旋流器分離油泥的數值模擬分析

□ 張文倩 □ 郭建章

青島科技大學 機電工程學院 山東青島 266100

1 分析背景

旋流器是一種利用離心力進行按粒度分級、按密度分選的通用設備。旋流器構造簡單,占地面積小,處理量大,分離周期短,分離效果好,被廣泛應用于石化、非金屬礦業、環保等行業,幾乎涉及所有分離領域。研究旋流器的動力學機理,發揮旋流器高效節能的特性,進而提高旋流器的分離效果,一直是旋流器理論研究的熱點。

隨著環保法規的日益嚴格和完善,對油泥的處理引起人們越來越多的關注,油泥環保、無害、經濟的處理技術成為發展的必然趨勢。筆者的油泥樣品研究對象來自浙江舟山中國化工興中石油轉運公司原油儲罐,參考浙江大學實驗分析所得油泥性質參數,其油相組分含量約為66%,固體顆粒物含量僅為1.55%,有極大的回收利用價值。筆者通過數值模擬分析,得到不同流量下旋流器中壓力場、油水的分布特征,以及油泥顆粒粒徑大小對分離效果的影響,進而得到各影響因素與旋流器分離效果之間的關系。

2 研究現狀

隨著計算機技術和數值計算方法的發展,近十年來,我國科研工作者對旋流器的研究逐漸轉向以數值模擬為主。在仿真模型方面,王云峰等[1]對旋流器幾何模型的構建與網格的劃分進行了研究,曹鵬等[2]對湍流模型的建立和選擇進行了說明。在結構研究方面,王華宇[3]對旋流器的入口結構及分離性能進行了分類研究,趙立新等[4]針對不同流體特性對旋流器的入口形式、溢流出口形式、旋流腔長度進行了仿真優化設計。

目前,關于旋流器的理論研究主要集中在流場分布、分級情況、分離性能方面[5-6]。張西兆[7]采用數值模擬方法研究旋流器內流場、濃度場的分布規律,總結油水分離旋流器的相似放大工藝參數計算方法和相似放大準則。張艷等[8]對固液兩相分離過程進行數值模擬分析,得出固相顆粒在內、外旋流作用下呈現出的不同運動特性。筆者參照前人研究理論和實踐經驗,針對興中油泥含油量多、含水含渣量少的特點,進行一系列數值模擬分析,觀察分離效果。

3 油泥性質

衡量油泥回收利用價值的主要參考指標是油泥中水、油、渣三種組分的含量。業內通常認為:含油率超過10%時,油泥具有資源化回收利用的價值;含油率低于10%時,可采用適當工藝對其中包含的石油烴類和重金屬等有害物質進行無害化處置[9]。

油田落地油泥的含油率一般在10%～30%之間,儲運油泥的含油率一般在30%～70%之間,個別可達到80%以上,而提煉廠油泥的含水率和含油率一般分別在30%～85%、15%～50%范圍內變化[10-12]。

興中油泥樣品如圖1所示,可見油泥樣品表面光滑,質地順滑,機械固體顆粒肉眼幾乎不可見[13],大分子瀝青質和膠質顆粒含量較低,油包水顆粒直徑較小,呈較規則的圓球形,連續油相含量高。因此,這種油泥樣品質地較均勻,黏度低,表現出更偏向于液相的半固體狀態。油泥樣品組分含量見表1。

▲圖1 油泥樣品

表1 油泥樣品組分含量

油泥殘渣的主要成分為二氧化硅、鐵的氧化物,以及鈣鹽、鋁鹽等無機鹽。興中油泥殘渣由二氧化硅、半水石膏、氫氧化氧鐵組成,油泥殘渣的粒度分布特征見表2[14]。

表2 油泥殘渣粒度分布特征

4 數值模擬

4.1 幾何模型

根據標準JB/T 9035—2015《水力旋流器》對旋流器進行選型,按照設計要求,進料型式為左進料,進料口型式為切線型,進料口橫斷面為圓形。常規水力旋流器中,內直徑是旋流器其它結構尺寸確定的基礎,由于顆粒粒度為10～120 μm,因此選定內直徑為250 mm。旋流器結構基本參數見表3。

