操作參數對柱形油水分離旋流器性能的影響

林 剛，紀艷娟，郭 鵬，莊建全

中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院 （江蘇 揚州 225009）

國內油田較常見的油水分離旋流器為錐形水力旋流器，由于其油水分離精度高、占地面積小、使用靈活簡便等優點，早期多用于油田海上平臺[1]。然而其在工業生產應用中仍然存在一些問題與不足：①受錐形水力旋流器截面積尺寸限制，其實際含油污水處理量及產水率均不理想[2]；②為達到高精度的油水分離，其結構參數要求更加精密，增加了前期的研發與加工成本；③其對進水物性的適應性不強，由于結構參數精密，在含油污水的油滴密度、含油量、黏度等參數發生變化時，其油水分離的效率難以控制；④油田引進成本高，目前單支1.5 m3/h處理量的錐形油水分離旋流器市場價格在1.5萬元左右。以上諸多因素限制了錐形油水分離旋流器的推廣應用，因此近些年國內學者著手開展柱形油水分離旋流器的研究。柱形旋流器等直徑圓柱形的幾何結構解決了處理量受限的問題，但研究發現，其流場較錐形油水分離旋流器更為復雜[3]，油水分離效果并不理想，成功的工業化應用案例鮮有報道。

借助ANSYS系列軟件建立了柱形水力旋流器的三維模型，對其流場變化進行了計算分析。針對分流比對油水分離效果的影響進行了深入地研究，為柱形油水分離旋流器的應用及設計研制提供了理論依據。

1 實例計算準備

1.1 三維建模

用工業建模軟件Solidworks建立柱形水力旋流器三維模型（圖1），以Y軸反方向為重力加速度方向，旋流器主體高度1 000 mm，內徑100 mm。進水管與旋流器主體切向連接，長100 mm，內徑20 mm。頂部分油管與底部分水管均由圓心位置向外延伸，長100 mm，內徑20 mm。

圖1 柱形油水分離旋流器三維模型

將模型導入ICEM軟件生成網格，網格質量選擇優。將旋流器入口管截面命名為入口Fin，頂部分油管命名為Fout1，底部分水管設定為Fout2。完成后檢查網格質量，導入ANSYS軟件中Fluent模塊準備計算。

1.2 數學模型

油水混合流體在旋流器中的運動為非定常的多相流運動，針對流場中湍流的計算方法，目前常用的是雷諾時均計算方法，常用模型是k-ε（k-epsiloin）模型。standard k-ε模型在流場中含有較大壓力梯度時，計算精度會降低，因此僅適用于逆壓梯度較低的流動，且只能模擬某一個特定尺度的湍流擴散，RNGk-ε模型針對湍流漩渦提高了計算精度并拓寬了適用范圍[4]。

Fluent提供的多相流模型有VOF模型、Mixture模型、歐拉模型。VOF模型適用于不同相態間沒有穿插流動，如分層流或自由表面流，歐拉模型計算復雜，對計算機性能要求較高。因此多相流計算模型選擇Mixture模型。

1.3 相的設定

流場中流體為油、水兩相，主相為水相，密度998.2 kg/m3，黏度 0.001 Pa.s；次相為油煙，密度 850 kg/m3，黏度0.048 Pa.s，粒徑400 μm。

1.4 邊界條件

設定入口Fin油相體積分數為3%。頂部分油管Fout1為outflow溢流出口，底部分水管為Fout2 outflow溢流出口，壁面為無滑移固壁。

2 分析與討論

2.1 實驗參數

影響旋流器油水分離性能的主要參數見表1。

表1 影響油水分離旋流器性能的參數

由表1可知，油水分離旋流器的性能受多項參數影響，將上述參數可分為操作參數、結構參數、物性參數3類[5]。在實物實驗或生產應用中，油水分離旋流器結構固定，含油污水物性的波動變化也難以控制，因此入口流速與分流比的調整是影響油水分離效果的關鍵操作參數。

2.2 入口流速對油水分離性能的影響

入口流速為流體賦予了初始的動能，切向入口保證了流體沿壁面做圓周運動，從而形成初始渦旋流場。在Fluent中設定油水混合液，以2 m/s的流速從入口切向進入旋流器，將在等高平面上形成的渦旋稱之為初始渦旋。在壓降以及流體黏滯阻力的作用下，流速在該平面上由外環向中心逐步降低；在初始渦旋流場提供的能量作用下，渦旋同時沿重力方向向上向下發展；在黏滯阻力的作用下，能量逐漸衰減，最終在入口上下一定范圍內形成穩定的渦旋流場。

為考察分流比是否對初始渦旋流場產生影響，以渦旋中心為原點，沿截面直徑方向平均取500個點的速度值可以發現，在0.03/0.97與0.3/0.7兩種分流比下，速度變化曲線基本一致。因此可以看出，在結構參數不變、入口流速不變的情況下，初始渦旋的流速、形態不受分流比的影響。

將分流比設定為0.3/0.7，流速分別設定為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、4 m/s、8 m/s，觀察分油口、分水口含油體積分數的變化情況如圖2所示。

圖2 分油口、分水口含油體積分數變化曲線

由圖2可知，Fout2為底部分水口出水含油體積分數，在入口流速為0.5 m/s時，出水含油體積分數僅為0.4%。隨著入口流速的增加，分水口出水含油體積分數迅速增加，當入口流速達到2 m/s時，分水口出水含油體積分數保持穩定并呈緩慢下降趨勢。為解釋該現象，對上述5種入口流速下旋流器內部含油體積分數最高點的坐標位置進行對比分析，結果如圖3所示。。

