卧式气浮器设计及流场仿真研究

文章编号： 1006-9798（2024）03-0086-07； DOI： 10.13306/j.1006-9798.2024.03.012

摘要： 为了提高卧式气浮器的除油效率，对卧式气浮器的结构进行优化设计计算。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术，研究了不同结构的流场变化特性。仿真结果表明，卧式气浮器流场仿真过程显示出阶梯分层效果，可以处理含油废水；当入水口在左中间轴向，挡板高度为120 mm和出水口在右中间轴向时，卧式气浮器的除油率最高可达98.75%。

关键词： 卧式气浮器； 碰撞； 除油率； 气浮效果

中图分类号： X703.3文献标识码： A

采油和炼油阶段产生的含油废水具有高含水率和高乳化状态等特点，处理工艺复杂[1-3]。常用的重力沉降和活性炭吸附等技术除油效果不佳，不能达到排放标准的要求[4]。对含油废水进行成分分析后，采用以气浮为主，化学为辅的处理工艺，提高了除油效果[5]。气浮除油原理是将高压饱和溶气水通入低压罐体后产生微纳米气泡与含油废水中的油滴相结合，形成密度低于水的气泡－油滴聚合体上浮到含油废水表面，在水相界面张力的作用下，气泡－油滴聚合体破碎，气浮槽过滤出聚合的油滴从出油口排出[6]。气浮除油工艺常采用的设备是卧式气浮器，广泛应用于浮选矿、水处理和油气工程等领域中[7-9]。卧式气浮器的结构参数是影响气浮除油效果的主要因素[10]，但现在测量仪器难以直接测量，通常采用CFD （Computational Fluid Dynamics）的方法研究结构参数对卧式气浮器流场特性的影响规律，研究表明模拟优化后卧式气浮器的几何结构可以提高气浮分离效率[11]，通过8种不同尺寸的逆向－同向卧式气浮器的仿真模拟，结果表明合适的结构尺寸使气相体积分布更加均匀，气泡和油滴能够充分结合[12]。对卧式气浮器的气泡聚并行为和流场特性进行研究，结果表明折流板高度对流场影响很大[13]，较低位置的气、液入口和较低的隔板不利于气浮除油[14]。对卧式气浮器的仿真研究主要集中在接触区和分离区分开的类型，对接触区和分离区混合的类型研究较少。为此，本文根据企业需求设计了卧式气浮器的结构参数，借助Fluent仿真软件对接触区和分离区混合卧IMrZyn+6YBoyJntJ3gIT9g==式气浮器的含油废水处理过程进行仿真模拟，分析了油水气三相流的流场密度、流场速度和流场压力等流场特性，探求结构参数对除油效果的影响规律。

1卧式气浮器设计及建模

1.1几何建模

卧式气浮器的基本结构示意图如图1，其中入水口设定有a，b，c三个位置，中心位置a为左壁面高度1/4处，中心位置b为左壁面高度1/2处，c为左壁面高度3/4处；出水口的位置设定有d，e，f三个位置，其中d为右壁面高度1/2处、e为右壁面高度1/4处和f为下壁面长度4/5处。含油废水从入水口1进入，挡板10和折流板组合7依次阻缓含油废水的速度，高压饱和溶气水通过溶气水口6通入罐体3与油滴结合形成气泡－油滴聚合体，上浮到水面，经撇油槽8过滤的油滴从出油口9排出，净化后的水经过液位板4，从出水口5排出，气泡从排气口2排出。

1.2参数设计

某企业采用卧式气浮器处理采油和炼油过程中的含油废水，处理量Q为1.5 m3/h。基于相关设计规范，计算罐体的长度和直径。含油废水的含油量为2 000 mg/L，体积V为1 L时含油量为2 g，水、油和气的相对密度分别为ρw=780 kg/m3、ρo=998.2 kg/m3和ρg=0.75 kg/m3，含油废水中的油相体积为Vo=mo/ρo=0.0025L；含油废水中的油相体积分数为αo=Vo/V=0.25%；含油废水中的油处理量为Qo=Q×αo=0.004 m3/h，净化水处理量为Qw=Q－Qo=1.496 m3/h。含油废水乳化严重，需加入混凝剂和絮凝剂时，油滴中值为598 μm[15]，取油滴粒径dm为600 μm时，可得罐中的最大油层高度homax为

