尚曉峰,馬文勇,王志堅,2,蔣明虎,趙立新

（1.沈陽航空航天大學，遼寧沈陽 110136；2.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110016；3.東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

1 前言

我國大多數(shù)主力油田已經(jīng)進入了石油開采的中后期，采出原油的含水率高達70%~80%。含油污水是一種對環(huán)境和人體健康危害極大的廢水，所以含油污水處理技術(shù)已經(jīng)成為迫在眉睫的難題。分離器作為石油行業(yè)中不可或缺的重要設(shè)備之一，在原油處理過程中正發(fā)揮著越來越重要的作用。

最早的油水分離器是由MT Thew等在20世紀70年代研究設(shè)計出來的［1］。近年來國內(nèi)外已對旋流器開展了許多研究工作［2~6］，但針對機構(gòu)設(shè)計與操作特征的具體研究還較少。蔣明虎在旋流分離技術(shù)研究及應(yīng)用中對旋流器做了總體的概況［7］。趙立新等利用正交試驗法對二次分離旋流器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)選［8］，此方法可為水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選提供參考。

本文通過對Vaughan N P提出的傳統(tǒng)的螺旋葉片式旋流器剖面的油相體積分數(shù)分布圖研究發(fā)現(xiàn)，隨著螺旋圈數(shù)的增加，溢流管底端外壁上，油相在不斷積聚且含油區(qū)域在不斷增加，不利于油相的順利排出，還可能降低旋流器的分離效率［9］。對此本文在以傳統(tǒng)的螺旋葉片式旋流器為原型的基礎(chǔ)上對其溢流管尾部的油相大量積聚區(qū)域進行割縫處理，通過FLUENT軟件進行流體模擬計算，分析影響分離效率的主要參數(shù)。以旋流器上端中心溢流管直徑大小、割縫長度、割縫寬度和割縫數(shù)量為優(yōu)化變量，分離效率、速度分布和油相分布為優(yōu)化目標，運用正交試驗法采用16種不同數(shù)據(jù)組合方式，對旋流器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以期提高旋流器的分離性能。

2 油水兩相流控制及模擬參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，隨著油水混合物由2個切向入口不斷流入，在壓力和螺旋葉片的造旋作用下，內(nèi)部形成高速旋轉(zhuǎn)的渦流。在溢流管尾端割逢處，由于離心力的作用，密度較大的水被甩至旋流腔內(nèi)壁，密度較小的油在外圍水的作用下轉(zhuǎn)而向上運動，形成內(nèi)旋流。最終油通過割縫不斷流入溢流管，從頂端溢流口排出，水從底流口排出，從而實現(xiàn)油水分離。

圖1 割縫式螺旋旋流器三維視圖和剖面結(jié)構(gòu)示意

有限元流體模型整體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方式劃分［10~12］，考慮到螺旋形流道結(jié)構(gòu)采用基本方程和湍流RNG K-ε模型方程，其中方程中對流相和擴散相的離散采用二階迎風差分格式，壓力速度耦合使用SIMPLE算法。溢流口和底流口均為自由出口，壁面采用無滑移，不可滲漏條件，物性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 物性參數(shù)

穩(wěn)態(tài)、等溫不可壓縮流動連續(xù)性方程：

式中 ui——時均速分量

動量方程：

式中 ρ——流體密度

p——時均壓力

μ——分子黏度

3 正交優(yōu)化試驗與多目標分析

3.1 試驗設(shè)計及結(jié)果

通過FLUENT流體模擬分析初始結(jié)構(gòu)尺寸，確定旋流器上端中心溢流管直徑大小A、割縫長度B、割縫寬度C、割縫數(shù)量D為正交優(yōu)化設(shè)計變量，每個因素選取4個水平。本次試驗選取L16（45）正交試驗表，依據(jù)試驗表進行16次模擬試驗。用分離效率E（分離效率為溢流管出口中油相質(zhì)量流率M出與入口中油相質(zhì)量流率M入之比即E=M出/M入）為主要優(yōu)化目標，表2為正交試驗結(jié)果。

表2 正交試驗結(jié)果

3.2 分離率極差分析

從正交試驗表中可以看出10號A20B25C2D6的分離效率最高可達92 %。

表3 極差分析結(jié)果

如表3所示，通過效率極差趨勢Rg可以看出，決定旋流器分離效率的因素因子主次順勢為A＞D＞C＞B，即依次為溢流管直徑、陣列數(shù)量、割縫寬、割縫長。最佳水平組合及其優(yōu)化方案：依據(jù)分離效率越高越好的要求，并根據(jù)表中Kgp大小，最終選定最優(yōu)水平組合為A20B25C2D8。

經(jīng)過指標評估計算得出［10,11］，A20B25C2D8分離效率為94.5%大于表中最佳組合A20B25C2D6。由于A20B25C2D8方案未出現(xiàn)在已列出的16組試驗中，將所選方案再次進行計算，得出分離效率為94.37%，誤差符合試驗要求，故所選方案為最優(yōu)方案。

3.3 油相分布分析

分析圖2割縫式旋流器正交優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和初始結(jié)構(gòu)的油相體積分數(shù)分布云圖可知，經(jīng)過正交優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)油相濃度較高，溢流管外壁上僅積聚少量的油，底流口含油量明顯減少。

