波紋板的結構及轉速對油水分離的效果分析

仝毅杰， 尚雅層， 陳鴻

（西安工業大學機電工程學院，西安 710021）

波紋板的結構及轉速對油水分離的效果分析

仝毅杰， 尚雅層， 陳鴻

（西安工業大學機電工程學院，西安 710021）

在石油井開采的后期，石油開采量逐漸減少，并且含水率不斷上升，為了在后期開采時增加石油與水的分離效果，文中主要研究了波紋板的結構以及轉速對石油分離效果所產生的影響。

波紋板；含水率；分離效果

0 引 言

隨著對石油的不斷開采，大部分的石油井已經逐漸進入到資源“枯竭期”，石油中含水率不斷加大，導致出油率降低，這就給石油的處理、檢測以及運輸造成了很大的問題，所以迫切需要開發一種促進石油中油水分離的裝置。目前油水分離器中使用較多的是波紋板聚結填料[1]。波紋板本身的材料具有親油而又不粘油的良好特性，而且波紋板材料易獲取，成本低廉，是促進油水分離很好的材料，同時也極大地節約成本，提高了經濟效益。

目前常用的分離方法主要有重力沉降分離、離心力分離、化學破乳、電破乳、升溫破乳、潤濕聚結等[2-7]。超聲波加熱處理中，隨著時間的推移，油溫度的變化已經不是很明顯，并且伴有“沸騰”的現象；化學破乳劑處理中，破乳劑自身的活性受到溫度的影響，溫度越高活性越強，如果加上攪動會使得受熱均勻，破乳效果顯著。因此文中主要分析波紋板在油水分離中的效果。考慮到不同的波紋板結構以及波紋板的轉速影響油水分離效果，因此對不同結構的波紋板進行綜合分析，再通過仿真判斷不同轉速對分離效果產生的影響。

1 波紋板的結構以及工作原理

波紋板的機械結構如圖1所示，波紋板結構分為三層波紋板和四層波紋板。

電動機的運轉帶動波紋板的運動，當波紋板上下運動時可以促進不同高度層面的乳化液分離，當波紋板作旋轉運動時會使得介質之間做相對運動，混合液之間的相對運動速度加快，從而分離速度也相對不斷加快。波紋板本身材料的屬性不粘油，它的運動也加劇了油滴碰撞融合的速率，如此不斷循環最終實現油水分離。另一方面，由于開采出的石油中也含有泥渣等雜質，波紋板的不斷運動使得泥渣等由于自身的重力作用沉降至底部[9-15]。

圖1 波紋板結構

2 模型的理論基礎

三大守恒定律（動量守恒、質量守恒、能量守恒）是研究流體運動的重要理論基礎，其中計算流體力學就是在三大守恒定律下，對流體進行分析計算的。

動量守恒定律的表達式如下[16]：

質量守恒定律的表達式如下：

如果流體不可壓縮，則有：

能量守恒定律的表達式如下：

圖2 波紋板結構圖

模型采用的是三層波紋板和四層波紋板經過卷成型的裝置，如圖2。考慮到網格的質量與最終結果的收斂性以及精度密切相關，最終選取網格數量分別為703 000和690 000，網格圖如圖3所示。

圖3 網格圖

3 模擬參數的確定

為了驗證轉速的大小對流場影響的大小，現主要模擬轉速分別在5 rad/s和10 rad/s時流場的變化大小，初始條件的如何設定對最終的計算結果不會產生影響，但是對于迭代的過程會產生影響，文中設定在穩態條件下進行求解。將轉動軸和波紋板定義為動邊界，則壁面為靜止邊界。

計算模型采用的是k－ε，該模型可以模擬流體的具體運動情況。

4 迭代

迭代求解以前，首先應當設定時間步長和收斂殘差。通常情況下，時間步長的設置不宜過長，否則會引起計算時間的增加，甚至會導致最終結果不收斂。所以，在設置一定的時間步長后便可以直接計算迭代，直到得到收斂的結果。

5 結果與分析

通過模擬得如圖4、圖5，波紋板在不同的轉速下波紋板截面速度。

圖4 轉速為10 rad/s時三層和四層波紋板的截面速度

圖5 轉速為5 rad/s時三層和四層波紋板的截面速度

從圖4和圖5可以看出波紋板中心的速度比較小，通過控制轉速達到5 rad/s、10 rad/s時，通過分析三層波紋板與四層波紋板對于流場的影響可以得到，三層波紋板與四層波紋板相比，三層的效果會更好，同時速度的衰減相對較為緩慢，可能的原因是:三層的結構中波紋板與波紋板之間的間距較大，流體的流動更為順暢。

殘差曲線如圖6、圖7所示。通過圖6、圖7中的不同波紋板在不同轉速下的殘差曲線可知，一段時間過后，殘差曲線逐漸收斂。兩種速度比較而言，10 rad/s的收斂速度高于5 rad/s，此外轉速為5 rad/s時還產生了小幅度的振蕩。

圖6 三層波紋板在5 rad/s、10 rad/s兩種轉速下的殘差曲線

6 結 論

波紋板在一定的轉速下對于流場的作用效果明顯，三層波紋板的作用效果要好于四層波紋板。此外，波紋板的轉速在滿足要求的前提下不宜過快，否則會產生渦流。由于在仿真過程中，除了文中涉及的變量外，未能確定其他因素對于分離效果產生的影響，所以只能作為參考，還要根據實際的情況對相關參數進行調整。

圖7 四層波紋板在5 rad/s、10 rad/s兩種轉速下的殘差曲線

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Effect Analysis of Corrugated Board Structure and Rotating Speed on Oil-Water Separation

TONG Yijie,SHANG Yaceng,CHEN Hong
(School ofMechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In the later period of oil wells,oil production is gradually decreasing,and water rate is rising.In order to increase the separation efficiency of oil and water in the later period of mining,this paper mainly studies the structure of corrugated board and the rotating speed of the oil separation effect.

corrugated board;water content;separation effect

TE 624.1

A

1002－2333（2018）01－0057－03

陜西省科技廳工業攻關計劃項目（2014K06-26)

（編輯昊 天）

仝毅杰（1990—）,男，碩士，研究方向為機械電子；

尚雅層（1966—）,女，教授，研究方向為計算機數字控制、液壓伺服驅動、控制理論及視頻處理。

2017-05-16