桨叶类型对核桃壳过滤器反冲洗流场的影响

1、第 40 卷 第 2 期化 工 机 械211*桨叶类型对核桃壳过滤器反冲洗流场的影响陈立秋李枫( 东北石油大学)摘 要 用 CFD 前处理软件 GAMBIT 对 6 种桨叶类型的核桃壳过滤器进行建模，再利用 FLUENT 对反冲洗过程进行数值模拟分析。根据模拟结果初步了解了过滤器内滤料、水流速度及压差的分布规律; 再通过现场实验准确地描述桨叶类型对罐体内流场分布的影响。研究表明: 在一定反冲洗强度和搅拌桨转速情 ，不同类型桨叶对过滤器反冲洗的流场及滤料再生效果影响很显著。核桃壳过滤器 桨叶类型 反冲洗滤料再生 数值模拟TQ051 8 + 4号文献标识码文章编号0254 6094( 2013)

2、02 0211 05A核桃壳过滤器用于含油污水处理工艺中，过滤效果好，滤料容易洗涤再生而得到广泛应用1。在过滤器反冲洗过程中，滤料的再生效果直接关系着之后的过滤效果，而影响滤料再生效果的因素很多，如过滤器结构强度、桨叶类型及搅拌桨转速等，这些因素都不同程度地影响 着流场变化，进而影响滤料的再生效果。其中桨 叶类型关系着滤料在罐内分布均匀程度和膨胀高 度、滤料与滤料及罐壁之间的摩擦力大小、滤料和 水的运动速度以及过滤器的压差等要素。为此， 笔者着重研究桨叶类型对反冲洗过程中流场与滤 料再生效果的影响。1过滤器结构简介核桃壳过滤器结构如图 1 所示，其中的桨叶类型如图 2 所示，笔者双混合型、双径

3、向型、双轴向型、混合 + 径向型、混合 + 轴向型和常规单桨( 混合单桨) 型 6 种桨叶类型的过滤器进行模拟。2计算模型的选取网格划分利用 Gambit 软件对计算区域进行离散，均采用非结构化四面体网格( 图 3) 。考虑到过滤器反冲洗的过程桨叶是旋转的，计算域可分为静止区2 1* 黑龙江省普通高等学校新世纪优秀培养计划项目( 1155 NCET 003) 。生导师。黑龙江省大庆市，163318。，女8 月生，副教授化工机械2013 年212域和旋转区域。由于旋转区域速度梯度较大，应度为 3L / ( s ·m2 ) ，搅拌桨的转速为 65r / min。对旋转区域网格进行加理，静

4、止区域网格相滤料分布规律不同流场结构下的滤料的分布区域和膨胀高度相差较大，其模拟效果如图 4 所示。3 1对稀疏一些2。通过网格无关性进行检验，最终确定网格数量为 564 600 个左右。图 3网格划分示意图数值模拟方法采用稳态多重参考系( MRF) 法对搅拌桨与2 2罐体间的相对运动进行模拟，物料选用滤料 水两相体系，以滤料颗粒在过滤器底部指定区域为初始状态( 使用 Patch 命令设定) 3，应用双流体模型，液相采用 k- 湍流模型，各变量采用迎风差分格式进行离散，收敛残差设置为 10 3PLE。速度耦合采用 PhaseCoupled SIM-图 4 滤料分布区域对比根据以上 6 种搅拌流

5、场的滤料膨胀高度而言，混合流、混合 + 径向流两种流场结构下的滤料膨胀高度较为合理，被冲起的滤料大部分处于两初始边界条件将过滤器的2 3定义为速度边界条件，出口定义为自由出流边界。将旋转区域( 即桨叶区) 内部的流体设置为与搅拌桨具有相同转速进行旋转，而静止区域( 即罐体内其他区域) 内的流体设定为静止，罐内壁面定义为静止壁面条件，桨层搅拌桨叶之间导致布水筛管缝隙堵塞产生憋压现象，且两种流场下的大部分滤料区域分布浓度在 60% 70% 之间，说明过滤器内滤料大部分完全处于流化态，有利于滤料的再生。叶及搅拌轴定义为运动壁面，在此情: 搅拌轴从滤料膨胀高度分析，当核桃壳滤料在搅拌的时候，大部分被冲

