臥式斜板重力除油器油水分離性能影響因素分析

方健 凌億鋒 沈雄 楊永奎

（1.中海油天津化工研究設(shè)計院有限公司 天津 300131；2.天津大學(xué)天津市室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量控制重點實驗室 天津 300350）

臥式斜板重力除油器作為油田采出水處理的重要設(shè)備，常受到布水構(gòu)件設(shè)計、分離區(qū)斜板結(jié)構(gòu)、進水含油量等影響，實際除油率常低于設(shè)計值［1］。同時，臥式斜板重力除油器內(nèi)部存在復(fù)雜的多相流體相互運動及油滴間的聚結(jié)作用，導(dǎo)致對除油器分離性能的機理研究仍不明確。而臥式斜板重力除油器作為一種大型工程設(shè)備，現(xiàn)場試驗?zāi)芎拇蟆⒅噩F(xiàn)性差、內(nèi)部運轉(zhuǎn)狀況不明，很難基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)提出有效的設(shè)備優(yōu)化方案。因此，采用模擬方法探究除油器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)等因素對臥式斜板重力除油器油水分離性能的影響具有重要意義。計算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD），相對試驗研究具有成本低、資料完善、可模擬真實及理想條件等優(yōu)點，可為試驗研究提供參考，進而指導(dǎo)設(shè)備優(yōu)化［2］。目前，多位學(xué)者采用CFD方法分別研究了油罐內(nèi)油水的流場分布［3］，聚結(jié)器分離特性及液滴碰撞時的聚結(jié)與破碎過程［4］，擋板位置對油水分離罐除油率的影響［5］等。但總體上，目前對海上生產(chǎn)平臺常用的臥式斜板重力除油器，其內(nèi)部構(gòu)件、進水水質(zhì)和工藝運行參數(shù)對除油器油水分離性能的影響效果及機理尚不清楚。本文采用Fluent軟件，構(gòu)建了臥式斜板重力除油器仿真模型模擬除油器的運行狀態(tài)，研究除油器內(nèi)部構(gòu)件、進水水質(zhì)和工藝運行參數(shù)對除油器內(nèi)部流場狀態(tài)和除油率的影響，從而為提升海上油田廢水處理效率提供參考。

1 除油器CFD模型

1.1 物理模型

臥式斜板重力除油器具有多種結(jié)構(gòu)類型，設(shè)備尺寸各不相同。根據(jù)海上臥式斜板重力除油器常用參數(shù)范圍并進行修訂［6］，形成了本研究分離器結(jié)構(gòu)（圖1）。其中，入口構(gòu)件采用上孔箱式，布液板開孔孔徑為30 mm。采用Workbench mesh軟件，建立非結(jié)構(gòu)四面體類型網(wǎng)格，并經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

圖1 臥式斜板重力除油器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of horizontal inclined plate gravity oil remover

1.2 Fluent數(shù)學(xué)模型

油水混合物進入臥式斜板重力除油器后進行兩相重力分離，其中油水兩相均視為連續(xù)介質(zhì)，為更準(zhǔn)確模擬沉降罐內(nèi)的濃度場分布，選擇Mixture多相流模型［3，7］。Fluent軟件包中提供了單方程、雙方程（Standardk-ε、RNGk-ε、Realizablek-ε）［8］、雷諾應(yīng)力和大渦模型［9］等6種湍流模型，綜合考慮臥式重力除油罐內(nèi)部流場特性及各湍流模型適用范圍，選擇RNGk-ε湍流模型［10］。

1.3 Fluent參數(shù)設(shè)置和邊界條件

在數(shù)值模擬時進行如下假定：①兩相流體連續(xù)且不可壓縮，流動看作穩(wěn)態(tài)；②油水分離過程中各相無熱交換，為絕熱過程；③增添構(gòu)件后，除油過程在兩相界面以下的罐體域中進行；④聚結(jié)構(gòu)件放置在限定的斜板放置區(qū)，板組為首末平行放置斜板。

兩相物質(zhì)分別設(shè)置為Fluent材料數(shù)據(jù)庫中的油和水，水為主相，油為第二相，油滴粒徑設(shè)置為10～60μm［11-12］，含油體積分數(shù)為0.05%～10%［13-14］。入口邊界選擇速度入口（velocity），值0.589～0.074 m／s，對應(yīng)停留時間為5～40 min，水力直徑和湍流強度分別設(shè)為40 mm、5%。出口邊界條件均采用自由出流（outflow），分流比為0.05～0.25。其他邊界設(shè)為壁面，流體在邊界處無熱傳遞、無滑移。模擬采用SIMPLEC算法，環(huán)境場設(shè)置為重力場，大氣壓力設(shè)置為101 325 Pa。

