開排沉箱內(nèi)油水兩相動力學(xué)模型實驗研究*

嚴(yán) 磊 李東芳 楊文燈 王建軍 金有海

(1.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院 山東青島 266580； 2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451；3.中國海洋石油湛江南海西部石油合眾近海建設(shè)有限公司 廣東湛江 524057)

開排沉箱作為海上平臺含油生產(chǎn)污水的處理與排放設(shè)備，同樣可用于分離甲板排放物如生活污水和甲板雨水中的大顆粒油滴，是提供污水緩沖排海通道的重要過程設(shè)備,因其污水處理工藝具有經(jīng)濟(jì)、簡便和易于操作的特點，被廣泛應(yīng)用于海上平臺的開式排放系統(tǒng)中，對保障綠色清潔海洋油氣生產(chǎn)具有重要意義[1]。目前國外對開排沉箱的研究已經(jīng)形成一套體系，F(xiàn)ranklin對開排沉箱整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部分離單元做了詳細(xì)設(shè)計[2]。國內(nèi)對開排沉箱的研究起步較晚，研發(fā)和設(shè)計還不完備，僅有少數(shù)學(xué)者對開排沉箱的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行了理論計算和數(shù)值模擬研究，如張樹寶 等[3]考慮到海浪的影響，對開排沉箱的工藝參數(shù)做了全面計算；劉華君 等[4-5]采用Fluent對不同入口形式、不同斜板布置下開排沉箱內(nèi)油水兩相流場進(jìn)行計算，得出了優(yōu)化設(shè)計方案?？偟膩碚f，前人都是基于宏觀層面對開排沉箱進(jìn)行研究和設(shè)計，對于沉箱內(nèi)復(fù)雜流場下的油水兩相動力學(xué)行為，特別是涉及分離效果的油滴破碎和聚結(jié)行為并未涉及。本文通過構(gòu)造開排沉箱模型動態(tài)實驗裝置，對內(nèi)部油滴碰撞聚結(jié)與剪切破碎機(jī)理以及粒級效率等微觀參數(shù)、水中含油濃度分布和油水分離效率等宏觀現(xiàn)象以及沉箱內(nèi)外傳熱溫度場分布等方面進(jìn)行深入研究。實驗結(jié)果可為開排沉箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化提供參考，為實際生產(chǎn)及水處理工藝提供優(yōu)化操作參數(shù)，同時溫度場的測定還能為惡劣海洋環(huán)境下因溫差產(chǎn)生的腐蝕提供防腐方案。

1 開排沉箱油水兩相動力學(xué)模型實驗

1.1 實驗?zāi)Ｐ图把b置

實驗?zāi)Ｐ蛥⒖糚Y5-1B平臺開排沉箱，其筒體總長58.8 m，底部距海平面以下49 m，頂部距海平面以上9.8 m，沉箱內(nèi)徑1.6 m，污水處理量為1 120 m3/h。綜合考慮實驗場地條件、實驗效果和加工便捷，將模型按10∶1的比例進(jìn)行縮放并取整，確定實驗?zāi)Ｐ涂傞L為5 900 mm，內(nèi)徑為160 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[5],含油污水至少應(yīng)在沉箱內(nèi)停留300 s才可滿足油水分離的需要，按照相似原理換算出實驗?zāi)Ｐ腿肟诹髁繛?.12 m3/h，將流量換算成流速且不考慮斜板的折流作用，得出含油污水從入口到出口的停留時間為375 s，能滿足油水分離的需要。

實驗裝置如圖1所示，主要由動力部分、管路混合部分、測控部分及沉箱主體等組成。沉箱模型置于冷卻水罐中，其下部5 000 mm浸入循環(huán)冷卻水中，在沉箱中每一級由斜板和升油管組成的分離單元及在沉箱底部出口處均設(shè)有取樣口和測溫口，各取樣口與進(jìn)料口的垂直距離分別為40、100、420、740、1 050、4 470 mm，各測溫口與各取樣口的距離都相差80 mm。

圖1 開排沉箱實驗裝置Fig .1 Experimental facility of open drain sump caisson

1.2 實驗方法及步驟

本次實驗所用到的分離介質(zhì)為勝利油田原油。實驗前首先基于朗伯-比爾定律[6]使用UV-6000PC紫外可見分光光度計測定原油不同濃度下的吸光度，用來擬合原油標(biāo)準(zhǔn)曲線以進(jìn)行后期測試，經(jīng)掃描最佳測試波長為430 nm。然后以吸光度為橫坐標(biāo)、濃度為縱坐標(biāo)，繪制出含油濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，擬合出二者的通用公式為c=970.6a-0.124 5(a為吸光度，c為含油濃度)。

