PEX聚結板對油水分離性能的影響

劉 濤，樊玉光，袁淑霞，余曉月

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

目前我國大多數油田已進入了開采的中后期，需要通過注水的方法提高開采率，必然導致含油污水量增加，如何對污水進行有效處理已成為了熱點問題[1-4]。PEX板是一種新型聚結元件，其內部交叉狀的波紋能使水流方向不斷變化，混合液體中的油滴通過改變流向來適應PEX板的輪廓，進而增加油滴的碰撞幾率，縮小了聚結時間，使水中油滴粒徑增大，提高分離效率。

在含油污水的聚結處理方面，蔣昊琳等[5]對已有研究進行了總結并對其應用進行了展望。中國石油大學陳文征[6]從分離器的入口構件、聚結構件和整流構件的流場和壓力場出發分析了油水分離器內構件對分離效率的影響并對聚結板表面材質進行改性處理，從而加快了油水分離速率；張喜家[7]從對各內部構件的工作機理及作用出發研究了分離器內部流場的流動規律；趙建峰[8]研究了結構參數和操作參數對聚結板油水分離器內部流場和流動特性的影響。在聚結板材料的選擇上已有的研究成果主要從不銹鋼、陶瓷、聚丙烯、PVC等材料展開研究[9-14]；關于聚結板的結構參數對分離效率的影響，科研工作者們從聚結板的傾角、排列方式、版間距和材料的表面特性等因素進行了研究[8,15-16]。Husveg等[17]研制了一種新型的提高采出水中油滴尺寸的離心泵，為后續油水分離提供了基礎。Kopylova等[18]利用聚結過濾對水包油乳液進行了研究。

從上述研究的結果可以看出，目前對聚結板影響分離效率的研究主要集中在結構參數、內部構件、操作條件和聚結填料的選擇等方面，而對于液滴聚結如何影響分離效率以及數值模擬的邊界條件設置對研究結果的影響研究很少。本文采用Ansys Fluent軟件中的離散相模型對PEX板油水分離進行數值模擬，得到粒徑、流速及邊界條件設置與分離效率的關系，并與實驗結果對比驗證，給出適合PEX板的液滴-壁面邊界條件。

1 PEX聚結板的數值模擬

1.1 數值模擬模型的選取

為簡化求解過程，假設在分離過程中流體的溫度不發生改變，沒有能量傳遞，因此不考慮能量守恒。PEX板用于液-液分離，因此認為流體為不可壓縮。

本文所研究的油水混合液中以水為連續相、油為分散相且油相體積占總體積很小（5%），為了能夠準確描繪離散相油滴的運動軌跡，采用歐拉-拉格朗日方法進行模擬（在Ansys Fluent軟件中采用DPM模型）。選用非穩態的追蹤方式對離散相的運動軌跡進行追蹤，通過計算，本文研究的最大雷諾數Re＜2300為層流狀態，故無需考慮湍流方程。連續相的質量方程選用連續性方程，動量方程選用N-S方程。

直角坐標系中離散相油滴的受力平衡方程在x軸方向上的表達式為：

其中FD(u-up)為油滴單位質量的曳力，FD由式(2)確定：

式中：u、up分別為連續相和離散相的速度，m/s；ρ、ρp分別為流體和顆粒的密度，kg/m3；dp是油滴直徑，m；CD是曳力系數；Re為相對雷諾數；gx是重力加速度在x軸上的分量，m/s2；Fx是x軸方向上的其他附加力，包含視質量力、升力、布朗力等，N。

考慮到在實際流動中油滴與油滴間以及油滴與聚結板間可能會發生的隨機碰撞，由此產生聚結和破碎現象，因此數值模擬中選擇隨機碰撞以及液滴聚結與破碎模型。

1.2 模型建立和網格劃分

PEX板為一組垂直安裝的聚結板，板上有30°走向的波紋，間隔板上的波紋彼此平行，相鄰板上的波紋彼此交叉，因為PEX板組具有周期性，只需建立一個通道進行研究。PEX板間流道曲折，來流方向與流道成一定夾角，混合物在流經PEX板組時，速度的大小和方向因流道的改變產生周期性的變化，從而使液滴之間互相碰撞的概率增加，有利于水中油滴的聚結。因為PEX板間油水混合物的運動極其復雜，所以利用三維模型對聚結板的分離特性進行研究。