2 除油器油水分離性能影響因素分析

2.1 模型可靠性驗證

所建立的臥式斜板重力除油器網(wǎng)格模型采用四面體網(wǎng)格，并通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格數(shù)量為534 982～1 226 535，最大偏度小于0.86。對于參數(shù)和邊界條件，設(shè)置殘差監(jiān)視器，連續(xù)性方程的殘差小于10-4，動量和能量方程的殘差小于10-5，結(jié)果收斂。利用所建立的仿真模型，對渤海油田作業(yè)區(qū)臥式斜板重力除油器除油率進行了對比驗證，模擬所得廢水除油率均在60%以上，與實際除油率一致［1］，表明所建立的模型計算結(jié)果可靠。

為探析臥式斜板重力除油器設(shè)計和運行的關(guān)鍵參數(shù)對除油器油水分離性能的影響，利用所建立的仿真模型對除油器結(jié)構(gòu)參數(shù)、進水水質(zhì)和工藝運行參數(shù)對除油率的影響進行逐一分析。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對除油器油水分離性能的影響

2.2.1 上孔箱、布液板和斜板

設(shè)置進水油體積分數(shù)、油滴粒徑、停留時間和分流比分別為5%、50μm、20 min和0.05時，對含有上孔箱的臥式斜板重力除油器的除油情況進行模擬分析。從速度矢量圖（圖2a）可以看出，設(shè)有上孔箱的除油器，罐體上層部分流體為層流狀態(tài)，但中部仍存在渦流，會將表層油層卷帶入水層中，影響油水分離。結(jié)合油相體積分數(shù)分布云圖（圖2b），可以看出上層積累的油膜具有一定厚度，但油水界面不清晰，與速度矢量圖結(jié)果一致，此時除油器除油率僅為60.5%（表1）。為消除渦流效應(yīng)，進一步提升分離器性能，在入口構(gòu)件之后增加布液板穩(wěn)流構(gòu)件。模擬發(fā)現(xiàn)增加穩(wěn)流構(gòu)件后，罐內(nèi)中部大渦流基本消失，呈現(xiàn)出較好層流狀態(tài)，層流狀態(tài)有助于油滴上浮，使除油率提高至71.3%，但是在局部區(qū)域，仍存在小范圍渦流，如布液板后及下端出水處（圖2c），油相體積分數(shù)分布云圖（圖2d）也顯示，在油水分離界面處，仍有一定體積分數(shù)油分散其中，導(dǎo)致界面呈現(xiàn)一定的不清晰狀態(tài)。添加45°斜板之后，除油器內(nèi)流體狀態(tài)發(fā)生明顯改變（圖2e），油水界面更加清晰，油層穩(wěn)定存在于水層表面，下層水相中油的體積分數(shù)顯著降低（圖2f），除油率從71.3%提升至87.6%。不過，增加斜板后，局部也出現(xiàn)了渦流，但這部分渦流并未使油層卷帶入水層。這可能是由于流體與斜板碰撞，渦流被斜板消能，有利于油滴爬升斜板，并浮升至表面形成油層。侯先瑞［6］指出，可以通過斜板上的開孔來改善渦流。

表1 不同內(nèi)部構(gòu)件下臥式斜板重力除油器的除油率Table 1 Oil removal efficiency of horizontal inclined plate gravity oil remover with different internal components

圖2 不同構(gòu)型臥式斜板重力除油器內(nèi)速度矢量圖、油相體積分數(shù)分布云圖Fig.2 Nephograms of oil phase velocity vector and corresponding volume fraction distribution with different components in the horizontal inclined plate gravity oil remover

2.2.2 斜板傾角

在添加了上孔箱、布液板和斜板的條件下，分別設(shè)置斜板傾角為30°、45°、60°和70°，并設(shè)定進水油體積分數(shù)、油滴粒徑、停留時間和分流比分別為5%、50μm、20 min和0.05進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著斜板角度增加，除油率先增加后降低，除油率在斜板角度為45°時達到峰值87.6%，但隨著斜板角度繼續(xù)增大，除油率逐漸降低至75.6%（表2）。從油相體積分數(shù)分布云圖（圖3）可以看出，在斜板傾角為45°時，油層厚度最大，油水界面清晰，體現(xiàn)出較好的油水分離效果。這是因為，油層厚度和界面均影響油水分離，在有限空間內(nèi)，斜板角度增大，油滴上浮接觸到斜板的路程增加，所需停留時間增加，故不利于油水分離。

