鄭國興　趙立新　王思淇　徐梓恒　劉東雪

摘 要 為了探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚并-旋流耦合油水分離器性能的影響，基于水力聚結(jié)機理和旋流分離理論，通過計算流體動力學(xué)分析方法，以聚并-旋流耦合油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，油水分離效率為指標，開展多場耦合油水分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。針對不同螺旋流道長度和聚結(jié)管段長下的聚并-旋流耦合油水分離器結(jié)構(gòu)模型，進行數(shù)值模擬研究驗證，探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下模型的分離性能。結(jié)果表明，在聚并器螺旋流道長度L2=100 mm、聚結(jié)管段長L3=350 mm時分離效率達到最高。選取不同入口流量和分流比對聚并-旋流耦合油水分離器最優(yōu)結(jié)構(gòu)的不同工況下的分離性能進行分析，當入口流量Q=8 m3/h、分流比F=40%時，油水分離效率達到最高值93.62%。

關(guān)鍵詞 油水分離器 聚并 旋流 數(shù)值模擬 結(jié)構(gòu)參數(shù) 優(yōu)化

中圖分類號 TQ051.8? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0205?08

隨著石油行業(yè)的迅速發(fā)展，諸多油田進入了開采的中后期階段，油田含水率逐年增加。以大慶油田為例，目前含水率超95%的油井約4萬口［1～3］。隨著開采時間的增加，高含水油井需要處理的污水量也在不斷增加。污水所含油、細菌、無機鹽、可溶性有機物及固體顆粒等物質(zhì)會對水體和周圍環(huán)境造成污染和破壞，也會增加油相分離的難度［4］。因此如何提高油水的分離精度、有效處理含油污水是目前國內(nèi)外亟需解決的問題。

根據(jù)油在水中的存在形態(tài)，可分為浮油（粒徑大于100 μm）、分散油（粒徑介于10～100 μm之間）、乳化油（粒徑小于10 μm）、溶解油（粒徑小于0.1 μm）。由斯托克斯公式可知，油水兩相分離的時間長短與分散相粒徑大小有關(guān)，分散相粒徑越小，體系越穩(wěn)定，借助重力沉降實現(xiàn)油水兩相分離的時間越長［5，6］。因此浮油、分散油可直接通過重力沉降實現(xiàn)油水分離，而乳化油、溶解油粒徑較小，并且乳化油表面覆蓋一層帶負電荷的雙電層，本身體系非常穩(wěn)定。此外，由于表面活性劑和納米顆粒等物質(zhì)的存在，進一步加強了乳化油的穩(wěn)定性，因此重力沉降不再適用于乳化油、溶解油的分離?；谝陨戏治?，選擇一種合適的油水分離方式和設(shè)備至關(guān)重要。在諸多分離設(shè)備中，水力旋流器以其結(jié)構(gòu)小巧、操作簡單、處理量大及分離效率高等優(yōu)點在石油開采領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而常規(guī)水力旋流器也面臨小粒徑油滴分離效率不高的問題，因此提升水力旋流器對小粒徑油滴的處理能力成為提高油田污水處理能力的技術(shù)關(guān)鍵。