圖2 旋流器油相體積分數(shù)分布云圖對比

圖3 是溢流管上其中一列割縫的油相濃度分布云圖。

圖3 割縫所在截面流場油相分布

從圖中可以看出，最上端的割逢中含油體積分數(shù)較高并隨著割縫長度的增加，下面的割縫中的含油體積分數(shù)要比上面割縫中的含油體積分數(shù)明顯減少，當含油混合物流至最后一行割縫時通過割縫截面云圖可以看出此時旋流腔內(nèi)的含油量較少幾乎為0。這是因為油水混合物在螺旋腔內(nèi)向下旋轉(zhuǎn)分離的過程中，隨著圈數(shù)的增加，積聚在螺旋腔內(nèi)油相依次通過割縫成功流入到溢流管中，從而油相逐漸減少，證明了通過正交試驗法優(yōu)選的割縫尺寸適合該旋流器的結(jié)構(gòu)特征。

3.4 速度壓力分布分析

截取螺旋流道的末端為截面，從其速度和壓力分布可以分析內(nèi)部流場和分離原理。

切向速度是離心力的主要來源如圖4(a)所示。從圖中可以看出圖截面的切向速度從器壁逐漸增加到最大值后快速減小并在軸心處降至接近為0。呈現(xiàn)出組合渦特征，在外旋流為自由渦，內(nèi)旋流為強制渦并且切向速度呈周向?qū)ΨQ分布。軸向速度分布如圖4(b)，從圖中可以反映出流體在兩個出口的流動情況外。在外旋流區(qū)，壁面周圍的速度達到最值之后隨著半徑的減小而減小，在內(nèi)旋流區(qū)速度指向溢流口方向并隨著半徑的減小軸向速度逐漸增大，在中心線附近達到最大，表明腔內(nèi)的液體做反向流動流向溢流口。徑向速度分布如圖4(c)所示，從圖可以看出徑向速度明顯低于切向速度和軸向速度，但外流旋速度分布趨勢跟以上兩項有些相似，徑向速度在溢流管中隨徑向位置減小先增大后減小且變化較為明顯，變化幅度較大，同傳統(tǒng)旋流器相比其徑向速度的分布基本相同。

圖4 旋流腔截面不同方向上的速度分布曲線

壓力能為油水混合物的分離提供必要的能量，旋流器是利用一定的壓力損失作為條件換取分離所需要的能量，所以在分析旋流器分離效率的同時也要考慮壓力的損耗。因為割縫式螺旋分離器是脫油型水力旋流器，經(jīng)過螺旋葉片分離之后的大量液體會經(jīng)底流口流出，所以底流口壓降相對較大，比較有代表性。選取優(yōu)選之后的割縫式螺旋葉片旋流器和未割縫的同尺寸旋流器底流口壓降進行對比之后發(fā)現(xiàn)。新型割縫式旋流器的壓降較比未割縫的壓降有所降低。

從以上分離率、油相分布、速度場以及壓力場多目標分析可知，通過正交試驗法所得割縫式螺旋葉片旋流器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場對稱性較好，不易發(fā)生紊流現(xiàn)象。

4 試驗驗證

試驗流程如圖5所示，經(jīng)過螺旋增壓后的水與油泵在靜壓混合器內(nèi)混合并流入流量和壓力計量單元。隨后切向進入旋流器入口且在腔內(nèi)形成旋流場。由旋流器分離后夾帶少量油的混合液體從旋流器底流口經(jīng)過計量后送回到水箱中準備下一次循環(huán)，而從溢流管流出的油，經(jīng)計量后排入廢油桶進行回收處理。

圖5 試驗流程

試驗過程中油水混合物中離散相油采用密度為880 kg/m3的GL-3-8 W/g的齒輪油，其運動黏度為17~19 mm2/s（100 ℃測量值條件下），采用水作為連續(xù)介質(zhì)，設(shè)定旋流器入口流量為5m3/h，分流比控制在15%進行試驗。

試驗收集從溢流管流出的油水混合物，經(jīng)流量計量單元測算，顯示混合物含油體積分數(shù)為93.7%。與模擬結(jié)果94.5%的誤差小于1%。且在試驗過程中，經(jīng)過正交試驗優(yōu)化后的縫螺旋葉片式旋流器結(jié)構(gòu)分離性能穩(wěn)定較好，證明了正交優(yōu)化試驗結(jié)果的合理性。

5 結(jié)論

（1）利用正交試驗法，對旋流器的溢流管和割縫尺寸做不同的尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，通過對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析后挑選出最優(yōu)的尺寸組合，并運用指標估算法估算出最優(yōu)結(jié)構(gòu)旋流器的分離效率可達94.5%。

（2）通過建立正交優(yōu)化試驗、極差分析和多目標分析得出在同等條件下，溢流管直徑取20 mm、割縫長取25 mm、割縫寬取2 mm和割縫數(shù)量取8個時，旋流器綜合分離性能最好。從旋流腔截面的速度壓力分布圖中可以看出該旋流器內(nèi)部不同方向上的速度均具有較好的周向?qū)ΨQ性，符合螺旋葉片式旋流器的基本特征和分布規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)優(yōu)選結(jié)構(gòu)的割縫式旋流器相比同尺寸的原始旋流器分離效率更高，壓降更小，底流口含油更少。

（3）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行試驗驗證，測得優(yōu)化后的旋流器分離效率最高可達93.7%，符合正交試驗法的指標估算和數(shù)值模擬結(jié)果，從而證明了對旋流器溢流管進行割縫設(shè)計方案具有可行性。

（4）本文的數(shù)值模擬及試驗研究結(jié)果可為脫油型旋流器的實際設(shè)計提供一定理論依據(jù)。

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