表2 不同斜板傾角下臥式斜板重力除油器的除油率Table 2 Oil removal efficiency of horizontal inclined plate gravity oil remover with different angles of inclined plate placement

圖3 不同斜板傾角的臥式斜板重力除油器油相體積分數(shù)分布云圖Fig.3 Nephograms of oil phase volume fraction distribution for different angles of inclined plate placement in the horizontal inclined plate gravity oil remover

2.3 進水水質(zhì)對除油器油水分離性能的影響

2.3.1 進水含油體積分數(shù)

當(dāng)除油器斜板傾角、進水油滴粒徑、停留時間和分流比分別設(shè)置為45°、50μm、20 min和0.05時，模擬分析不同進水含油體積分數(shù)對除油器油水分離性能的影響。可以看出，隨著進水油相體積分數(shù)增大，油層增厚，且上層油體積分數(shù)增大（圖4）。在油相體積分數(shù)為0.05%時，除油率最高達到91.5%。隨著油相體積分數(shù)的增加，除油率降低較為顯著，當(dāng)油相體積分數(shù)提高到5.00%時，除油率降低至87.6%（表3），但云圖中油水界面仍然較為清晰（圖4d）。進一步提高油相體積分數(shù)到10.00%時，在入口與左側(cè)斜板處油水界面變?yōu)槟：覀?cè)斜板與出口之間，均出現(xiàn)油層被卷帶入水層現(xiàn)象（圖4e），除油率也降低到74.5%。

表3 不同進水含油體積分數(shù)下臥式斜板重力除油器的除油率Table 3 Oil removal efficiency of horizontal inclined plate gravity oil remover with different oil content volume fractions

圖4 不同進水含油體積分數(shù)下臥式斜板重力除油器油相體積分數(shù)分布剖面圖和軸向圖Fig.4 Nephograms of cross-sectional and axial views of oil phase volume fraction distribution with different oil content volume fractions in the horizontal inclined plate gravity oil remover

2.3.2 油滴粒徑

油珠顆粒在設(shè)備中的分離效率受其粒徑的影響。在傾斜角度為45°的斜板，停留時間20 min，含油體積分數(shù)5%和分流比0.05的相同條件下，分別對除油器內(nèi)油滴粒徑為10、30、40、50和60μm下的含油污水進行數(shù)值模擬，得到不同油滴粒徑下的除油率（表4）。從油相體積分數(shù)分布剖面圖（圖5）可以看出，不同粒徑條件下除油器內(nèi)部油相體積分數(shù)分布顯著不同，污水中油滴的粒徑越大，兩相液面相交處的油相體積分數(shù)越高。當(dāng)油滴粒徑為10μm時，設(shè)備的除油率僅為3.2%，主要由于油滴粒徑較小，絕大多數(shù)油滴未能完全浮升至罐頂；而當(dāng)油滴粒徑增大到30μm時，除油率提高到30.0%；當(dāng)油滴粒徑為60μm時，總體上除油率增高至96.2%。由于油滴粒徑增大，會使油滴更容易從含油污水中分離，因此設(shè)備的油水分離性能會隨著油滴粒徑的增大而顯著提高。根據(jù)Stokes公式可知，油滴的浮升速度與粒徑平方呈正比關(guān)系，在相同的停留時間下，更大粒徑的油滴上浮速度更快，而小油滴由于不能及時上浮至表層界面，大部分會隨水相排出［15］，從而使油滴去除率變低。因此，通過投加破乳劑［16］、絮凝劑［17］、表面活性劑［18］等，增大除油器內(nèi)油滴粒徑，可有效提高除油器的分離效率，從而優(yōu)化設(shè)備的分離性能。

表4 不同油滴粒徑下臥式斜板重力除油器的除油率Table 4 Oil removal efficiency of horizontal inclined plate gravity oil remover with different oil droplet’s diameters

圖5 不同油滴粒徑下臥式斜板重力除油器油相體積分數(shù)分布剖面圖Fig.5 Nephograms of cross-sectional view of oil phase volume fraction distribution with different oil droplet’s diameters in the horizontal inclined plate gravity oil remover

