重力式油水分離器斜板填料的數值模擬研究

李朋浩，劉博文，李奎琛，田 淵，申利波

(中國石油大學勝利學院 化學工程學院，山東 東營 257061)

常見的油水分離器主要是通過重力沉降的方式進行油水分離，其具有結構簡單、處理量大等特點，被廣泛應用于石油石化等領域[1]。油水分離器常見的內構件有斜板填料、波紋板填料、TP板填料等，根據不同的使用場景，各類填料有著不同的用處，斜板填料作為最常見的內構件之一，具有不易阻塞，分離效果好等優(yōu)點，在重力式油水分離器中得到較為廣泛的使用[2]。

本文在考察工業(yè)中常見的油水分離器后，通過設定合理的停留時間進而對油水分離器進行設計，油水分離器內部只存在斜板填料，未對分離器的出入口結構進行設計，為更好的對其結構參數進行優(yōu)化，究其內部流體的流動特性，本文通過Fluent模擬軟件對分離器內部的流場分布及油相濃度進行數值分析，考察不同結構參數對其的影響，進而完成對斜板填料的優(yōu)化，通過改變流場分布可有效提高油水分離器的分離效果，使得重力式油水分離器的結構更加緊湊，有利于減小其體積及占地面積。

1 模型建立及參數設定

1.1 模型結構參數

圖1 油水分離器結構及參數

油水分離器結構如圖1所示，油水分離器左側中部開設直徑為30mm的入口，在分離器后端上部及下部分別開設直徑為20mm的油相及水相出口，筒體直徑為400mm，筒體長度為1200mm，兩側采用標準橢圓形封頭，斜板填料距離左側封頭焊縫距離為250mm，斜板填料后面空間為廣闊的重力沉降區(qū)。

1.2 數值模擬參數設定

結合相關實驗及數值模擬研究可知，為使得模擬結果與真實值接近，多相流模型選取mixture模型，湍流模型采用標準k-ε模型[3-4]，為使得油水分離器停留時間為30min，入口流速經計算可得為0.12m/s，邊界條件采用速度入口條件，油相及水相出口采用自由出流邊界條件，其余的容器壁采用壁面邊界條件。油相的設定密度為905 kg/m3，該油品粘度為241mPa·s，油滴的粒徑為200μm，入口處油相的體積分數為20%。

2 模擬結果及分析

2.1 內部流場及油相濃度分布

圖2 油相體積分數云圖

為初步得到油水分離器內部流體的流動特性，探究流體流動與分離效果的關系，設定斜板填料的初始結構參數：傾斜角為30°、板間距為50mm，板長為250mm，通過數值模擬可得到分離器內部的油相體積分數云圖如圖2所示，分離器的上部油相濃度較高，積聚成一定濃度的油層，下部水相濃度較高，油相出口處油相的體積分數為66.56%，水相出口處油相的體積分數為9.05%，流體流經斜板填料，使得油水分離器實現了較好的油水分離。

為進一步研究其油相分布原因，分析其內部流場得到速度矢量圖，如圖3所示。流體在入口處以很大的速度流入分離器，由于未設有相應入口結構，流體直接沖擊斜板上部，造成局部回流，回流向下流動影響下部流體正常流入斜板板間，造成一定的沖擊，影響斜板的分離效果。斜板下部產生了一定死區(qū)，造成分離器流體區(qū)域的浪費，降低分離空間。流經斜板填料的流體在其后部產生一定的渦流，流體的局部擾動需要較大的沉降區(qū)進行緩解。由于未設置相應出口結構，流體在各出口有局部渦流，也會在一定程度上降低分離效果。

圖3 分離器內部速度矢量圖

2.2 結構參數影響及分析

油水分離器油出口的油相體積分數，可有效反映出油水分離器的分離效果，通過改變斜板填料的結構參數，分別建模并進行數值模擬研究，進而考察不同參數對油水分離器分離效果的影響。

圖4 板傾斜角對分離效果影響

如圖4可知，通過增大板的傾斜角，油出口油相體積分數呈現先增大后減小的趨勢，并于傾斜角為15°時，油相體積分數取得最大值70.35%，此時油水分離器分離效果最好。隨著板傾斜角的增大，板后的渦流情況加劇，在一定程度上影響油水的重力沉降，進而降低了分離器的分離效果。

圖5 板間距對分離效果影響

如圖5可知，通過增大板間距，油出口油相體積分數呈現先增大后減小的趨勢，并于板間距為30mm時，油相體積分數取得最大值71.29%，此時油水分離器分離效果最好。隨著板間距增大，相同體積斜板數少，油相聚結的幾率減小可降低分離效果，另外當板間距過小時，阻礙了板間流體的流動，進而也會影響分離器的分離效果。

圖6 板長對分離效果影響

如圖6可知，通過減小斜板長度，油出口油相體積分數呈現逐漸增大的趨勢，并于斜板長度為150mm時，油相體積分數取得最大值74.63%，此時油水分離器分離效果最好。當板長較小時，不但可以起到油相聚結和油滴浮升的目的，而且在其后續(xù)的重力沉降區(qū)產生的渦流較小，進而降低對重力沉降區(qū)的影響，使得分離器的油水分離效果提升。

3 結論

(1)斜板填料的前后會產生一定的渦流和短路流，流體的流動亟待進一步優(yōu)化，斜板填料可在一定程度上提升分離器的油水分離效果。

(2)通過改變斜板填料的結構參數，可有效提升分離器的分離效果，結合數值模擬研究可以發(fā)現，斜板傾斜角度為15°，斜板長度為150mm，板間距為30mm時，斜板填料可使油水分離器達到較好的分離效果。