因PEX聚結板有復雜的流道結構，而四面體網格能更快地生成與壁面貼近程度較高的網格，并能夠使模型的細節更清楚的表達出來，因此選取“Tet/Hybrid”四面體結構對聚結板的三維模型實現網格劃分，圖1（a）和（b）分別為PEX板及其網格劃分示意圖，（c）和（d）為兩個截面的示意圖。

圖1 PEX聚結板及網格劃分示意圖

1.3 邊界條件及流場計算方法

認為連續相的聚結板壁面光滑且無熱量交換，水流速度均勻分布于進口截面，離散相是初始體積含量為5%的油相，進口速度與水相相同。聚結板出口定義為壓力邊界。液滴與PEX板壁面的作用也會對油水分離造成影響。為準確表達液滴與PEX板壁面間的作用，考慮兩種壁面邊界條件。第一種未考慮反彈，認為油滴只要碰到壁面就會被捕捉；第二種則認為只有在油滴碰到PEX板的上壁面才會被捕捉，其余壁面均反彈。通過與實驗對比分析兩種邊界條件的合理性。認為液滴到達PEX板出口時為逃逸，出口中離散相的含量即為沒有被分離的液滴量。本文選用耦合計算方法對流場進行計算。

1.4 分離效率

認為分離效率是已經分離出來的油相質量濃度占入口油相質量濃度的比例。

式中：η為分離效率，%；ρin、ρout分別是入口和出口的含油質量濃度，mg/L。

2 PEX聚結板對分離性能的影響

從以下三種工況模擬PEX聚結板對油水分離效率的影響：1）不考慮液滴聚結，并認為油滴碰到上壁面被捕獲；2）考慮液滴聚結，并認為油滴只要碰到壁面就會被捕捉；3）考慮液滴聚結，并認為油滴只有碰到上壁面才會被捕捉，PEX板只起聚結作用。

2.1 工況一的油水分離效果

圖2 工況一分離效率與流速的關系

圖3 工況二分離效率與流速的關系

不考慮液滴聚結，并認為液滴碰到上壁面會被捕獲。模擬同一粒徑液滴在不同流速流體中的分離，繪制如圖2所示的流速與分離效率圖。由圖2可以看出，不考慮液滴聚結時，不同粒徑下油水分離效率因混合物流速的增加而降低。因為流速的增加導致油滴還未上升至聚結板壁面便已被水流帶走，因而增大流速導致分離效率降低；在同一流速下分離效率隨粒徑的增大而增加，依據斯托克斯方程可知，油滴上浮速度與粒徑的2次方成正比，因此粒徑越大油滴越易從水中分離，分離效率也就越高。

2.2 工況二的油水分離效果

此工況考慮液滴聚結并認為油滴只要碰到壁面就會被捕獲，模擬同一粒徑液滴在不同流速流體中的分離，繪制了如圖3所示的流速與分離效率圖。從圖3可以看出，隨流速增大不同粒徑液滴的分離效率減小，與工況一相比分離效率有顯著的提升，在粒徑較小時，由于液滴聚結導致油滴在混合物中受到擾動較多，因此曲線波動較大。

2.3 工況三的油水分離效果

工況三考慮油滴只有碰到聚結板的上壁面才能被捕捉且考慮液滴聚結，模擬了同一粒徑液滴在不同流速時的停留時間和不同截面濃度的變化。對濃度變化的模擬選取了聚結板的表面、中部高200mm處和底部三個截面進行，圖4為停留時間；圖中流速從左至右依次為0.005m/s、0.01m/s、0.02m/s。圖5為不同截面質量濃度的變化，僅給出了流速為0.005m/s、0.0167m/s下的濃度圖。