homax=3.25×10－5tro（ρw－ρo）d2mμo

=3.25×10－52×（998－780）×10－3×600260×0.002 4=3.542mm（1）

其中，油的粘度μo为0.002 4 kg·（m·s-1）；油的停留时间tro为120 s。油水的分离后通过管口流出，取油水的停留时间相同，计算Aw/A

AwA=12×QwtrwtroQw+trwQw=12×1.496×120120×0.004+120×1.498=0.499（2）

根据Aw/A值，查气体压缩因子Z和Aw/A的曲线图[16]，可得Z

Z=hoD=0.01（3）

根据式（1）和（3）求得卧式气浮器的最大罐体直径Dmax

Dmax=homaxZ=3.5420.01=354.2mm（4）

当D小于Dmax且满足气体处理量限制条件时，罐体直径D与罐体长度le的气体容量约束方程式为

Dle=34.5×TZQgPρgCD（ρo－ρg）dm12

=34.5×321×0.01×0.075×60×600.050.75×1.827（780－0.75）×60012=4.658×104（5）

式中，操作压力P取0.05 MPa；分离器操作温度T，取321 K；溶气量Qg取0.075 m3/h；阻力系数CD取1.827。D<Dmax满足油和水的停留时间限制条件时，计算D与le解的组合

D2le=4.2×104（troQo+trwQw）（6）

得到卧式气浮器罐体直径D=162.292mm，长度le=436.111mm。根据实际经验罐体的直径与长度比值不超过5，且最小比值不能低于3[17]，调整后可取D=180mm，le=600mm。

2卧式气浮器数值模拟

2.1网格划分

仿真分析使用Fluent软件中Component Systems的Mesh模块，以结构化六面体网格单元对卧式气浮器模型进行网格划分，各个入口和出口进行局部加密处理，网格数量为455 535，网格节点为72 086，形成计算域（图2）。

卧式气浮器的流体流动过程遵循连续性方程、能量方程和动量方程[18-20]。多相流模型选用Mixture模型模拟卧式气浮器内的流体流动，湍流模型选用kε realizable方程。

2.2边界条件

根据卧式气浮器的实际工作条件，设定初始压力为0.1 MPa，入水口的速度为0.85 m/s，含油体积分数为0.002 5，溶气水口的速度为0.15 m/s，油滴粒径为600 μm，气泡直径为30 μm，在空气溶解率100%的气相体积分数为0.1。入水口和溶气水口的湍流参数选择湍流强度为5%，湍流粘度比为10。各个出口均为压力出口，湍流项值与入水口边界条件保持一致，其它参数保持系统默认值。

2.3网格无关性验证

为了降低网格数量对于模拟仿真计算结果的准确性造成影响，针对不同网格数量的卧式气浮器模型进行网格无关性验证，选取网格数量从12万到66万的卧式气浮器模型，计算入水口流速为4 m/s工况下卧式气浮器的流场运动特征。网格无关性如图3，截取出水口上水相的切向速度。当网格数量达到455 535时，水流速度偏差较小，网格数量不再影响仿真结果的准确性，因此，计算时取45万的网格数。

3卧式气浮器流场仿真的结果及分析

3.1流场信息分布

为检验卧式气浮器结构的合理性，分别截取流场密度、流场速度和流场压力云图（图4、图5和图6）。卧式气浮器的流场密度云图如图4，流场密度呈现阶梯分布，中上层的密度在50～150 kg/m3之间，下层的密度为750～950 kg/m3。通入溶气水，改变了原来的流场密度，形成的气泡在含油废水中均匀分布。流场密度有较好分层，中上层为气相，使气浮处理含油废水成为可能。

分析图5，混合区的流体速度整体偏低，保证了流体在罐体内有足够的停留时间[21]，气泡和油滴充分碰撞和黏附接触结合，气泡-油滴聚合体大多数能够浮到水的表面，经过撇油槽过滤，从出油口流出。

由图6可知，液位板左侧，流场压力呈现梯度分布；液位板上方和右侧，流场压力都较低，表明经过气浮处理过的水相能够平稳流出。

3.2入水口位置的影响

入水口位置分别设计在左下方轴向、左中间轴向和左上方轴向。不同入水口位置的卧式气浮器的油相体积分布云图如图7，不同入水口位置的油相体积分数分布不同；在左中间轴向时，撇油槽内的油相含量最高，聚合最多；入水口位置过高或过低，整体水流波动性较小，与从下方溶气水口通入的气泡不能充分搅拌，小气泡容易聚并形成大气泡，同时大气泡在混合区容易上浮[14]；大气泡不易与油滴结合，且干扰小气泡和油滴结合，不利于气泡-油滴聚合体上浮，极易引起气泡- 油滴聚合体破碎和解吸，气浮除油效果变差。