實驗時，首先調(diào)整好冷卻水動態(tài)循環(huán)，使其處于一定液位以模擬常溫下的海洋工作環(huán)境，在加熱箱內(nèi)將水加熱到指定實驗溫度后引入攪拌桶，并按比例加入原油配得油水乳狀液后通入開排沉箱內(nèi)。待實驗穩(wěn)定運行10 min后，含油污水走完一個行程，沉箱內(nèi)油水分離過程已充分完成，含油濃度分布穩(wěn)定，此時使用取樣瓶對各取樣口取得水樣，并使用紫外分光光度計再次對水樣進(jìn)行含油濃度測試，然后按各取樣口軸向位置繪制水樣在開排沉箱模型內(nèi)的濃度分布曲線。取得含油水樣后加入表面活性劑，使用Winner99c顯微顆粒圖像分析儀對水中油滴進(jìn)行拍照，并分析粒徑及其分布等微觀參數(shù)；將各測溫口上的熱電偶接入溫控儀，記錄各點溫度，并同時按照測點軸向位置繪制開排沉箱內(nèi)溫度分布曲線。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 開排沉箱內(nèi)油水分離動力學(xué)分析

2.1.1 開排沉箱內(nèi)油水兩相流動分析

開排沉箱是利用重力沉降的油水分離設(shè)備，但與三相分離器等其他分離設(shè)備不同的是，開排沉箱內(nèi)油滴運動方向與連續(xù)水相的運動方向是在同一直線且相逆的，如圖2所示，從而造成了很大的水流曳力，只有當(dāng)浮力大于水流曳力與重力之和時才能進(jìn)行分離。在未設(shè)置斜板段的區(qū)域，經(jīng)計算得雷諾數(shù)Re為2 400；在斜板折流處(圖2中A處)，因流通面積減小，流速激增，Re更是達(dá)到了75 360，即主流均為湍流。而只有在斜板與桶壁之間形成的流動死區(qū)(圖2中B處)，水中油滴的運動才屬于層流運動，其中水為連續(xù)相、油滴為離散相，且含油體積分?jǐn)?shù)較少，屬于典型的稀疏懸浮液系。由此可見，開排沉箱內(nèi)油滴特征雷諾數(shù)很小，慣性力相對于黏性力可忽略，油滴受力僅考慮重力、浮力和黏性阻力，油滴浮升滿足Stockes浮升[7]，其終端浮升速度為

圖2 開排沉箱內(nèi)油水兩相流動示意圖Fig .2 Schematic of oil-water two phase flow in open drain sump caisson

(1)

式(1)中：ρd為油滴密度；ρc為水相密度；g為重力加速度；d0為油滴粒徑；μ為連續(xù)相水的動力黏度。

由式(1)可知，增大油水兩相的密度差、降低連續(xù)水相的黏度、增大油滴粒徑都能提高油滴浮升速度。在B區(qū)形成流動死區(qū),可極大地減少主流曳力對油滴的攜帶，使油滴形成連續(xù)相并由升油管浮升至液面，然后通過一級級捕集從而不斷地使含油污水中的油滴得到有效分離。

2.1.2 開排沉箱內(nèi)油滴粒徑分布

通過上述流動分析可知，開排沉箱內(nèi)含油污水在斜板之間不斷折流，湍流強(qiáng)度大，油滴處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，油滴之間易發(fā)生碰撞聚結(jié)，但是單個油滴也容易破碎成小油滴，產(chǎn)生嚴(yán)重的乳化返混現(xiàn)象，因此有必要對開排沉箱內(nèi)油滴運動過程中的粒徑變化做深入研究，為油滴破碎聚結(jié)機(jī)理研究提供參考。限于篇幅，僅做第1、2、4、6取樣口的試樣微觀分析，對應(yīng)的油滴微觀圖片和粒度分布如圖3所示。

通過Winner99c顯微顆粒圖像分析儀分析后可知,圖3中各試樣的油滴中位粒徑分別為16.5、12.6、16.8、14.8 μm，入口粒徑分布基本呈正態(tài)分布;第1塊斜板處小粒徑數(shù)量增多，再往下粒徑分布則逐漸集中到中位粒徑，范圍變窄，小于10 μm的油滴幾乎沒有。結(jié)合沉箱內(nèi)斜板間的流動情況可知，這是由于污水在入口處速度較大，與第1塊斜板碰撞的剪切作用導(dǎo)致油滴分散返混，大粒徑油滴數(shù)量減少、小粒徑油滴數(shù)量增多；隨后含油污水進(jìn)入斜板段，在各斜板間不斷進(jìn)行的折流增加了小油滴的碰撞聚結(jié)幾率，形成更易被重力分離的大油滴。隨著曲折流動的繼續(xù)進(jìn)行，小油滴不斷聚結(jié)而大油滴不斷被靜態(tài)區(qū)捕集，因此沉箱內(nèi)從入口往下水中含油濃度逐步降低且油滴粒徑不斷減小。可見，巧妙利用斜板折流和構(gòu)造靜態(tài)區(qū)在開排沉箱復(fù)雜的流場中也能實現(xiàn)常規(guī)油水分離器中油滴聚結(jié)分離過程[8]。

