1、第 40 卷 第 2 期化 工 機 械211*槳葉類型對核桃殼過濾器反沖洗流場的影響陳立秋李楓( 東北石油大學)摘 要 用 CFD 前處理軟件 GAMBIT 對 6 種槳葉類型的核桃殼過濾器進行建模，再利用 FLUENT 對反沖洗過程進行數值模擬分析。根據模擬結果初步了解了過濾器內濾料、水流速度及壓差的分布規律; 再通過現場實驗準確地描述槳葉類型對罐體內流場分布的影響。研究表明: 在一定反沖洗強度和攪拌槳轉速情 ，不同類型槳葉對過濾器反沖洗的流場及濾料再生效果影響很顯著。核桃殼過濾器 槳葉類型 反沖洗濾料再生 數值模擬TQ051 8 + 4號文獻標識碼文章編號0254 6094( 2013)

2、02 0211 05A核桃殼過濾器用于含油污水處理工藝中，過濾效果好，濾料容易洗滌再生而得到廣泛應用1。在過濾器反沖洗過程中，濾料的再生效果直接關系著之后的過濾效果，而影響濾料再生效果的因素很多，如過濾器結構強度、槳葉類型及攪拌槳轉速等，這些因素都不同程度地影響 著流場變化，進而影響濾料的再生效果。其中槳 葉類型關系著濾料在罐內分布均勻程度和膨脹高 度、濾料與濾料及罐壁之間的摩擦力大小、濾料和 水的運動速度以及過濾器的壓差等要素。為此， 筆者著重研究槳葉類型對反沖洗過程中流場與濾 料再生效果的影響。1過濾器結構簡介核桃殼過濾器結構如圖 1 所示，其中的槳葉類型如圖 2 所示，筆者雙混合型、雙徑

3、向型、雙軸向型、混合 + 徑向型、混合 + 軸向型和常規單槳( 混合單槳) 型 6 種槳葉類型的過濾器進行模擬。2計算模型的選取網格劃分利用 Gambit 軟件對計算區域進行離散，均采用非結構化四面體網格( 圖 3) 。考慮到過濾器反沖洗的過程槳葉是旋轉的，計算域可分為靜止區2 1* 黑龍江省普通高等學校新世紀優秀培養計劃項目( 1155 NCET 003) 。生導師。黑龍江省大慶市，163318。，女8 月生，副教授化工機械2013 年212域和旋轉區域。由于旋轉區域速度梯度較大，應度為 3L / ( s ·m2 ) ，攪拌槳的轉速為 65r / min。對旋轉區域網格進行加理，靜

4、止區域網格相濾料分布規律不同流場結構下的濾料的分布區域和膨脹高度相差較大，其模擬效果如圖 4 所示。3 1對稀疏一些2。通過網格無關性進行檢驗，最終確定網格數量為 564 600 個左右。圖 3網格劃分示意圖數值模擬方法采用穩態多重參考系( MRF) 法對攪拌槳與2 2罐體間的相對運動進行模擬，物料選用濾料 水兩相體系，以濾料顆粒在過濾器底部指定區域為初始狀態( 使用 Patch 命令設定) 3，應用雙流體模型，液相采用 k- 湍流模型，各變量采用迎風差分格式進行離散，收斂殘差設置為 10 3PLE。速度耦合采用 PhaseCoupled SIM-圖 4 濾料分布區域對比根據以上 6 種攪拌流

5、場的濾料膨脹高度而言，混合流、混合 + 徑向流兩種流場結構下的濾料膨脹高度較為合理，被沖起的濾料大部分處于兩初始邊界條件將過濾器的2 3定義為速度邊界條件，出口定義為自由出流邊界。將旋轉區域( 即槳葉區) 內部的流體設置為與攪拌槳具有相同轉速進行旋轉，而靜止區域( 即罐體內其他區域) 內的流體設定為靜止，罐內壁面定義為靜止壁面條件，槳層攪拌槳葉之間導致布水篩管縫隙堵塞產生憋壓現象，且兩種流場下的大部分濾料區域分布濃度在 60% 70% 之間，說明過濾器內濾料大部分完全處于流化態，有利于濾料的再生。葉及攪拌軸定義為運動壁面，在此情: 攪拌軸從濾料膨脹高度分析，當核桃殼濾料在攪拌的時候，大部分被沖

