注氣對油水分離水力旋流器流場影響模擬分析

趙健華 楊 威 胡大鵬

(大連理工大學化工機械學院)

在油田后期的二次、三次采油中，由于采出液中含水量高達80%以上，同時聚合物驅及三元復合驅等采油技術的推廣應用，使得含油污水中聚合物含量及其乳化程度增加，油滴粒徑變小，采用常規水力旋流器處理采出污水難度加大，分離效率降低。為了提高旋流分離性能，在旋流技術研究中采取了優化旋流器結構、強化旋流流場及氣浮與旋流組合等多種措施，以滿足含油污水分離要求[1～3]。

氣浮與旋流分離相結合產生出來的注氣式油水分離水力旋流器，是在常規液-液水力旋流器基礎上向旋流器內部注入氣體，利用氣泡對微小油滴的攜帶作用所產生的氣浮效應，提高其分離效率。對注氣式水力旋流器的研究，目前主要采用實驗手段，研究注氣方式、操作條件及結構參數等對分離性能的影響[4～6]。

筆者采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法對注氣式油-水分離水力旋流器進行數值模擬，對比分析注氣前后旋流器內部流場變化情況，研究了在入口注氣條件下氣液體積比、進料流量及分流比等操作參數對分離效率的影響，并將計算結果與文獻實驗值進行比較。

1 幾何模型及網格劃分

1.1幾何結構

以雙錐型油水分離旋流器為原型，以適當方式向旋流器內注入氣體便得到注氣式水力旋流器模型。注氣方式分為：入口注氣、旋流腔微孔注氣及錐段單點注氣等，其中以入口注氣的效果最好[7]。筆者擬采用入口注氣方式，即將壓縮空氣經旋流器入口注入，與原料液混合后一同進入旋流器內，其結構如圖1所示。旋流器主要結構參數：D=48mm，Dc=20mm，Di=8mm，Do=8mm，Du=10mm，α1=30°，α2=1.5°，L=30mm，L1=48mm，L4=400mm。坐標建立，以旋流器軸線為z軸，底流口所在平面為x-y平面，坐標原點位于底流口圓心處。

圖1 注氣式液-液水力旋流器結構示意圖

1.2網格劃分

應用Fluent 前處理軟件Gambit 生成幾何模型，進行網格劃分。采用三維模擬的結構六面體網格模型，進行區域離散化，把一個復雜的幾何體分解成可六面體網格化的小體，對單個區域網格化后將體與體之間的面設置成內部表面。在流場參數變化較大的近壁區及入口附近設置邊界層網格，并進行網格細化，其余區域設置稀疏網格，入口附近局部網格如圖2所示。

圖2 旋流器三維網格模型(局部)

2 數學模型及計算方法

2.1數學模型

注氣式油水分離水力旋流器內部流場處于油-氣-水三相復雜狀態，為了模擬流場特征和分離特性，筆者采取多相流模型中的混合模型(Mixture Model)與離散相模型(Discrete Phase Model，DPM)相結合的方式，先采用歐拉-歐拉方法的混合模型模擬計算充氣時氣泡對水相流場的影響，獲得雙相耦合情況下的水相流場分布。在此基礎上采用歐拉-拉格朗日方法的離散相模型模擬加入油滴粒子后分散相油滴的運動軌跡。湍流模型采用雷諾應力模型(RSM)，該模型適合于描述具有各向異性的強旋流動的復雜流場。

2.2邊界條件及數值計算方法

速度入口：雙側進料口定義為速度入口，設置入口處物流各組成的物性參數、體積分數、速度和介質進入時的湍流狀況。壓力出口：溢流口和底流口分別定義為壓力出口，溢流出口壓力po=0.0MPa，底流出口壓力pu=0.2MPa。壁面：旋流器邊壁為無滑移固壁，與其接觸的流體的相對速度為零，在近壁處采用非平衡壁面函數法處理計算近壁處流場。分散相：假設油滴為球形，氣體為球形氣泡，在入口處分散相在連續相中均勻分布；忽略分散相粒子間的相互作用，顆粒湍流擴散模型選用隨機游走模型。

對流-擴散項的離散格式采用有限體積法的QUICK格式，它適用于六面體網格，具有較高精度。壓力-速度場求解采用基于RSM模型的SIMPLEC 算法。

入口介質的物性和參數設定見表1。

表1 入口介質物性參數

3 計算結果及分析

3.1油滴粒子軌跡

圖3所示分別為注氣前后旋流器內油滴粒子軌跡圖。由圖3可以看出，未注氣時油滴粒子在外旋流的跡線密度較大，逃逸所用最長時間為0.795s；注氣后油滴粒子在外旋流的跡線稀疏，內旋流的跡線密集，說明油滴在氣泡的攜帶下迅速向中心核處運動，逃逸所用最長時間縮短為0.241s。

a. 未注氣時

b. 注氣時圖3 旋流器流場內油滴粒子軌跡(時間渲染)

圖4所示為跟蹤具體一個油滴粒子得到的用逃逸時間渲染的軌跡圖，反映了粒子在旋流器中的分離過程。圖4a所示是一個油滴粒子從溢流口逃逸出去的運動軌跡，該油滴粒子從入口進入后，沿著旋流器器壁向下游做螺旋運動，在錐段區聚攏到中心區，并獲得向上速度，進而從溢流口流出，這也說明了旋流器內兩相的分離主要是在錐段，尤其是在小錐段；圖4b所示是一個油滴粒子從底流口逃逸出去的油滴粒子運動軌跡，該油滴粒子從入口進入后做螺旋運動直接從底流口流出，沒有反向內旋從溢流口被分離出去，這種油滴往往是被碰撞破碎或乳化的粒徑小的油滴。

