圓柱段長度對水力旋流分離性能的影響

鄭小濤，龔程，徐紅波，喻九陽，林緯，徐成

1.化工裝備強化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205；2.廣州民航職業(yè)技術學院飛機維修工程學院，廣東 廣州 510470

圓柱段長度對水力旋流分離性能的影響

鄭小濤1，龔程1，徐紅波2，喻九陽1，林緯1，徐成1

1.化工裝備強化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205；2.廣州民航職業(yè)技術學院飛機維修工程學院，廣東 廣州 510470

采用Fluent軟件對以Martin Thew液－液旋流器為基礎的不同圓柱段長度模型進行了數(shù)值模擬，對比分析了分離效率、壓力降、速度分布及流場，研究了圓柱段長度對旋流器的分離性能的影響.結果表明：隨著圓柱段長度的減少，分離效率呈線性增長，但當圓柱段長度趨近于0時，分離效率反而下降；底流口和溢流口的壓力降隨著圓柱段長度的減少而增大；隨著圓柱段長度的減少，大錐段和小錐段處的切向速度和軸向速度逐漸增大，循環(huán)流區(qū)域逐漸減??；當無圓柱段時，循環(huán)流區(qū)域完全消失.

旋流分離器；油－水分離；圓柱段；數(shù)值模擬

0 引言

水力旋流分離器廣泛應用于化工、石油、選礦、環(huán)保、制藥、食品、輕工等領域，其中固－液旋流器發(fā)展較早，技術也相對成熟［1］.液－液旋流器在最近10多年才用作于海上油氣平臺的油－水分離裝置［2］.利用油－水等兩相互不相溶物質(zhì)的密度差和水力旋流器內(nèi)部強烈的回旋流產(chǎn)生的離心力，使油水發(fā)生分離.Thew［3］和Caldenty［4］研究了液－液分離過程和液－固分離的不同之處，發(fā)現(xiàn)由于液體之間的密度差較小，液－液分離較固－液分離困難，因此對液－液旋流器的結構研究顯得格外重要.近年來，許多學者對分離器的結構進行了研究，通過優(yōu)化入口形式［5］、錐角［2］以及溢流口［6］等方式提高油水旋流器的分離效率，但對圓柱段結構的研究相對較少.本文將以圓柱段長度為出發(fā)點，通過數(shù)值模擬的方法，研究圓柱段長度對旋流分離器的性能影響.

1 物理模型與計算模型

1.1 物理模型

圖1為油－水旋流器的物理模型，基準模型采用的是Martin Thew的液－液旋流器.模型為對稱雙入口形式，因此具有良好的流場穩(wěn)定性和對稱性.其基準尺寸為大小錐結合處直徑D，大錐段錐角α為20°，小錐段錐角β為1.5°.圓柱段長度Lc的標準長度為2D，本文基于改變Lc長度進而分析油－水旋流分離的分離性能.

圖1 Martin Thew液－液旋流器模型圖Fig.1 The model of Martin Thew’s liquid－liquid hydrocyclone

1.2 計算模型

由于旋流器的非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動特征，因此采用適于流線強烈彎曲和旋轉(zhuǎn)三維流動的雷諾應力模型（RSM）［7］.

式（1）中Dij、Pij、Πij、εij分別為擴散項、產(chǎn)生項、壓力應變項和耗散項，分別表示如下：

壓力應變項包括了雷諾應力的各向異性張量的二次方項，式（4）中：

多相流模型選擇的是適用于強烈耦合的各向同性多相流模型Mixture模型［8］.對流項離散格式選擇的是在復雜網(wǎng)格條件下具有良好收斂性的二階迎風格式，壓力插補格式采用的是PRESTO格式，壓力－速度耦合算法采用的Simple算法.

1.3 邊界條件與數(shù)據(jù)處理

入口采用速度入口，入口含油率為5%，油的密度為850 kg／m3，黏度為3.32 cP；溢流口和底流口均為充分發(fā)展outflow，其流量比分別為15%和85%；壁面采用無滑移條件.

