王學平， 甄莎莎， 龔 斌， 吳劍華

(沈陽化工大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

臥式連續(xù)液液分離裝置及其操作方法，涉及化工生產過程中非勻相流體分離的生產裝置和操作方法[1].因其分離連續(xù)，設備占用空間小，運動構件少的優(yōu)勢而受到廣泛關注.在很多領域中得到生產應用，如石油化工、制藥、農藥、輕工業(yè)、污水和廢水處理等[2-3].

由于入口條件的限制，臥式液液分離器并沒有充分應用到實際生產中.如何充分地利用斜板沉降器的分離，使其最大限度的進行非勻相分離成為炙手可熱的問題.早在20世紀90年代陸耀軍[3]總結了幾種典型的入口構件結構后，又提出了幾種穩(wěn)流構件，如柵格式、孔板式和填料箱式[5].穩(wěn)流構件的應用使分離器內的流場更接近斜板沉降器研究時的理想狀態(tài)，即穩(wěn)定的層流狀態(tài)[6].作為入口構件的一種，防沖擋板能夠有效地對入口來流進行消能穩(wěn)流，但沖擊射流流動復雜，擋板后出現一定程度的渦流擾亂流場，影響液滴的聚結和沉降速度，所以整流構件也起到了至關重要的作用.陸耀軍[3]通過模擬和實驗研究認為擋板式入口構件使更多的液體只從下端流向分離區(qū)，并形成非常嚴重的一次渦流現象.

為避免或減弱流場中嚴重的一次渦流、二次渦流和反混現象，本文提出在防沖擋板后增加布液板，并針對此種結構進行分析.典型的穩(wěn)流構件主要從穩(wěn)定分離器內部流場的角度考慮，改變穩(wěn)流構件的形式和結構.本文從另一角度考慮整流構件的作用，在入口構件后加入穩(wěn)流構件折流板，一方面考慮其具有穩(wěn)流，減緩流場湍動的現象，另一方面考慮增加液滴在分離器內沉降的距離.流體在兩折流板之間流入分離室內，沿著斜板向上下兩側流動.針對這種折流板結構進行數值模擬，分析折流板的穩(wěn)流效果以及折流板的變化參數對流場的影響.

1 數值模擬

1.1 計算模型

數值模擬的分離器結構與尺寸參數如圖1所示.長方體分離器長×寬×高=1 080 mm×480 mm×480 mm(不含入口管和出水管)，防沖擋板的尺寸為長×寬=240 mm×120 mm，防沖擋板與前壁面的距離為32 mm，進液管安裝在前壁面上，圓心高度為72 mm，直徑24 mm，溢流板高度為144 mm.流體由入口進入分離器，出水口流出容器，為簡單的直管流動[7].

1 入水口 2 防沖擋板 3 折流板4 分離器主體 5 溢流板 6 出水口 圖1 分離器模型Fig.1 The model of separator

1.2 邊界條件

(1) 入口條件:入口采用Velocity-inlet，以控制流量的方式對入口處流體進行控制.因分離器內部液滴分離環(huán)境的要求，入口速度應控制在0.5～2 m/s，本文速度取1 m/s.

(2) 壁面條件:絕熱，無滑移壁面[8].

(3) 出口條件:采用壓力出口.在正常操作條件下，混合流體中油的體積分數小于5 %，本文采用水單相作為模擬對象，對入口流體的流動狀態(tài)進行分析.流場中普遍存在回流，壓力出口條件能夠更好地處理回流問題，更容易收斂[9].

1.3 方程求解

求解方案中湍流模型的近壁面采用標準壁面函數；壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，壓力的離散方式為Standard形式；動量、湍動能、湍動能耗散率均采用二階迎風格式.模擬工況為單相水，并假定流體不可壓縮，物性參數為常數.

2 結果與分析

2.1 有無折流板對分離器內部流場的影響

混合液體進入分離器中，由于入口階段分離器內的速度變化比較大，在該處受到入口構件的影響很容易形成漩渦.防沖擋板的安裝起到了減速消能的作用，但流體遇到防沖擋板的阻礙流動方向改變，存在著流體的擾動，進入分離階段的液體達不到穩(wěn)定狀態(tài)使混合液體不能最有效地分離，折流板的布置能夠有效地彌補這一不足.但折流板的板邊緣對流體的流動也會產生一定的擾動，如邊緣會改變流體方向，流體受到不同方向的力向不同的方向流動產生漩渦和尾流.本文所選折流板的結構為對稱貼壁面的長方形板塊，能夠使混合液體從斜板的中間向兩側流動，同時穩(wěn)定地流入分離器內部，增加液滴的流動長度，延長液滴的分離時間.

為直觀地表明有無折流板對分離器內部流場穩(wěn)流的影響，對分離器內部軸向不同截面的平均速度和相對標準偏差進行分析，其結果如圖2所示.從圖2可以看出：加入折流板后分離器內的軸向平均速度明顯減小.而速度分布相對標準偏差明顯小于沒有加入折流板的情況.相對標準偏差越小，表明速度分布越均勻[10].折流板具有明顯的降低速度，穩(wěn)定流場的作用.

