劉思嘉 趙立新 張 爽 盧夢(mèng)媚 車(chē)中俊 高 波

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

多相介質(zhì)分離方法中，目前最常用的是物理法［1］，該方法具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于油田采出液來(lái)說(shuō)，主要的物理分離方法有重力沉降、過(guò)濾處理及旋流分離技術(shù)等［2］。重力沉降效果穩(wěn)定，但存在分離效率低、用時(shí)久及設(shè)備占用空間大等缺點(diǎn)，對(duì)聚驅(qū)污水的處理，功效顯著降低；過(guò)濾處理精度高，但存在濾網(wǎng)容易堵塞、安裝反沖洗裝置需要增加后期成本等缺點(diǎn)；旋流分離技術(shù)是一種非均相介質(zhì)分離技術(shù)，是通過(guò)不相溶的兩相或多相介質(zhì)的密度差進(jìn)行離心分離的［3］。迄今為止，旋流分離技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。 但是，隨著油田生產(chǎn)進(jìn)入中后期，油田采出液的含水量越來(lái)越多，通過(guò)加入驅(qū)油的聚合物，大幅改變了采出液和含油污水的物化特性［4］，使后續(xù)油水分離和集輸變得更困難［5，6］，而現(xiàn)有的旋流器僅靠離心力難以實(shí)現(xiàn)采出液的高效分離，針對(duì)以上現(xiàn)象，學(xué)者們提出了根據(jù)力的疊加原理，通過(guò)在水力旋流器中增加力系來(lái)改善水力旋流器的工作性能。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們先后提出了在旋流器外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)的方式通過(guò)增加磁力、電力來(lái)促進(jìn)混合介質(zhì)的分離。 Cottrell F G首先開(kāi)始研究了靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)作用下，原油乳化液中的水滴之間會(huì)形成聚結(jié)力，乳化液中的水滴在聚結(jié)力和電場(chǎng)力的共同作用下相互吸引靠近，發(fā)生形變，形成量變而聚結(jié)成較大的水滴。 徐進(jìn)通過(guò)在脫水型旋流器的內(nèi)部插入電極棒，設(shè)計(jì)出一種直流電型水力旋流器，提高了油水分離的分離效率［7］?？琢顜浀葎t在旋流器入料口下方、溢流管入口、柱錐交界、錐中和底流口處施加軸向磁場(chǎng)，將磁力旋流器應(yīng)用到磁鐵礦的脫泥工程上［8］。 黃自力等采用磁種絮凝-磁分離方法開(kāi)展了廢水處理研究， 分析了不同條件對(duì)磁種-氫氧化鋅絮凝體沉降性能的影響。 在旋流場(chǎng)中增加疊加力的應(yīng)用潛力非常大，但在技術(shù)上仍然有很多難題，如對(duì)于多相耦合場(chǎng)機(jī)理方面的研究還不夠深入，在旋流器的油水分離過(guò)程中加入電場(chǎng)、磁場(chǎng)操作難度也較大［9］。 因此，筆者在不增加新的物理場(chǎng)的前提下，基于水力旋流方法， 提出了一種多相耦合分離方法，通過(guò)固體顆粒與油相的耦合作用來(lái)促進(jìn)油水分離，提高旋流器分離效率，為多相耦合分離技術(shù)提供借鑒和參考。

1 工作原理

多相耦合分離方法是通過(guò)向油水混合液中加入第3相介質(zhì)固體顆粒的方式，促進(jìn)油水分離，提高旋流器分離性能。 多相耦合分離過(guò)程如圖1所示，具體工作原理為：使密度和粒徑與油相接近的固體顆粒與油水混合相一起進(jìn)入旋流器內(nèi)，由于油相密度小，在離心力的作用下主要集中在旋流器的中心，而固體顆粒與油滴的粒徑、密度相近，其運(yùn)移軌跡與油滴運(yùn)移軌跡相似，因此固體顆粒會(huì)推動(dòng)部分油滴，無(wú)形增加了油滴所受的徑向力與軸向力，使更多的油滴運(yùn)移到旋流器中心處從溢流管排出，而密度較大的水相在離心力的作用下被甩到旋流器壁面附近， 由底流管排出，從而促進(jìn)油水兩相介質(zhì)的分離。

