油泥砂強旋流湍動脫附機理及室內(nèi)可行性試驗

王振波，朱衛(wèi)權(quán)，葉 洋，尹雖子，石 勇，霍建偉，都 帥，武金輝，孫治謙

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580；2.新疆油田采油二廠，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

含油泥砂是石油工業(yè)的主要污染物之一，隨著“十四五”期間環(huán)保監(jiān)管的日益嚴(yán)格，對于含油泥砂的無害化處理提出了更為嚴(yán)苛的要求，各采油廠急需一種更具經(jīng)濟性的工藝用以處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含油泥砂。過去對于含油泥砂多采用填埋、水洗、焚燒等方法，此類方法雖然在一定程度上解決了含油泥砂的處理問題，但是卻對生態(tài)環(huán)境造成了不可挽回的破壞。近些年來，含油泥砂處理行業(yè)發(fā)展了諸如生物處理、微波處理、高溫?zé)峤狻⒌蜏靥幚淼榷喾N新型處理工藝，這些處理方法均有其優(yōu)勢但又存在局限性。例如微波處理技術(shù)運行成本高，低溫處理技術(shù)對溫度要求苛刻，熱解技術(shù)能耗投資大并且操作復(fù)雜等。綜上所述，現(xiàn)有的處理技術(shù)普遍存在耗能大、適應(yīng)性差、資源回收率低或存在二次污染等不足[1-5]。

旋流分離技術(shù)因其適應(yīng)性好、流程密閉、自動化程度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于固液、液液分離領(lǐng)域。近年來，有學(xué)者嘗試將旋流分離技術(shù)應(yīng)用于油泥砂分離，并取得了一定進展。姜亦堅[6]使用化學(xué)旋流清洗法對大慶油田油泥砂進行處理，清洗后泥砂中殘油率低于排放標(biāo)準(zhǔn)的0.3%[7]，證明旋流工藝可適用于含油泥砂處理領(lǐng)域；孫鵬[8]使用數(shù)值模擬的方法將雙錐形切向入口型旋流器應(yīng)用于罐底油泥除油工藝，使用正交試驗法對不同工藝參數(shù)對分離指標(biāo)的影響；霍建偉[9]將課題組提出的DN50軸流式液-液體系旋流器兩級串聯(lián)后應(yīng)用于油泥除油工藝，在處理量為4 m3/h、一級溢流率10%～12%、二級溢流率6%時原油回收率得到91%，底流含油將至2 000 mg/L。本文在對旋流器內(nèi)強旋流湍動流場特性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合油相在油泥砂中的存在狀態(tài)，對旋流器內(nèi)油泥砂的強旋流湍動脫附機理開展分析，并通過試驗對旋流分離器用于三相分離器罐底油泥砂處理的有效性進行了分析和驗證，為旋流分離技術(shù)在含油泥砂處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了理論論據(jù)。

1 旋流器內(nèi)旋流場強湍動特征分析

旋流器內(nèi)流場為復(fù)雜的強旋流三維湍動流場，如圖1（a）所示，其以強旋流流動為主要流動特征的切向速度場呈組合渦形式存在，如圖1（b）所示。

圖1 強旋流三維湍動流場Fig.1 Three-dimensional turbulent flow field of strong swirling flow

湍流強度和湍動能是描述旋流場湍流狀態(tài)的2個重要參數(shù)。其中湍流強度是對湍流程度的直接表征；而湍動能則主要來源于時均流，通過高剪切應(yīng)力做功，給湍流提供能量。湍流同時也把湍動能傳遞給流場內(nèi)的分散相（顆粒、油滴等），從而改變分散相的運動狀態(tài)。