分離效率：E＝1-αu／αin

其中；αu為底流口含油溶度；αin為入口含油濃度.

底流口壓降：ΔPu＝Pi-Pu

溢流口壓降：ΔPo＝Pi-Po

其中：Pi為入口壓力；Pu為底流口壓力；Po為溢流口壓力.

2 數(shù)值模擬計算

2.1 網(wǎng)格劃分與獨立性驗算

網(wǎng)格采用gambit2.4.6進行劃分，由于旋流器結構細長，且不同部位結構尺寸差距較大，因此采用分區(qū)劃分.以溢流口、入口段、圓柱段和大錐段、小錐段和底流管四個區(qū)域，采用六面體非結構網(wǎng)格，圖2為網(wǎng)格劃分整體圖.

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2Generated mesh for hydrocyclone simulation

為保證計算結果準確性，對網(wǎng)格進行獨立性驗證，驗證模型初始條件采用Belaidi and Thew［9－10］的實驗數(shù)據(jù)和結果，分別在3種不同密度網(wǎng)格下，不同粒徑油滴的分離效率與實驗數(shù)據(jù)作對比.圖3為網(wǎng)格獨立性驗證圖，由圖3可知，在網(wǎng)格數(shù)量為58萬時，計算結果與實驗數(shù)據(jù)較接近，而當網(wǎng)格數(shù)量進一步加大到95萬時，分離效率變化不大，且誤差控制在10%以內(nèi)，計算結果有效.

圖3 網(wǎng)格獨立性驗證Fig.3The independence verify of grid

2.2 數(shù)值模擬結果

分別將圓柱段長度Lc為2D、1.5D、D、0.5D、0五種油水旋流器的模型導入FLUENT中，以油滴粒徑為30 μm和入口速度分別為4 m/s、5 m/s、6 m/s進行計算，最終得到不同圓柱段長度油水旋流器的分離效率和壓力降.

圖4為不同圓柱段長度下的分離效率對比圖，結果表明，分離效率隨圓柱段縮短呈線性增長，在Lc＝0.5D時達到最大.當Lc進一步減小到0，即無圓柱段時，分離效率基本無較大變化，并在入口速度為4 m/s時呈下降趨勢.

圖4 不同圓柱段長度分離效率對比圖Fig.4De-oiling hydrocyclone separation efficiency of different length of cylindrical section

圖5和圖6分別為不同圓柱段長度下底流口壓降和溢流口壓降對比圖，結果表明，隨著圓柱段長度變化，溢流口和底流口的壓力降變化趨勢基本一致.當圓柱段長度減小，壓力降增大；當去除圓柱段時，壓力降有所增加，但幅度較小.

圖5 不同圓柱段長度底流口壓降對比圖Fig.5The underflow mouth pressure drop ofdifferent length of cylindrical section

圖6 不同圓柱段長度溢流口壓降對比圖Fig.6The outflow mouth pressure drop of different length of cylindrical section

3 結果分析

3.1 速度分布

旋流器以Y軸為中心軸，大錐段與圓柱段結合處為Y＝0截面.圖7和圖8分別為Y＝－30 mm和Y＝－80 mm（大錐段中間和小錐段上端）截面處的不同圓柱段長度的切向速度分布圖.由圖7和圖8可知，不同圓柱段長度旋流器的近壁面和內(nèi)旋流區(qū)域的流體切向速度相差不大，而在外旋流區(qū)域，切向速度隨著圓柱段的減少而增大，在主分離區(qū)域提供較大的離心力，增加油水旋流器的分離效率.

圖9和圖10分別為Y＝-30 mm和Y＝-80 mm截面處的軸向速度分布圖，由圖9和圖10可知，隨圓柱段長度減小，外旋流區(qū)域的軸向速度變化不大，而內(nèi)旋流區(qū)域軸向速度隨圓柱段長度的減小而增大.