圖3 5種不同入口流速下含油最高點Y軸位置坐標

由圖3可知，入口流速在0.5 m/s、1 m/s時，含油體積分數最高點坐標(X,Y,Z)為(0,1.1,0)，即旋流器分油管出口位置；當入口流速達到2 m/s或更高時，含油體積分數最高點位置坐標中的Y值減小，即油相在旋流器中富集的位置在降低。結合油相體積分數分布云圖中入口流速在0.5 m/s、1 m/s時并未形成高濃度油核，因此認為在入口低流速的情況下，由于流速過低，同時流體首先沿內壁做圓周運動，移動距離增加，停留時間長，在此階段重力沉降分離起主要作用；而在入口流速超過2 m/s時，油滴受向心力作用增大，旋流離心分離起主要作用。

圖4 四種分流比方案下的油相分布情況

圖5 四種分流比下不同高度位置的油相體積分數變化曲線

2.3 分流比對油水分離性能的影響

在該計算過程中，分流比分別設計A方案0.03/0.97、B方案0.1/0.9、C方案0.2/0.8、D方案0.3/0.7 4種分流比，通過計算對其流場變化規律以及對油水分離效果的影響進行分析。

在明確渦旋性狀不受分流比影響的前提下，可對分流比進行調整以分析油水分離規律。旋流器入口流速設定保持2 m/s不變，模擬運行時間為60 min，將A、B、C、D 4種分流比方案計算后的X-Y平面油相體積分布情況以云圖顯示（圖4）。

由圖4可知，從左至右依次為A、B、C、D 4種分流比方案，在4種不同分流比作用下，旋流器入口高度附近均形成了高濃度含油區。由于頂部分油管分流比逐漸增大，分油管抽吸作用變強，高濃度含油區范圍逐漸縮小。沿Y軸從分水口到分油口取500個點的油相體積分數值繪制曲線（圖5）。

由圖5可見，從分水口到分油口，油相體積分數呈不斷上升趨勢，在曲線中標出油相體積分數的最大值，A、B、C、D 4個方案最高含油位置的油相體積分數均大于初始設定的3%，A方案含油體積分數最高。為保證分水口出水質量，一般情況下會采用除油率（ω1）作為評價油水分離旋流器性能的指標，計算如公式（1）所示。

式中：V0為初始含油體積分數，%；V2為分水口含油體積分數，%。

按公式(1)計算結果繪制4種分流比方案除油率變化圖（圖6）。

圖6 四種分流比方案除油率變化圖

由圖6可知，隨分流比增加，除油率逐漸上升，但該評價方式仍存在以下問題：

1）分水口含油最高值與最低值實際差值并不大，盡管除油率A方案與D方案差距在13%，但從實際含油體積分數值上看，A方案1.99%與D方案1.58%僅相差0.41%，在實際應用中該差值并不具有有效的說服力。

2）提高分流比后除油率的提升是以降低油水分離旋流器產水率為代價。以D方案0.3/0.7為例，在實際工業應用中，假設日處理含油污水量在1 000 m3，而實際處理量僅為 700 m3，同時 300 m3的污水回流量也會對站點污水池造成很大負擔。

可見，單純以除油率為指標無法全面評價油水分離旋流器的性能。因此提出以“油水分離率”（ω2）來表征油水兩相分離的程度，同時作為評價油水分離旋流器性能的另一輔助指標。計算如公式（2）所示。

式中：Vmax為旋流器內部油相體積分數最高值，Vmin為旋流器內部油相體積分數最低值。

按公式（2）計算結果繪制4種分流比方案下油水分離率變化圖（圖7）。

圖7 四種分流比方案下油水分離率變化圖

由圖7可知，分流比較低的情況，油水分離率最高，隨著分流比提高，除油率提升，油水分離率下降。分析認為當分流比降低時，分油口流量變小，渦旋中心流體向上運動的速度變慢，油水混合液在渦旋場中停留的時間變長，油水分離率提升；受空間限制，渦旋區域無法容納的油滴在外圍旋流中隨流體向下運動，導致底部分水口含油升高。當分流比提升、分油口流量增加、分水口流量減小，流體中的油滴在渦旋區域的運動加快，部分油水未來得及完全分離即被分油口吸走，因此導致分離率降低，但分水口油含量反而減少。

3 結論及認識

1）含油污水中的油滴在渦旋場中受向心力作用，向渦旋中心方向做螺旋運動，到達渦旋中心的油滴受底水壓力作用向上運動，最終由分油口流出，因此柱形水力旋流器可有效地進行油水分離。

2）在柱形油水分離旋流器幾何參數、入口流速不變的情況下，入口附近一定會形成穩定的初始渦旋，初始渦旋的位置及流體速度不受分流比影響。

3）降低分流比有助于提升旋流器的油水分離程度以及油相的富集排出，但會增加底部分水口出水的含油量；提升分流比有助于降低分水口的污水含油量，但同時油水分離程度降低，回水量增大。

4）柱形油水分離旋流器的幾何結構決定了其屬于粗分離技術單元，主要作用在于回收大顆粒的浮油、分散油，同時減輕對后端過濾器、超濾膜等設備的油污染。因此在現場生產運行過程中，應適時調整分流比以提升含油污水處理工藝流程的整體效率。若由于特殊原因造成前端除油設備失效，大量高含油（含油量大于100 mg/L）污水進入旋流器應迅速提高分流比至0.3/0.7～0.4/0.6范圍，以保證旋流器出水含油量在較低的水平；若進入旋流器的含油污水含油量在設計值（含油量小于30 mg/L）以內，可調整降低分流比至0.03/0.97～0.1/0.9范圍，以保證處理量，在減輕污水池負荷的同時提升油水分離率。