馬亞兵 李賡 李薇 靖波 陳武 尹先清

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中海油研究總院)

0 引 言

化學(xué)反應(yīng)中物料的混合是化工過(guò)程最基本的單元操作之一[1-2]，旋流混合加藥技術(shù)可以強(qiáng)化污水和藥劑的混合。旋流混合反應(yīng)器依靠流體自身的動(dòng)能提供多股流體的無(wú)動(dòng)力旋流混合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳質(zhì)高效、易于實(shí)現(xiàn)三維旋流、促進(jìn)微觀混合和宏觀混合、縮短混合時(shí)間、流體力學(xué)性能良好的優(yōu)點(diǎn)。

Fluent作為最常用的CFD軟件之一[3-5]，廣泛應(yīng)用于化工機(jī)械、生物技術(shù)、航空航天、汽車制造、造船技術(shù)、水利水電、核工業(yè)、礦物加工和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[6-13]。譚理剛等[14]研究了Urea-SCR混合器的性能，根據(jù)CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定了尿素分解效率最高時(shí)混合器的位置為距離噴嘴1倍管徑處；氨氣混合均勻性最好時(shí)混合器的位置為距離噴嘴3倍管徑處。陳云華等[15]運(yùn)用Fluent軟件對(duì)礦用靜態(tài)混合器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，確定了在工藝條件下混合器的最佳長(zhǎng)度為3 000 mm，流線圖顯示此時(shí)產(chǎn)生3個(gè)渦流，具有很強(qiáng)的混合效果。張晨等[16]為了消除或弱化反應(yīng)器內(nèi)的溝流、短路和死區(qū)等現(xiàn)象，應(yīng)用Fluent軟件，以水為工作流體，KCl水溶液為示蹤劑，測(cè)定管線式高剪切混合器中溶液的電導(dǎo)率，并研究了開(kāi)孔形式、腔室結(jié)構(gòu)對(duì)物料在管線式高剪切混合器中停留時(shí)間分布的影響，研究結(jié)果表明：相比于菱形、S形、齒形開(kāi)孔形式的定子，圓孔開(kāi)孔定子具有最佳的混合性能；采用蝸殼形狀的腔室外殼設(shè)計(jì)，出口管與腔室相切時(shí)混合效果最好。王峰等[17]模擬了甘油沿流動(dòng)方向不均勻系數(shù)的變化，由于其“分割-分隔、擾流、摩擦-混合”作用，使得隨動(dòng)式動(dòng)態(tài)混合器具有良好的混合效果，并根據(jù)甘油-水兩相在隨動(dòng)式動(dòng)態(tài)混合器中的混合試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了Fluent模擬的可靠性。但目前對(duì)于污水旋流反應(yīng)器的模擬研究報(bào)道較少。為了解決含油污水處理中藥劑的混合效率，本文基于流程強(qiáng)度理論，采用Fluent模擬軟件，按照中試裝置設(shè)計(jì)處理能力，對(duì)不同污水處理量、污水含油質(zhì)量濃度、直徑、筒體高度設(shè)計(jì)方案下旋流混合反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，研究了不同條件下的藥劑混合效果，以期指導(dǎo)反應(yīng)器的工程設(shè)計(jì)。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)流體在旋流反應(yīng)器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)污水流體為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，建立以下基本方程對(duì)污水加藥旋流反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程通式：

(2)

通過(guò)對(duì)基本方程做時(shí)間平均計(jì)算，得到湍流時(shí)均質(zhì)量守恒方程：

(3)

由于只有讓方程組封閉才能對(duì)其進(jìn)行求解，所以模擬中采用k-ε模型，其湍動(dòng)能k及耗散率ε的運(yùn)輸方程分別為：

(4)

(5)

其中

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能，μt是湍流黏度，Gb是由于浮力影響引起的湍動(dòng)能，YM是可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，C2、C1ε和C3ε是常數(shù)，σk和σε分別是湍動(dòng)能機(jī)器耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，C1ε=1.44，C3ε=0.09，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.3。

湍動(dòng)黏度μt可表示為k與ε的函數(shù)：

(6)

