基于離散相運移軌跡的新型旋流入口結(jié)構(gòu)設(shè)計

蔣明虎 ，邢 雷 ，張 勇

（1.東北石油大學，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

1 前言

液-液分離用水力旋流器其工作原理是利用互不相溶的2種液相介質(zhì)之間的密度差實現(xiàn)離心分離［1，2］。水力旋流器是靜態(tài)分離設(shè)備，其主要是依靠混合液在一定壓力的作用下進入旋流入口，在入口壓力的作用下，以一定的速度進入旋流腔內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流，然后在旋流腔內(nèi)實現(xiàn)分離［3，4］。因此，入口結(jié)構(gòu)形式成為影響旋流分離效率的重要因素之一，入口結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理將直接影響旋流器的內(nèi)部流場分布及分離性能［5］。目前很多學者關(guān)于旋流入口結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)做了大量工作，如蔣明虎等對多種不同入口結(jié)構(gòu)對旋流器內(nèi)部流場的影響進行了研究，同時探索了入口傾角對旋流器分離性能的影響，并得出了最佳入口傾斜角度［6，7］。馬藝等對比了新型軸流式入口及傳統(tǒng)切向入口對旋流器內(nèi)部流場的影響［8］。到目前為止，關(guān)于旋流入口的研究多數(shù)均為在既定結(jié)構(gòu)的前提下分析其對旋流場的影響，探索其與旋流分離性能之間的關(guān)系［9］。本文采用DPM模型，基于旋流場內(nèi)離散相油滴運移軌跡，從分離機理上對旋流入口進行分離區(qū)域劃分，最終確定新型入口結(jié)構(gòu)，完成了基于旋流器內(nèi)部離散相運移軌跡等分離機理的旋流入口結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其適用性進行室內(nèi)試驗驗證。

2 物理模型及入口結(jié)構(gòu)

本文以常規(guī)雙錐型液-液分離用水力旋流器為流場分析載體［10］，同時選取雙切向等截面入口結(jié)構(gòu)為研究對象，開展基于離散相運移軌跡的新型旋流入口研究。主要目標入口結(jié)構(gòu)形式及目標旋流器流體域模型如圖1所示。

圖1 載體旋流器三維流體域示意

3 流體域的網(wǎng)格劃分

本文采用FLUENT前置軟件Gambit對研究對象進行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格相對于非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格來說，具有計算速度快、精度高、收斂性強等優(yōu)點。所以本文選用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對目標旋流器進行網(wǎng)格劃分。圖2為目標結(jié)構(gòu)水力旋流器網(wǎng)格質(zhì)量三維展示。Gambit統(tǒng)計出本結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總數(shù)為251886個，有效率達100%。

圖2 雙錐旋流器網(wǎng)格劃分情況

4 基于離散相油滴運移軌跡的入口區(qū)域劃分

本文在FLUENT數(shù)值模擬時運用DPM模型，向旋流場內(nèi)入射離散相油滴。按圖3所示入口位置作為油滴入射點。分別入射10個、100個和500個油滴粒子，觀察不同入射位置處入射不同數(shù)量粒子的運移軌跡情況，同時分析相應(yīng)的粒級效率。以此來研究離散相油滴由不同入射位置進入旋流場時對旋流器分離性能的影響。

圖3 油滴入射位置點

如圖3所示，選取a～g為油滴入射位置點，以此保證入口截面處大部分區(qū)域內(nèi)都有被分析的特征點。同時，為了可以直接分辨出離散相油滴是從溢流口排出還是底流口排出，本文定義溢流口邊界類型為捕捉（trap），底流口邊界類型為逃逸（escape）。

本文以中心點g為例，展示離散相由該點入射時的運移軌跡情況。當不同數(shù)量的油滴由入口截面中心g點入射進入旋流器時，其運移軌跡情況如圖4所示，其中軌跡顏色表示油滴在旋流器內(nèi)經(jīng)過不同位置時的不同停留時間。當入射油滴數(shù)為10時，其溢流捕捉到的油滴數(shù)為7；當入射油滴數(shù)為100時，溢流捕捉到的油滴數(shù)為73；當入射油滴數(shù)為500時，捕捉油滴數(shù)為322。

