電磁分離裝置內油水兩相流流動分離特性

蔣文明，邊　江，石念軍，劉　楊，王文奇，李琦瑰

（1．中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580；2．中國石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營257026；3．中國石化勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團股份有限公司，山東東營257000）

試驗研究

電磁分離裝置內油水兩相流流動分離特性

蔣文明1，邊江1，石念軍2，劉楊1，王文奇3，李琦瑰1

（1．中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580；2．中國石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營257026；3．中國石化勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團股份有限公司，山東東營257000）

介紹了油水混合液在電磁場下的分離過程原理，建立了電磁場油水分離物理及數(shù)學模型，并進行了油水分離特性模擬研究，重點研究磁場強度、電流密度、入口流速、油滴粒徑等關鍵因素對油水分離過程和流動特性的影響。結果表明：其他條件不變時，隨磁場強度或電流密度的增大，分離效果增強，且存在一個臨界電磁力值，只有當實際電磁力大于臨界電磁力時，才能實現(xiàn)預期的分離效果；隨入口流速的增大，油水混合流在電磁場中的分離作用時間減少，分離效果減弱；隨油滴粒徑的增大，分散油相受到的浮力增大，分離效果增強。

油水混合流；電磁場；油水分離；數(shù)值模型；流動特性

隨我國勝利、大慶、遼河等幾大主力油田應用聚合物進行三次采油以來，產(chǎn)生的污水具有黏度高、油水乳化嚴重、攜帶固體懸浮物能力強、油滴和固體顆粒上浮或下沉的阻力大以及對化學處理劑的吸附損耗嚴重等特點〔1〕，使得污水處理難度不斷加大。因此，開發(fā)污水處理新技術，對解決油田注聚采油引發(fā)的一系列生產(chǎn)問題，保證油田穩(wěn)定生產(chǎn)，保護油田自然環(huán)境等方面具有重要意義。

電磁場油水分離技術是近年來新興的一種油水分離技術〔2〕。工作原理：當油與水的混合液進入電場與磁場的相互作用區(qū)時，水的微團會受到電磁力的作用而向下運動，而油的微團由于不導電，不受電磁力作用，僅受到水微團的反作用力，該力與電磁力大小相等，方向相反，油與水在不同方向受力的作用下實現(xiàn)分離。

截止到目前，國內外對電磁場用于油水分離進行了一些研究工作〔3-4〕。筆者根據(jù)電磁場油水分離原理建立了電磁場油水分離數(shù)值模型，在前人研究的基礎上建立了新型電磁場油水分離裝置結構模型〔5〕，據(jù)此進行了系統(tǒng)、全面的電磁場油水分離特性模擬研究，分析了磁場強度、電流密度、入口流速、油滴粒徑等關鍵因素對油水兩相流流動和分離特性的影響，為電磁場油水分離裝備的工業(yè)應用與結構優(yōu)化提供了理論基礎。

1　計算模型

1.1控制方程

由于分離過程中內部流動過程較為復雜，數(shù)學模型采用k-ε紊流模型，通過求解各相的k和ε輸運方程，可以更精確地描述其內部相互作用規(guī)律。用p和q分別表示油相和水相，電磁場油水分離模型的控制方程〔5〕如下所示。

q相的連續(xù)性方程：

式中：

在油水混合流中由于q相的密度是固定值，不發(fā)生變化，故上式第一項為0；且相間不發(fā)生質量轉移，故第三項也為0，則：

q相的動量方程：

式中：

電磁控制方程：

式中

式中

1.2物理模型

新型電磁場油水分離裝置結構模型如圖1所示。

圖1　　電磁場油水分離模型

由圖1可見，通道的前半段為入口整流段，后半段為電磁場有效分離段。在后半段中分別施加X軸正方向的磁場及Y軸正方向的電場。當油水混合液進入有效分離段時，水受到沿Z軸負方向的作用力向下運動，油受到反作用力而向上運動，在有效分離段末端實現(xiàn)油水分層，進而實現(xiàn)油水分離。

流體物性參數(shù)如表1所示。

表1　　流體物性參數(shù)

1.3邊界條件

入口邊界：速度入口邊界，方向沿X軸正向。有效分離段：通道內施加X方向的磁場和Y方向的外加電壓。出口邊界：出流邊界。

1.4計算方法

在多相流模型中，歐拉模型適用于流動中有相分離或混合的情形，對于電磁場油水混合流動和分離過程，其求解選擇歐拉模型。數(shù)值計算結合商用軟件fluent求解器求解，電磁場油水分離模型采用上面描述的模型，電磁力使用UDF編程表示，調入fluent中求解，實現(xiàn)電磁場與多相流場的耦合過程。

