UASB反應(yīng)器三相分離器的數(shù)值模擬研究

寧春雪

（天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津300384）

1 研究背景

厭氧反應(yīng)器是廢水厭氧生物處理的核心部件，通過反應(yīng)器進水與污泥的良好接觸和污泥減排，可以保證反應(yīng)器內(nèi)有足夠的活性厭氧污泥[1]，從而實現(xiàn)厭氧反應(yīng)器的高效性.目前，污水厭氧處理工藝發(fā)展的速度較快，不斷地涌現(xiàn)出各種不同的工藝處理方法，主要有厭氧接觸法、UASB 和EGSB 工藝、厭氧生物池和厭氧生物轉(zhuǎn)盤等.其中，UASB 結(jié)構(gòu)簡單、造價低、運行操作維護管理簡單靈活，使其有成熟的技術(shù)和較強的適應(yīng)性，在工程中應(yīng)用最廣泛.但是在運行過程中UASB會出現(xiàn)短流、泥水混合效果差、污泥流失等現(xiàn)象[2].

國內(nèi)外對于厭氧反應(yīng)器流態(tài)的研究方法，主要是計算流體力學(xué)模擬和示蹤實驗.運用軟件模擬反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)的變化情況，是一種高效、經(jīng)濟、省時的研究方法，可以進一步驗證各種改造方案的效能.張自學(xué)[3]利用Fluent 模擬軟件對UASB 內(nèi)部氣液兩相流場的二維分布狀況進行數(shù)值模擬，分析出不同的OLR 或不同三相分離器角度對于固液效果的影響；崔瑋琳等[4]通過對三相分離器分離原理、分離器內(nèi)液滴運動情況以及影響分離器效率等因素的分析，選擇合適的油氣分離方法，運用分析、綜合等方法來創(chuàng)新設(shè)計捕霧器、油水堰板、集砂斗等部分元件，從而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后提出了三相分離器的數(shù)值計算模型；李彤蔚等[5]分析了影響油氣水分離效果的主要受控因素以及存在問題和所進行的優(yōu)化措施；孫立強等[6]人總結(jié)了目前油田用三相分離器設(shè)計和CFD 模擬研究現(xiàn)狀，指出對于不同油氣田的特點的三相分離器設(shè)計過程中遇到的問題與挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的解決辦法，論證了計算流體力學(xué)方法進行三相分離器優(yōu)化設(shè)計的可行性及目前模擬研究存在的問題，展望了未來三相分離器設(shè)計及CFD 模擬研究中需要加強研究的關(guān)鍵問題.而本文通過模擬分析三相分離器內(nèi)部沉淀區(qū)高度和回流縫寬度的最優(yōu)值，為三相分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

2 控制方程及計算模型

2.1 湍流模型的選取

本文選取的湍流模型是雙方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，對三相分離器內(nèi)部的流場進行模擬.雙方程標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的湍流動能方程是根據(jù)精確方程推導(dǎo)出來，而湍流耗散率根據(jù)物理推理、數(shù)學(xué)模擬原形方程得到的.把模型簡化為一個完全的湍流流動，假定流體為不可壓縮的黏性流體，且分子黏性的影響可以忽略[7].

模型的湍流動能方程及湍流耗散率方程如下[8]

式中：ρ 為流體密度；u 為流速；κ 為湍動能；μ 為流體動力黏度；ε 為湍動能耗散；Gκ是由于平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動能；σκ是湍動能對應(yīng)的普朗特數(shù)；σε是湍動耗散率所對應(yīng)的普朗特數(shù)，在FLUENT 軟件中，取默認值為σκ=1.0，σε=1.3.

2.2 多相流模型的選取

采用計算流體力學(xué)模擬時，根據(jù)解算分散相方法的不同，將多相流的模型分為歐拉-拉格朗日多相流模型和歐拉-歐拉多相流模型.前者是一種離散相模型，模型中有一相為非常稀薄的顆粒相，用拉格朗日法對其進行求解，則另外一相采用歐拉法求解.這種模型通常適用于大量顆粒分離、煤粉燃燒等情況，不適用于模擬封閉體系中的懸浮顆粒問題，如流化床、混合器、攪拌釜等.歐拉-歐拉模型簡稱為歐拉模型.模型中分別用歐拉法對連續(xù)相和分散相進行描述.

本文涉及的多相流采取的是歐拉模型，F(xiàn)LUENT軟件中歐拉模型，包括VOF 模型、Mixture 模型和Euler 模型[9].常見多相流模型的比較見表1.