圖7 Y＝-30 mm平面處切向速度對比圖Fig.7Comparison of tangential velocity between difference length of cylindrical section in Y＝－30 mm

圖8 Y＝-80 mm平面處切向速度對比圖Fig.8Comparison of tangential velocity between different length of cylindrical section in Y＝－80 mm

圖9 Y＝－30 mm平面處軸向速度對比圖Fig.9Comparison of axial velocity between different length of cylindrical section in Y＝－30 mm

圖10 Y＝－30 mm平面處軸向速度對比圖Fig.10Comparison of axial velocity between different length of cylindrical section in Y＝－80 mm

3.2 流場分布分析

圖11為不同圓柱段長度下的流場分布圖，隨圓柱段長度的減小，旋流器圓柱段和大錐段區(qū)域的循環(huán)流區(qū)域逐漸減小，且渦流核心向下遷移，在Lc＝0時，循環(huán)流消失.循環(huán)流會影響油滴向內(nèi)旋流遷移，并隨循環(huán)流區(qū)域的增大，旋流器的分離效率會降低［11］.因此，隨圓柱段長度的減小，其油水旋流器的分離效率增大.

圖11 不同圓柱段長度下流場對比圖Fig.11 Comparison of flow field between different length of cylindrical section

3.3 湍流分析

圖12為5種圓柱段長度下的湍流強度分布云圖，由圖12可知，因圓柱段和大錐段的中心區(qū)域循環(huán)流的改善，隨圓柱段長度的減小，其湍流強度減小.而在大小錐結合處，湍流強度隨著Lc的減小而增大，且此區(qū)域的湍流強度達到最大.

圖12 不同圓柱段長度湍流強度分布圖Fig.12Comparison of turbulence intensity between different length of cylindrical section

圖13為大小錐結合處的湍動能耗散率分布圖，前文所知，隨圓柱段減小，底流口和溢流口的壓力降反而上升的結論和一般低雷諾數(shù)下的圓管流動規(guī)律相背離.

然而從圖13可看出隨著圓柱段長度減小，其湍動能耗散率增大.由湍流強度分布和湍動能耗散率的分布可解釋隨圓柱段長度的減小，其底流口和溢流口的壓降增加的現(xiàn)象.

圖13 大小錐結合處湍動能耗散分布Fig.13The turbulent dissipation rate in the connection of the big and small cone sections of different length of cylindrical section

4 結語

通過對不同長度的油水旋流器進行數(shù)值模擬研究，結果表明：

a.隨著圓柱段長度的減小，其分離效率呈線性增長，但去除圓柱段后分離效率無變化，并呈減小趨勢；底流口和溢流口的壓降隨著Lc的減小而增大.

b.隨著圓柱段長度減小，在其大錐段和小錐段處的切向速度和軸向速度逐漸增大，循環(huán)流區(qū)域逐漸減小，并在去除圓柱段后完全消失，從而提高了分離效率.

c.圓柱段減小后，其大小錐結合處湍流強度增大，且其湍動能耗散率也隨著Lc的較小而增大，解釋了隨著圓柱段減小其底流口和溢流口的壓降增大的現(xiàn)象.

致謝

本文研究工作得到了湖北省自然科學基金項目（2012FFB04707）、武漢工程大學科學研究基金項目（K201414）和武漢工程大學研究生教育創(chuàng)新基金項目（CX2013080）的資助，在此一并表示衷心感謝.

［1］趙國慶，張明賢.水力旋流器分離技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.

ZHAO Guo－qing，ZHANG Ming－xian.Hydrocyclone separation technology［M］.Chemical Industry Press，2003.（in Chinese）

［2］鄭小濤，徐成，喻九陽，等.液－液旋流分離器分離特性數(shù)值模擬［J］.武漢工程大學學報，2014，36（3）：48－52.