圖1 多相耦合分離過(guò)程示意圖

2 離散相模型

離散相模型 （Discrete Phase Model，DPM）可以用于模擬并獲取流場(chǎng)中離散相顆粒 （固體顆粒） 在旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和顆粒引起的熱量、質(zhì)量傳遞等。 該模型還考慮了相間耦合及其結(jié)果對(duì)離散相軌道、連續(xù)相流動(dòng)的影響作用［10］。 在拉氏坐標(biāo)系下，F(xiàn)luent通過(guò)對(duì)顆粒作用力微分方程進(jìn)行積分來(lái)求解離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌道。 在笛卡爾坐標(biāo)系下，顆粒的作用力平衡方程如下［11，12］：

其中，F(xiàn)D（u-up）為顆粒的單位質(zhì)量曳力，F(xiàn)D的表達(dá)式為［13］：

式中 CD——曳力系數(shù)；

dp——顆粒直徑，m；

Fx——其他作用力，N；

Re——相對(duì)雷諾數(shù)；

u——流體速度，m/s；

up——顆粒速度，m/s；

μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

ρ——流體密度，kg/m3；

ρp——顆粒密度，kg/m3。

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模型

筆者通過(guò)雙錐式液液旋流器為載體研究多相耦合分離，利用SolidWorks三維建模，流體域結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示， 以旋流器頂部中心處為坐標(biāo)系原點(diǎn)，軸向?yàn)閦軸，徑向?yàn)閤、y軸，H1、H2、H3截面分別為z=20mm、z=70mm、z=120mm。

圖2 雙錐式液液旋流器結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 網(wǎng)格劃分

利用Gambit對(duì)旋流器的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 采用全六面體網(wǎng)格， 網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。 為保證數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)， 對(duì)不同劃分網(wǎng)格數(shù)（166 720，268 144，370 240，483 166） 旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬，以旋流器溢流口的壓力降（△pu）為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，得出該旋流裝置隨著網(wǎng)格數(shù)的增加△pu呈現(xiàn)出先減小后平緩的趨勢(shì)， 且網(wǎng)格數(shù)從370 240增加到483 166時(shí)，△pu基本沒(méi)有變化，這說(shuō)明此時(shí)網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)模擬結(jié)果的影響已經(jīng)變小，綜合考慮計(jì)算時(shí)間，選擇旋流器網(wǎng)格數(shù)為370 240。

圖3 流體域網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

模擬計(jì)算采用多相流Mixture模型與離散相模型DPM相結(jié)合的方式，其中水相為主相（97%），油為次相（3%），油滴粒徑為300μm，入口速度為11.4m/s， 油 相 密 度 為852.7kg/m3， 水 相 密 度 為998.2kg/m3，入口為速度入口（velocity-inlet），出口為自由出口（outflow），選用壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解， 湍流計(jì)算模型選擇雷諾應(yīng)力模型，壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，壁面邊界條件為壁面不可滲漏，無(wú)滑移條件，選用一階迎風(fēng)差分離散格式，殘差精度為1×10-6。

DPM邊界條件設(shè)置：固體顆粒從入口面（Surface）射入旋流器內(nèi)部，固體顆粒為直徑300μm的球形，粒子間的相互作用忽略不計(jì)，顆粒密度為770kg/m3， 固體顆粒的入射速度與混合相進(jìn)入旋流器的速度相同，入口面射入量為2 000顆，顆粒湍流擴(kuò)散模型選用隨機(jī)游走模型 （Discrete Random Walk），兩切向入口與底流口設(shè)置為逃逸，溢流口設(shè)置為捕獲，旋流器流體域的其余所有壁面均設(shè)置為反射。

4 結(jié)果分析

4.1 油相分布對(duì)比

多相耦合分離和常規(guī)離心分離兩種條件下旋流器縱剖面上油相分布如圖4所示。 對(duì)比圖4a、b可知， 當(dāng)固體顆粒從入口面與油水混合物一起進(jìn)入旋流器時(shí)， 溢流管中油相體積分?jǐn)?shù)明顯增加，流向底流口的油相減少，說(shuō)明固體顆粒與油滴耦合作用較好，基于力的疊加原理，向旋流器中添加固體顆粒促進(jìn)油水分離的想法是可行的。