通過對歐拉模型的三種常用模型比較分析，結(jié)合模擬的對象是氣、液、固三相分離效果，而且每一相在反應(yīng)器內(nèi)分布廣泛，故選取的多相流模型為Mixture模型，可以減少計算量，提高計算速率.Mixture 模型允許各相間穿插，把三相流體看成一個可以互相穿插的連續(xù)性介質(zhì)，在同一模型內(nèi)各相體積分?jǐn)?shù)可以為0 到1 之間，所有相的體積分?jǐn)?shù)的總和是1.

3 幾何模型的建立

3.1 模型結(jié)構(gòu)的建立

本文選用天津某養(yǎng)殖場現(xiàn)有的UASB 反應(yīng)器作為研究對象.UASB 反應(yīng)器的尺寸如圖1 所示.

圖1 UASB 反應(yīng)器的尺寸（單位：m）

本文研究三相分離器尺寸變化對氣體分離效果的影響，不考慮反應(yīng)區(qū).由于二維模型截面上流量與實際情況一致，因此將所建模型簡化為二維問題，即研究垂直截面上三相分離器內(nèi)的流動現(xiàn)象，提高計算效率.

由于模型具有對稱性，實際建模時可以只建立一半，把中心垂線設(shè)置成對稱邊界[10].合適的下集氣室傾斜角度能使污泥不易積聚，盡快落入反應(yīng)區(qū)內(nèi).本文取下集氣室傾斜角度θ=55°[11]；AB 為回流縫寬度，H2為沉淀的高度.三相分離器模型尺寸如圖2 所示.

圖2 三相分離器模型尺寸（單位：m）

3.2 網(wǎng)格劃分

本文利用FIUENT 的前處理軟件GAMBIT 進行模型的建立，幾何建模時避免出現(xiàn)重合的線或者面，模型采用點、線、面的過程進行建立.選擇非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對模型區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為Quad Pave，網(wǎng)格尺寸為0.03 m.

3.3 邊界條件的確定

本文設(shè)定三相分離器的入口為VELOCITYINLET類型，進口處有三種流動的材料，其中液相為廢水，物理屬性密度為1 010 kg/m3，黏度為0.002 Pas；氣相為常溫下甲烷，物理屬性密度為0.666 9 kg/m3，黏度為1.1e～05 Pas；固相為污泥顆粒，物理屬性密度為1 500 kg/m3，黏度為1.78e～05 Pas，粒徑為0.002 m.進口處湍流參數(shù)為湍流強度I 為5%，水力直徑D 為4.8 m.定義液相進口速度為0.000 7 m/s，氣相進口速度為0.000 3 m/s，體積分?jǐn)?shù)為0.4，固相進口速度為0.01 m/s，體積分?jǐn)?shù)是0.1.本文為多相流模擬，出口為外界大氣壓，故選用標(biāo)準(zhǔn)壓力出口PRESSUREOUT，出口處的湍流參數(shù)設(shè)置湍流強度為1%，水力直徑D 為4.8 m.模型是中心對稱圖形，中心處為對稱邊界條件.

本文是在非穩(wěn)態(tài)模擬情況下，進行多相流模擬，因此把密度較小的氣相的密度值設(shè)置為參考密度，氣相的密度為0.666 9 kg/m3，這樣可以減少計算相間動量平衡時的數(shù)值截斷誤差.對進口速度進行初始化，選擇模擬的差分格式收斂標(biāo)準(zhǔn)為1e～04.

4 三相分離器沉淀區(qū)高度及回流縫寬度優(yōu)化

4.1 模型的結(jié)構(gòu)尺寸

UASB 三相分離器模型的結(jié)構(gòu)示意見圖2，三相分離器模型尺寸參數(shù)如表2 所示.

表2 UASB 的三相分離器尺寸

4.2 不同沉淀區(qū)高度下的三相流非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析

在非穩(wěn)態(tài)的情況下，采用多相流Mixture 模型對UASB 的三相分離器進行模擬.本節(jié)在保持其它尺寸不變的情況下，只針對三相分離器的沉淀區(qū)高度尺寸進行模擬優(yōu)化.采用控制變化量法，設(shè)置回流縫寬度為AB=0.4 m（反應(yīng)器實際尺寸），分別取沉淀區(qū)高度為0.55，0.65，0.75，0.85 m.根據(jù)多相流非穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果，從氣體甲烷體積分?jǐn)?shù)隨著時間推移的變化情況來研究氣體分離效果.