6、起的滤料处于搅拌流场中间或者附近时，就说明该滤料处在湍流区，在湍流区 水流的速度以及方向时刻在改变，意味着滤料受到的水流冲击力大，且运动轨迹也在时刻改变，此 时的滤料碰撞摩擦的机会多，则滤料表面污物脱附效果好。但是，当滤料膨胀高度达到或者超出上层搅拌桨叶的时候，同样该滤料的脱附效果也较好，但是由于其膨胀高度过高，流场的速度矢量 以及水流流向的不确定，会导致部分滤料继续上浮，进而堵塞过滤器顶端的布水筛管，造成反冲洗处于静止区域内，相对于此区域内的流体是运动的; 搅拌桨处于旋转区域内，和此区域内的流体以相同旋转速度进行运动，相对区域内的流体运动速度为 02。数值模拟结果分析不同流场结构下的滤料再生

7、效果优劣，可从 3 个方面进行判别: 其一是滤料的分布区域以及膨胀高度; 其二是流场中水流速度; 其三是过滤器3的压差。结合面分析，可最终得出流场结构对滤料再生效果的影响。数值模拟设定反冲洗强第 40 卷第 2 期化工机械213憋压，滤料表面脱附下来污染物质不能被水流冲出罐外，进而导致反冲洗进水量逐渐减小，搅拌流 场的强度以及水流速度逐步降低，导致滤料再生效果差。量是否稳定，对滤料再生效果有着较为重要的影响。对比 6 种流场结构下的过滤器内部压差的大小，分析流场结构对反冲洗压差的影响，模拟效果 如图 6 所示。水流速度分布规律不同流场结构中，水流速度的大小3 2湍流的强度也不相同，结合几种流场

8、的速度矢量图， 分析各湍流区水流速度对滤料再生效果的影响。从水流的速度矢量图( 图 5) 可知，混合流、径向流、混合 + 径向流和常规单桨形成流场的水流方向变化较大，均没有明显的大范围漩涡，却有许 多较小的湍流区，说明其流场结构分布较为均匀; 混合 + 轴向流和轴向流流场结构都具有较为明显的大漩涡分布，说明其部分区域搅拌形成的湍流区水流方向变化较小，即在该区域的滤料碰撞摩擦没有前几种流场剧烈，结合几种流场的湍流区水流速度的波动，波动范围越大，水流作用在滤料表面的越大，可判定径向流、混合 + 径向流和混合流的流场区域内滤料碰撞较其他 3 种流场更为激烈，并且滤料上下浮动区域范围相对较小，其 次是

9、常规单桨和混合 + 轴向流流场，最后是轴向流流场。3 3 压差分布规律反冲洗压差的大小，意味着反冲洗过程中水图 6过滤器压差对比从压差的大小可以反映出不同流场结构下的反冲洗的变化趋势，在反冲洗强度一定的情，滤料膨胀高度越高，反冲洗的阻力越大，当滤料膨胀到布水筛管的缝隙处产生堵塞后还会继续增大，随着的增大，反冲洗水量会逐步减小，进而导致流场的水流速度减缓，进而影响滤料的再生效果。从过滤器的压差来看，径向流和混合 + 径向流流场的压差较小，其主要还是在于该流场结构下的滤料分布区域范围较小，压差递增过程相对较短，但以上 6 种流场结构下的过滤器压差均处在反冲洗过程中较为合理的范围，均没有达到憋压的程

10、度，只是相对来说径向流和混合 + 径向流流场的压差更小一些。4 现场实验研究4 1 实验操作反冲洗过程的 3 个阶段: 启动阶段打开过滤器底部的进水阀和顶部出水阀，使水进入滤料层，并逐渐流化; 搅拌阶段待滤料完全流化，关闭进水和出水 阀，启 动搅拌桨; 冲洗阶图 5水流速度矢量对比化工机械2013 年214段关闭搅拌桨，打开进水和出水阀4。4 2 3滤料再生效果实验效果滤料膨胀高度4 2反冲洗之后，径向流过滤器的滤料，堆积在4 2 1一起，表层为杂质覆盖效果差。其他 5 种从图 7 可知，实验得到的滤料膨胀高度与模过滤器的滤料，呈明显的分散状态，表层干净， 彻底，而其中轴向流、混合 + 轴向流

11、和常规单桨流过滤器的滤料膨胀高度过高且压差较大。综合考虑的结果是: 混合流和混合 + 径向流过滤器的滤料再生效果最好。拟结果的高度基本相符。混合流与混合 + 径向流滤料分布再两桨叶之间，搅拌效果均匀明显; 径向流滤料膨胀高度较低，搅拌效果不明显; 剩余其他 3 种桨叶类流的滤料分布较均匀，但滤料膨胀高度过大，容易使大量滤料堆积于布水筛管而憋压。5结论5 1在一定的反冲洗强度和搅拌桨转速下，不同类型桨叶对过滤器反冲洗的流场和滤料再生效果影响很显著。混合流和混合 + 径向流桨叶达到了使滤料5 2得到充分且均匀的搅拌效果，将滤料分布有效控制在一定高度，而且能克服憋压弊端，滤料再生效果最好。参考文献1

