復合T形管稠油-水相分離特性模擬

梅洛洛 何利民 許仁辭

中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

復合T形管稠油-水相分離特性模擬

梅洛洛 何利民 許仁辭

中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

復合T形管作為一種新型兩相分離器，因其緊湊性、封閉性、簡潔性特點而日益受到重視。以稠油和水為模擬介質，采用mixerκ-ε湍流模型及歐拉多相流模型，分析了不同結構參數（入口段長度、分支管間距、高度）下復合T形管內稠油-水兩相流動與分離特性。結果表明：在給定的邊界條件下，合適的入口段長度對油水有效分離至關重要；分支管間隔的增大使得下出口含油率顯著下降，油水分離效率得到提升；分支管高度變化對油水分離效率影響很小。

復合T形管；數值模擬；下出口含油率；分離效率

引言

20世紀50～60年代，國際上對T形管用作預分離器的可行性進行了大量的研究[1]，并已有成功應用于化工生產的報道[2]。近年來，研究的焦點又轉向了利用T形管進行油水兩相的分離，有學者[3]提出利用垂直分支管路內的各相重新分配來實現油水分離的目的。為此，學者們在單個T形管的基礎上研究設計了不同結構的復合T形管路，試圖進一步改善分離效果。此外，國外已有利用復合T形管路在海底油田進行多相分離的實例，體現了緊湊、高效、封閉的特點，減輕了下游設備的處理負荷，前景十分廣闊。

Yang等[4]首先對不同流型下T形管中的液-液兩相流動進行了實驗研究，發現流型的變化和水相流速對油水兩相的相分配存在顯著影響，入口流型為分層波浪流時，相分離效果最佳。同時，Yang等也對主管和分支管水平的T形管內的油水兩相流動進行了實驗研究。發現分支管水平時，油水兩相的相分布比較均勻，分離效果很差。王立洋等分別對主管和分支管水平及垂直的T形管內油水兩相流動進行了數值模擬，并與Yang等人的實驗結果進行對比，結果發現油水相分配比模擬結果與實驗數據吻合較好。

由于T形管結構變量多樣性及油水流型劃分的復雜性，目前針對T形管內液-液流動與分離特性研究常采用實驗手段，且研究對象大都為單個T形管，而對于不同結構參數及操作參數下，復合T形管內兩相流動與分離特性研究甚少。本文借助于CFD商業軟件Fluent，分析了不同入口段長度、分支管間距、分支管高度及入口混合流速、入口含油率、分流比對油相和水相分布的影響，以期為復合T形管型分離器設計準則的建立提供研究基礎。

1 數值模擬

1.1 幾何模型建立

如圖1所示，油水混合流體從入口1進入復合T形管，通過主管路2與分支管3進行水平與垂直方向的分流，由于密度不同而產生離心力差異，使得富油流體經分支管分流進入到上方的匯集管4中，并從上部富油相出口5流出。剩余含水較多的油水混合物從下部富水相出口6流出。模擬介質物性如表1所示。

圖1 復合T形管結構

表1 油水物性參數（50℃）

采用Fluent專用的前處理軟件Gambit對復合T形管分離器進行網格離散劃分。首先將之前在Solidworks構建好的幾何模型導入到Gambit中，并分區域劃分網格。由于分支點流動復雜，為了更好地對流動及相分布進行捕捉，在分支點及分支管路采用致密的四面體網格，在上、下水平管路段采用Cooper方法生成規整的結構化網格。

1.2 邊界條件設定

入口邊界采用速度入口條件，兩個出口均采用自由出流條件，并設定體積分流比。由于復合T形管分離器入口流型多為分層流和混合分層流，因此從具有廣泛認可度的Trallero油水流型圖中選定合適的混合流速。計算域壁面邊界采用壁面無滑移條件，多相流模型選用歐拉模型，湍流模型選取mixerκ-ε湍流模型。

2 影響分析

2.1 不同入口段長度

復合T形管主管路管徑D=40 mm。選取了6支入口段長度不同（分別為20D、30D、35D、40D、50D、60D），而其他結構參數一致的復合T形管進行模擬研究，混合流速設定為Vm=0.2 m/s。入口含水率均為20%，體積分流比為0.2。

圖2所示為入口段長度為40D時，主管路不同徑向截面處油相分布。從圖2可以明顯看出，距離復合T形管第一分支管距離為40D處，油水擾動24D、28D，入口段長度固定為50D。入口混合流速Vm保持為0.2 m/s，入口含水率為20%，體積分流比為0.2。