圖4 粒徑為60μm液滴在不同速度下的停留時間

圖5 粒徑為60μm，流速為0.005m/s和0.0167m/s時的質量濃度圖

由圖4可以看出，聚結板中油滴停留的時間隨流速的增加而變短，而最終聚結板中還剩有粒徑過小的油滴無法分離，流速的增加縮短了停留時間，大流速的沖刷作用導致部分小油滴沒有發生聚結或到達到聚結板上就被帶出了通道，致使分離效率減小。從圖5能得到，由于油滴上浮，聚結板底部油相濃度較低，中上層依次增加，符合油滴的運動規律；隨流速的增加聚結板各截面中油相濃度也在不斷增加，因流速的增加增大了水流的沖刷作用，導致流道中的流場混亂，可推斷流速增加對油水分離不利。

3 結果與討論

3.1 油滴粒徑對分離效率的影響

圖6為考慮液滴聚結并認為液滴碰撞上壁面被捕捉條件下油滴粒徑與分離效率的關系。可以看出，PEX聚結板的分離效率因油滴粒徑的增加而增加，在油滴粒徑超過一定范圍后，分離效率緩慢增長或不再增加；粒徑大小不同的油滴受流速的影響不同，粒徑較小的油滴更易受流速影響，而在流速較大的情況下，大油滴的分離效率也會超過70%。

圖6 油滴粒徑與分離效率的關系

圖7 不同粒徑下是否考慮液滴聚結對分離效率的影響

3.2 液滴聚結對分離效果的影響

圖7為不同流速下不同粒徑液滴考慮聚結與不考慮聚結時分離效率對比。從圖可知，考慮聚結比未考慮時的分離效率要高，小油滴更易聚結成大油滴，提高了油滴上浮速度，油水分離效率增加；粒徑越大，兩者間的差距越大，且隨流速的增加差距先增后減，這是因為小流速下大小油滴均有充足的時間聚結，而流速的增加，大油滴受是否考慮液滴聚結的影響較大，當流速過大時，聚結對分離效率的影響減小，因此呈現圖中趨勢。

3.3 邊界條件設置對計算結果的影響

邊界條件設置的不同也將對計算結果造成影響，本文采用與實驗對比的方法驗證邊界條件設置的合理性。由于實驗過程液滴不可能為單一粒徑，為對應實驗結果，采用R-R（Rosin-Rammler）分布[18-19]對三種工況的模擬和實驗結果進行分析對比，R-R分布是描述粒徑分布的方法，實驗證明大多數粉體粒徑均符合R-R分布。通過對離散相油滴粒子群分布情況的研究，分析了R-R分布下流速對分離效率的影響，結果如圖8所示。

圖8 不同流量下PEX聚結板分離效率的實驗與數值模擬對比

從圖8可知，不同流速下PEX板分離效率均隨流速的增大而降低，工況三更接近實際流動情況，即考慮液滴聚結且假設當油滴只有碰到上壁面才會被捕獲。但兩者存在一定偏差，出現這種現象的原因可能是，一方面由于實驗過程不可避免會地出現誤差；另一方面在數值模擬時對部分問題進行了一定的假設，導致其與實際情況存在差異。

4 結論

（1）PEX聚結板的加入可大大提升分離器的分離效率。

（2）在不同的流速下，油水分離效率均隨油滴粒徑的增加而增加；不同的油滴粒徑下，流動速度升高分離效率降低。

（3）在考慮液滴聚結的情況下，小油滴更容易聚結成大油滴有助于提高油水分離效率。

（4）實驗值和模擬結果的對比可以得到：PEX聚結板的實驗和模擬結果分離效率的趨勢大致相同，驗證了模擬過程中所選擇的方法和模型的合理性、可靠性；同時可以看出，考慮液滴聚結并認為油滴只有碰到上壁面才會被捕捉的情況更接近實際的流動情況。