霍建偉等[9-10]通過對內(nèi)流場和湍流度的分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致旋流器內(nèi)分散相的聚并破碎的主要因素為時均速度梯度引起的黏性剪切力和湍流流動引起的高剪切應(yīng)力及湍動能。其中前者主要引起分散相（顆粒絮團、油滴等）的變形，從而增加分散相之間的碰撞機會，后者則是導(dǎo)致分散相（顆粒絮團、油滴等）旋轉(zhuǎn)、變形和破碎的主要條件。旋流器內(nèi)這一典型流場特性是實現(xiàn)油泥湍動脫附與分離的基礎(chǔ)。

2 油泥砂強旋流湍動脫附機理分析

油泥砂中的油相大致呈4種形式存在（如圖2（a）所示），即游離態(tài)油、顆粒間橋接油（或絮團表面包覆油）、顆粒表面吸附油、顆粒孔隙內(nèi)微細(xì)油滴。對于每一種形式的油相，在旋流器內(nèi)實現(xiàn)脫附分離的機制不盡相同。考慮顆粒自轉(zhuǎn)對油泥砂的分離機理，結(jié)合旋流器內(nèi)強旋流湍動流場，從多個角度闡述油泥砂中游離態(tài)油、顆粒間橋接油（或絮團表面包覆油）、顆粒表面吸附油以及顆粒孔隙內(nèi)微細(xì)油滴的分離機理。

圖2 旋流器內(nèi)油泥砂的湍動脫附機制Fig.2 Turbulent desorption mechanism of oil sludge in a hydrocyclone

（1）游離態(tài)油的分離：主要通過調(diào)控旋流器內(nèi)流場分布，強化細(xì)小油滴的聚并（變大）行為和離心分離過程來實現(xiàn)，即所謂的旋流除油過程。

（2）顆粒絮團表面包覆油、絮團內(nèi)顆粒間橋接油的分離：主要通過以下3種途徑來實現(xiàn)如圖2（b）（c）所示。

①由于在旋流器內(nèi)強旋流、強湍動的典型流動特征，在強旋流剪切應(yīng)力和脈動應(yīng)力（包括剪切應(yīng)力、拉應(yīng)力）作用下，顆粒之間克服油滴的橋接力（粘附、表面張力），顆粒絮團破碎，將這一部分油從顆粒絮團中釋放出來，成為游離態(tài)油。

②由于油泥分離用旋流器內(nèi)顆粒濃度較高，顆粒絮團之間、顆粒之間的運動速度、方向存在顯著差異，在顆粒之間、顆粒絮團之間存在較強的干涉作用，從而在顆粒絮團內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，促進了顆粒絮團解體，有利于將其中的橋接油釋放出來。

③由于旋流器內(nèi)顆粒之間、顆粒與絮團之間、絮團與絮團之間存在較為劇烈的碰撞、摩擦行為，由此產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力和剪切應(yīng)力極大地促進了絮體的解體，有利于將絮體顆粒間的橋接油釋放出來。這一過程在邊界層內(nèi)部、邊界層附近以及局部渦流邊界區(qū)尤為明顯。

其中，顆粒（絮團）之間的碰撞摩擦作用：旋流器內(nèi)油泥內(nèi)固相濃度較高（尤其是邊界層內(nèi)部），顆粒之間存在較為劇烈的碰撞、摩擦行為，由此帶來的對顆粒（絮團）表面的沖擊應(yīng)力和強剪切應(yīng)力將附著于顆粒（絮團）表面的油膜擊碎、扯裂，破碎后的油膜在表面張力作用下聚成為液滴，成為游離態(tài)油滴彌散于水相中；此外顆粒（絮團）沉降過程中，相互之間的干涉行為（主要由徑向沉降、切向速度的差異引起）也會對顆粒絮團產(chǎn)生拉應(yīng)力，加劇絮團破碎趨勢，利于顆粒間粘附油相的釋放。

（3）顆粒表面吸附油膜的分離，脫附機制基本與上述（2）中的①③過程相同。顆粒表面吸附油膜在強旋流剪切應(yīng)力、湍流脈動應(yīng)力及顆粒間的碰撞、剪切應(yīng)力等作用下，油膜破碎，在表面張力作用下縮聚為油滴，成為游離態(tài)油。