其中

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2 旋流混合反應(yīng)器建模及計(jì)算

2.1 模型構(gòu)建及邊界條件

旋流混合反應(yīng)器建模及網(wǎng)格劃分采用Gambit模塊，首先按照設(shè)計(jì)尺寸在Gambit中建立旋流混合反應(yīng)器的三維幾何模型，如圖1所示，然后采用 TGrid 方法進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分(采用四面體網(wǎng)格)，如圖2所示，最后根據(jù)要求設(shè)置邊界條件：2個(gè)入口邊界，均為速度流體入口，可以認(rèn)為速度均勻分布，分析對(duì)象是穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體；1個(gè)出口邊界，采用壓力形式邊界，邊界值設(shè)置為表壓0；其余為壁面，采用無(wú)滑移條件壁面。

圖1 旋流混合反應(yīng)器三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of the vortex mixing reactor

圖2 旋流混合反應(yīng)器三維網(wǎng)格劃分Fig.2 Three-dimensional meshing of the vortex mixing reactor

2.2 數(shù)值求解

將上述網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 12.1中，然后按順序選擇求解參數(shù)，具體如下：

(1)選擇求解定常態(tài)流動(dòng)。

(2)模型選擇。在多相流中選擇VOF多相流模型，相數(shù)為2；在黏性模型中選擇兩參數(shù)可實(shí)現(xiàn)k-ε模型，默認(rèn)模型參數(shù)；在組分模型中選擇組分運(yùn)輸。

(3) 在邊界條件設(shè)置中，污水入口選擇兩相流，含油質(zhì)量濃度根據(jù)要求設(shè)定(5 000 mg/L和12 000 mg/L)，油珠直徑為200 μm；藥劑入口選擇混合物進(jìn)料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；湍動(dòng)能k及耗散率ε計(jì)算采用5%的湍流程度及相應(yīng)的水力直徑。

(4) 收斂精度為10-3，選用非耦合隱式求解器，選擇迭代次數(shù)開(kāi)始計(jì)算求解。

3 模擬與優(yōu)化結(jié)果分析

按照以下處理?xiàng)l件對(duì)體系分別進(jìn)行計(jì)算：①污水處理量12.0、9.6和4.8 m3/d；②含油質(zhì)量濃度5 000和12 000 mg/L。

為方便觀察分析藥劑在污水中的擴(kuò)散混合情況，在Fluent中建立了通過(guò)藥劑注入管中心軸的水平平面和豎直平面以及污水入口的水平平面，所建立的截面可以顯示流體的流動(dòng)狀態(tài)以及藥劑的組分云圖等信息。

圖3為藥劑入口豎直平面質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)軌跡圖。從圖3可以看出反應(yīng)器中存在大量渦流，可以強(qiáng)化混合效果。圖4為藥劑水平平面質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)軌跡圖。從圖4可以看出，藥劑與污水逆向混合后被污水夾帶向上流動(dòng)。圖3和圖4模擬結(jié)果顯示在藥劑入口管附近存在濃度梯度，在其余空間濃度梯度很小，混合效果良好。圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗巹┡c污水的混合區(qū)域。

圖3 藥劑入口豎直平面質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)軌跡Fig.3 Flow trajectory of particles in the vertical plane along the dosing inlet

圖4 藥劑入口水平平面質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)軌跡Fig.4 Flow trajectory of particles in the horizontal plane along the dosing inlet

3.1 污水處理量對(duì)混合效果的影響

用Fluent模擬了含油質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，污水處理量分別為12.0、9.6和4.8 m3/d 時(shí)的3種工況，藥劑在水平平面的組分云圖如圖5所示。

