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含油污水的处理一直是石油及其他相关行业的一个重要课题。在众多处理方法中,水力旋流分离法因其处理量大、结构简单、操作和维护方便等优点而受到关注。然而,水力旋流分离器是一种结构简单而影响因素多且影响又非常复杂的一类油水分离技术,设计和操作不当都会出现能耗高、油滴去除效率低的问题。本文在利用颗粒动态分析仪(PDA)对用于油水分离的水力旋流分离器的流场和浓度场进行分析的基础上,基于数值模拟技术研究了分离条件对旋流分离器压降和油水分离效率的影响,并对旋流分离器的结构参数进行优化,开发出一个用于油水分离的高效旋流分离器。
利用PDA成功地对构建的水力旋流油水分离器内的流场、油滴平均粒径和油滴浓度分布进行了同时分析。结果表明,在该旋流油水分离器的下端部分,轴向速度小于零,油滴不能通过溢流管排出,但由于切向速度的存在,油滴甚全小油滴(0-10um)向旋流器轴心聚集,随着径向距离的减小,油滴浓度不断增加,并在旋流器的轴心附近达到最大值。
利用计算流体力学(CFD)方法模拟研究了操作参数、物料特性以及结构参数对旋流油水分离器流场、压降和分离效率的影响。结果表明,用欧拉混合多项流模型和雷诺应力湍流模型可以较精确地模拟旋流油水分离器的流场特征和分离性能。对于本研究构建的旋流油水分离器,最佳的分流比为10％,临界油滴浓度为0.5%(v/v)。大小锥角、主直径和进口管直径是影响旋流油水分离器流场、压降及分离效率的主要结构参数。
在通过数值模拟技术对旋流油水分离器的大小锥角、主直径、底流管直径、底流管长度、溢流管直径、溢流管插入长度、大圆柱长度以及进口管直径等结构参数进行优化的基础上,重新制作了一台旋流油水分离器,并在旋流分离器轴心处加设实心铁丝来降低空气柱的影响。验证实验结果表明,旋流油水分离器在进口压力为420kPa,油浓度为3000mg/L时,其除油效率可达94.08%,压降仅为248kPa。