基于“淺池原理”的斜管組油水分離機理研究

王文武

(長慶油田分公司 機械制造總廠，西安 710201)①

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基于“淺池原理”的斜管組油水分離機理研究

王文武

(長慶油田分公司 機械制造總廠，西安 710201)①

研究了基于“淺池原理”的斜管組結構在重力式油水分離裝置中的作用機理。利用Stokes公式推導了影響斜管組除油效率的關鍵參數，為提高油水分離裝置的除油效率提供了理論依據。從理論上求出了離散相油滴在斜管組結構中的停留時間，并與流體動力學仿真軟件FLUENT求解的仿真結果進行了對比分析。結果表明：基于“淺池原理”的斜管組除油過程實質為斜管組內離散相油滴間的碰撞與聚結，其表象為離散相油滴在水相中的浮升與分離。

油水分離；機理；數值模擬

“高壓注水”是目前油田中后期開采的主要手段之一，開采出來的油水混合物的含水量較高，分離難度增大。研究重力式除油池的油水分離機理，優化除油池的結構參數，對提高除油池的分離效率具有重要的現實意義。由“淺池原理”發展形成的斜管組除油池利用油和水的密度差使水中分散懸浮的油滴逐漸浮升而使其分離[1]。生產中采用的斜管組除油池如圖1所示。孫治謙等人[2-3]對重力式油水分離設備的液滴終端速度及分離效率進行了研究，陳相[4]對重力式除油設備的應用效果及使用特點進行了研究。本文主要針對“淺池原理”在斜管組除油池中的作用效果及離散相流體在斜管組結構中的停留時間進行定性分析和定量計算研究。

圖1　生產中的斜管組除油池

1　流體在斜管組結構中停留時間的定量理論分析

(1)

式中：ust為油滴的終端浮升速度，m/s；ρw和ρo分別為水相和油相流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d0為油滴的粒徑，m；μ為水相流體的動力黏度，Pa·s。

由Stokes公式可知，油滴的浮升速度與油水兩相的密度差及油滴直徑的平方成正比，與水相的動力黏度成反比。根據管道末端的油相浮升速度，就可以對離散相油滴在管道中的停留時間進行計算，流體在管道中的流動狀態如圖2所示。

混合物流體以速度v從左端流入，右端流出，在管道中的停留時間為

(2)

式中：t1為混合物流體在斜管中的停留時間，s；l為斜管的長度，m；v為混合物流體在斜管中的速度，m/s；d1為斜管的直徑，m；Q為混合物流體在斜管中的體積流量，m3/s。

假設油滴從管道底部浮升至頂部，即為油水發生分離，則油滴的浮升時間為

(3)

式中：t2為油滴從管道底部浮升至頂部的時間，s。

2　斜管組結構中流體停留時間的仿真計算分析

根據斜管組除油池的實際尺寸建立的幾何模型如圖3所示，對應的有限元網格模型如圖4所示。

圖3　斜管組除油池幾何模型

圖4　斜管組除油池網格模型

2.1參數設置

利用流體動力學仿真軟件FLUENT，選擇Mixture混合物模型、Realizable湍流模型、三維穩態、隱式耦合求解器、SIMPLE算法進行數值計算。設置速度入口、壓力出口的邊界條件，選用的FLUENT材料庫中白油和水兩相的主要物性參數如表1所示。假設油水混合物中水相作為主相，油相作為次相，油相的體積分數為20%。

表1　模型中流體介質的主要屬性參數

2.2計算結果分析

用FLUENT 15.0計算得到斜管組除油池內油相流體的速度矢量圖如圖5所示。

圖5　油相流體速度矢量

由圖5可知，油相流體經過裝置中的緩沖整流配水板作用后，開始在重力差的作用下發生油水分離。其中部分油相在浮油層完全分離后經油相出口流出，未發生分離及分離不完全的油水混合物流經斜管組結構后，在斜管組結構的二次分離作用下，其中的部分油相向斜管的上壁面運動聚結。這一現象說明基于“淺池原理”的斜管組除油機制實質上為斜管組內離散相油滴的近似同方向運動，從而在距離上為油滴間發生碰撞與聚結提供空間可能性，離散相的油滴經過碰撞、聚結作用后，其油滴的粒徑和表面積不斷增大，其表象為離散相油滴的體積增大，導致在水相中的浮力增大，從而加速了離散相油滴在水相中的浮升和分離。這種現象正是“淺池原理”及“聚結原理”在斜管組結構油水分離過程中的具體表現形式，也在一定程度上提高了斜管組除油池裝置的除油效率。

為了定量分析“淺池原理”在斜管組結構中作用效果[8-10]，本文用流體在斜管中的停留時間來表征這種作用效果。斜管組流體在斜管中的停留時間統計表如表2所示。

表2　流體在斜管中的停留時間統計

3　理論值與計算結果對比

根據仿真過程中的模型參數，取l=90 mm，d1=5 mm，μ=0.001 003 kg/(m·s)，ρw=1 000 kg/m3，ρ0=860 kg/m3，d0=0.1 mm代入式(2)和(3)，計算出流體在斜管中的理論停留時間如表2所示。

流體在斜管中停留時間的理論值與仿真計算結果對比表明，在相同的條件下，t1≥t2，說明油水混合物在斜管中發生不完全分離；流體在斜管中的停留時間模擬值大于理論值，且誤差在15%左右，說明針對流體在斜管中停留時間的仿真計算和理論結果基本可靠。

4　結論

1)管道中油水兩相分離效率與離散相油滴的粒徑、斜管長度、油水兩相間密度差、連續相流體黏度及單位時間的體積流量有關，而與管道的高度(直徑)無關。

2)在重力式除油池中增設斜管組結構，可減小離散相油滴的浮升高度，增大其浮升面積，從而減少了離散相油滴在斜管組除油池裝置中的浮升時間，進而提高了裝置的除油效率。

3)基于“淺池原理”的斜管組除油機制實質上為混合物流體流經斜管組結構后，離散相的油滴經過碰撞、聚結作用，其粒徑和表面積不斷增大，其表象為離散相油滴的體積增大，導致在水相中的浮力增大，從而加速了離散相油滴在水相中的浮升與分離。

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Study on Mechanism of Oil and Water Separation in Tube Separator Based on the “Principle of Shallow Pool”

WANG Wenwu

(MachineryManufacturingFactory，ChangqingOilfieldCompany，Xi‘an710201，China)

The mechanism of the inclined tube group structure is studied based on “the principle of shallow pool” in gravity type of oil-water separator in this paper，and the key parameters affecting the efficiency of oil removal of the tube separator based on the Stokes formula is found out.The study conclusion can provide theoretical basis to improve the efficiency of oil removal of the device.And the residence time in the inclined tube group structure is got in theory，and it is compared with the simulation results calculated with the fluid dynamics simulation software FLUENT.The result shows that the oil removal mechanism of the inclined tube group based on “the principle of shallow pool” is essentially the collision and coalescence of the dispersed phase in the inclined tube group，and its representation is the float and separation of the dispersed phase of oil in the water phase.

oil water separation；mechanism；numerical simulation

1001-3482(2016)09-0089-04

2016-03-30

王文武(1968-)，男，甘肅鎮原人，高級工程師，博士研究生，1991年畢業于鄭州工學院化機專業，主要從事油氣田過程裝備設計與研發工作，E-mail：www_cq@petrochina.com.cn。

TE931.101

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.021