（4）內(nèi)部孔隙內(nèi)微細(xì)油的分離主要基于以下機制。

①顆粒表面油膜破碎再縮聚成為油滴過程中，在液相溶解、表面張力的作用下會將與之相連的部分油滴吸出，縮合為一體，成為游離態(tài)油，如圖2（c）所示。

②顆粒的自轉(zhuǎn)行為以及脈動行為在顆粒表面形成力較大的瞬時切向速度，在離心力及孔隙內(nèi)油滴前后壓力梯度作用下，孔隙內(nèi)的部分油滴向外遷移直至逸出成為游離態(tài)油，如圖2（d）所示。

實際上，對于處于孔隙內(nèi)部的油相，尤其是對于處于孔隙深層的油滴，由于吸附（面積大）力大、向外逸出阻力大，單純依賴于旋流器的強旋流湍動流場難以實現(xiàn)高效分離。對于此部分油相，可以先通過添加化學(xué)助劑，改變油滴與顆粒之間的界面特性，減小油滴與顆粒間吸附力，再進行物理脫附。

3 油泥砂湍動脫附室內(nèi)可行性試驗

為驗證油泥旋流湍動脫附除油的可行性，本文在室溫下進行了初步試驗。單次試驗取樣結(jié)束后通過補充含油泥砂與清水以保證介質(zhì)含油濃度恒定，油泥砂樣品為新疆某油田罐底油泥，裝置確定為前期正交試驗法優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的軸流式旋流器[12]，其柱段直徑為50 mm、柱段長度為100 mm、導(dǎo)向流道數(shù)為6個、流道出口角為30°、錐段角度為5°、尾管長度為750 mm、溢流口直徑為10 mm，底流口直徑為14 mm。

3.1 試驗介質(zhì)

試驗使用的新疆油田某采油廠罐底外排油泥樣品，呈黑色黏稠狀。罐底油泥物性見表1。從表可知，含油率高達(dá)40.16%，具有很好的回收利用價值。采用激光粒度儀測得泥砂粒徑分布見表2。

表1 罐底油泥物性Tab.1 Physical properties of oil sludge discharged from tank bottom

表2 泥砂粒度分布Tab.2 The distribution table of sludge particle sizes

由表1可知，泥砂的中位粒徑為37.91 μm、平均粒徑為41.7 μm；絕大多數(shù)泥砂尺寸集中在15.21～106.4 μm，能夠滿足旋流器的分離條件。

3.2 試驗裝置及流程

開展單級分離試驗及兩級串聯(lián)試驗，其中，兩級串聯(lián)試驗裝置如圖3所示。

圖3 兩級串聯(lián)試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of two-stage series experimental device

3.3 試驗結(jié)果分析

（1）單級旋流處理試驗。

試驗中溢流比為12%，摻水比為1：10，破乳劑濃度為100 mg/L。控制入口流量為2.0～4.5 m3/h，研究入口流量對DN50型旋流器分離性能的影響。本文提出原油回收率這一指標(biāo)對原油回油效率進行表征，其計算公式如式（1）所示。式中Q2底流為二級旋流器底流流量，Q1入口為一級旋流器入口流量；C1入口為一級旋流器入口物料含油率，通過紫外分光法[13]測得；C2底流為二級旋流器底流含油率，由于二級旋流底流中含砂量較高，其含油濃度經(jīng)索氏抽提后，通過紅外分光法[14-15]測得。圖4示出原油回收率、壓降與入口流量的關(guān)系曲線。

圖4 油泥砂旋流湍動脫附性能與入口流量關(guān)系（單級）Fig.4 Relationship between turbulent desorption performance of oil sludge swirling flow and inlet flow（Single stage）

由圖4可知，隨著入口流量增加，油相回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。究其原因，一方面由于入口流量較小時旋流內(nèi)流場湍動強度較低，對油泥砂的湍流脫附能力不足；另一方面，離心因數(shù)過低，對于旋流腔內(nèi)游離態(tài)油相分離效率也較低。