圖4 不同數(shù)量的油滴由g點入射時的運移軌跡情況

按照同樣的方式分別將不同數(shù)量的油滴粒子由圖3中a～f點入射情況進行統(tǒng)計分析，并選取入射粒子數(shù)為500為例將其軌跡運移情況進行對比。得出如圖5所示500油滴粒子由入口處不同入射位置點進入旋流器后的運移軌跡情況。

圖5 離散相油滴由a～f點入射時的運移軌跡情況

圖5中a，b，c 3個入射點的共同特點是均靠近入口右側(cè)邊壁，即遠離旋流器軸心位置，具有相同的徑向距離，但因軸向位置不同，導致其油滴進入旋流器后具有不同的運移軌跡。由入射點d，e，f位置處進入旋流器內(nèi)部的油滴粒子，雖然這3個入射點具有不同的軸向距離，但其具有較為相近的粒級效率，說明粒子入射時的軸向位置并不是決定粒級效率的唯一決定性因素。

數(shù)值模擬過程中打開隨機軌道模型，即任由離散相油滴在旋流場內(nèi)隨流場隨機運移，觀察分析油滴運移軌跡的規(guī)律性。針對以上7個入射點，得出在相應(yīng)入射點下，對應(yīng)油滴入射數(shù)量時目標結(jié)構(gòu)旋流器的粒級效率概率值。因隨機模型具有不確定性，為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，本文取入射油滴數(shù)為500時，將其逃逸及捕捉油滴數(shù)為主要依據(jù)，其他入射粒子數(shù)為參考，得出如表2所示離散相油滴由不同入射位置處進入旋流場時，目標旋流器粒級效率的概率值情況。

表1 不同入射位置旋流器粒級效率概率值統(tǒng)計表

分析從7個入射位置進入旋流器內(nèi)的油滴運移軌跡情況，可以明顯地看到，由b，c位置入射的油滴，多數(shù)都從底流口逃逸，而徑向更接近旋流器軸心位置的入射點具有較高的粒級效率，但通過a點與d，e點對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然d點與e點徑向上距軸心較近，但其粒級效率并沒有明顯的高于a點入射的油滴粒子。通過對以上情況分析，本文認為影響油滴運移軌跡的入口位置，應(yīng)呈區(qū)域分布，而并非是單獨的某個位置點。為了進一步證實這一結(jié)論，本文通過對入口處不同坐標位置高密度選取入射點，并對其運移軌跡進行分析，得出如圖6所示的臨界區(qū)域分界線。

圖6 入口臨界區(qū)域分界線

如圖6所示，從入口Y值最大X值最小處，依次沿X軸正方向及Y軸負方向每隔0.05mm選取一個入射點，觀察油滴由該點進入旋流器內(nèi)部的運移軌跡，得出上圖短路流分界線。即在該曲線上方位置入射時，發(fā)生短路流的機率較高，在該曲線下方位置入射時，基本不會發(fā)生短路流。

按照上述同樣的方法，得出圖7所示分界線，模擬得出，在分界線右側(cè)條形區(qū)域進入旋流器內(nèi)的油滴，其運移軌跡多數(shù)都在外旋流的作用下，直接流向底流。

圖7 入口臨界區(qū)域分界線

整合上述2條分區(qū)邊界線，得出如圖8所示劃分區(qū)域，其中由區(qū)域Ⅰ部分入射的油滴粒子，其發(fā)生短路流的可能性最大。模擬結(jié)果顯示,短路流的發(fā)生，基本上都是由該區(qū)域進入旋流場內(nèi)而產(chǎn)生的。而由區(qū)域Ⅱ入射進入旋流場的油滴粒子，更容易穿透零軸向速度包絡(luò)面，由溢流口流出的機率較大。由區(qū)域Ⅲ處入射的油滴粒子，隨外旋流由底流口流出的機率較大。

圖8 旋流器入口分區(qū)示意

圖8所示由區(qū)域Ⅰ入射進入旋流場的油滴顆粒，很容易由溢流流出實現(xiàn)分離，但由于該區(qū)域距離旋流器上端蓋最近，因此極易被蓋下流帶走，未達到分離區(qū)便進入溢流管排出。由區(qū)域Ⅱ進入旋流器的油滴，因其距旋流器軸心位置較近，且距上端蓋有一定距離，同時該區(qū)域與內(nèi)旋流的徑向距離最小，所以進入流場后很容易先隨外旋流運移，到達分離區(qū)后進入內(nèi)旋流最終由溢流口排出完成分離。區(qū)域Ⅲ入射的粒子，首先因其距內(nèi)旋流徑向距離較大，且其靠近入口最下側(cè)，即在軸向上距底流方向最近，進入旋流器后被分離的機會與時間較少，所以極易隨外旋流直接由底流排出。