表3 旋流器結構基本參數

采用ICEM網格劃分軟件對旋流器模型進行四面體結構化網格劃分,對入口、出口、中心軸線附近等關鍵部位的網格進行不同程度的細化,計算域中共有網格單元909 363個,節點160 944個。旋流器基本參數如圖2所示,旋流器截面如圖3所示。截面1、截面2、截面3依次為溢流口截面、圓柱圓錐分離截面、錐體中點截面。

▲圖2 旋流器基本參數

▲圖3 旋流器截面

4.2 計算模型

在研究多相流模型對分離效果的影響時,發現離散相模型忽略了流體運動時顆粒間的相互作用。對比混合模型與歐拉模型兩種多相流模型的計算結果,發現歐拉模型將各相視為互相貫通的連續體計算,而混合模型通過求解混合物的動量方程,采用相對速度描述離散相,因此,混合模型更適用于求解多相流中的流體顆粒問題。

在進行油水預分離時,應避免因旋流強度過大使油水兩相發生乳化,因此,將旋流器中的流場設定為弱旋流場。在數值模擬中,湍流模型的選取十分重要。目前主要有雷諾應力模型和標準k-ε湍流模型,傳統對于旋流器的研究,基于強旋流場而選擇雷諾應力模型。從理論上分析,雷諾應力模型比標準k-ε湍流模型的計算精度高。但在實際應用中,雷諾應力模型的精度受限于模型的封閉形式,并沒有在所有流動問題中展現出優勢。由于筆者數值模擬研究的是弱旋流場,因此選擇更為適用的標準k-ε湍流模型。

標準k-ε湍流模型方程為:

(1)

(2)

μt=ρCμk2/ε

(3)

式中:k為紊流脈動動能;ε為紊流脈動動能耗散率;ρ為流體密度;t為流動時間;xj為流體質點坐標位置;uj為流體質點j方向速度;Gk為流體質點由層流速度梯度產生的湍流動能;μt為流體質點湍流速度;Cμ、Cε1、Cε2為流體質點標準k-ε湍流模型常量,依次為0.09、1.44、1.92;σk、σε湍流普朗特數,分別為1.0、1.3。

旋流器內水和油均可視為黏性不可壓縮流體,常溫下定常流動,考慮重力和旋流器壁面表面粗糙度的作用,忽略表面張力影響。

4.3 邊界條件

在許多學者的研究中,將不同湍流模型、離散格式、壓力-速度耦合方式模擬得到的旋流器內部流場軸向速度和切向速度與試驗數據進行對比分析,發現二階迎風格式和二階迎風插值離散格式在預測旋流器內部流場時的差異并不明顯,壓力-速度耦合方式對計算結果的影響不大[15-18]。由此綜合考慮,壓力-速度耦合方程組的半隱式方法更適合旋流器內部流場的計算。筆者數值模擬分析中,壓力選用高回旋流離散格式,體積分數、動量、湍流動能、湍流耗散率、雷諾應力選用二階迎風插值離散格式,初始流場旋流器內部均為空氣,湍流模型選用混合模型,壓力-速度耦合方式選用壓力-速度耦合方程組半隱式方法。

設置模擬的介質材料為油和水。油相密度為830 kg/m3,黏度為1 060 MPa·s。水相密度為998.2 kg/m3,黏度為1 000 MPa·s。離散相固體顆粒選用的材料為泥煤,固相密度為1 150 kg/m3。設定入口湍流已充分發展,流速為6 m/s,水含量為33%,固體含量為1.55%。流速方向為入口界面的法線方向,并指向入口內側。入口壓力為靜壓力。出口處達到湍流完全發達的狀態,流體循環的下溢端口和溢出端口均采用壓力出口條件,壓力為大氣壓。采用標準壁面函數法及無滲透、無滑移固壁條件來處理邊界湍流,計算壁面剪切應力、近壁面處的湍流動能和湍流耗散率。設置固相顆粒均勻分布存在于流體混合物中,固液相速度一致,進料管截面的法線方向為入口方向,同時設置為固相反射。顆粒的分離效率是底端流管出口捕捉到的顆粒數量與進口追蹤的總數量的比值。

5 結果分析

5.1 模型正確性驗證

在入口流量為60 m3/h,固相粒度均勻分布的條件下對模擬結果進行分析,驗證數值模型的正確性。取旋流器軸向三個截面位置的壓力進行分析,所得三個截面的壓力分布曲線如圖4所示。由圖4可以看出,旋流器內部靜壓力沿徑向從軸心到壁面逐漸增大,以軸線對稱分布,靠近溢流口位置壓力變小,并出現負壓,符合組合渦流場的靜壓力分布規律。截面2與截面3速度分布曲線如圖5所示。由圖5可以看出,旋流器中流場切向速度以軸線對稱分布,且呈M形駝峰分布,沿徑向從壁面到中心軸線先提高后降低,在某一位置出現峰值,符合組合渦流場的切向速度分布規律。

