重力式除油罐除油效果影響因素?cái)?shù)值模擬研究

張 煜，劉 鵬，李星雨，王 力

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重力式除油罐除油效果影響因素?cái)?shù)值模擬研究

張 煜，劉 鵬，李星雨，王 力

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

不同物性參數(shù)的待處理水質(zhì)會(huì)對(duì)除油罐的除油效果造成不同程度的影響。針對(duì)此問題，采用CFD的專業(yè)分析軟件Fluent模擬了除油罐內(nèi)部不同的油水性質(zhì)流體的流場分布。把除油罐的集水口處油相濃度與進(jìn)水口處油相濃度的比值作為除油率，來衡量除油罐除油效果的優(yōu)劣。通過比較不同油滴粒徑、水相粘度、油相粘度、沉降時(shí)間下油水混合物的水相濃度曲線和除油率來衡量除油罐對(duì)油水混合物的分離效果，得出在一定范圍內(nèi)，油水混合物的油滴粒徑越大、水相粘度越低、沉降時(shí)間越長，除油罐的除油率越高。

重力沉降；流場；除油率；影響因素

在油田地面工程中,重力式除油罐是應(yīng)用最多、最基本的工藝設(shè)備之一，其除油效果對(duì)油田的污水處理能力有很大影響。參考前人所做的重力式除油罐的數(shù)值模擬研究結(jié)論，發(fā)現(xiàn)其中大部分人將出口邊界條件定義為自由出流，實(shí)際上除油罐的流體出口處的壓力應(yīng)當(dāng)與大氣壓相等，在模擬中，自由出流邊界條件容易在出口處產(chǎn)生負(fù)壓與實(shí)際工作情況不符，本文在數(shù)值模擬時(shí)將出口邊界條件定為壓力出口，模擬除油罐內(nèi)流場分布，得出不同油水性質(zhì)下除油罐的除油效果。

1 物理結(jié)構(gòu)簡化及網(wǎng)格劃分

文中所要研究的是針對(duì)于罐內(nèi)流體的濃度分布及改變除油率的影響因素，幾何模型的局部細(xì)微之處對(duì)整個(gè)除油罐內(nèi)流場的影響可以忽略不計(jì)，在明確主要的研究問題后對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的簡化，然后得到正確的模擬結(jié)果。對(duì)除油罐主要進(jìn)行以下幾點(diǎn)簡化：（1）簡化進(jìn)水管和出水管，認(rèn)為油水混合物從進(jìn)水口進(jìn)罐之后從集水口排出；（2）忽略內(nèi)部輔助結(jié)構(gòu)，只保留進(jìn)水口和集水口；（3）不考慮集油槽對(duì)內(nèi)部速度場的影響，認(rèn)為分離的油直接從集油槽排出；（4）忽略底部排泥管和來液攜帶的泥沙等雜質(zhì)，認(rèn)為罐底均為液體；（5）不考慮油水界面變化[1]。

簡化后的除油罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱的特點(diǎn)，同時(shí)為了減小計(jì)算工作量，可以選擇四分之一模型進(jìn)行模擬，作出的三維網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 簡化后重力式除油罐結(jié)構(gòu)

圖2 簡化后的網(wǎng)格劃分情況

2 數(shù)學(xué)模型及初始參數(shù)條件

考慮到除油罐內(nèi)部流場特性，流體的多相流模型選擇混合物模型，湍流模型選擇RNG-ε湍流模型，但是計(jì)算油水兩相流時(shí)，要將單相流的RNG-ε模型擴(kuò)展至兩相湍流模型?；诨旌蟽上嗔髂Ｐ偷腞NG-ε模型表達(dá)式如下：

流體湍動(dòng)能方程：

流體耗散率ε方程：

其中：

文中模擬的油水兩相混合物在40 ℃恒溫下的物性參數(shù)為：油滴密度866 kg/m3，油相粘度0.022 52 Pa·s，水相密度988 kg/m3，水相粘度0.001 5 Pa·s。另外，重力式除油罐作為常壓罐，將集油槽和集水口的邊界條件設(shè)置為壓力出口可以保證其壓力恒等于外界大氣壓，與實(shí)際情況相符，故將進(jìn)水口設(shè)置為速度入口，集水口和集油槽為壓力出口。同時(shí)在迭代計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)壓力出口可以緩解模擬中集水口和集油槽處的回流現(xiàn)象和整體迭代不收斂的問題[2]。

