回流缝宽度对三相分离器分离效果影响的模拟

2014年11月农业机械学报第45卷第11期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．11．030回流缝宽度对三相分离器分离效果影响的模拟术郝飞麟沈明卫何勇冯雷(1．浙江树人大学生物与环境工程学院，杭州310015；2．浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310058)摘要：为探索厌氧反应器中三相分离器污泥回流缝对分离器内流场及气、液、固三相分离性能的影响，以Eulerian多相流模型为理论框架，利用计算流体动力学(CFD)技术对厌氧反应器及三相分离器中的气、液、固三相三维流场以及分离效率进行了模拟分析，模拟中采用工程上常用的80、95、110、125、140mm回流缝宽度。模拟结果表明：三相分离器内部的三相流速大大高于反应器的设计上升流速，其中固相平均流速相对较高；三相分离器内部液相流场以环流为主；污泥回流缝宽度对气、液流动相影响小，对固相影响则相对较大；三相分离器对固相的分离效率较高，混合液经过一层挡板的固相分离率均大于87％，而气相的分离率最低在60％；污泥回流缝宽度越宽、各单层的气、固相分离效率下降，通过三相分离器最上层沉淀区域的补充，混合液中的固相基本上能达到完全分离，而气相在回流缝宽度为95mm左右时分离效率最高。关键词：三相分离器回流缝宽度多相流厌氧反应器模拟中图分类号：X703；TQ028．4文献标识码：A文章编号：1000．1298(20l4)11—0194—07引言环境保护领域中的厌氧技术把废水处理和能源的回收利用有机地结合在一起，特别适用于低成本污／废水的治理，在国内外有很大的应用市场和潜力。。厌氧反应器目前已发展到第3代，其中三相分离器(Three—phaseseparator，TS)作为厌氧反应器的关键设备”，直接决定着厌氧反应器的效率。因此探索分析三相分离器内部气、液、固的运动状况以及影响因素具有重要的现实意义。鉴于三相分离器结构与工作机理的复杂性，人们对其内部固、液、气三相的实际运动理论和规律知之甚少。目前在设计上通常按照固一液两相分离的理论进行设计’，缺少相应的理论基础，其技术一直掌握在国外公司手中，相关的设计方法和参数鲜有报道。国内对TS的研究起始于20世纪90年代，重点在模仿、结构改良分析和性能试验等方面I3，很少涉及到其内部的流场形成和规律等基础理论方面。污泥回流缝(亦称回流口)的确定是TS设计的一个关键问题，过大和过小均会导致TS三相分离效率降低，目前国内按照固一液两相流理论设计，要求混合液的上升流速小于污泥颗粒沉降速度，按该方法设计的回流缝宽度往往偏小，其计算值一般小于30mm(包括EGSB反应器)，极易导致堵塞，与实际运行的回流缝宽度差别较大。随着计算流体动力学(CFD)求解技术在化工反应器领域的成功应用¨，越来越多的研究者利用这项技术进行环境领域的反应器研究，从二沉池、澄清池的流态模拟开始，正逐步深入到带搅拌器的CSTR类反应器流态模拟研究等方面’，但目前尚未涉及反应器内的复杂结构问题。本文以国内应用广泛的欧洲专利变形三相分离器为对象，采用CFD技术，在模拟5种典型回流缝宽度下分离器内部固体颗粒、液体和气体的三维运动情况的基础上，分析回流缝宽度对三相分离器分离性能的影响。1模拟理论反应器内混合液在三相分离器内部的流动为固、液和气三相的混合流动，其描述方程分为以流体为主的Eulerian—EulerianMultiphaseModel和强调颗粒运动的ParticleTranspo~(LagrangianParticleTracking)Model两类¨18]，由于反应器混合液中固、气颗粒和质量较小，所以模拟模型选择以连续流为基础的Eulerian．EulerianMultiphaseModel中的收稿日期：2013—12—29修回日期：2014—02—01国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA100705)作者简介：郝飞麟，高级工程师，主要从事环境保护研究，E-mail：haofeilin@qq．~om通讯作者：沈明卫，副教授，主要从事农业生物环境工程研究，E-mail：shendu@zju．edu．ca第11期郝飞麟等：回流缝宽度对三相分离器分离效果影响的模拟195InhomogeneousModel连续流体模型'。基于单项液体流动的N—S方程，考虑各相的相互特性和相互作用关系，包括动量方程(Momentumequations)、连续性方程(Continuityequations)、相体积守恒方程(Volumeconservationequations)、压力控制方程(Pressureconstraint)、总能量方程(Totalenergyequati0n／Thermalenergyequation)。各方程表述如下：动量方程(r