在水力旋流器應(yīng)用的諸多技術(shù)中，聚結(jié)除油技術(shù)以其低廉的成本、高效的油水分離效率和獨特的物理破乳方式被廣泛應(yīng)用［7］，該技術(shù)可將小粒徑油滴通過“潤濕聚結(jié)”或“碰撞聚結(jié)”的方式聚結(jié)為較大油滴來提高油水分離效率。近年來，為提高水力旋流器的處理能力，基于聚結(jié)理論和旋流分離理論形成了多種形式的聚結(jié)分離設(shè)備，諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬、試驗研究等方法對聚結(jié)分離設(shè)備的流場特性、介質(zhì)分布規(guī)律及聚結(jié)性能等開展了大量研究。MEON W和BLASS E的研究表明：在一定的物理條件下，聚結(jié)可以在某個范圍內(nèi)被描述，而并非是隨機的過程［8］。GOLDMAN A J等的研究結(jié)果表明：液滴在沿斜板的斜壁向下移動時，液滴會發(fā)生滑移，而并非是一般的運動［9］。ROWLEY M E和DAVIES G A對油滴在斜板上的移動方式進行了理論研究，他們認為：當液滴到達頂板時就會發(fā)生聚結(jié)［10］。LAN Z及其團隊通過分析和研究發(fā)現(xiàn)：接觸角及其滯后會對液滴狀態(tài)產(chǎn)生影響，并對瞬態(tài)流場引起的液滴轉(zhuǎn)動也起著重要作用［11］。余大民基于旋流和聚結(jié)方法，對旋流場內(nèi)三相混合液內(nèi)油滴的聚結(jié)過程進行了分析［12］。中國石油大學(xué)（華東）多相流分離實驗室設(shè)計了一種由一級多管旋流器和二級絲網(wǎng)聚并器組成的水力旋流聚并器。對該裝置的氣液混合相流體做了數(shù)值模擬分析和分離性能實驗。結(jié)果表明，分離效果良好但受液滴尺寸影響較大［13］。劉曉敏等設(shè)計了旋流聚結(jié)裝置，分析了水力聚結(jié)裝置離心泵和螺桿泵兩種不同增壓方式的性能，并借助室內(nèi)試驗，對旋流式聚結(jié)器的分離性能及泵前后粒度分布進行了研究，分析了不同加壓方式對旋流式聚并器性能的影響［14］。趙文君等設(shè)計了一種聚結(jié)-旋流分離裝置。針對聚結(jié)型旋流器的內(nèi)部流場特性進行了數(shù)值模擬分析，對其最佳進口流量、含油率和分流比進行了優(yōu)化設(shè)計［15］。在諸多聚結(jié)方法中，水力聚結(jié)憑借其工藝簡單、結(jié)構(gòu)小巧及處理過程連續(xù)高效等特點脫穎而出，在為旋流器提供連續(xù)穩(wěn)定介質(zhì)輸入的同時保證了旋流分離過程的穩(wěn)定高效運行，實現(xiàn)了油滴聚結(jié)，提高了油水分離效率。因此，筆者基于水力聚結(jié)機理和旋流分離理論，通過計算流體動力學(xué)分析方法，以聚并-旋流耦合油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，油水分離效率為指標，開展多場耦合油水分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。針對不同螺旋流道長度和聚結(jié)管段長下的聚并-旋流耦合油水分離器結(jié)構(gòu)模型，進行數(shù)值模擬研究驗證，探究其在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分離性能。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

聚并-旋流耦合油水分離器主要由聚并器和水力旋流器組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，小粒徑油滴在聚并器內(nèi)螺旋流道產(chǎn)生的旋流作用下，沿著徑向方向逐漸向聚并器的軸心靠攏，在徑向方向逐漸向著聚并器的聚結(jié)內(nèi)芯靠攏，當?shù)竭_聚并器出口時，流場中呈現(xiàn)出油相在內(nèi)，而水相在外的徑向分層狀態(tài)，在油水徑向分層后，混合流體帶著聚結(jié)大顆粒油滴進入旋流分離器進行旋流分離。聚并-旋流耦合油水分離器中通過聚并器聚結(jié)的油相粒徑增大，徑向靠近溢流管，通過旋流分離器螺旋流道的加速，大量的油相直接進入內(nèi)旋流區(qū)，縮短了油相徑向運移時間，減小了外旋流隨機湍流特性對油滴破碎和攜帶的影響。均勻分布的油水兩相混合介質(zhì)進入聚并器，流經(jīng)螺旋流道時，將原本軸向運動的流液在流道作用下逐漸向切向轉(zhuǎn)變，在螺旋流道出口處形成切向旋流場，液流開始做繞聚結(jié)內(nèi)芯的旋轉(zhuǎn)運動，在入口壓力的作用下向聚并器底部運移，由于油水兩相間存在密度差，輕質(zhì)油相在離心力的作用下徑向上由邊壁向軸心移動至聚結(jié)內(nèi)芯表面后做繞柱旋轉(zhuǎn)，在此過程中離散相油滴間由于粒徑、位置及運移時間等不同，會在旋流場內(nèi)形成切向、徑向和軸向上的速度差，致使油滴間相互碰撞聚結(jié)，由小顆粒聚結(jié)成大顆粒，并沿著聚結(jié)內(nèi)芯表面向出口方向運移。其中聚結(jié)內(nèi)芯一方面可以使徑向速度較大的油滴減緩或停止徑向運移，避免徑向速度較小的油水與之發(fā)生碰撞聚結(jié)；另一方面消除聚并器內(nèi)的強制渦區(qū)，使流場內(nèi)均呈有切向速度差的準自由渦特性，進而增強油滴間的聚結(jié)，同時消除軸心處氣核附近的強湍流引起的油滴破碎，延長了油水兩相在場內(nèi)的停留時間使油滴間充分聚結(jié)。由圖1可以看出，在進口截面Ⅰ位置處的油相呈分散狀態(tài)，經(jīng)螺旋流道和聚結(jié)內(nèi)芯作用后，在截面Ⅲ位置處油滴向聚結(jié)內(nèi)芯表面聚集，油滴粒徑變大。聚并器尾管末端用來連接旋流分離器，從尾管出口處流出的液流油相在內(nèi)側(cè)、水相在外側(cè)，同時油滴完成聚結(jié)呈大粒徑狀態(tài)，可縮短后端旋流分離器的分離時間進而提高分離效率。