3 結(jié)果分析

在除油罐豎直方向上等間距選取20個(gè)點(diǎn)監(jiān)控罐內(nèi)不同高度處的水相濃度值，繪制出從罐底至罐頂不同高度處的水相濃度曲線；把除油罐的集水口處油相濃度與進(jìn)水口處油相濃度的比值作為除油率，來衡量除油罐除油效果的優(yōu)劣。

3.1 油滴粒徑對(duì)分離特性的影響

分別對(duì)除油罐內(nèi)油滴粒徑為0.037 5 mm、0.05 mm、0.062 5 mm、0.07 5 mm下的油水混合物進(jìn)行數(shù)值模擬，以除油率作為判斷依據(jù)，分析油滴粒徑對(duì)油水分離效果的影響，不同油滴粒徑相對(duì)應(yīng)除油罐的除油率如圖3-圖7所示。

分別模擬不同油滴粒徑下的除油罐內(nèi)油水分離情況，得到不同粒徑得到的除油罐內(nèi)的水相濃度分布如圖3-圖6所示。

由圖3-圖6可以看出不同粒徑條件下除油罐內(nèi)的水相濃度分布相差很大，在局部結(jié)構(gòu)處有油水堆積，結(jié)合圖7和圖8可以看出，油水混合物中的油滴粒徑越大，罐頂附近的含水濃度越低，除油罐除油率也隨之上升。這是因?yàn)榱酱蟮挠偷胃菀着c其他小油滴聚集成更大的油滴并集中在表層液面，上浮時(shí)質(zhì)量大的慣性也相應(yīng)更大，容易從水中脫離。反之，粒徑越小的油滴在除油罐內(nèi)越分散，難以聚集成大油滴，很容易隨著水流從集水口排出[3]。

圖3 油滴粒徑0.037 5 mm

圖4 油滴粒徑0.05 mm

圖5 油滴粒徑0.062 5 mm

圖6 油滴粒徑0.075 mm

圖7 不同油滴粒徑的含水濃度變化曲線

圖8 除油率隨油滴粒徑變化曲線

3.2 油相粘度對(duì)分離特性的影響

分別對(duì)除油罐內(nèi)油相粘度為0.009 47 Pa·s、0.013 58 Pa·s、0.022 52 Pa·s、0.054 31 Pa·s下的油水混合物進(jìn)行數(shù)值模擬，以除油率作為判斷依據(jù)，分析油相粘度對(duì)油水分離效果的影響，不同油相粘度相對(duì)應(yīng)的除油罐除油率如圖9所示。

圖9 除油率隨油相粘度變化曲線

由圖9可以看出，油相粘度對(duì)除油率的影響不大，變化范圍在44%~45%，因?yàn)橛退旌衔镏杏拖嗨?0%的比例相對(duì)于水所占混合物的比例很小，油相粘度變化對(duì)油滴間的相互作用產(chǎn)生的影響很有限，只有在局部地區(qū)出現(xiàn)微小波動(dòng)。

3.3 水相粘度對(duì)分離特性的影響

分別對(duì)除油罐內(nèi)水相粘度為0.000 8 Pa·s、0.0015 Pa·s、0.003 5 Pa·s、0.005 Pa·s下的油水混合物進(jìn)行數(shù)值模擬，以除油率作為判斷依據(jù)，分析油相粘度對(duì)油水分離效果的影響，不同水相粘度相對(duì)應(yīng)的除油罐除油率如圖11所示。

圖10 不同水相粘度的水相濃度變化曲線

圖11 除油率隨水相粘度變化曲線

由圖10和圖11可以看出，油水混合物的水相粘度越高，罐頂附近的含水濃度越高，除油罐的除油率越低。在水相粘度從0.001 5 Pa·s增加到0.003 5 Pa·s時(shí)，除油率從45%迅速下降到32%，而在其他水相濃度增加的區(qū)間，對(duì)應(yīng)的除油率下降幅度都偏平緩。這是因?yàn)楫?dāng)水相粘度高的時(shí)候，水會(huì)阻礙油滴相互碰撞聚結(jié)，迫使油滴保持粒徑較小的狀態(tài)，更易于隨著粘度高的水一起下沉，導(dǎo)致除油率降低；而對(duì)于粘度過高的時(shí)候，只會(huì)讓油滴保持現(xiàn)有的大小，油滴間聚結(jié)的能力不會(huì)受到更大的影響，除油率變化不大[4]。

