1 引言

鉆井污水主要由廢棄鉆井液、巖屑、油、沖洗水和各類添加劑組成，懸浮物含量高，組分復(fù)雜多變，可降解能力差，是石油行業(yè)比較難以處理的污染源。臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)具有單機(jī)處理能力強(qiáng)、能夠連續(xù)自動(dòng)化運(yùn)行以及對(duì)物料適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在鉆井污水處理領(lǐng)域占有重要地位。

2 模型與邊界條件

模型的結(jié)構(gòu)形式來自實(shí)際使用中的LW-250型臥螺離心機(jī)，其主要尺寸參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑：250mm

半錐角：8°

轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比：4

螺旋推料器的螺旋內(nèi)筒外徑：170mm

葉片傾角：0°

螺旋導(dǎo)程：60mm

對(duì)出渣段予以適當(dāng)簡(jiǎn)化，并做出以下假設(shè)：

①轉(zhuǎn)鼓內(nèi)充滿液體且流動(dòng)穩(wěn)定。

②液相是連續(xù)不可壓縮流體。

③固相是密度均勻等粒徑球形顆粒，運(yùn)動(dòng)過程中無變形與破碎。

④不考慮重力作用。

分離物料選擇體積分?jǐn)?shù)20%的滑石粉漿液，滑石粉的顆粒形狀均勻，不易發(fā)生破碎和聚結(jié)現(xiàn)象，能夠巧妙地回避絮凝影響。粒度分布由Malvern激光粒度儀測(cè)得，顆粒中徑為28.73μm，體積平均粒徑為32.59μm。由于Fluent中的Mixture模型不能直接對(duì)正態(tài)分布的顆粒進(jìn)行計(jì)算，模擬取單一粒徑30μm，顆粒堆積極限取理論值0.72。

模型采用Pro/E與Gambit聯(lián)合建立，在進(jìn)料管、溢流口和螺旋流道中心區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)無關(guān)性驗(yàn)證，確定的網(wǎng)格數(shù)目約為54萬。

邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)口采用速度進(jìn)口，流速取1.2m/s；溢流口與出渣口采用Outflow邊界，出流質(zhì)量權(quán)重取0.45:0.55；流道內(nèi)與流體接觸的壁面均采用無滑移條件；螺旋與轉(zhuǎn)鼓間差轉(zhuǎn)速通過SRF模型指定。進(jìn)料的物性參數(shù)和離心機(jī)的操作參數(shù)如下：固相粒徑30μm，固相密度2621.2kg/m3，液相密度998.2kg/m3，液相黏度1.003mPa·s，處理量2.0m3/h，液池深度20mm，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速4000r/min，差轉(zhuǎn)速20r/min。

3 求解策略及過程

用RSM湍流模型來模擬臥螺離心機(jī)內(nèi)部流動(dòng)。顆粒的沉降與輸送過程采用Mixture模型模擬，Mixture模型采用單流體方法，但允許相與相之間的相互貫穿，也允許各相以不同的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此能夠比較全面地反映臥螺離心機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)狀況。

4 結(jié)果分析和驗(yàn)證

4.1 顆粒直徑對(duì)分離性能的影響

當(dāng)粒徑較小時(shí)，沉渣含濕量沿轉(zhuǎn)鼓軸向的變化不大，分離效果不佳。隨著顆粒直徑的增加，沉降速度變快，沉渣含濕量在轉(zhuǎn)鼓軸向的下降速度明顯變快，出渣含濕量也更低。當(dāng)顆粒直徑大于50μm時(shí)，不同粒徑下沉渣含濕量曲線的斜率基本保持不變，說明粒徑的增加對(duì)脫水速度影響較小，但對(duì)脫水效果仍有一定影響。

評(píng)價(jià)臥螺離心機(jī)分離性能的指標(biāo)主要有固相回收率與出渣含固率。在粒徑大于10μm后，固相回收率不再明顯變化，說明在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和操作條件下，直徑大于10μm的顆粒幾乎都不會(huì)從溢流口逃逸，符合臥螺離心機(jī)保持高回收率的情況。出渣含固率隨顆粒直徑變化而提高，增加幅度先快后慢，逐漸逼近顆粒的堆積極限對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含固率82.7%。

4.2 顆粒密度差對(duì)分離性能的影響

當(dāng)顆粒密度大于液相密度時(shí)，顆粒密度越大，離心沉降速度越快，分離效果越好。但當(dāng)固相密度接近甚至小于液相密度時(shí)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固相體積分?jǐn)?shù)分布將發(fā)生很大變化。當(dāng)顆粒密度與水接近時(shí)，此時(shí)的出渣含固率與固相回收率都比較低，這說明兩相沒有實(shí)現(xiàn)有效分離。固相含量在靠近排渣口附近為13%～15%，在溢流口附近為25%～28%，即出現(xiàn)了“排渣口排水，溢流口溢渣”的情況。其機(jī)理可概括為：密度較大的液相分布在螺旋流道外側(cè)，顆粒漂浮在液體內(nèi)表面，在轉(zhuǎn)鼓錐段，液相流動(dòng)半徑縮小，開始擠壓分布在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)的顆粒相，迫使其反向流動(dòng)至轉(zhuǎn)鼓大端。此時(shí)，液固兩相雖然也發(fā)生了分離，但固相只能集中在轉(zhuǎn)鼓中部，分離效果很差，溢流口的出渣也容易導(dǎo)致出口的堵塞，這些顯然都違背設(shè)計(jì)意愿。因此，采用傳統(tǒng)的螺旋卸料式離心機(jī)難以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)固體的分離。

4.3 液相黏度

液相黏度表示物料中液相水的黏度，區(qū)別于物料的混合黏度，顯然混合黏度與進(jìn)料濃度有關(guān)，而進(jìn)料濃度的影響通過Mixture多相流模型進(jìn)行考慮。因此，分析黏度對(duì)分離性能的影響時(shí)只需考慮不同操作溫度下液相黏度的變化范圍即可。

溫度降低時(shí)，液體黏度增加，切向速度略有下降，而低切向速度對(duì)分離過程不利，因此降低液體黏度有利于固液分離。對(duì)于一些難分離物料，機(jī)械脫水前一般要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使顆粒絮凝，從而變得容易沉降。然而，調(diào)質(zhì)有時(shí)也會(huì)增加物料的混合黏度，因此，雖然調(diào)質(zhì)對(duì)分離性能的改善比較明顯，但仍要以分離效果較佳為宜。

5 結(jié)論

（1）臥螺離心機(jī)的分離效果隨顆粒直徑增加而提高，但當(dāng)粒徑增加到一定程度時(shí)，固相回收率不再明顯變化；出渣含固率的增長(zhǎng)先快后慢，但不會(huì)超出等粒徑顆粒堆積極限所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（2）當(dāng)顆粒密度大于水時(shí)，一定范圍內(nèi)，顆粒密度越大，分離效果越好；當(dāng)顆粒密度與水接近甚至小于水時(shí)，輕質(zhì)固體與液相雖然也會(huì)分離，但由于無法有效排渣，只能堆積在轉(zhuǎn)鼓中心。

（3）物料溫度越高，液相黏度越低，越有利于分離；絮凝劑的添加有時(shí)會(huì)增加分離液的混合黏度，但也能顯著改善顆粒的沉降效果，因此要合理選擇用法和用量，避免不必要的運(yùn)行成本。