12、峰，等 核桃壳过滤器泵洗式滤料再生技术现场试验J 油气田地面工程， 2003，22( 4) : 34 35，等 六弯叶搅拌槽内假塑图 7滤料膨胀高度4 2 2过滤器压差由表 1 的实验数据可知，各压差相差不是很大，且都在合理范围内。至于轴向流与混合 + 轴向流过滤器的压差稍大，是由部分滤料膨胀过高2性流体流场及变化的数值模拟J 过程工程学报，2010，10( 6) : 1054 1059，等 液固流化床中颗粒特性的数值模拟J 哈尔滨工业大学学报，2010，42( 7) : 1108 1111，等 低压稳流核桃壳过滤器反冲洗机制和效能研究J 给水排水，2007，33 ( 4) : 89 94堵塞

13、布水筛管而致。表面的越大，可判定径3向流、混合 + 径向流和混合流的流场区域内滤料碰撞较其他 3 种流场更为激烈，并且滤料上下浮动区域范围相对较小，其次是常规单桨和混合 + 轴向流流场，最后是轴向流流场。4表 1不同流场结构中过滤器的压差MPa流场结构混合 +径向混合 +轴向混合 径向 轴向常规单桨( 收稿日期: 2012 09 24)压 差0 04 0 05 0 070 050 070 06Paddle TypeInfluence on Backwashing Flow Field ofWalnut Shell FilterLIU Cai yu，CHEN Li qiu，LI Feng( No

14、rtheast Petroleum University，Daqing 163318，China)AbstractMaking use of CFD-GAMBIT software，the mfor walnut shell filter with six different paddleswas established，then the FLUENT was employed to simulate and analyze the backwashing process so that the( Continued on Page 269)第 40 卷第 2 期化工机械269PLAN52 方

15、案一样，根据对密封的题。3 2有压双重机械密封，确定问工艺条件不稳定和安装不良造成的、离心泵抽空气化、瞬间断流都会导致机械密封动、静环之间的液膜破坏，使机械密封在无润滑条件下 干态运行，密封环温度迅速上升，有的直接烧毁， 有的则因为泵恢复正常工作状态时被急剧冷却， 形成热冲击而破裂。除此之外，冲洗流体和冲洗 条件不良，也会对机械密封形成冲击，致使机械密 封遭到破坏。机械密封密封圈失效也是密封失效的主要原因之一。无压机械密封是泵送介质可以有少量泄漏然后将其排至火炬烧掉，对于部分不能通过排至火炬烧掉的介质，例如三乙基铝等介质，此 时机械密封的形式与无压双重机械密封有所不同，第一级与第机械密封的布置

16、采用背靠背式，冲洗方案为在 PLAN52 基础上给虹吸罐加压即 PLAN11 + PLAN53 方案，使得密封力高于泵腔内的 10% 左右，这样一旦机械密封损坏，虹吸罐里面的密封油将会泄漏至泵腔内，中控室有虹吸罐液位低 ，便知道密封已损坏。该方案下，一般常见现象为虹吸罐密封油液 位下降，到现场观察如果密封油没有泄漏到泵外， 则说明是第一级密封坏了。相反，如果发现漏至不彻底，碰、划伤元在装配机械密封前件; 装配; 弹簧装偏、紧固螺钉没拧紧以及拆卸时损坏等，都是机械密封损坏的。结束语在离心泵运行过程中要确保机械密封装配时5适宜的弹簧压缩量，以延长机械密封的使用。泵外，则说明是第密封进行更换。机械密

17、封已损坏，应及时对装配机械密封动环 O 形圈时，为了便于装配，防止 O 形圈斜卷需在轴或轴套上涂抹少量润滑剂， 并且要严格工艺操作和工艺指标，在流量调节和开停车时，避免发生振动、泵抽空以及冲洗流 体断流等现象。机械密封失效泄漏的分析4机械密封失效的主要形式是动、静环之间的磨损失效。动、静环之间的缓冲补偿一般是由弹簧的弹力提供，所以初始值的设定将决定其的长短。( 收稿日期: 2012 10 24)( Continued from Page 205)2 College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 25

18、5666，China)Abstract Making use of the numerical simulation，the influence of corrugated sheets bending angle and flow velocity on the flow stability within corrugated plates was analyzed to show that bigger bending angle and flow field velocity can result in the turbulence in the flow field and the oil dropletsconvolute movement，and having corrugated plates bending angle and flow field velocity considered can benefit the application of the corru