3.4 沉降時(shí)間對(duì)分離特性的影響

除油罐的入口流速會(huì)對(duì)沉降時(shí)間產(chǎn)生直接影響，除油罐的沉降時(shí)間和入口流速的關(guān)系式如下：

=···

其中：—重力式除油罐的體積，m3；

—除油罐內(nèi)進(jìn)水口的個(gè)數(shù)，個(gè)；

—進(jìn)水口的有效面積，m3；

—入口流速，m/s；

—除油罐的沉降時(shí)間，s。

為了更直觀的表征沉降時(shí)間的長短，將沉降時(shí)間等價(jià)的換算成入口流速，這樣可以更直觀的對(duì)比不同沉降時(shí)間下除油罐內(nèi)的油相濃度分布情況。在油滴粒徑為0.05 mm，水相粘度為0.022 52 Pa·s的條件下，考察沉降時(shí)間為4 h（入口流速0.113 m/s），6 h（入口流速0.075 m/s），8 h（入口流速0.056 m/s），10 h（入口流速0.045 m/s）的罐內(nèi)水相濃度分布和除油率如圖12、圖13所示。

圖12 不同入口流速的水相濃度變化曲線

圖13 除油率隨入口流速變化曲線

由圖12和圖13可以看出，不同沉降時(shí)間下，罐頂附近的油水濃度分布情況無太大差別，大小在66%左右，圖12顯示除油罐內(nèi)其他區(qū)域的水相濃度分布在數(shù)值上幾乎相同。從圖13可以看出沉降時(shí)間10 h，即流速為0.045 m/s時(shí)的除油率最高，因?yàn)樵黾佑退旌衔镌诔凸迌?nèi)的停留時(shí)間，同時(shí)也增加了油滴在除油罐內(nèi)的聚集和與水分離的時(shí)間，使罐內(nèi)流體的相間分離更加充分，其內(nèi)部流場也相對(duì)更加穩(wěn)定。圖13顯示入口流速在高于0.045 m/s，即沉降時(shí)間低于10 h除油罐的除油率隨沉降時(shí)間的變化幅度很小，這表示在生產(chǎn)實(shí)際中，通過延長沉降時(shí)間來提高除油罐的除油率是可行的，但是要找準(zhǔn)有效的沉降時(shí)間范圍才能大幅提升除油率[5]。

4 結(jié) 論

本文以研究重力式除油罐除油效果的影響因素為目的，基于目前廣泛使用的CFD方法，通過模擬不同油滴粒徑、油水物性、沉降時(shí)間下的的重力式除油罐內(nèi)水相濃度分布。分析其不同的油水分離特性可以得出，在進(jìn)水口和集水口附近的濃度變化較大，而在除油罐中部的水相濃度很穩(wěn)定。當(dāng)其它參數(shù)一定的前提下，油水混合物在一定范圍內(nèi)的油滴粒徑越大、水相粘度越小、沉降時(shí)間越長，除油罐的除油率就越高，油水分離的效果越好，而不同的油相粘度對(duì)于除油罐除油率的影響不大。

［1］孫九州.基于Fluent的板塔重力分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].東北石油大學(xué),2014.

［2］韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT——流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2010.

［3］徐磊.油田采出液氣—液—固三相旋流分離流場特性研究[D].大慶石油學(xué)院,2010.

［4］萬楚筠,黃鳳洪,廖李,等. 重力油水分離技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2008（7）:13-16.

［5］陸耀軍,潘玉琦,薛敦松. 重力式油水分離設(shè)備中影響液滴運(yùn)動(dòng)的因素[J]. 油田地面工程,1993（3）:1-5+4.

Study on Numerical Simulation ofInfluence Factors of Oil Removal Effect of Gravity Oil Removing Tank

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（College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

The quality of oil-water mixturewith different physical parameters can affect the oil removal effect in different degree. In order to solve this problem, the professional CFD software Fluent was used to simulate the flow field distribution of fluid with different oil and water properties inside the tank. Regarding the ratio of oilconcentrations around water outlet and water inlet as oil removal rate, the oil removal effect of oil removing tank was measured. By comparing aqueous phase concentrationcurves of oil-water mixture and oil removal rates under different oil droplet size, water phase viscosity, oil phase viscosity and sedimentation time, the separation effect of oil-water mixture in the tank was investigated. The results show that, in a certain range, the bigger the oil droplet size, the lower the water phase viscosity and the longer the settling time, the higher the oil removal rate is.

gravity sedimentation; flow field; oil removal rate; influence factor

TE 624

A

1004-0935（2017）03-0217-04

2017-02-15

張煜（1994-）男，在讀研究生，黑龍江省齊齊哈爾人，研究方向：復(fù)雜流體力學(xué)。