當(dāng)時間為1 500 s 時，不同沉淀高度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖3 所示.從圖中可以看出，在懸浮區(qū)，隨著水流和固相顆粒向上運動，氣體逐漸被排出并進入集氣室.在三相分離區(qū)，沉淀區(qū)高度為0.55 m 時，如圖3a 所示，各氣室均有氣體流入，左側(cè)集氣室流入的氣體比右側(cè)集氣室流入的氣體多一些，有少量的氣體流出反應(yīng)器.沉淀區(qū)高度為0.65 m 時，如圖3b 所示，上集氣室右側(cè)幾乎沒有氣體流入，其它的集氣室內(nèi)均有氣體流入.沉淀區(qū)高度為0.75 m 時，如圖3c 所示，上下集氣室充滿的氣體最多，各氣室內(nèi)均有氣體流入，下集氣室左側(cè)氣體較少些.沉淀區(qū)高度為0.85 m時，如圖3d 所示，上集氣室左側(cè)幾乎沒有氣體流入，其它的集氣室內(nèi)均有氣體流入.在沉淀區(qū)，都有少量的氣體流入，而沉淀區(qū)高度為0.55 m 時，流入的氣體較多些.

圖3 1 500 s 時不同沉淀區(qū)高度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

當(dāng)時間為3 600 s 時，不同沉淀高度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖4 所示，從圖中可以看出，隨著時間的推移，氣體被逐漸排出，各集氣室的氣體也在不斷地增加.在三相分離區(qū)，沉淀區(qū)的高度為0.55 m 時，如圖4a 所示，各集氣室均有氣體流入，只有少量的氣體沿著回流縫進入沉淀區(qū).沉淀區(qū)的高度為0.65 m 時，如圖4b 所示，上集氣室右側(cè)幾乎沒有氣體流入，而其它集氣室內(nèi)的氣體不斷地增加.沉淀區(qū)高度為0.75 m時，如圖4c 所示，上下集氣室充滿的氣體最多，上集氣室?guī)缀醣粴怏w占滿，有部分氣體流入沉淀區(qū)，沿著沉淀區(qū)左側(cè)流出反應(yīng)器.沉淀區(qū)高度為0.85 m 時，如圖4d 所示，上集氣室開始有氣體流入，左側(cè)流入的氣體比右側(cè)流入的氣體少一些，其它集氣室內(nèi)的氣體也在不斷地增加.

圖4 3 600 s 時不同沉淀區(qū)高度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

當(dāng)時間為7 200 s 時，不同沉淀高度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖5 所示.從圖中可以看出，隨著時間的推移，集氣室的氣體在不斷地增加，沉淀區(qū)均有少量的氣體流入.沉淀區(qū)高度為0.55 m，如圖5a 所示，在集氣室的右側(cè)上方有少量的氣體進入沉淀區(qū).沉淀區(qū)高度為0.65 m，如圖5b 所示，上集氣室左側(cè)已經(jīng)被氣體占滿，有少量的氣體進入沉淀區(qū)，并隨著液體流出反應(yīng)器，右側(cè)集氣室還有一小部分沒有被占滿.沉淀區(qū)高度為0.75 m，如圖5c 所示，上下集氣室被氣體幾乎占滿，沉淀區(qū)兩側(cè)有氣體沿著回流縫流入沉淀區(qū)形成回流.沉淀區(qū)高度為0.85 m，如圖5d 所示，上集氣室右側(cè)被氣體占滿，有氣體流入沉淀區(qū)形成回流，有少量的氣體隨著液體流出反應(yīng)器，造成氣體的流失.

圖5 7 200 s 時不同沉淀區(qū)高度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

通過對三相分離器沉淀區(qū)高度進行多相流非穩(wěn)態(tài)的模擬，研究結(jié)果表明，從氣體分離的情況來看，沉淀區(qū)高度的變化會引起UASB 反應(yīng)器內(nèi)部流場的變化，從而使氣體在三相分離器內(nèi)的分離效果不同.沉淀區(qū)高度過高，氣體就會集于懸浮區(qū)，導(dǎo)致進入上集氣室的氣體較少；沉淀區(qū)高度過低，流入沉淀區(qū)的氣體隨著液體流出，容易造成氣體的流失.沉淀區(qū)高度為0.75 m，上下集氣室最先被氣體充滿.當(dāng)時間為3 600 s 時，其它高度的情況下上集氣室的氣體充滿大約四分之三的氣室.而沉淀區(qū)的高度為0.65 m 時，上集氣室右側(cè)幾乎還沒有氣體流入.本文選擇沉淀區(qū)高度為0.75 m 時，三相分離器的氣體分離效果最好.

4.3 不同回流縫寬度下的三相流非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析

以上文模擬計算出的沉淀區(qū)高度最優(yōu)值H2=0.75 m 為前提，分別取回流縫寬度AB 為0.2，0.3，0.4，0.5 m，對這四種不同回流縫寬度的三相分離器進行多相流非穩(wěn)態(tài)的模擬.分析隨著時間的增加，三相分離器內(nèi)氣體的體積分?jǐn)?shù)的變化情況，分別選取時間為1 500，3 600，7 200 s 時氣體體積分?jǐn)?shù)云圖進行分析.