圖3 開排沉箱內(nèi)油滴微觀照片和粒度分布Fig .3 Microphotograph and particle size distribution of oil in open drain sump caisson

2.1.3 開排沉箱內(nèi)油滴聚結(jié)破碎機(jī)理分析

油滴在開排沉箱中流動時發(fā)生的聚結(jié)破碎現(xiàn)象如圖4所示。當(dāng)破碎行為大于聚結(jié)行為時，其宏觀表現(xiàn)為油滴的乳化，反之則為分離除油過程。當(dāng)下對油滴聚結(jié)破碎的判據(jù)眾說紛紜，而一般都集中在對旋流器及重力沉降設(shè)備的研究中。開排沉箱雖然也是一種重力分離設(shè)備，但因其內(nèi)部同時存在湍流與層流，流動復(fù)雜導(dǎo)致油滴的運動也有其獨特性，因此也有必要結(jié)合開排沉箱內(nèi)部流動及油滴的粒徑變化和受力對其聚結(jié)破碎機(jī)理進(jìn)行深入分析。

圖4 開排沉箱內(nèi)油滴的破碎與聚結(jié)Fig .4 Coalescence and fragmentation of oil droplets in open drain sump caisson

1) 聚結(jié)機(jī)理。聚結(jié)是針對液滴及氣泡等流體顆粒而言的，通過使用物理、化學(xué)等方法使流體聚結(jié)形成較大顆粒，從而強(qiáng)化流體的沉降分離過程。在開排沉箱中,油滴發(fā)生的聚結(jié)均為碰撞聚結(jié)，當(dāng)離散相油滴碰撞接觸后,只有兩者之間的連續(xù)相液膜持續(xù)排液并破裂,油滴才會聚結(jié)，即油滴融合概率為油滴碰撞概率與碰撞造成融合的概率的乘積。在重力分離設(shè)備中，油滴發(fā)生碰撞必須經(jīng)過不同的速度梯度區(qū)，以改變其遷移速度，使其與其他油滴的遷移速度具有不同方向或性質(zhì)的變化關(guān)系方能發(fā)生碰撞[9-11]。

而在開排沉箱中，結(jié)合圖2所示的流動情況，分析可知在A區(qū)由于流通面積的改變使得流速增加，且斜板懸臂端處速度較大，桶壁處速度相對較小，兩者之間形成具有橫向速度梯度的強(qiáng)湍流場，可由湍流強(qiáng)度和湍動能來描述，其中湍動能主要來自于時均流，通過雷諾切應(yīng)力把能量傳給攜帶的油滴，從而改變分散相油滴的運動。而縱向上油滴在水流中的運動是兩個運動的合成，一是水流的垂直向下流動，二是油滴在密度差作用下的上浮或下沉運動，且在油滴碰撞或破碎過程中其粒徑不斷改變，從而導(dǎo)致速度變化，油滴軌跡也在不斷變化。

由文獻(xiàn)[12]可知，油滴運動軌跡為油滴粒徑的隨機(jī)函數(shù)，油滴重力、浮力和流動阻力在垂直方向上受到的合力Fr為

(2)

式(2)中：ξr為阻力系數(shù)；vr為油水兩相相對速度。

在圖2中的A區(qū)速度梯度由低速區(qū)指向高速區(qū)的Saffman升力Fs[13]為

(3)

式(3)中：μ0為油滴的運動黏度；dvg/dy表示無窮遠(yuǎn)處水流的速度梯度。

(4)