2.4 工藝運行參數(shù)對除油器油水分離性能的影響2.4.1 停留時間

在進行油水分離時，改變含油污水在除油器中的停留時間會對油水分離的效果造成極大影響［1］。設(shè)置除油器斜板傾角、油滴粒徑、進水油體積分數(shù)和分流比分別為45°、50μm、5%和0.05時，模擬分析不同停留時間對除油器油水分離性能的影響。可以看出，除油器的除油率與含油污水的停留時間顯著有關(guān)（表5）。當(dāng)含油污水停留時間為5 min時，除油率僅為49.4%，隨著停留時間的延長，上層液面的含油量增大（圖6），除油率也隨之顯著增加。當(dāng)停留時間為30 min時，除油率提高了1倍，達到99.5%。這是因為增加油水混合物的停留時間，內(nèi)部流場更加穩(wěn)定，油滴與聚結(jié)板的接觸更為充分，上浮至油水界面的油滴也更完全，從而促進設(shè)備內(nèi)油水的高效分離［15］。結(jié)合油滴粒徑對油水分離的影響，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)停留時間較短（5 min）時，對于粒徑為50μm的油滴的去除效率可以達到40%以上，但即使停留時間延長至20 min，對于30μm的小粒徑油滴去除效率也僅僅為30%。可見對于粒徑更小的油滴，要實現(xiàn)完全的油水分離還需要進一步延長停留時間，但停留時間越長，會使除油設(shè)備的工作效率大大降低。此外，即使延長停留時間，對于小油滴的去除效果仍不理想［6］。因此，在實際操作中，要提高除油器的分離效率和處理量，須在合理調(diào)節(jié)設(shè)備處理量的同時進一步優(yōu)化設(shè)備內(nèi)的聚結(jié)構(gòu)件等。

表5 不同停留時間下臥式斜板重力除油器的除油率Table 5 Oil removal efficiency of horizontal inclined plate gravity oil remover with different settling time

圖6 不同停留時間下臥式斜板重力除油器油相體積分數(shù)分布剖面圖Fig.6 Nephograms of cross-sectional view of oil phase volume fraction distribution with different settling time in the horizontal inclined plate gravity oil remover

2.4.2 分流比

設(shè)置除油器斜板傾角、進水油滴粒徑、停留時間和進水油體積分數(shù)分別為45°、40μm、20 min和10%，模擬分析不同分流比對除油器油水分離性能的影響。從油相分布剖面圖（圖7a、b）可以看出，頂層油相體積分數(shù)在分流比為0.10時顯著高于分流比為0.05時的情況，油珠表現(xiàn)出更明顯的從水相中分離的趨勢。進一步提高分流比，除油率趨于平緩（表6），與文獻［19］研究結(jié)果一致。當(dāng)分流比為0.05時，上層液體的含油濃度較低，除油率僅為26.7%。當(dāng)分流比增加到0.10時，上層含油濃度顯著大幅增加，除油率提高了1.4倍。之后，隨著分流比增加，上層含油濃度變化不大（圖7b～e），除油率從63.5%緩慢提高至78.9%。這是由于增大分流比會使出油口流速增大，使得上層油相濃度保持相對穩(wěn)定。

表6 不同分流比下臥式斜板重力除油器的除油率Table 6 Oil removal efficiency of horizontal inclined plate gravity oil remover with different split ratios

圖7 不同分流比下臥式斜板重力除油器油相體積分數(shù)分布剖面圖Fig.7 Nephograms of cross-sectional view of oil phase volume fraction distribution with different split ratios in the horizontal inclined plate gravity oil remover

3 結(jié)論

采用CFD模擬了臥式斜板重力除油器的運行狀態(tài)，得到了內(nèi)部構(gòu)件、進水水質(zhì)和工藝運行參數(shù)對除油器油水分離性能的影響特征：①添加上孔箱和布液板構(gòu)件可以使設(shè)備內(nèi)的流場分布更加穩(wěn)定，有效提高除油率；斜板構(gòu)件也可顯著提高除油率，當(dāng)其傾斜角度為45°時，除油率達到峰值。②除油器油水分離性能受進水水質(zhì)的影響，除油率隨進水含油體積分數(shù)的升高而降低；隨油滴粒徑的增大而顯著提高；③工藝運行參數(shù)（停留時間、分流比）對除油器的油水分離性能影響顯著，對于50μm的油滴，延長停留時間至30 min，可大幅提高除油率，但隨著停留時間的增長，除油率增長緩慢；而隨著分流比的不斷增加，除油器的分離效率的變化趨勢是先快速增加后趨于平緩。