聚并-旋流耦合油水分離器結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖2所示。

初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

油水分離器總長L 1 785 mm

入口管直徑D 80 mm

入口管長L 100 mm

聚并器螺旋流道長度L 80 mm

聚結(jié)管段長度L 350 mm

水力旋流器螺旋流道長度L 80 mm

水力旋流器大錐段長度L 90 mm

小錐段長度L 550 mm

尾管段長度L 500 mm

聚并器聚結(jié)內(nèi)芯內(nèi)徑D 15 mm

溢流管內(nèi)徑D 14 mm

底流口直徑D 16 mm

大錐角度數(shù)α 20°

小錐角度數(shù)θ 5°

2 網(wǎng)格劃分

對于數(shù)值模擬分析而言，合理的網(wǎng)格劃分可以保證高精度的網(wǎng)格質(zhì)量，從而獲得精度較高的數(shù)值解，六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格因具有計算速度快、時間短及效率和精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于數(shù)值模擬過程中［16，17］。筆者借助ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，整體采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。理論上來說，網(wǎng)格的數(shù)量越多，計算精度會越高，但是網(wǎng)格數(shù)量過多不利于計算，同時網(wǎng)格數(shù)量增加到一定數(shù)值以后對計算結(jié)果的影響甚微，因此對聚并-旋流耦合油水分離器開展網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，對不同網(wǎng)格數(shù)（505 862，650 428，781 256，850 439，

1 001 156）的聚并-旋流耦合油水分離器進行迭代計算，將底流口處的壓力損失（Δp）作為檢驗指標，經(jīng)過迭代計算后，底流口壓力損失隨網(wǎng)格數(shù)量的增加逐步減小，當網(wǎng)格數(shù)量達到781 256時，底流壓力損失幾乎沒有變化，因此最終選用網(wǎng)格數(shù)量為781 256開展數(shù)值模擬研究。圖3為聚并-旋流耦合油水分離器網(wǎng)格劃分圖。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 多相流模型

Fluent軟件能較準確地對復(fù)雜流場問題進行數(shù)值模擬。近幾年來，隨著Fluent的不斷更新，其精度也越來越高，可以滿足越來越復(fù)雜的計算要求。它的計算部分包括多相流動的4種模型：VOF、Mixture、Eulerian和濕蒸汽模型，其中多相流模型的混合模型適用于流動中的多相混合和分離，符合聚并-旋流耦合油水分離器內(nèi)實際工況，因此應(yīng)用混合模型進行數(shù)值模擬，其相關(guān)方程為［18，19］：

式中 F——體積力，N；

n——相數(shù)；

v——第k相的漂移速度，m/s；

v——質(zhì)量平均速度，m/s；

α——第k相的體積分數(shù)；

μ——混合粘性系數(shù)，Pa·m；

ρ——第k相的密度，kg/m；

ρ——密度，kg/m；

▽——哈密頓算子。

3.2 雷諾應(yīng)力模型（RSM）

由于RSM模型能夠描述復(fù)雜湍流且可根據(jù)流線曲率旋轉(zhuǎn)自動調(diào)節(jié)，所以對旋流器內(nèi)流場進行數(shù)值模擬時采用RSM模型，其輸運方程可表示為［20］：

4 邊界條件

數(shù)值模擬時以速度入口（Velocity）為聚并-旋流耦合油水分離器的入口邊界條件，溢流口和底流口均以自由出口（outflow）為出口邊界條件，湍流模型選擇雷諾應(yīng)力模型（Reynolds Stress Model，RSM），選用雙精度壓力基準算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，選用一階迎風(fēng)離散格式和SIMPLEC算法進行速度壓力耦合，收斂精度為10，模擬介質(zhì)為油水兩相，連續(xù)相水和離散相油的密度分別為998.2 kg/m和889 kg/m，水和油的動力粘度分別設(shè)置為1.003×10 Pa·s和1.006 Pa·s，混合相的湍流強度與水力直徑分別為5%和50 mm，油水兩相入口初始速度為0.82 m/s，油滴粒徑為0.3 mm，溢流分流比為20%。壁面設(shè)置為不可滲漏，無滑移邊界條件。

