重質非水相液體分離新型旋流器

重質非水相液體(DNAPL)在地下環(huán)境的遷移導致土壤及地下水有機污染問題日益加劇。DNA-PL主要是由礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、石油化工等工業(yè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的煤焦油、重礦物油等和生物醫(yī)藥、電子清洗中廣泛使用的氯代烴等溶劑和萃取劑排放或泄露進入環(huán)境的。DNAPL中很多成分具有致癌、致畸、致突變性，嚴重危害環(huán)境安全和人體健康。我國將較為常見的DNAPL組分如三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等列人了優(yōu)先控制的有毒有害水污染物名錄。

DNAPL類污染物密度大，難溶于水，易在重力作用下向下遷移至非承壓含水層，在水力梯度作用下也會沿水平方向運移并聚集賦存于低滲透介質中，導致其污染的地下水修復困難，并且修復后期效率會顯著降低，出現(xiàn)“拖尾”問題。因此，高效分離地下水中的重質非水相液體已成為地下水修復領域的熱點問題。目前，地下水污染修復常采用異位修復，主要通過過濾、沉降、吸附、離心等方法對DNA-PL進行分離，其中沉降的處理周期較長，過濾和吸附不僅材料成本較高，而且還易造成二次污染，而離心處理時間短、成本低、二次污染可控。但傳統(tǒng)旋流器運行過程中產(chǎn)生的短路流限制了其離心的高效分離。為了減少短路流量，國內外專家學者通過改變旋流器溢流管結構和流體運動軌跡等方式對旋流器進行改進。LI等研究表明，采用弧形溢流管相比線性溢流管可有效降低短路流量，從而提高分離效率。ZHANG等研究表明，減小曲率半徑可減少短路流對粗顆粒夾帶的影響，也可有效提高分離效率。LI等提出了一種厚壁溢流管旋流器，與傳統(tǒng)旋流器相比，短路流量降低了8.09%。這些新結構均不同程度地減少了短路流量，但與傳統(tǒng)旋流器一樣都是基于液固旋流分離器提出的，在液液旋流分離器方面很難直接應用，而對DNAPIL進行分離屬于液液分離。

本研究在短路流移動路徑上通過改變流體的運動軌跡，阻止內溢流管外形成短路流，使這些未參與分離的流體重新進人旋流器，從而達到減少短路流量、提高分離效率的目的，而且可用于液液分離。通過在內溢流管外壁到旋流器圓柱段內壁之間增加引流結構設計出一種內溢流管外側帶有環(huán)隙溢流結構的新型旋流器，使用數(shù)值模擬方式與傳統(tǒng)旋流器對比流場特性、短路流量和分離性能，證實了新型旋流器的優(yōu)越性。

1、數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學模型

旋流器結構如圖1所示。新型旋流器是在傳統(tǒng)旋流器結構的基礎上，在內溢流管外側增加了環(huán)隙溢流管。旋流器結構的尺寸如表1所示。利用ICEMCFD軟件分別對兩種旋流器的流體域進行六面體網(wǎng)格劃分，對邊界層區(qū)域的網(wǎng)格適當加密以更精確地捕捉邊壁處的流場信息。

1.2 計算方法及邊界條件設置

運用Fluent軟件進行模擬，湍流模型采用雷諾應力模型(RSM)，多相流模型采用混合模型(ASM）。連續(xù)相為水，分散相用工業(yè)污染場地地下水中檢出率較高的DNAPL類污染物――TCE，檢出體積分數(shù)通常為1%～70%，本研究按ASM適用范圍的最小值設置TCE體積分數(shù)為10%。入口設置為按速度入口，模擬5種不同入口速度（2、4、6、8、10m/s)下的分離情況，出口設置為壓力出口，壁面設置為無滑移條件，相間曳力模型選用Schiller-Naumann模型。熱力學溫度設置為298K，選用壓力基準算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，壓力與速度的耦合選用SIMPLEC算法，壓力空間離散化設置為PRESTO！，空間離散化其他方程均定義為二階迎風格式，殘差精度設置為1×10-5。

2、臺架實驗

臺架實驗用于驗證數(shù)值模擬準確性，選擇底流壓降與分離效率作為驗證指標。底流壓降是研究能量消耗的主要依據(jù)，混合物中的TCE經(jīng)旋流器分離后由底流口排出，因此底流壓降對于分離較為重要，根據(jù)入口壓力與底流口壓力的差值計算得到。分離效率根據(jù)底流口TCE相質量和入口TCE相質量的商值計算得到。

臺架實驗流程如圖2所示。TCE與水的混合液從混合罐流出，經(jīng)增壓泵增壓、金屬管浮子流量計計量后進入旋流器，在離心力的作用下進行分離，分離后的水相、TCE相分別經(jīng)旋流器溢流口、底流口返回混合罐，完成循環(huán)過程，短路流及未完全分離的混合液重新進入旋流器進行分離。

3、結果與討論

3.1 模擬準確性驗證

3.1.1 網(wǎng)格無關性驗證

為減小網(wǎng)格劃分對模擬結果的影響，對3種網(wǎng)格數(shù)量（①1809574、②2470810、③2840866）進行無關性驗證，3種不同網(wǎng)格數(shù)量下新型旋流器柱錐交界面（Z=0mm)的切向速度和軸向速度如圖3所示。由圖3可知，3種網(wǎng)格數(shù)量的切向速度和軸向速度分布具有相似的變化趨勢，特別是當網(wǎng)格數(shù)量超過2470810后，切向速度和軸向速度分布更是高度一致，不再與網(wǎng)格數(shù)量有關，為了節(jié)省計算時間，后續(xù)模擬采用網(wǎng)格數(shù)量2470810進行計算。