圖4 單個油滴粒子運動軌跡(時間渲染)

3.2速度分布

3.2.1切向速度

切向速度是衡量旋流器分離因數大小的指標。圖5所示為注氣前后旋流器內不同截面上的切向速度沿半徑方向的分布。由圖5可知，切向速度沿半徑方向由內向外先增大后減小，并呈對稱分布。切向速度的最大值點把流場分為內、外兩層旋流。在內旋區，注氣后的切向速度明顯增大，而對外旋區的切向速度影響不大。這說明，注氣后切向速度的增大，使油滴所受離心力增大，有利于油水兩相的分離，但同時也會加重油滴的剪切破碎。由于氣-水密度差懸殊，氣體進入后無論是否粘附油滴，總是快速地向中心柱區運動，致使邊壁處氣體分率減少，對外旋流影響減弱。

圖5 旋流器不同截面處切向速度分布

3.2.2徑向速度

徑向速度是影響油滴徑向遷移的重要因素，是油滴在徑向沉降過程中所受阻力的主要原因，直接影響到旋流器的最小分離粒度。圖6所示為注氣前后旋流器內不同截面上的徑向速度沿半徑方向的分布。由圖6可知，徑向速度的變化比較復雜，分布曲線比較雜亂，但還是有著共同規律：在主分離區，流體的徑向速度既有正值也有負值，速度大小基本上隨著半徑的增大而增大，距中心軸一段距離處達到最大；在外旋流區，徑向速度基本上為負值，即流體向中心匯聚；注氣后流體徑向速度的增大，使油滴徑向遷移的時間縮短，相應的阻力也會增大。

圖6 不同截面處徑向速度分布

3.3操作參數對分離效率的影響

3.3.1氣液體積比的影響

圖7是進口流量4.1m3/h，分流比15%時，氣液體積比(注入氣體在入口狀態下的體積與液體體積之比)與分離效率的關系曲線。由圖7可看出，隨著氣液體積比從小到大的改變，分離效率的變化是先下降后升高再下降。分析認為，當氣液體積比較小時，注入的氣體量少，不足以對油滴起到攜帶作用，但引起流場速度、壓力的變化，可能會使分離效率降低。隨著注氣量的增加，有充足的氣泡與油滴粘附形成油-氣復合體，分散相與連續相密度差增大，氣體攜帶油滴向中心柱區運動并向上進入溢流口，產生明顯的氣浮效果，使分離效率提高。當注氣量繼續加大后，大量的氣體占據了旋流器核心區，阻礙了油滴粒子的運動，干擾了旋流器內部的正常流場，導致分離性能下降。實驗數據也反映出這一規律。由分析得知，注氣量過小或過大都會使分離效率有所下降，適宜的注氣量應提供充足的氣體以產生足夠的氣泡攜帶油滴，起到氣浮-旋流協同作用。模擬所得最佳氣液比為8%，對應的分離效率最大為94%。

圖7 氣液體積比與分離效率關系曲線

3.3.2進料流量的影響

圖8是在分流比15%、氣液體積比8%時，進口流量與分離效率的關系曲線。模擬結果顯示，無論注氣與否，旋流器的分離效率隨進料流量的增加而逐漸增大，之后趨于平穩，注氣后的分離效率比未注氣時所提高。實驗數據顯示，隨流量的增加，分離效率增大，達到最大值后，隨流量的增加而降低[8]。根據Stokes離心沉降定律，單個油滴的徑向沉降速度v正比于進料流量的平方，即v∝Qi2，而水相的軸向速度u正比于進料流量的一次方，即u∝Qi，因此，單個分散相油滴的軌跡角度arctan(v/u)∝Qi。表明進料流量增大時，有更多的分散相油滴從外旋流進入內旋流，即分離效率增大。注氣后流場的流速增大，離心力增大，促進油水分離。另一方面，流速的增大加劇了對油相的剪切，油滴破碎乳化，導致分離效率下降。由于模擬時油滴顆粒按均一直徑計算，未考慮油滴破碎因素，故計算結果未能反映出增大流量對油滴破碎的不利影響。

圖8 進口流量與分離效率關系曲線

3.3.3分流比的影響

圖9是進口流量為4.1m3/h，氣液體積比為8%時，分流比與分離效率的關系曲線。模擬結果顯示，注氣后的分離效率較未注氣時有所提高，分離效率隨分流比的增加而增大。實驗數據表明，分流比在8%～15%區間，分離效率隨分流比的增加而增大，達最大值后，繼續增加分流比，分離效率則下降[8]。理論模擬結果與實驗值在分流比小于15%范圍內基本吻合。在實際應用中，除油型水力旋流器的分流比一般控制在較小范圍內。對于注氣式旋流器考慮到注氣后體積流量的增大，同時要更好地發揮氣體的氣浮作用，因此實驗范圍的分流比在8%～20%[8]。

圖9 分流比與分離效率關系曲線

4 結論

4.1注氣后旋流器內流體的切向速度和徑向速度均增大，油滴粒子從旋流器內逃逸出去的時間縮短，表明氣體對油滴產生了氣浮作用，有利于油水分離。

4.2注氣量過小或過大都會使分離效率有所下降，適宜的注氣量應該保證有足夠的氣泡與油滴粘附且不脫落，形成“氣攜油”復合體。模擬條件下所得最佳氣液比為8%，相應的分離效率最大值為94%。

4.3進口流量和分流比對注氣式旋流器的影響規律與未注氣的常規旋流器的影響規律相同，但注氣條件下的分離效率比未注氣時的分離效率提高5%～10%，說明氣浮對強化旋流分離起到一定的作用。

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