通過上述針對入口處不同區(qū)域入射粒子的運移軌跡的分析可以得出，當油水混合液在進入旋流器入口時，如果能將油相盡可能多地聚集在區(qū)域Ⅱ處，減少由區(qū)域Ⅲ處入射時產(chǎn)生的底流逃逸，有利于油滴經(jīng)旋流分離由溢流口排出?？赏ㄟ^將區(qū)域Ⅲ進行封堵，以此來減少離散相油滴由底流口流出的可能，從而提高目標旋流器的分離效率?；谏鲜鼋Y(jié)論，本文設(shè)計了一種新型旋流入口，其具體結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖9 新型旋流入口結(jié)構(gòu)示意

5 室內(nèi)試驗

為驗證本文所述新型旋流入口結(jié)構(gòu)的適用性及其對旋流器分離性能的影響。針對該新結(jié)構(gòu)開展室內(nèi)試驗研究。

本次室內(nèi)試驗工藝流程如圖10所示。油相通過柱塞計量泵進入到靜態(tài)混合器與螺桿泵供應(yīng)的水相混合，通過變頻器調(diào)節(jié)螺桿泵的工作頻率，調(diào)節(jié)所需的注水量，同時通過調(diào)節(jié)柱塞泵流量控制手柄調(diào)整注油量。通過含油分析儀，對所接樣品含油濃度進行測量。

圖10 室內(nèi)試驗工藝流程

5.1 操作參數(shù)

本次試驗針對不同的入口結(jié)構(gòu)采用相同的操作參數(shù)，保證入口結(jié)構(gòu)為單一變量。試驗中油相體積分數(shù)為2%，入口流量為4 m3/h，溢流分流比為20%。在該操作參數(shù)下待流場穩(wěn)定后對入口、溢流及底流進行接樣，并通過含油分析儀對含油量進行測量分析。

5.2 試驗數(shù)據(jù)分析

對所接樣品進行含油濃度測量，得出不同入口結(jié)構(gòu)下旋流器樣機入口、溢流及底流處含油濃度分布情況。同時根據(jù)下式對分離效率進行評價［1］：

式中 E——旋流器分離效率

F——溢流分流比

cd——底流口含油濃度，%ci——入口含油濃度，%整合含油分析測量結(jié)果，將2種不同入口結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的3組樣品分離效率進行對比，得出如表2所示分離效率對比表。

表2 不同入口結(jié)構(gòu)下旋流器分離效率對比表

由表2可以看出，在其它條件相同的情況下，應(yīng)用原始結(jié)構(gòu)入口盤時旋流器平均分離效率為77.1%，應(yīng)用新結(jié)構(gòu)入口盤時旋流器平均分離效率為80.1%，明顯高于原始入口盤結(jié)構(gòu)下旋流器的分離效率。證明本文所設(shè)計的新入口結(jié)構(gòu)，通過對旋流器入口區(qū)域的分區(qū)，改變了離散相油滴的入射位置，進一步改變油滴粒子群在旋流器內(nèi)的運移軌跡，降低由底流口逃逸的油滴粒子數(shù)量，提高了旋流器分離效率。

6 結(jié)語

本文得出了油滴由常規(guī)雙切向入口截面不同位置入射形成的不同運移軌跡。并探索出離散相入射位置與運移軌跡呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當油滴由入口上方的區(qū)域Ⅰ進入旋流器時，形成短路流及蓋下流的機率較高；當油滴由入口右下方的區(qū)域Ⅱ進入旋流器內(nèi)部時，更容易穿過零軸向速度包絡(luò)面，由溢流口排出；當油滴由入口右下方的區(qū)域Ⅲ進入旋流器內(nèi)部時，更容易隨外旋流由底流口排出。通過開展室內(nèi)試驗，對本文所設(shè)計的新結(jié)構(gòu)入口盤進行性能評價，得出新入口結(jié)構(gòu)可明顯地提高目標旋流器的分離效率。

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