2　計算結果與分析

2.1網(wǎng)格無關性驗證

在數(shù)值模擬計算中，通過改變網(wǎng)格的疏密程度，對比計算結果來評估網(wǎng)格劃分的質量是否對模擬效果造成了影響。在電流密度為440 A/m2，磁場強度為5 T，入口速度為0.1 m/s，入口含油率為10%，油滴粒徑為0.1 mm的計算條件下，指定網(wǎng)格數(shù)為99 360、161 865、577 252、1 080 411個，分別計算得出有效段出口截面（X=133 mm）豎直中心線上油滴體積分數(shù)分布，對比相同位置的數(shù)值解，結果表明，網(wǎng)格數(shù)99 360個與161 865個相比最大偏差為7.43%，網(wǎng)格數(shù) 161 865個與 577 252個相比最大偏差為1.13%，網(wǎng)格數(shù)577 252個與1 080 411個相比最大偏差為0.95%，可見，當網(wǎng)格數(shù)在161 865個以上時，可獲得相對精確的數(shù)值解，為提高計算效率，模擬采用總數(shù)為161 865個的網(wǎng)格進行相關計算。

2.2模型驗證

當電流密度為440 A/m2，磁場強度為5 T，入口速度為0.1 m/s，入口含油率為 10%，油滴粒徑為0.1 mm時，穩(wěn)態(tài)計算得出的數(shù)值結果表明：在分離裝置的前半段，由于油水相均不受電磁力作用，僅受邊界層影響，因此，油相速度分布僅表現(xiàn)為從壁面到流道中心呈現(xiàn)一定的梯度變化。進入有效分離段以后，水相受到向下的電磁力作用，油相受到向上的反作用力作用，在有效段的前半部分油相流場開始發(fā)生畸變，并在有效段后半部分的上部形成漩渦，延伸至分離通道出口處。有關流動規(guī)律與相關文獻結果一致〔5〕。

3　油水分離特性影響規(guī)律研究

3.1磁場強度對分離特性的影響

計算條件：保持電流密度為440 A/m2，含油率為10%，入口速度為0.1 m/s，油滴粒徑為0.1 mm不變，不同磁場強度條件下，分離通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心線上的油相體積分數(shù)分布如圖2所示。

圖2　　不同磁場條件下油相體積分數(shù)分布曲線

由圖2可見，在油水分離通道上部，隨著磁場強度從1 T增大到10 T，相同位置的油相體積分數(shù)極值從20%增大到92%；在油水分離通道下部，隨著磁場強度從1 T增大到10 T，相同位置的油相體積分數(shù)極值從7%減少到1%。這主要是因為在油水分離過程中，隨著電場強度的增大，水相受到的電磁力不斷增大，離散油相受到向上的反作用力也不斷增大，導致更多的油相集中在分離通道的上層，水相集中在分離通道的下層。這說明，其他條件不變時，隨著磁場強度的增大，油水分離通道內的油水分離效果不斷增強。

3.2電流密度對分離特性的影響

保持磁場強度為5 T，含油率為10%，入口速度為0.1 m/s，油滴粒徑為0.1 mm不變，不同電流密度條件下，分離通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心線上的油相體積分數(shù)分布如圖3所示。

由圖3可見，在油水分離通道上部，隨著電流密度從220 A/m2增大到1 320 A/m2，相同位置的油相體積分數(shù)極值從58%增大到96%；在油水分離通道下部，隨著電流密度從220 A/m2增大到1 320 A/m2，相同位置的油相體積分數(shù)極值從4%減少到1%。增大電流密度對油水分離效果的作用機理和影響規(guī)律與增大磁場強度類似，都是通過增大水相電磁力來實現(xiàn)的。由圖2、圖3還可知，電流密度為440 A/m2，磁場強度為2.5 T與電流密度為220 A/m2，磁場強度為5 T時，分離通道最上層含油率均能達到58%，這說明采用電磁場實現(xiàn)油水分離時，在特定的處理條件下，存在一個臨界電磁力值，只有當實際電磁力大于臨界電磁力時，才能實現(xiàn)有效的油水分離。

圖3　　不同電流條件下油相體積分數(shù)分布曲線

3.3入口速度對分離特性的影響

磁場強度為5 T，電流密度為440 A/m2，含油率為10%，油滴粒徑為0.1 mm不變，不同入口速度條件下分離通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心線上的油相體積分數(shù)分布如圖4所示。

圖4　　不同入口速度條件下油相體積分數(shù)分布曲線

由圖4可見，在油水分離通道上部，隨著入口速度從0.05 m/s增大到0.3 m/s，相同位置的油相體積分數(shù)極值從92%減少到60%；在油水分離通道下部，隨著入口速度從0.05 m/s增大到0.3 m/s，相同位置的油相體積分數(shù)極值從1%增大到7%。這主要是因為在油水分離過程中，隨著入口速度的增大，電磁場區(qū)域對油水混合流的作用時間減少，水相受到的電磁力不斷減小，離散油相受到向上的反作用力也隨之減小，導致油水分離不夠充分。