圖4 旋流器縱剖面上的油相分布對(duì)比

4.2 速度對(duì)比

分別在旋流器旋流段、大錐段、小錐段選取截面H1、H2、H3（圖2），旋流器在3個(gè)截面上的軸向速度對(duì)比如圖5所示，曲線對(duì)稱(chēng)性較好，以零軸速包絡(luò)面為界，在包絡(luò)面外側(cè)軸向速度為正值時(shí)代表流體向下流動(dòng)，負(fù)值則代表向上流動(dòng)。 H1、H2、H3截面軸心處的軸向速度分別為-3.43、-0.42、2.25m/s，說(shuō)明旋流器向上的軸向速度隨著軸向位置的增加逐漸減小，在大錐段末端時(shí)軸心處流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，軸向速度變?yōu)檎怠?對(duì)比軸向速度曲線發(fā)現(xiàn)H1截面上軸向速度基本沒(méi)有變化，H2截面上旋流器軸心處軸向速度變化較大，說(shuō)明固體顆粒在大錐段處對(duì)油滴的推動(dòng)作用較強(qiáng)， 軸向速度明顯增加，H3截面上多相耦合分離軸向速度較小，這是因?yàn)樵谛″F段處流體主要向下運(yùn)動(dòng)流向底流口，而加入固體顆粒時(shí)在小錐段軸心處仍有少量固體顆粒與油滴發(fā)生耦合作用，促使油滴向上運(yùn)動(dòng)，使流體整體向下的軸向速度減小。

圖5 旋流器在3個(gè)截面上的軸向速度對(duì)比

旋流器在H1、H2、H3截面上的徑向速度對(duì)比如圖6所示， 徑向速度的方向均是由分離器邊壁指向分離器中心，徑向速度的最大值隨著軸向位置的增加逐漸減小，在z=20mm時(shí)，徑向速度最大值達(dá)到1.08m/s。 由圖6可知，在靠近旋流器軸心區(qū)域內(nèi)，加入固體顆粒時(shí)徑向速度增大，說(shuō)明固體顆粒在徑向位置上也對(duì)油滴有一定的推動(dòng)作用，使油滴所受的徑向力增大。

4.3 分離效率對(duì)比

圖6 旋流器在3個(gè)截面上的徑向速度對(duì)比

旋流器作為一種分離設(shè)備，分離效率是評(píng)價(jià)旋流器分離性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。 衡量旋流器性能的3個(gè)效率為：質(zhì)量效率Eo、簡(jiǎn)化效率Ej和綜合效率Ez。其中質(zhì)量效率和簡(jiǎn)化效率是從凈化角度出發(fā)，而綜合效率由簡(jiǎn)化效率Ej、溢流分流比F和入口含油體積分?jǐn)?shù)Co三者決定［14］：

式中 K——僅與入口含油體積分?jǐn)?shù)Co有關(guān)的常數(shù)，K=1/（1－Co）；

Mio——入口中油的質(zhì)量；

Muo——溢流口中油的質(zhì)量。

利用上述公式， 得出旋流器3個(gè)主要效率的對(duì)比曲線（圖7）。 從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，多相耦合分離可以提高旋流器的分離效率，其中質(zhì)量效率最大達(dá)到96.05%，簡(jiǎn)化效率的增值最大達(dá)到2.88%，效率為94.73%，綜合效率為73.24%。 說(shuō)明增加固體顆?？梢浴皵y帶”或“推動(dòng)”部分油滴，增加油滴所受的徑向力和軸向力，加快油滴的徑向速度和軸向速度，使更多的油滴從溢流管中排出，進(jìn)而提高分離效率。

圖7 分離效率對(duì)比

5 固體顆粒密度影響分析

5.1 固體顆粒分布及運(yùn)移軌跡

不同固體顆粒密度下固體顆粒分布及其運(yùn)移軌跡如圖8所示， 由圖8可知， 當(dāng)固體密度從470～870kg/m3變化時(shí)， 固體顆粒主要集中在內(nèi)旋流和溢流管附近， 這是由于固體顆粒密度較小，受到的離心力小，因而集中在內(nèi)旋流和軸線接近溢流口處，而當(dāng)密度大于870kg/m3時(shí)，固體顆粒受到的離心力增大，被甩到了器壁附近。 從圖8還可以發(fā)現(xiàn)，隨著固體顆粒密度的增加，固體顆粒的聚集位置逐漸下移， 而聚集位置過(guò)于往上或往下，都會(huì)減弱固體顆粒對(duì)油滴的推動(dòng)作用，因此當(dāng)固體顆粒密度小于且與油相密度相近時(shí)，它們之間的耦合作用較好。