6、起的濾料處于攪拌流場中間或者附近時，就說明該濾料處在湍流區，在湍流區 水流的速度以及方向時刻在改變，意味著濾料受到的水流沖擊力大，且運動軌跡也在時刻改變，此 時的濾料碰撞摩擦的機會多，則濾料表面污物脫附效果好。但是，當濾料膨脹高度達到或者超出上層攪拌槳葉的時候，同樣該濾料的脫附效果也較好，但是由于其膨脹高度過高，流場的速度矢量 以及水流流向的不確定，會導致部分濾料繼續上浮，進而堵塞過濾器頂端的布水篩管，造成反沖洗處于靜止區域內，相對于此區域內的流體是運動的; 攪拌槳處于旋轉區域內，和此區域內的流體以相同旋轉速度進行運動，相對區域內的流體運動速度為 02。數值模擬結果分析不同流場結構下的濾料再生

7、效果優劣，可從 3 個方面進行判別: 其一是濾料的分布區域以及膨脹高度; 其二是流場中水流速度; 其三是過濾器3的壓差。結合面分析，可最終得出流場結構對濾料再生效果的影響。數值模擬設定反沖洗強第 40 卷第 2 期化工機械213憋壓，濾料表面脫附下來污染物質不能被水流沖出罐外，進而導致反沖洗進水量逐漸減小，攪拌流 場的強度以及水流速度逐步降低，導致濾料再生效果差。量是否穩定，對濾料再生效果有著較為重要的影響。對比 6 種流場結構下的過濾器內部壓差的大小，分析流場結構對反沖洗壓差的影響，模擬效果 如圖 6 所示。水流速度分布規律不同流場結構中，水流速度的大小3 2湍流的強度也不相同，結合幾種流場

8、的速度矢量圖， 分析各湍流區水流速度對濾料再生效果的影響。從水流的速度矢量圖( 圖 5) 可知，混合流、徑向流、混合 + 徑向流和常規單槳形成流場的水流方向變化較大，均沒有明顯的大范圍漩渦，卻有許 多較小的湍流區，說明其流場結構分布較為均勻; 混合 + 軸向流和軸向流流場結構都具有較為明顯的大漩渦分布，說明其部分區域攪拌形成的湍流區水流方向變化較小，即在該區域的濾料碰撞摩擦沒有前幾種流場劇烈，結合幾種流場的湍流區水流速度的波動，波動范圍越大，水流作用在濾料表面的越大，可判定徑向流、混合 + 徑向流和混合流的流場區域內濾料碰撞較其他 3 種流場更為激烈，并且濾料上下浮動區域范圍相對較小，其 次是

9、常規單槳和混合 + 軸向流流場，最后是軸向流流場。3 3 壓差分布規律反沖洗壓差的大小，意味著反沖洗過程中水圖 6過濾器壓差對比從壓差的大小可以反映出不同流場結構下的反沖洗的變化趨勢，在反沖洗強度一定的情，濾料膨脹高度越高，反沖洗的阻力越大，當濾料膨脹到布水篩管的縫隙處產生堵塞后還會繼續增大，隨著的增大，反沖洗水量會逐步減小，進而導致流場的水流速度減緩，進而影響濾料的再生效果。從過濾器的壓差來看，徑向流和混合 + 徑向流流場的壓差較小，其主要還是在于該流場結構下的濾料分布區域范圍較小，壓差遞增過程相對較短，但以上 6 種流場結構下的過濾器壓差均處在反沖洗過程中較為合理的范圍，均沒有達到憋壓的程

10、度，只是相對來說徑向流和混合 + 徑向流流場的壓差更小一些。4 現場實驗研究4 1 實驗操作反沖洗過程的 3 個階段: 啟動階段打開過濾器底部的進水閥和頂部出水閥，使水進入濾料層，并逐漸流化; 攪拌階段待濾料完全流化，關閉進水和出水 閥，啟 動攪拌槳; 沖洗階圖 5水流速度矢量對比化工機械2013 年214段關閉攪拌槳，打開進水和出水閥4。4 2 3濾料再生效果實驗效果濾料膨脹高度4 2反沖洗之后，徑向流過濾器的濾料，堆積在4 2 1一起，表層為雜質覆蓋效果差。其他 5 種從圖 7 可知，實驗得到的濾料膨脹高度與模過濾器的濾料，呈明顯的分散狀態，表層干凈， 徹底，而其中軸向流、混合 + 軸向流