3.1.2 邊界條件驗證

圖4為新型旋流器分離效率、底流壓降的實驗值與模擬值隨入口速度的變化曲線。分析分離效率可知，當入口速度為2~6m/s時，模擬值與實驗值比較接近且均呈上升趨勢，當入口速度超過6m/s后，分離效率實驗值出現(xiàn)下降，而模擬值未有下降趨勢。分析原因：一是模擬過程中忽略了導致TCE相液滴破碎的切向剪力和壁面對液滴的摩擦力；二是當入口速度超過6m/s后，旋流場內強湍流作用會使TCE相發(fā)生乳化，且速度增大使得TCE相在旋流腔內停留時間變短；三是實際實驗過程中取樣、測量過程會對計算結果有一定的干擾，導致分離效率降低。分析底流壓降發(fā)現(xiàn)，底流壓降隨入口速度的增加而增大，且實驗值與模擬值上升趨勢一致，但實驗值大于模擬值。分析原因：實驗中新型旋流器入口、底流口所安裝的壓力表距旋流器還有一段管道連接距離，有損失?？傮w而言，在人口速度2~10m/s(特別是2～6m/s)時數(shù)值模擬結果是準確可信的。

3.2 切向速度分布模擬

切向速度在旋流器三維流動中數(shù)值最大，是產(chǎn)生離心力使兩相分離的基本前提。圖5為旋流器的切向速度分布。由圖5(a)可知，在Z=8D處，兩種旋流器切向速度均符合Rankine渦分布，但新型旋流器內旋流區(qū)的切向速度小于傳統(tǒng)旋流器，而在外旋流區(qū)大于傳統(tǒng)旋流器。在內旋流區(qū)中減小切向速度有利于減少徑向渦，而外旋流區(qū)中增大切向速度可以提高兩相的分離效率。在Z=0D處，與在Z=8D處不同，兩種旋流器的切向速度在內旋流區(qū)均出現(xiàn)了一段下凹現(xiàn)象，分析其原因為旋流器內溢流管結構壁面及其產(chǎn)生的阻力影響了流體的流動狀態(tài)。由圖5(b)可知，隨著入口速度的增加，內旋流區(qū)內切向速度顯著增大，離心力變大，對分離有利，但是考慮到徑向渦可能會增大，所以需要綜合考慮入口流速。由此可見，新型旋流器的環(huán)隙溢流管降低了內旋流區(qū)的切向速度，增大了外旋流區(qū)的切向速度，入口流速需要平衡離心力和徑向渦。

3.3 軸向速度分布模擬

圖6為旋流器的軸向速度分布。由圖6(a)可見，軸向速度在數(shù)值上小于切向速度且有正有負，表示同時存在著上行流和下行流。對比不同截面處兩種旋流器的軸向速度可以發(fā)現(xiàn)，總體上，在內溢流管直徑范圍內，傳統(tǒng)旋流器的向下的軸向速度大于新型旋流器，在內溢流管直徑范圍外則小于新型旋流器，分析其原因為環(huán)隙結構改善了流場分布，導致新型旋流器在內溢流管直徑范圍內向上的軸向速度減小，不容易夾帶重質TCE相微粒向外逃逸，對分離有利。由圖6(b)可知，隨著入口速度的增加，軸向速度的絕對值增大，導致混合液在旋流器內停留時間變短，不利于兩相分離，這也說明入口速度需要綜合考慮?？梢?，新型旋流器的環(huán)隙溢流管降低了旋流器內旋流區(qū)的軸向速度，增加入口速度會導致混合液在旋流器內停留時間變短。

3.4 流線分布模擬

圖7為兩種旋流器在入口速度為6m/s時圓柱段在X=0mm處的流線分布。對比圖7(a)和圖7(b)可知，新型旋流器內循環(huán)渦流較傳統(tǒng)旋流器明顯減小，表明新型旋流器的渦損失較小，流場更加穩(wěn)定，且新型旋流器的環(huán)隙結構引流了短路流，使得內溢流管中無短路流存在。根據(jù)文獻的方法計算得到短路流量，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)旋流器的短路流量占13.61%，而新型旋流器已沒有短路流量。可見，新型旋流器的環(huán)隙溢流管可消除短路流。

在同等分離效率的前提下，通過新型旋流器與傳統(tǒng)旋流器出口的面積比可換算得到處理相同質量的污染物時，新型旋流器的分離時間縮短到只有傳統(tǒng)旋流器的81%?？梢姡谔幚硐嗤|量的污染物時，新型旋流器所需分離時間更短，效率更高。

3.5 分離效率

由圖8可知，兩種旋流器的分離效率均隨入口速度的增加而增大，原因是隨著入口速度增加，旋流器內壓力升高，混合液受到的離心力增大，因此分離效率提高。對比兩種旋流器的分離效率可知，在入口速度為2~6m/s時，新型旋流器的分離效率均高于傳統(tǒng)旋流器，而在入口速度超過6m/s后，由于會發(fā)生乳化現(xiàn)象兩者的分離效率差異不大。綜合而言，新型旋流器的最佳入口速度為6m/s，對應的最高分離效率達到99.91%。

4、結論

（1）新型旋流器的環(huán)隙溢流結構降低了旋流器內旋流區(qū)的切向速度和軸向速度，增大了外旋流區(qū)的切向速度，且消除了短路流。

（2）新型旋流器在網(wǎng)格數(shù)量2470810、最佳入口速度6m/s時，分離效率最高達到99.91%，在同等分離效率的前提下分離時間縮短為傳統(tǒng)旋流器的81%。（來源：華東理工大學機械與動力工程學院，中國石油烏魯木齊石化公司，華東理工大學資源與環(huán)境工程學院，高濃度難降解有機廢水處理技術國家工程實驗室，國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風險評估與控制重點實驗室）