圖2 折流板放置前后軸向速度分布Fig.2 The velocity distribution of cross section of separator with and without baffle plate

進一步考察安裝折流板后對分離器內部流場流動特性的影響，觀察分離器軸向中心Z=120 mm截面的速度矢量圖(由于分離器左右處于對稱結構，只截取一側的矢量圖)，如圖3所示.流體經過折流板后，分離器內的流體重新分布，渦流現象減少，有著明顯的整流作用.

圖3 折流板放置前后流場的速度矢量圖Fig.3 The velocity vector of separator with and without baffle plate

2.2 折流板之間的距離對分離器內部流場的影響

對折流板不同尺寸帶給分離器內部流場的影響進行分析，尺寸的改變用折流板之間的距離h表示.取4種折流板間距，分析分離器內部流通截面的軸向速度平均值和軸向速度相對標準偏差，如圖4所示.

圖4 不同尺寸的折流板軸向速度分布Fig.4 The velocity distribution of cross section of separator with different baffle plate

從圖4可以看出：h為100 mm時，加入折流板前后，速度變化劇烈；h為400 mm時，折流板后的平均速度仍有波動；h為200 mm和300 mm時，速度緩慢的減小，折流板后的平均速度穩(wěn)定.從圖4還可以看出：h為100 mm時，軸向速度的相對標準偏差明顯大于其他3種；h為200 mm時，速度變化比較平穩(wěn)，沒有波動，相對標準偏差最小，說明此種折流板結構更有利于整流.

進一步分析折流板對分離器內部流場分布情況的影響，觀察圖5的矢量圖.從圖5(a)可以看出，來流液體沖擊到防沖擋板后再經過折流板仍在分離器前部較大區(qū)域形成較大的旋渦，分離器的底部流體向回流動，有嚴重的一次渦流.由圖5(b)的流場流動特性可以看出，流體沿著分離器軸向流動，沒有旋渦和反混現象出現.由圖5(c)可以看出，在折流板的前面受防沖擋板和折流板對流體的抑制，在此處形成了小的旋渦，并且在分離器前部分的上端出現了大的旋渦，流體沿著上壁面向相反的方向流動，形成了復雜的流場.由圖5(d)可以看出，雖然在分離器的后半部分流體流動穩(wěn)定，但在折流板附近出現了渦流流動和反混現象，不利于液液分離.

圖5 Z=120 mm截面不同尺寸的折流板速度矢量圖Fig.5 The velocity vector of different baffle plales in cross section of Z=120 mm

為了更詳細地觀察折流板后流場的變化，截取Y=0的面分析速度矢量圖的變化.由圖6(a)可以看出流場比較混亂，一側有較大的渦流，另一側的渦流比較小.由圖6(b)可以看出，流場形成了一定的規(guī)律，在分離器內渦流對稱出現，渦流比較大，尾流較長，渦流平穩(wěn)需要較長的分離空間.由圖6(c)可以明顯看出流場渦流較小很快形成了穩(wěn)定的流動，能夠為分離提供好的流場環(huán)境，也為分離提供更多的分離空間.當折流板距離更小時由圖6(d)可以看出，流場再次形成大的渦流，分離器內有大的渦流出現.

結合折流板軸向速度分布圖和中心截面速度矢量圖，綜合分析可知：折流板之間距離h為200 mm時，分離器內部流體速度分布均勻，尾流小，折流板穩(wěn)流效果最好，沒有回流和反混現象.

圖6 Y=0 mm截面不同尺寸的折流板速度矢量圖Fig.6 The velocity vector of different baffle plates in cross section of Y=0 mm

2.3 折流板之間的距離對分離器內部流場定量分析

折流板尺寸的不同對分離器內部有著明顯的影響，上面通過分析分離器內軸向不同截面的速度分布和Z=120 mm截面速度矢量圖判斷流場的穩(wěn)定情況和速度變化.下面分析分離器內縱向不同高度上速度的變化，更詳細地了解流場的湍動情況.

沿著流體流入的軸向方向截取不同截面上的速度，通過分析和比較3種不同高度上速度的變化情況，得出流場的紊亂情況.采取軸向截面分別為X=200 mm、X=400 mm、X=600 mm處；不同高度為Y=36 mm、Y=72 mm、Y=156 mm的位置.不同折流板尺寸下，各截面上不同高度的速度如圖7～圖10所示.

圖7 h=400 mm截面上不同高度的速度變化Fig.7 Velocity change with different heights on the section of h=400 mm

從圖7(a)和圖7(b)可以看出，截面的不同高度速度有所不同，隨Y值的增加，總體速度越高，即上壁面的速度比較大.圖7(c)速度已經逐漸穩(wěn)定，上壁面的速度減小，中心軸線上(Y=72 mm)的速度與其下方的速度相差不多，說明分離器下方的速度變化不明顯.通過觀察圖7可以發(fā)現，中心軸線下方的速度變化趨勢也不盡相同.