圖2 入口段長度為50D下不同徑向截面處相分布云圖

由不同分支管間隔下軸向截面相分布云圖可以看出，分支管間隔為4D時，由于分支管間距較小，分流時造成的局部擾動對油水的流動影響很大，使得油水的分布變得不穩定，油水在進入第二、第三分流點之前，主管中的油水處于一種混亂狀態。在油水沿主管向前流動過程中，油滴無法形成有效的聚集沉降，重力的作用以及油水動量的差異對相分離的促進作用沒有顯現出來，導致后兩個劇烈，無明顯分層現象，底部水相積聚較少；而距離復合T形管第一分支管距離為10D處，已經形成了分離所需要的中間為油水混合層的油水分層流（ST&MI），這對于保障后續分離、提高分離效率非常關鍵。分離效率的定義如下

式中Fo為上部富油相出口油相流量與入口油相流量之比；Fw為上部富油相出口水相流量與混合入口水相流量之比。

由圖3可以看出，入口段長度為50D時，分離效率較高，達到70.3%；而下出口含油率較低，約為8%左右。因此，最佳入口段長度取為50D。

2.2 不同分支管間距

圖3 不同入口段長度下復合T形管分離效率及下出口含油率

選取7支不同分支管間距的T形管，等間距布置，間距分別為4D、8D、12D、16D、20D、分流點的分離效果較差，從而使得復合T形管分離效率低。當間隔為20D時，由于分支管間距的增大，油水在經過分流點擾動以后，在到達下一個分流點之前，具有一定的沉降緩沖時間，這就為下一次分流提供了較好的先決條件；而在分支管中也可以看出油相具有了集中分布的趨勢，從而整體分離效率較高。

圖4 不同分支管間距下復合T形管分離效率及下出口含油率

以上幾種間距下復合T形管油水分離效率及下出口含油率如圖4所示。從圖4可以看出，隨著分支管間距的增大，其分離效率也在不斷增大，下出口含油率也呈現明顯下降趨勢；但當分支管間隔增大到一定程度（圖中所示結構編號為5），由于油水兩相在水平管中的分布趨于穩定，所以分離效率及下出口含油率的變化均趨于緩慢。實際應用中，考慮到占地空間影響，優選復合T形管分支管間距為16D。

2.3 不同分支管高度

選定入口段長度為50D、分支管間距為20D，分支管高度依次為4D、5D、6D、7D、8D、9D、10D、11D。入口混合流速Vm仍保持為0.2 m/s，入口含水率為20%，體積分流比為0.2。

由不同分支管高度下軸向截面相分布云圖可看出，當分支管高度為4D工況下，油水混合物向上進行分流，分支管仍體現出很好的分離作用；當分支管高度進一步增大時，主管路中油相濃度增大，而上部匯管中原來穩定的油相分布開始變得分散，這導致油水整體分離效率降低。隨著分支管高度的增加，在分支管的上部，油相的分布由于遠離下分支點擾動的影響，且由于密度差的影響存在重力滑脫，在分支管中的截面分布更趨于均勻沿分支軸線呈對稱分布，越靠近分支管的上部，油相濃度越大，并逐漸趨于平穩。

圖5所示為不同分支管高度下復合T形管分離效率。從圖5可以看出：分支管高度為4D、5D、6D工況下，復合T形管分離效率基本在72%～80%之間，當分支管高度增大至7D時，分離效率急劇下降。這表明，在油水混合流速Vm=0.2 m/s的工況下，初始動能不足以克服分支管高度所具有的重力勢能，油相無法有效進入上部匯管，導致油水分離效率下降。

3 結論

（1）結構確定的復合T形管分離器，在給定進出口邊界條件之后，便確定了唯一的水力平衡系統，流體所具有的能量在管路中自由分配直至達到平衡，流體的分流促進了具有密度差異且不相溶多相流體的分離過程。

圖5 不同分支管高度下復合T形管分離效率

（2）在模擬研究工況范圍內，隨著分支管間隔的增大，油水的分離效率會增大，分支管間隔的增大起到了使油水充分沉降穩定以及改變分支管中流量配比的作用，而使分離效率增大；分支管高度的變化沒有給分離效率帶來太大影響。

（3）通過模擬研究，確定了在給定工況下，復合T形管分離器結構參數的最優組合，為室內實驗研究的實施奠定了基礎。

[1]Azzopardi B J．Phase separation at T-junctions[J]．Multiphase SciTechnol，l999（11）：223-329.

[2]Azzopardi B J，Colman D A，Nicholson D．Plant application of a T-junction as a partial phase separator[J]．Chem.Eng.Res Design，2002，80（1）：87-96.

[3]Azzopardi B J．T-junctions as phase separators for gas-liquid flows：possibilitiesandproblems[J]．ChemicalEngineering Research&Design，1993（71）：273-281.

[4]Yang L M，Azzopardi B J，Belghazi A，et a1．Phase separation of liquid-liquid two-phase flow at a T-junction[J]．AIChE Journal，2006（52）：l4l-l49.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.014

2015-02-04

基金論文：海洋工程公司“稠油處理工藝攻關課題研究”（Z14SJENG0004）資助。