ZHENG Xiao－tao，XU Cheng，YU Jiu－yang，et al.Numerical simulation of separation character in liquidliquid hydrocyclone［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2014，36（3）：48-52.（in Chinese）.

［3］Thew M T.Hydrocyclone redesign for liquid–liquid separation［J］.ChemEng，1986（427）：17–23.

［4］Caldentey J C.A mechanistic model for liquid hydrocyclone（LHC）［D］.The University of Tuls，2000.

［5］艾志久，賀會群，牛貴鋒，等.油水旋流分離器入口結構優(yōu)化研究［J］.石油機械，2007，35（1）：5-8.

AI Zhi-jiu，HE Hui-qun，NIU Gui-feng，et al.Optimization research the inlet structure of de-oiling hydrocyclone［J］.Petroleum Machinery，2007，35（1）：5-8.（in Chinese）

［6］許妍霞.水力旋流分離過程數(shù)值模擬與分析［D］.華東理工大學，2012.

XU Yan-xia.Numerical Simulation and Analysis of the Separation Process in the Hydrocyclone［D］.East China University of Science and Technol ogy，2012.（in Chinese）

［7］王海剛，劉石.不同湍流模型在旋風分離器三維數(shù)值模擬中的應用和比較［J］.熱能動力工程，2003，18（4）：337-342.

WANG Hai-gang，LIU Shi.Application and comparison of different turbulence models in the three–dimensional numerical simulation of cyclone separators［J］.Journal of Engineering Thermal En ergy and Power，2003，18（4）：337-342.（in Chinese）

［8］Grady SA，Wesson GD，Abdullah M，Kalu EE.Prediction of 10-mm hydrocyclone separation efficiency using computational fluid dynamics［J］.Filtr，2003，40（9）：41–46.

［9］Belaidi A，Thew M T.The effect of oil and gas content on the controllability and separation in a de-oiling hydrocyclone［J］.Chem Eng Res Des,2003，81（3）：305–314.

［10］Belaidi A，Thew M T，Munaweera S J.Hydrocyclone performance with complex oil–water emulsions in the feed［J］.Chem.Eng.2003（81）：1159–1170.

［11］NorooziS，Hashemabadi S.H.CFD analysis of inlet chamber body profile effects on de-oiling hydrocyclone efficiency［J］.Chemical Engineering Research and Design，2011，8（9）：968–977.

Influence of cylinder section length on separation performance of hydrocyclone

ZHENG Xiao－tao1，GONG Cheng1，XU Hong－bo2，YU Jiu－yang1，LIN Wei1，XU Cheng1
1.Hubei Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430205，China；2.Department of Aircraft Maintenance and Engineering，Guangzhou Civil Aviation College，Guangzhou 510470，China

The Fluent software was adopted to simulate the models of different lengths of the cylinder section which were designed based on the Martin Thew＇s hydrocyclone.The comparative study of the separation efficiency，pressure drop，velocity distribution and flow field in hydrocyclones was carried out to research the influence of the cylinder section length on the separation performance of hydrocyclone.The results show that the separation efficiency increases linearly as the length of the cylindrical section reduces，but the separation efficiency reduces when the length of the cylindrical approaches to zero；the pressure drop of the bottom outflow and overflow increases with the length of the cylindrical section decreasing；the tangential velocity and the axial velocity in big and small conic sections increase gradually and the area of circulation flow decreases as the length of cylindrical section decreases，and the area of circulation flow disappears when no cylindrical section exists.

hydrocyclone；oil－water separation；cylindrical section；numerical simulation

TE991.2

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.005

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0020－05

2014－06－13

湖北省自然科學基金項目（2012FFB04707）；武漢工程大學科學研究基金項目（K201414）；武漢工程大學研究生教育創(chuàng)新基金項目（CX2013080）

鄭小濤（1982－），男，湖北武漢人，副教授，博士.研究方向：結構完整性、流體設備以及傳熱與傳質(zhì).