當(dāng)時間為1 500 s 時，不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖6 所示.從圖中可以看出，隨著廢水和固相顆粒的向上運動，反應(yīng)器懸浮區(qū)的氣體逐漸被排出，不同工況下，集氣室均有氣體流入.回流縫寬度為0.4 m 時，如圖6c 所示，懸浮區(qū)內(nèi)的氣體最少.回流縫寬度為0.5 m 時，如圖6d 所示，集氣室內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)最小.回流縫寬度為0.3，0.4，0.5 m 時，上集氣室右側(cè)氣體比左側(cè)多，且回流縫寬度為0.4 m 時，各集氣室充滿的氣體最為均勻，回流縫寬度為0.5 m 有氣體流入沉淀區(qū).

圖6 1 500 s 時不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

當(dāng)時間為3 600 s 時，不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖7 所示，從圖中可以看出，隨著回流縫寬度的增加，在三相分離器中心區(qū)域內(nèi)存在的氣體逐漸減少.回流縫0.4 m 時，如圖7c 所示，集氣室充滿的氣體較大，但是流入沉淀區(qū)的氣體較多些，會造成少量氣體的流失.回流縫寬度為0.5 m 時，如圖7d 所示，懸浮區(qū)存在的氣體較多，上集氣室左側(cè)還有大部分的體積沒有被氣體充滿，整體氣室的氣體體積分?jǐn)?shù)較少.

當(dāng)時間為7 200 s 時，不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)的變化如圖8 所示，從圖中可以看出，當(dāng)回流縫寬度為0.2 m 時，如圖8a 所示，三相分離器的上集氣室?guī)缀醣粴怏w全部占滿，下集氣室中間氣室還有部分氣室未充滿，有氣體沿著上集氣室頂部進入沉淀區(qū).回流縫寬度為0.3 m 時，如圖8b 所示，流入沉淀區(qū)的氣體最少，氣體整體分離效果比較好.回流縫寬度為0.4 m 時，如圖8c 所示，三相分離器的上下集氣室?guī)缀跞怀錆M氣體，但沉淀區(qū)兩側(cè)有氣體回流.回流縫寬度為0.5 m 時，如圖8d 所示，三相分離器的上下集氣室還有部分未充滿，有氣體進入沉淀區(qū)，流出反應(yīng)器.

圖7 3 600 s 時不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

圖8 7 200 s 時不同回流縫寬度下氣體體積分?jǐn)?shù)隨時間變化分布

通過對三相分離器回流縫寬度進行多相流非穩(wěn)態(tài)的模擬，研究結(jié)果表明，從氣體分離的情況看，回流縫的寬度變化會引起UASB 反應(yīng)器內(nèi)部的流場的變化，進而導(dǎo)致氣體在三相分離器內(nèi)的分離效果不同.回流縫寬度過寬，氣體會隨著液相與固相進入沉淀區(qū)，導(dǎo)致進入上集氣室的氣體較少.時間為7 200 s時，回流縫寬度為0.5 m，上集氣室還有部分體積未充滿氣體.回流縫寬度過窄，集氣室氣體收集較快，但也會導(dǎo)致固、液兩相不能很好地進入沉淀區(qū)，在懸浮區(qū)的氣體增加，導(dǎo)致三相不能很好地分離.本文選擇的回流縫寬度為0.3 m 時，三相分離器氣體的分離效果最好.

5 結(jié) 論

UASB 反應(yīng)器是一種高效的厭氧生物處理的設(shè)備，在世界各地的應(yīng)用也越來越廣泛，本文在流體為三相流情況下，運用k-ε 湍流模型、多流Mixture 模型，研究尺寸差異對UASB反應(yīng)器三相分離器內(nèi)部流場的影響；觀察氣相的體積分?jǐn)?shù)隨著時間推移的變化情況；分析沉淀區(qū)高度和回流縫寬度兩方面尺寸的變化對氣、液、固三相分離效果的影響，并得出以下結(jié)論.

（1）沉淀區(qū)高度太高，氣體容易在懸浮區(qū)堆積，導(dǎo)致上集氣室氣體收集較慢.沉淀區(qū)高度太低，氣體容易隨著液體流入沉淀區(qū)，會造成氣體的流失.沉淀區(qū)高度為0.75 m，氣體分離效果最好.

（2）回流縫寬度過寬，氣體容易流入沉淀區(qū)，導(dǎo)致氣體收集效果差.回流縫寬度過窄，集氣室氣體收集較快，但也影響固、液兩相不能很好地進入沉淀區(qū)，使懸浮區(qū)的氣體增加，導(dǎo)致固、液、氣三相不能很好地分離.本文選用的UASB 反應(yīng)器，當(dāng)回流縫寬度為0.3 m，氣體分離效果最好.