隨著入口流量的逐漸增大，旋流器內(nèi)離心力場增強，湍動強度提高。旋流器內(nèi)顆粒之間、顆粒與絮團之間、絮團與絮團之間的碰撞、摩擦變得更為劇烈，所帶來的沖擊應(yīng)力以及剪切應(yīng)力使得泥砂絮團解體，釋放出顆粒間的橋接油，將更多的顆粒絮團表面包覆油、絮團內(nèi)顆粒間橋接油分離出來；在強旋流剪切應(yīng)力、湍流脈動應(yīng)力及更加劇烈的顆粒碰撞等作用下，更多的顆粒表面吸附油膜破碎，在表面張力作用下縮聚為油滴，成為游離態(tài)油；強旋轉(zhuǎn)流場的強湍動特性在顆粒表面形成的瞬時切向速度增大，離心力及孔隙內(nèi)油滴前后壓力梯度作用增強，使得孔隙內(nèi)更多的油滴向外遷移直至逸出成為游離態(tài)油。

同時，隨著離心因數(shù)的增大，較小的油滴也獲得足夠的向心浮力進行分離，旋流器油水分離能力增強，油相回收率升高。入口流量Q1入口=4 m3/h，原油回收率達(dá)到85%、油泥砂含油率為0.5%。

試驗中，當(dāng)入口流量 Q1入口＞4.0 m3/h，油相回收率隨著入口流量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為當(dāng)入口流量過大時，一方面多相流體在旋流器段的停留（分離）時間變短，另一方面強旋轉(zhuǎn)剪切流場的增強使得油滴的破碎乳化趨勢增加，兩者均影響了油泥的湍動脫附效果和離心分離效率。

（2）兩級旋流串聯(lián)分離試驗。

在一級溢流比為12%、二級溢流比為6%、破乳劑濃度為100 mg/L、摻水比為1：10的條件下研究不同流量條件下油泥砂兩級串聯(lián)分離后原油回收率與壓降變化，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 油泥砂旋流湍動脫附性能與入口流量關(guān)系（兩級串聯(lián)）Fig.5 Relationship between turbulent desorption performance of oil sludge swirling flow and inlet flow（Two-stage series）

由圖5所知，兩級串聯(lián)旋流裝置底流油泥含油的變化趨勢與單級旋流底流含油的趨勢相同：隨著進口流量的增加，原油回收率先升高后降低，具體原因與單級旋流器相同，此處不再贅述。此外，當(dāng)進口流量Q1入口=4 m3/h時，原油回收率可達(dá)91.29%，此時油泥砂含油率約為0.1%，低于排放標(biāo)準(zhǔn)的0.3%[7]，對比前文中姜亦堅化學(xué)旋流清洗法得到的含油濃度0.2%降低了1倍。這說明采用兩級串聯(lián)流程，在強旋流湍動脫附作用和強離心力場分離作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)油泥砂的高效分離、原油的高效回收和油泥砂的達(dá)標(biāo)處置。

4 結(jié)論

（1）單級旋流試驗結(jié)果表明，處理量為4 m3/h、溢流比為12%、破乳劑濃度為100 mg/L時，原油回收率可達(dá)85%，油泥砂含油率為0.5%。

（2）兩級旋流串聯(lián)試驗結(jié)果表明，在處理量為4 m3/h、一級溢流比為12%、二級溢流比為6%、破乳劑濃度為100 mg/L的操作參數(shù)下，原油回收率可達(dá)91.29%，油泥砂含油率為0.1%，低于直接排放標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）油泥砂湍動脫附可行性試驗結(jié)果表明，基于兩級串聯(lián)旋流技術(shù)，在強旋流湍動脫附作用和強離心力場分離作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)油泥砂的高效分離、原油的高效回收和油泥砂的達(dá)標(biāo)處置。