5 結(jié)果分析

5.1 聚并-旋流耦合油水分離器分析截面的選取

為了對聚并-旋流耦合油水分離器的流場內(nèi)部特征進行分析，筆者在裝置不同位置進行了截面選?。篠截面，軸向位置為距聚結(jié)管段進口右側(cè)20 mm處；S截面，軸向位置為聚結(jié)管段中心位置處；S截面，軸向位置為聚結(jié)管段出口左側(cè)20 mm處；S截面，軸向位置為旋流分離器大錐段中心位置處；S截面，軸向位置為旋流分離器小錐段中心位置處；軸線，軸向位置為從溢流管口處至底流口的軸線。

圖4為聚并-旋流耦合油水分離器截面選取示意圖。

式中 C——底流口含油濃度；

C——入流口含油濃度；

Ej——簡化分離效率。

5.2 聚結(jié)管段長度的優(yōu)選

由于油滴在聚并器內(nèi)發(fā)生聚結(jié)的主要位置在聚結(jié)管處，聚結(jié)管長度的大小直接影響油滴在聚并器內(nèi)的停留時間，聚結(jié)管長度的大小對聚并器聚結(jié)效果以及后端水力旋流器分離效率影響較大，因此對其長度的優(yōu)選是必要的。筆者選取150、250、350、450、500 mm共5個不同梯度的長度來對聚并-旋流耦合油水分離器進行探究。分析該結(jié)構(gòu)參數(shù)對于后端旋流分離器的影響并選出最佳的聚結(jié)管段長度。不同長度的聚結(jié)管段軸向中心截面的油相體積分數(shù)分布對比云圖如圖5所示。由圖5可知，油相大多分布在溢流管附近與聚結(jié)管段中，說明油水混合相在水力聚結(jié)與旋流分離裝置的共同作用下發(fā)生了分離，大部分油相從溢流管口排出，水相從旋流分離器的底流口排出。圓柱形管段的長度過短或過長對于油水兩相的分離都并不理想，從聚結(jié)管段長度為350 mm的云圖中可以看出，從溢流管口流出的油相更多，分離效果更好。圖6為聚并-旋流耦合油水分離器不同聚結(jié)管段長度時的簡化效率折線，由圖6可知在聚結(jié)管段長度為350 mm時，簡化效率達到最大值89.24%。

5.3 聚并器內(nèi)螺旋流道長度的優(yōu)選

油水混合液進入聚并器后，在螺旋流道的作用下混合液的流動方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，螺旋流道長度是影響油相聚結(jié)的重要結(jié)構(gòu)因素，因此對其長度的優(yōu)選是必要的。選取60、80、100、120、140 mm共5個不同梯度的螺旋流長度，分析該結(jié)構(gòu)參數(shù)對于水力聚并器后端旋流分離器分離效果的影響并選擇出最佳螺旋流道長度。圖7為不同螺旋流道長度時軸向中心截面的油相體積分數(shù)分布對比云圖。由圖7可知，油相多分布在溢流管附近與聚結(jié)管段中，說明油水混合相在聚并器與旋流分離器的共同作用下發(fā)生了分離，大部分油相從溢流管口排出，水相從旋流分離器的底流口排出。不同螺旋流道長度時的簡化效率折線如圖8所示，當螺旋流道長度為100 mm時，簡化效率達到最大值93.34%。

5.4 不同入口流量下的流場分析

入口流量作為旋流分離的重要操作參數(shù)，其大小直接影響著聚并-旋流耦合油水分離器分離性能的高低。不同入口流量下的流場內(nèi)部特征也不相同。選取合適的入口流量，使得聚并-旋流耦合油水分離器達到最佳的工作狀態(tài)是必要的。筆者選取了4、5、6、7、8 m3/h共5個速度梯度來分析不同入口流量對聚并-旋流耦合油水分離器分離性能的影響。圖9為S截面處不同入口流量對軸向速度影響的分布曲線，在分析軸向速度隨著徑向位置坐標而變化時可以看出，由管壁到軸心位置，軸向速度從0開始逐漸增大至半徑為26 mm左右達到最大值，然后逐漸減小至0，直至軸心位置軸向速度保持為0不變，由圖9可知隨著入口流量的逐漸增大，軸向速度也逐漸增大，在入口流量為8 m3/h時，軸向速度最大。不同入口流量時簡化效率折線圖如圖10所示，可以看出隨著入口流量的增加，簡化效率也隨之增大，在入口流量Q=8 m3/h時，簡化效率達到最大值93.34%。