▲圖4 旋流器截面壓力分布曲線

5.2 入口流量影響

根據標準JB/T 9035—2015,內徑為250 mm的旋流器處理流量應在40～80 m3/h之間。在確定旋流器入口流量時,不僅要考慮油水分離效率,而且要考慮油泥顆粒分離率。將入口流量作為變量,對旋流器進行對照模擬,觀察不同入口流量對出口含油量和顆粒分離率的影響。

▲圖5 旋流器截面速度分布曲線

不同入口流量下旋流器出口含油量分布云圖如圖6所示。由圖6可以看出,油水的分離區域主要集中在圓柱段和圓錐段上半部分。隨著入口流量的增大,油和水的分離越來越明顯,溢流口的含油量也明顯增大,但是否入口流量越大就越適合旋流器的三相分離,還需要結合油泥顆粒的分離率進行進一步分析。

不同入口流量下旋流器出口含油量和顆粒分離率如圖7所示。由圖7可以看出,出口含油量隨著入口流量的增大呈增大趨勢,但在入口流量達到60 m3/h后,出口含油量逐漸平穩;顆粒分離率在入口流量為60 m3/h時達到峰值。產生上述現象的原因是水的密度較大,隨著流速的提高,所受到的離心力增大,油水分離效果越來越好;但是當入口流量大于60 m3/h,即入口流速高于6 m/s時,離心力所能提高的分離效果十分有限,所以在此之后,出口含油量增大緩慢。

在油泥顆粒分離方面,入口流量較小時,入口流速很低。入口流量為40 m3/h時,入口流速約為4 m/s,旋轉流速太低,不能很好地利用離心力將油泥顆粒貼近壁面,無法使其沿壁面進入底端流管。隨著入口流速的提高,油泥顆粒受到的離心力增大,分離效率也隨之提高。但是當入口流量大于60 m3/h,即入口流速高于6 m/s時,隨著軸向速度的提高,內渦旋的升力隨之增大,將會攜帶更多的油泥顆粒從溢流口排出,油泥顆粒分離效果變差。可見,旋流器分離的最佳入口流量為60 m3/h。

▲圖6 不同入口流量下旋流器出口含油量分布云圖

▲圖7 不同入口流量下旋流器出口含油量和顆粒分離率

5.3 粒度影響

在入口流量為60 m3/h,油泥顆粒進口濃度為1.5%的條件下,模擬得到油泥顆粒粒度與分離效率的關系,如圖8所示。由圖8可知,固相粒度大于20 μm時,油泥顆粒和水的分離效率大部分高于85%,分離效果較好。由于興中油泥的顆粒粒度只有10%小于20 μm,因此旋流器的分離效果達到了興中油泥提純分離的要求。

由圖8還可以看出,隨著油泥顆粒粒度的增大,油泥顆粒和水的分離效率先提高后趨于平穩。油泥顆粒粒度為10～20 μm時接近分割粒度,分離效率急劇提高。油泥顆粒粒度大于20 μm后,分離效率提高緩慢,最后趨于平穩。主要原因為,油泥顆粒粒度為0～20 μm時,固體顆粒質地較輕,從溢流口排出的概率變化大。可見,分析所用的旋流器適合分離油泥顆粒粒度大于20 μm的顆粒,油泥顆粒粒度小于20 μm時分離效率較低。

▲圖8 油泥顆粒粒度與分離效率關系

6 結束語

筆者對旋流器分離興中油泥的效果進行了模擬分析,確認油水的分離區域主要集中在圓柱段和圓錐段上半部分。同時研究了不同入口流量和不同入口油泥顆粒粒度對旋流器三相分離效果的影響,隨著入口流量的增大,油和顆粒的分離效率都表現為先提高后基本不變。入口流量為60 m3/h,即入口流速為6 m/s時,旋流器的分離效果最佳。油泥顆粒粒度越大,旋流器的分離效果越好。可見,分析所用的旋流器可以滿足油-水-顆粒分離的基本要求。