5.2 油相分布及運(yùn)移軌跡

不同固體顆粒密度下油相分布及其運(yùn)移軌跡如圖9所示。 由圖9可見(jiàn)，隨著固體顆粒密度的增大，在溢流口附近油相分布呈先增大后減小的趨勢(shì)，且固體密度為770kg/m3時(shí)，在旋流器中心處油相分布最好，油相體積分?jǐn)?shù)的最大值為0.68。當(dāng)固體顆粒密度為770kg/m3時(shí)， 固體顆粒主要向中心移動(dòng)，對(duì)油滴的攜帶和推動(dòng)作用最大，有利于中心油核的形成，從而減少了油相從底流口逃離的幾率。 當(dāng)固體顆粒密度較小時(shí)，固體顆粒過(guò)輕，主要分布在油滴上部， 大部分顆粒直接從溢流口排出，而未與油相耦合。 當(dāng)固體顆粒密度較大時(shí)，固體顆粒受到的離心力增大， 固體顆粒隨水相被甩到旋流器外壁附近，也未與油滴發(fā)生耦合作用。

圖8 不同固體顆粒密度下固體顆粒分布及其運(yùn)移軌跡

5.3 軸向速度

圖9 不同固體顆粒密度下油相分布及其運(yùn)移軌跡

H2截面上不同固體顆粒密度下沿徑向方向上的軸向速度分布如圖10所示。 從圖10可以看出，軸向速度曲線具有良好的對(duì)稱(chēng)性。 在以中心為圓心的5mm半徑以內(nèi)的軸向速度為負(fù)值，而這一部分油相含量較高，當(dāng)半徑大于5mm時(shí)，整體的軸向速度從負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，這部分區(qū)域集中大量水相，且軸向速度指向底流方向，這對(duì)分離油相是有利的。 從圖10還可以發(fā)現(xiàn)，指向底流方向的軸向速度受固體顆粒密度影響較小，而在旋流器中心處，軸向速度隨固體顆粒密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 并且在密度為770kg/m3時(shí)取得最大值0.42m/s。 通過(guò)上文分析不同固體顆粒密度下固體顆粒運(yùn)移軌跡，得出當(dāng)固體顆粒密度小于且與油相密度相近時(shí)，它們之間的耦合作用較好， 因此固體顆粒密度為770kg/m3時(shí)流體的軸向速度較大。 而當(dāng)固體顆粒密度逐漸增大時(shí)，固體顆粒逐漸分布在旋流器的外壁并向下運(yùn)移，使軸向速度減小。

圖10 H2截面上不同固體顆粒密度下軸向速度分布

5.4 分離效率

不同固體顆粒密度下旋流器的多相耦合分離效率如圖11所示。 由圖11可以發(fā)現(xiàn)，隨著固體顆粒密度的增加，分離效率呈先增加后降低的趨勢(shì)， 固體顆粒密度從470kg/m3變化到1 070kg/m3，分離效率在94.38%～96.05%之間變化， 且都大于常規(guī)離心分離效率93.89%， 在固體顆粒密度為770kg/m3時(shí)，分離效率達(dá)到最高值96.05%。通過(guò)對(duì)固體顆粒分布及其運(yùn)移軌跡、油相分布及其運(yùn)移軌跡、速度場(chǎng)以及油水分離效率等方面的綜合分析，得到固體顆粒密度為770kg/m3時(shí)，固體顆粒促進(jìn)油水分離效果最好。

圖11 不同固體顆粒密度下旋流器多相耦合分離效率對(duì)比

6 結(jié)論

6.1 基于水力旋流分離方法，提出了一種多相耦合分離方法， 采用CFD數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了多相耦合分離方法的可行性。

6.2 對(duì)比分析多相耦合分離和常規(guī)離心分離條件下旋流器內(nèi)的速度場(chǎng)、固體顆粒分布、油相分布、運(yùn)移特性和分離效率，結(jié)果表明加入固體顆粒可以推動(dòng)部分油滴，增加油滴所受的徑向力和軸向力，加快油滴的徑向速度和軸向速度，進(jìn)而提高旋流器的分離效率，使旋流器的分離效率最大提高2.88%。

6.3 研究了不同固體顆粒密度對(duì)旋流器分離性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，當(dāng)固體顆粒密度在470～1 070kg/m3范圍內(nèi)變化時(shí)， 旋流器的分離效率隨固體顆粒密度的增加呈先增高后降低的趨勢(shì)， 并在固體顆粒密度為770kg/m3時(shí)分離效率達(dá)到最大值96.05%。