圖5 藥劑水平平面組分云圖Fig.5 The horizontal plane component distribution of the agent

從圖5可以看出，在出反應(yīng)器前，3種工況下藥劑已混合均勻，藥劑在反應(yīng)器中呈螺旋狀混合上升，隨著污水處理量的減小，紊流程度和混合效果均減弱。

3.2 含油質(zhì)量濃度對(duì)混合效果的影響

在含油質(zhì)量濃度分別為5 000和12 000 mg/L、污水處理量為9.6 m3/d工況下，藥劑在水平平面的組分云圖如圖6所示。

圖6 藥劑水平平面組分云圖Fig.6 The horizontal plane component distribution of the agent

從圖6可知：出反應(yīng)器之前，藥劑與污水已完全混合均勻；隨著含油質(zhì)量濃度的增加，混合效果未出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)或減弱，即污水含油質(zhì)量濃度對(duì)藥劑混合效果無(wú)明顯影響，旋流混合反應(yīng)器的應(yīng)用范圍廣泛。

綜上，藥劑與污水在較小的空間已完全混合，因此可適當(dāng)優(yōu)化反應(yīng)器直徑和筒體高度，使其空間利用率最大化。

3.3 反應(yīng)器直徑優(yōu)化

污水處理量為12.0 m3/d、反應(yīng)器不同直徑(D=260、200、160 mm)時(shí)的模擬結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 藥劑豎直平面組分云圖Fig.7 The vertical plane component distribution of the agent

圖8 藥劑水平平面組分云圖Fig.8 The horizontal plane component distribution of the agent

從圖7和圖8可見(jiàn)：直徑為260 mm時(shí)反應(yīng)器內(nèi)部流體的旋轉(zhuǎn)速度較慢，紊流程度較小，污水沿錐體向下的流動(dòng)較少，混合情況較差，需要較大的上部空間；直徑為200 mm時(shí)，污水進(jìn)入反應(yīng)器后一部分以較快速度沿錐體旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)，到達(dá)底部后沿中心向上流動(dòng)，與進(jìn)入的藥劑形成逆流接觸，另一部分快速螺旋向上流動(dòng)，強(qiáng)化了徑向的混合，在整個(gè)錐形區(qū)域形成了良好的混合，上部空間需求較少；直徑為160 mm時(shí)旋轉(zhuǎn)更快，同樣在底部較小的區(qū)域完成混合，但此時(shí)底部錐體角度過(guò)小，沒(méi)有在中心形成向上的流動(dòng)，影響了反應(yīng)器中心區(qū)域的利用。綜合來(lái)看，反應(yīng)器直徑為200 mm時(shí)綜合混合效果最好。

3.4 反應(yīng)器筒體高度優(yōu)化

當(dāng)旋流混合反應(yīng)器直徑為200 mm、污水處理量為12.0 m3/d時(shí)，不同反應(yīng)器筒體高度(H=400、200和300 mm)對(duì)藥劑混合效果的影響如圖9和圖10所示。

圖9 藥劑豎直平面組分云圖Fig.9 The vertical plane component distribution of the agent

圖10 藥劑水平平面組分云圖Fig.10 The horizontal plane component distribution of the agent

對(duì)不同筒體高度的反應(yīng)器進(jìn)行了模擬，研究筒體高度對(duì)混合效果的影響。從圖9和圖10可以看出：筒體高度為400 mm時(shí)，混合主要發(fā)生在錐形區(qū)域，筒體上部有很大的空間不存在濃度梯度，因此可以考慮降低筒體高度；當(dāng)高度降低為200 mm時(shí)，混合仍然主要發(fā)生在錐形區(qū)域，但因中心向上的流動(dòng)，整個(gè)筒體都存在濃度梯度，并未達(dá)到均勻混合；當(dāng)筒體高度減小至300 mm時(shí)，在高度為200 mm的水平平面上已基本混合均勻，符合要求，因此300 mm是較優(yōu)化的筒體高度。

4 結(jié) 論

(1)利用Fluent對(duì)旋流混合反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析結(jié)果表明，隨污水處理量的增加，流體的紊流程度和藥劑的混合效果均增強(qiáng)。

(2)含油質(zhì)量濃度對(duì)旋流混合反應(yīng)器的藥劑混合效果無(wú)明顯影響。

(3)在設(shè)計(jì)處理量12.0 m3/d條件下，旋流混合反應(yīng)器直徑為200 mm、筒體高度為300 mm時(shí)藥劑達(dá)到最優(yōu)綜合混合效果。