器的流场分布特性及其参数变化规律开展了初步的研究工作。1模拟模型的选取及基本参数首先假定流体是稳态、等温和不可压缩的流动。Fluent提供了分离式和耦合式两种求解器，本研究选择分离求解器进行求解，采用RNGI

4、}·s模型进行分析哺“01。考虑到离散格式的稳定性和计算的经济性，笔者

5、对方程中对流项和扩散项的离散采用二阶迎风差分格式，压力速度的耦合方法采用PC-SIMPLE算法⋯o。质量力场中油水分离是由于油水的比重不同而导致的。当仅有重力作用时，决定油的上浮和水的下沉速度的主要因素是重力加速度。由于油水两相密度不同，在重力的作用下，会使油水两相发生分离。螺旋管的结构能够产生离心力以促进混合物分离。为了加快油水的分离速度和增强油水分离的效果，螺旋管是利用重力场和螺旋管分离器所产生的离心力场共同作用而实现油水高效分离。螺旋管中油水分离是由p。／p。和t，2／始两个无量纲支配¨2。。螺旋管分离器的结构简单，但是由于它特殊的几何形状，结构参数和操作参数变化对其分离性能都有很大的

6、影响，因此笔者主要研究螺旋个·黑龙江省教育厅科学技术研究重点项目(1153lz07)。¨赵立新，男，1972年6月生，教授。黑龙江省大庆市，163318。第37卷第5期化工机械593数、回转半径、螺距、流量及油滴直径等参数对流场和分离效果的影响。螺旋管人口给定速度条件，速度大小由公式t，i=Q．／Ai确定；出口给定压力条件，压力设为0．1MPa；固壁按无滑移边界条件处理，即速度和湍流度均为零。主相水的密度p=998．2kg／m3，动力黏度肛=1．003mPa·s；离散相油的密度p=889．0kg／m3，油的动力黏度肛=1．06Pa·so图1a是螺旋管的几何模型，图1b为螺旋管结构示意简图，图

7、中d为螺旋管内径(25．4mm)、f为螺距、尺为回转半径。a．几何模型b．结构不意简图图1螺旋管模型2数值模拟分析为避免螺旋管中出液孔对流场分布规律及流场分析的影响，首先对无孔螺旋管进行了数值模拟分析，即在螺旋管管壁不开孔的情况下，研究内部流场的分布特点及变化规律。2．1无孔螺旋管数值模拟分析分别针对不同回转半径和入口流量对分离特性的影响进行对比模拟分析。2．1．1回转半径对分离性能的影响螺旋管0。截面(第3圈)油相体积分数分布云图如图2所示。图2不同回转半径条件下油相体积分数分布云图观察以上油相浓度云图，随着回转半径的增大，离心加速度变小，油水分离效果相反却越来越明显，但是也不是无限增加，

8、在尺=1100mm油相浓度云图中可以看出油水分界过渡区域变大，分离效果变差。结合离心加速度公式口=t，2／尺，理论上是回转半径越小，离心加速度越大，使液滴运移的力越大，油水越容易分离，但对于低黏度的油，当运移力过大时，油滴克服了粘性阻力发生了剪切破碎，会出现乳化现象，更不利于油水分离。针对此研究，发现尺=1000mm时分离效果总体最好。2．1．2入口流量对分离性能的影响根据上述模拟结果可知，回转半径越大分离效