3.4油滴粒徑對分離特性的影響

磁場強度為5 T，電流密度為440 A/m2，含油率為10%，入口速度為0.1 m/s不變，不同油滴粒徑條件下分離通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心線上的油相體積分數(shù)分布如圖5所示。

圖5　　不同油滴粒徑條件下油相體積分數(shù)分布曲線

由圖5可見，在油水分離通道上部，隨著油滴粒徑從0.05 mm增大到0.3 mm，相同位置的油相體積分數(shù)極值從23%增大到100%；在油水分離通道下部，隨著油滴粒徑從0.05 mm增大到0.3 mm，相同位置的油相體積分數(shù)極值從6%減少到0。這主要是因為在油水分離過程中，隨著油滴粒徑的增大，油滴所受浮力增大，油滴上浮速度增加，導致更多的油相集中在分離通道的上層。

通過上述數(shù)值模擬研究可以得出：其他條件不變時，隨著電流密度、磁場強度和油滴粒徑的增大，油水分離效果增強；隨著入口流速的增加，分離效果變差。

4　結論

（1）在油水電磁分離通道內，水相受到向下的電磁力作用，油相受到向上的反作用力作用，在有效段的前半部分油相流場開始發(fā)生畸變，隨著油水的流動，離散油滴逐步向通道頂部集中，并在有效段末端實現(xiàn)油水分層。

（2）隨磁場強度或電流密度的增大，油水混合流中水相受到的電磁力增大，油相受到的反作用力增大，分離通道內油水分離效果增強，且存在一個臨界電磁力值，只有當實際電磁力大于臨界電磁力時，才能實現(xiàn)預期的分離效果。隨入口速度的增大，油水混合流在電磁場中的分離作用時間減少，分離通道內的油水分離效果減弱。隨油滴粒徑的增大，分散油相受到的浮力增大，進一步增強了油水分離效果。

［1］周衛(wèi)東，佟德水，李羅鵬.油田采出水處理方法研究進展［J］.工業(yè)水處理，2009，28（12）：5-8.

［2］Kolesnikov Y B，Tsinober A B.Experimental investigation of twodimensional turbulence behind a grid［J］.Fluid Dynamics，1974，9 （4）：621-624.

［3］Takeda M，Tanase Y，Kubozono T，et al.Separation characteristics obtained from electrode partitioning MHD method for separating oil fromcontaminatedseawaterusinghigh-fieldsuperconducting magnet［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22（3）：1543-1546.

［4］張國艷，彭燕，趙凌志，等.磁流體（MHD）浮油回收裝置中通道內部流動特性的仿真分析［J］.海洋環(huán)境科學，2007，26（1）：33-37.

［5］張國艷.磁流體油污海水分離回收裝置中流動過程的數(shù)值模擬［D］.中國科學院研究生院（電工研究所），2006.

The flow and separation characteristics of two-phase flow in the oil-water separation device under electromagnetic field

Jiang Wenming1，Bian Jiang1，Shi Nianjun2，Liu Yang1，Wang Wenqi3，Li Qigui1
（1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Gudong Oil Production Plant，Sinopec Shengli Oilfield，Dongying 257026，China；3.Dongsheng Jinggong Petroleum Development Group Co.，Ltd.，Sinopec Shengli Oilfield，Dongying 257000，China）

The separation process principles of oil-water mixed liquid under the interaction of the electric and magnetic fields are introduced.A mathematical and physical model of electro-magnetic fields oil-water separation device has been established and the simulated research on the characteristics of oil-water separation is carried out.The influences of key factors，such as magnetic field intensity，current density，entrance velocity，oil-drop diameter，etc.on the oil-water separation process and flow characteristics are studied emphatically.The results show that when the other conditions are the same，with the increase of the magnetic field intensity and current density，the separation effect is enhanced，and there exists a critical value of electro-magnetic force.The expected separation effectiveness can be achieved，only when the actual electro-magnetic force is stronger than the critical electro-magnetic force.With the increase of entrance velocity，the separation time of oil-water mixed flow in the electro-magnetic field is shortened and separation effect weakened.With the increase of the oil-drop diameter，the buoyancy of dispersed oil phase is increased and separation effect enhanced.

oil-water mixture flow；electromagnetic field；oil-water separation；numerical model；flow characteristics

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0021-05

國家自然科學基金項目（51406240）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（12CX04070A）；青年骨干建設工程項目（14CX02211A）

蔣文明（1982—），博士，副教授，碩士生導師。E-mail：jwm7390265@163.com。

2015-11-17（修改稿）