5.5 分流比

分流比是水力旋流器的一個重要操作參數(shù)，它反映了水力旋流器出口流量之間的分配關(guān)系。筆者選取了分流比F為10%、20%、30%、40%、50%共5個不同分流比梯度來分析不同分流比對聚并-旋流耦合油水分離器油水分離效果的影響，并選出最佳的分流比參數(shù)。不同分流比聚并-旋流耦合油水分離器軸向中心截面的油相體積分數(shù)分布對比云圖如圖11所示。由圖11可知，油相大多分布在溢流管附近與聚結(jié)管段中，說明油水混合相在水力聚結(jié)與旋流分離裝置的共同作用下發(fā)生了分離，大部分油相從溢流管口排出，水相從旋流分離器的底流口排出。通過對比5組模擬云圖可得出，在一定范圍內(nèi)，隨著分流比的增大，從溢流管流出的油相越多。圖12為不同分流比時的簡化效率分布，由圖可知分流比超過20%后簡化效率變化不明顯，在分流比為40%時，簡化效率達到最大值93.62%。

6 結(jié)論

6.1 采用數(shù)值模擬方法，以油水簡化分離效率為指標，通過對5個不同梯度下螺旋流道與聚結(jié)管段的長度來對聚并-旋流耦合油水分離器進行分析，優(yōu)選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬分析結(jié)果表明，當聚并器螺旋流道長度L=100 mm、聚結(jié)管段長L=350 mm時簡化分離效率達到最高93.34%。

6.2 采用單因素變量法，以油水簡化分離效率為指標，針對聚并-旋流耦合油水分離器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型進行操作參數(shù)分析，結(jié)果表明，隨著入口流量的增加油水分離效率升高，隨著分離比的增加油水分離效率升高，當入口流量Q=8 m3/h、分流比F=40%時，油水簡化分離效率達到最高值93.62%。

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（收稿日期：2022-05-26，修回日期：2023-04-03）

Effect of Structural Parameter on the Performance of Coalescence?Hydrocyclone Oil?Water Separator

ZHENG Guo?xing1，2， ZHAO Li?xin1，2，3， WANG Si?qi1，4， XU Zi?heng1， LIU Dong?xue1

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University；

2. Oil Production Engineering Research Institute， Daqing Oilfield Co.， Ltd.；

3. Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multiphase Treatment and Pollution Prevention；

4. No. 3 Oil Production Plant， Daqing Oilfield Co.， Ltd.）

Abstract? ? For purpose of exploring structural parameters influence on the performance of coalescence?cyclone coupled oil?water separator， having the hydraulic coalescence mechanism and cyclone separation theory based， the computational fluid dynamics? analysis method adopted， the structural parameters of coalescence?cyclone coupled oil?water separator taken as the research object and the oil?water separation efficiency as the index to optimally design structural parameters of the multi?field coupled oil?water separator was implemented. According to the structural model of coalescence?cyclone coupled oil?water separator with different spiral channel length and coalescence pipe length， numerical simulation was carried out to explore its separation performance under different structural parameters. The results show that， the separation efficiency is the highest when the coalescer spiral channel length L2=100 mm and the coalescence pipe length L3=350 mm. Having different inlet flow rate and split ratio selected to analyze separation performance of the polymer?cyclone coupled oil?water separator under different working conditions and boasting of the optimal structure indicates that， when the inlet flow rate Q is 8 m3/h and the shunt ratio F is 40%， the oil?water separation efficiency reaches the highest value of 93.62%.

Key words? ? oil?water separator， coalescence， hydrocyclone， numerical simulation， structural parameter， optimization

基金項目：黑龍江省博士后科學(xué)基金項目（LBH?Z21127）。

作者簡介：鄭國興（1980-），高級工程師，從事采油工程相關(guān)工作。

通訊作者：趙立新（1972-），教授，從事旋流分離技術(shù)的研究，lx_zhao@126.com。

引用本文：鄭國興，趙立新，王思淇，等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚并-旋流耦合油水分離器性能影響［J］.化工機械，2023，50（2）：205-212.