内锥式脱油旋流器流场分析与结构优化.pdf

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1、202化工机械2011年内锥式脱油旋流器流场分析与结构优化+赵立新+‘1张淼1刘文庆1邹立军2(1．东北石油大学；2．中油管道丹东输油气分公司)摘要采用流场模拟方法研究了内锥式脱油型水力旋流器的内部流场，其中湍流模型采用多相流中的ReynoIds应力模型，基本方程的离散和求解采用SIMPLEc算法，应用计算流体动力学(CFD)方法对内俸式脱油旋流器进行数值模拟，揭示了特性参数对旋流分离器性能的影响。关键词内锥式水力旋流器油水分离流场模拟中圈分类号TQ051．8+4文献标识码A文章编号0254—6094(2011)02—0202-

2、04旋流分离是利用介质间的密度差将分散相从连续相中分离出来的一种方法。为了揭示旋流分离器中的流动与分离规律，进而对其技术特性进行较为科学的预测或评价，长期以来人们在其实验模拟和外特性研究方面开展了大量工作⋯。近年来，数值计算技术和湍流模拟理论的迅速发展，为人们从流体运动的基本方程出发，利用流场模拟的方法更加系统深人地研究油水旋流分离器内的复杂流动现象提供了新手段旧1。1结构及工作原理对于传统脱油型液一液水力旋流器(图1)，其主体部分一般由4部分组成：直径为D的圆柱段旋流腔、锥角为a的大锥角圆锥段L．(简称大锥段)、锥角为卢的小锥

3、角圆锥段￡：(简称小锥段)和直径为D。的尾管。而内锥式水力旋流器则是在前者的结构基础上，改变了以往的大锥段和小锥段的正双锥结构而采用圆柱型内部含倒锥的结构(图2)，流体流动区域为环形。图l传统液一液水力旋流器结构示意图图2内锥式水力旋流器结构示意图高压含油污水切向进入水力旋流器，形成旋流，旋流体进入旋流器独有的锥体中，流体紧缩，流速急剧加大高速旋转，在较大的离心力作用下，密度不同的油、水得以迅速分离，从而使水质达到净化目的口】。内锥式水力旋流器与传统水力旋流器的分离原理相同，只是把传统水力旋流器的大小锥变成内锥，这样当向下高速旋

4、转的油滴遇到大锥的尖顶部位时会聚集并反向移动。其次，内锥式水力旋流器采用了侧向出口，对未经分离的油滴起到一定的阻碍作用，不会像传统水力旋流器一样从底流口直接排出，这样就有效地提高了旋流器的分离效率。2物性参数及初始计算条件模拟计算中所取介质的物性参数：油的密度889．0kg／m3、动力粘度3．060Pa·s；水的密度998．2kg／m3、动力粘度3．003mP8·s。模型采用规格网格，计算网格数约为4×104个，并采用了·黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划项目(1155．NcET枷3)。奉·赵立新，男，1972年6月生，

5、教授。黑龙江省大庆市，163318。第38卷第2期化工机械局部加密技术，对旋流器人口、溢流口的网格局部加密(罔3)，以增加计算精度=揣动能、湍流耗敞率和连续性方程的收敛精度为10’。，油相残差收敛精度为10一。在FIuFNT计算中，边界条件采取如r设置：人口油柑体积分数为2％，分试c比为10％；^口法向速度分掇为14m／s．其他阿个方向速度分量为零；溢流u和底流u设定为自由出u。圉3计算域目橹固3计算结果殛琉场分析流场是反映旋流分离器内液体讲c动的最基本形式，通过模拟计算得判如图4所示的流场图。c#自“目4《*M目图4内锥式水力

6、蘸流嚣的模拟流场⋯舟4可见，液体流动具有以下规律：a液体在旋衙c器内足以螺旋拼【形式运动，从器壁向中心彤成蚺种旋转方向相同、运动方向相反的螺旋流线(遗一点和普通旋流器的规律相同)，外部重相介质(水)边旋转边$I下讲c向底流口，内部轻相介质(油)沿着大锥段顶部边旋转边向上流向溢流r1，从而实现油水的旋流分离；b被体轴向速度由器壁向中心方向．速度由负变正．大约在旋流器半径的中部通过零点．速度为零的各点彤成丁零轴速的包络面Lzrr“，浚面内部流体向上流动形成内旋流+外部液体则向F雒底部琉动形成外旋流；c内锥的设计使高度离散在混合液巾的

7、汕滴与内锥接触后聚集．大锥段顶郭附近成为油滴的寓荤艇．弗且聚集的剂I油向}蓬醪．m溢捕口排出。4结构优化41改变旋流腔直径在人口流鲢为2m3／h、H他参数币变时．通过对不同旋流腔直径的内部流场模拟(圈5)，得出丁在一定范围内，分离性能随旋洫腔直径的减小而增大，但同时压山损失增大的结论。分离效率的提高是以压力损失的加大为代价的所“在提高分离效率的同时，迁璺满足压力的要求．旋流腔直径愈大．液体的向心加速度就愈小，随着旋流腔直径的减小，在一定人口讹吐的前提下，旋流器内部速度越大，越有利于油水的分离．n1随着旋流腔直衽的进一步撼小．内部

8、流场速度继续增大．迫使油相乳化．增大r分离难度，分离性能随之f降。化工机械2011年圈5{同旋流腔直径的内部流场分布☆线42改变溢拼【口直径溢流¨卣径对水力旋流器的处理能力和分流比均有显著影响“。由图6可看出．溢流口直径垂《i囤6}同溢流口直径的内部流场分布自践