11、和常規單槳流過濾器的濾料膨脹高度過高且壓差較大。綜合考慮的結果是: 混合流和混合 + 徑向流過濾器的濾料再生效果最好。擬結果的高度基本相符。混合流與混合 + 徑向流濾料分布再兩槳葉之間，攪拌效果均勻明顯; 徑向流濾料膨脹高度較低，攪拌效果不明顯; 剩余其他 3 種槳葉類流的濾料分布較均勻，但濾料膨脹高度過大，容易使大量濾料堆積于布水篩管而憋壓。5結論5 1在一定的反沖洗強度和攪拌槳轉速下，不同類型槳葉對過濾器反沖洗的流場和濾料再生效果影響很顯著。混合流和混合 + 徑向流槳葉達到了使濾料5 2得到充分且均勻的攪拌效果，將濾料分布有效控制在一定高度，而且能克服憋壓弊端，濾料再生效果最好。參考文獻1

12、峰，等 核桃殼過濾器泵洗式濾料再生技術現場試驗J 油氣田地面工程， 2003，22( 4) : 34 35，等 六彎葉攪拌槽內假塑圖 7濾料膨脹高度4 2 2過濾器壓差由表 1 的實驗數據可知，各壓差相差不是很大，且都在合理范圍內。至于軸向流與混合 + 軸向流過濾器的壓差稍大，是由部分濾料膨脹過高2性流體流場及變化的數值模擬J 過程工程學報，2010，10( 6) : 1054 1059，等 液固流化床中顆粒特性的數值模擬J 哈爾濱工業大學學報，2010，42( 7) : 1108 1111，等 低壓穩流核桃殼過濾器反沖洗機制和效能研究J 給水排水，2007，33 ( 4) : 89 94堵塞

13、布水篩管而致。表面的越大，可判定徑3向流、混合 + 徑向流和混合流的流場區域內濾料碰撞較其他 3 種流場更為激烈，并且濾料上下浮動區域范圍相對較小，其次是常規單槳和混合 + 軸向流流場，最后是軸向流流場。4表 1不同流場結構中過濾器的壓差MPa流場結構混合 +徑向混合 +軸向混合 徑向 軸向常規單槳( 收稿日期: 2012 09 24)壓 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 期化工機械269PLAN52 方

15、案一樣，根據對密封的題。3 2有壓雙重機械密封，確定問工藝條件不穩定和安裝不良造成的、離心泵抽空氣化、瞬間斷流都會導致機械密封動、靜環之間的液膜破壞，使機械密封在無潤滑條件下 干態運行，密封環溫度迅速上升，有的直接燒毀， 有的則因為泵恢復正常工作狀態時被急劇冷卻， 形成熱沖擊而破裂。除此之外，沖洗流體和沖洗 條件不良，也會對機械密封形成沖擊，致使機械密 封遭到破壞。機械密封密封圈失效也是密封失效的主要原因之一。無壓機械密封是泵送介質可以有少量泄漏然后將其排至火炬燒掉，對于部分不能通過排至火炬燒掉的介質，例如三乙基鋁等介質，此 時機械密封的形式與無壓雙重機械密封有所不同，第一級與第機械密封的布置

16、采用背靠背式，沖洗方案為在 PLAN52 基礎上給虹吸罐加壓即 PLAN11 + PLAN53 方案，使得密封力高于泵腔內的 10% 左右，這樣一旦機械密封損壞，虹吸罐里面的密封油將會泄漏至泵腔內，中控室有虹吸罐液位低 ，便知道密封已損壞。該方案下，一般常見現象為虹吸罐密封油液 位下降，到現場觀察如果密封油沒有泄漏到泵外， 則說明是第一級密封壞了。相反，如果發現漏至不徹底，碰、劃傷元在裝配機械密封前件; 裝配; 彈簧裝偏、緊固螺釘沒擰緊以及拆卸時損壞等，都是機械密封損壞的。結束語在離心泵運行過程中要確保機械密封裝配時5適宜的彈簧壓縮量，以延長機械密封的使用。泵外，則說明是第密封進行更換。機械密

17、封已損壞，應及時對裝配機械密封動環 O 形圈時，為了便于裝配，防止 O 形圈斜卷需在軸或軸套上涂抹少量潤滑劑， 并且要嚴格工藝操作和工藝指標，在流量調節和開停車時，避免發生振動、泵抽空以及沖洗流 體斷流等現象。機械密封失效泄漏的分析4機械密封失效的主要形式是動、靜環之間的磨損失效。動、靜環之間的緩沖補償一般是由彈簧的彈力提供，所以初始值的設定將決定其的長短。( 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