入水口位置不同时，监测入水口和出水口的含油量，计算除油率结果如图8。入水口位置为左中间轴向时，出水口的含油量最少，除油率最高。原因是入水口在左中间轴向时，卧式气浮器有比较好的气浮处理效果，撇油槽过滤出大多数结合的气泡-油滴聚合体，使出水口的水质变好。因此，卧式气浮器选用出水口位置在左中间轴向时除油效果最佳。

3.3挡板高度的影响

确定入水口位置在左中间轴向后，研究挡板高度对卧式气浮器流场的影响。挡板高度分别设置为90 mm，105 mm和120 mm，此时卧式气浮器的油相体积分布不同，其云图如图9，挡板高度为120 mm时，卧式气浮器的撇油槽内和周围聚集的油相体积分数较高，因为随着挡板高度的减少，从入水口进入的水流遭到挡板的阻碍较少，水流的速度变快，混合区油滴和气泡有较少的接触时间，气泡不能与油滴进行紧密结合；较多的气泡在混合区停留，逐渐聚并成较大的气泡，影响气泡和油滴碰撞，减弱溶气气浮作用的效果，较多的油滴从出水口流出。当挡板高度高于120 mm时，挡板左侧水位过高，根据连通器的原理，混合区的水位也会随之升高，超过撇油槽的正常过滤水位，撇油槽将失去作用。

不同挡板高度时，监测入水口和出水口的含油量，计算除油率结果如图10。挡板高度为120 mm时，除油率最高，大多数的油滴浮到水的表面，通过出油口排出废油，出水口的水质变好，气浮效果好。

3.4出水口位置的影响

确定入水口位置在左中间轴向和挡板高度120 mm后，研究不同出水口位置对卧式气浮器流场的影响。出水口位置分别为侧下方径向，右下方轴向和右中间轴向，不同出水口位置时卧式气浮器的油相体积分布云图如图11。出水口位置不同时，卧式气浮器在混合区的油相体积分数分布不同。出水口位于右中间轴向时，撇油槽上油相的体积分数过高。出水口在右中间轴向时，液位板右侧会有一部分水相在罐中储存，减缓水相流出罐体的时间，使气泡和油滴能够有较多的接触时间，提高气泡－油滴聚合体产生，有利于气浮除油的作用过程，提高油滴去除率。

此时，监测入水口和出水口的含油量，计算除油率结果如图12。当出水口位置为右中间轴向时，出水口的含油量最低，为25 mg/L，除油率可达98.75%，表明出水口位置取右中间轴向为最佳。此时，卧式气浮器的除油效果明显，出水口的水质变得更好，气浮效率高。

4结论

采用数值模拟的方法对设计的卧式气浮器流场进行模拟仿真，研究其影响因素，优化结构参数。通过对卧式气浮器的流场密度、流场速度和流场压力分析，中上层的密度在50～150 kg/m3之间，下层的密度为7b6fa06378589950391bb80e17f29d84c50～950 kg/m3，流体能够在罐体里面有足够的停留时间，流场压力呈现梯度分布。卧式气浮器选择入水口位置为左中间轴向时，气泡容易与油滴结合；取挡板高度为120 mm时，增加气泡和油滴的碰撞和接触概率；出水口在右中间轴向时，增加油滴和气泡的接触时间，最高除油率为98.75%。今后需要进行实验结果和仿真结果的共同验证，修正数值模型，使之更加接近实验结果。

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Design and Flow Field Simulation of Horizontal Air Lifter

WANG Ying1， LI Xingzhen2， CHENG1Guangwei2， HU Xuyan3

LI Yankun1， YIN Ningxia2

（1.Cnooc Energy Development Equipment Technology Co.， LTD Zhanjiang Branch， Zhanjiang 524057，China;

2.College of Mechanical Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088，China;

3. Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.， LTD， Zhanjiang 524057， China）

Abstract：

In order to improve the computational efficiency of the horizontal air lifter， the structure of horizontal air lifter was designed. The changing characteristics of its flow field were simulated by CFD（Computational Fluid Dynamics） technology. The simulation results show that the designed horizontal air float is effective in treating oilbearing wastewater. The flow field shows that there is a good step stratification effect. When the water inlet is in the left intermediate axis， the baffle height is 120 mm and the water outlet is in the right intermediate axis， the horizontal air float has a better air flotation effect.

Keywords： horizontal air lifter; collision; oil removal rate; air flotation effect

收稿日期： 2024-03-25； 修回日期： 2024-06-26

基金项目： 中海油能源发展装备技术有限公司湛江分公司合同项目（B23364）

第一作者： 王英（1974-），男，高级工程师，工程硕士，主要研究方向为多相流分离技术。

通信作者： 尹凝霞（1975-），博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为先进制造技术、CFD/CAE仿真分析。Email： yinnx@gdou.edu.cn