從圖8可以看出分離器內部不同截面的不同高度速度變化復雜，不同高度分離器內速度變化不同，隨著流體向分離器內部的流動，流體逐漸穩(wěn)定，上下部分速度變化一致，但設備內左右兩側的流體速度高于中間部分的速度.

圖8 h=300 mm 截面上不同高度的速度變化Fig.8 Velocity change with different heights on the section of h=300 mm

從圖9可以看出，流體在折流板附近速度變化不穩(wěn)定，而隨著流體的流動，不同高度的流體速度基本達到一致，沒有明顯的擾動.沿著分離器軸向方向觀察截面的速度變化，距離入口越遠，速度變化越小，越穩(wěn)定.從圖10可明顯看出，流體速度波動比較大，速度變化大，非常不利于液液分離.觀察圖7(c)、圖8(c)、圖9(c)和圖10(c)可以看出，軸向截面的Y值不同，但速度變化趨勢基本一致，Y=156 mm的速度沒有明顯高于中心軸線上(Y=72 mm)的速度.當折流板距離h為100 mm時，分離器分離區(qū)域的流體速度變化仍不穩(wěn)定，變化范圍較大，變化趨勢不一致.

圖9 h=200 mm 截面上不同高度的速度變化Fig.9 Velocity change with different heights on the section of h=200 mm

觀察同一高度下流體的流速變化情況，在折流板前速度沒有明顯的區(qū)別，速度變化紊亂；折流板之后有著明顯的區(qū)分，分離器的中間部分速度比較小，而貼壁的兩側速度相對比較大.無論是分離器的上半部分還是下半部分基本都是中間部分速度大而兩邊速度小，而隨著折流板之間的距離變小，這種變化規(guī)律越加的不明顯.特別是h=100 mm的情況下，分離器的左半部分速度大，右半部分速度小.

圖10 h=100 mm 截面上不同高度的速度變化Fig.10 Velocity change with different heights on the section of h=100 mm

3 結 論

針對處理量為0.2 m3的分離器，分析分離器內流場的穩(wěn)定情況.折流板的布置能夠明顯地改善分離器內部流體的分布情況，對來流液體沖擊到防沖擋板后形成的渦流進行有效地抑制，改善分離器內部流場的紊亂.折流板尺寸對分離器內流場分布的影響非常明顯，當折流板尺寸小時，流體易形成旋渦；折流板尺寸過大時，折流板前的流體易堆積形成小的漩渦，都不利于液液分離.通過對分離器不同截面位置的定量分析，當折流板之間距離h較大時，分離器上壁面的速度比較大；當折流板之間的距離h逐漸減小時，分離器內部流場更容易穩(wěn)定，而當距離繼續(xù)減小時，流場再次呈現出不穩(wěn)定的現象.從模擬結果的定性和定量分析得出，當折流板之間的距離h為200 mm時，折流板對穩(wěn)流效果最好.

折流板的布置對穩(wěn)定分離器內的流場起著至關重要的作用.分離器內部流場越穩(wěn)定，越有利于分離，因為穩(wěn)定的流體和均勻的流速分布能夠減少渦的產生，保持柱塞流的特性，利于液滴的浮升運動.折流板研究的意義在于盡量減少渦的產生，各截面上流體流動狀態(tài)保持一致，沒有反混，液滴順利浮升，分離前期流體越穩(wěn)定越有利于分離，這應是不斷改進的目標.本文所研究的折流板起到了穩(wěn)流作用，有利于液滴的浮升.

：

[1] 吳劍華.臥式連續(xù)交錯流液液分離裝置及操作方法：CN101612488[P].2009-12-30.

[2] 戚俊清，劉亞莉，許培援，等.新型液-液分離設備——斜板沉降器[J].化工機械，1998，25(6)：358-362.

[3] 陸耀軍，潘玉琦，薛敦松.重力式油水分離設備入口構件的模擬實驗優(yōu)選[J].石油學報，1995，16(3)：111-114.

[4] MIZRAHI J,BARNEA E.Compact Settler Gives Efficient Separation of Liquid-Liquid Dispersions[J].Process Energy，1973，1(3):60.

[5] 陸耀軍，潘玉琦，薛敦松.重力式油水分離設備整流構件的模擬實驗優(yōu)選研究[J].石油學報，1996，12(4)：97-102.

[6] 呂宇玲，何利民，王國棟，等.含不同構件的重力式分離器內流場數值模擬[J].石油機械，2008，36(2)：12-16.

[7] 黃衛(wèi)星.工程流體力學[M].北京：化學工業(yè)出版社.2009：62-88.

[8] 陳利.大功率高速混流泵流動模擬與結構優(yōu)化[D].杭州：浙江大學，2006：33-34.

[9] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT——流體工程仿真計算實例與應用[M].2版.北京：北京理工大學出版社，2010：24-27.

[10] 邱雷，李建隆.布液板對重力式油水分離器流動與分離特性的影響[J].能源化工，2014，35(6)：70-73.