式(4)中：K為常數(shù)，一般大顆粒取0.09，小顆粒取π/8；ω為油滴旋轉(zhuǎn)角速度。

由式(2)～(4)可知，在開排沉箱中油滴受力均與其粒徑大小有關(guān)，不同粒徑造成不同油滴之間的行徑速度差異，且粒徑越大，受力越大，速度也越大，因此大小不一的油滴其運動軌跡必然有交集，從而提供了更多的碰撞機(jī)會，且當(dāng)油滴受到的聚結(jié)力之和大于其臨界表面張力時，即Fr+Fs+FM≥πd0σ(σ為油滴表面張力系數(shù))，則兩油滴之間連續(xù)水相液膜會破裂導(dǎo)致碰撞聚結(jié)完成，新形成的大油滴浮升速度大,更容易浮升至油水界面,而且其受力隨之改變，則運動軌跡也相應(yīng)變化繼續(xù)發(fā)生碰撞聚結(jié),如同鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一般直至在某一個分離單元的升油管處形成連續(xù)的油層,從而完成油水分離過程。

2) 破碎機(jī)理。結(jié)合開排沉箱內(nèi)的流動情況可知，油滴受力復(fù)雜，特別是在圖2中A處所示的湍流區(qū)，由于速度橫向梯度大，會形成垂直于水流方向的復(fù)雜剪切力場。由Taylor分散相變形理論[14]可知，在湍流場中油滴不斷受到振蕩，在由時均速度產(chǎn)生的黏性剪切力和由湍流產(chǎn)生的瞬時剪切力及局部壓力波動(雷諾剪切應(yīng)力)的作用下，油滴就會旋轉(zhuǎn)、變形甚至破碎成小油滴。破碎是否發(fā)生可由臨界數(shù)We作為判據(jù)，正常情況下的油滴因在表面張力和黏性力作用下會保持圓形。We表示油滴變形所受剪切外力與使液滴有穩(wěn)定傾向的表面張力的比值[10-11]，即

(5)

2.2 開排沉箱內(nèi)油水分離性能及溫度垂直分布分析2.2.1 開排沉箱內(nèi)油水分離性能分析

實驗中分別向入口處加入不同含油濃度的油水乳狀液，從各取樣口取樣測試后分析開排沉箱內(nèi)水中含油濃度從入口到出口的垂直分布情況，如圖5所示。由圖5可知，在入口處由于水流速度大，與第一塊斜板碰撞的剪切作用導(dǎo)致油滴分散返混，在宏觀上表現(xiàn)為濃度的局部升高，這與油滴的微觀運動表現(xiàn)一致。油水分離過程主要集中在斜板段，且該處由于斜板折流作用，油滴存在碰撞聚結(jié)與剪切破碎，運動復(fù)雜，濃度場波動較大但總體趨勢是下降的，這一方面證明了斜板的分離作用，另一方面驗證了上文中油滴的微觀運動；直管段流動情況較為簡單，濃度分布表現(xiàn)為單調(diào)遞減，但幾乎沒有分離作用。

圖5 水中含油濃度在開排沉箱內(nèi)的垂直分布Fig .5 Vertical concentration distribution of oil in water flow in open drain sump caisson

2.2.2 開排沉箱內(nèi)油水溫度垂直分布分析

海水是一種腐蝕性極強(qiáng)的天然電解質(zhì)，開排沉箱位于海洋腐蝕環(huán)境中的海水全浸區(qū)。在海平面以下30 m處的區(qū)域，水流速度大，溶氧量高，并存在大量海洋生物，金屬在此處易發(fā)生電化學(xué)腐蝕及生物腐蝕[15]。因此，開排沉箱在這種復(fù)雜腐蝕環(huán)境中想要維持長周期穩(wěn)定運行必須做好防腐工作?？紤]到開排沉箱內(nèi)流體介質(zhì)溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，而桶壁內(nèi)外溫差大勢必會加劇腐蝕程度和速率，因此須對開排沉箱內(nèi)的溫度分布情況進(jìn)行分析。實驗過程中分別向入口處加入50、60和80 ℃的含油污水并測得其從入口到出口的溫度垂直分布，如圖6所示。由圖6可知，各條件下開排沉箱內(nèi)油水溫度分布幾乎均呈線性遞減的趨勢，且出入口的溫差在20～30 ℃之間。由于在斜板段存在強(qiáng)湍流場的強(qiáng)化傳熱作用，該段溫度梯度比直管段更大。參考該溫度分布可知，與常規(guī)水下設(shè)備相比，開排沉箱位于海平面以下5.5～15.0 m區(qū)間(即斜板區(qū))內(nèi)應(yīng)加大防腐力度，建議增加保溫層，以減少內(nèi)外溫差影響對設(shè)備腐蝕的加劇，減少溫差應(yīng)力對設(shè)備強(qiáng)度的削弱。

圖6 開排沉箱內(nèi)的油水兩相溫度的垂直分布Fig .6 Vertical temperature distribution of oil-water flow in open drain sump caisson

3 結(jié)論及建議

1) 不同的速度梯度及渦流等導(dǎo)致不同粒徑的油滴受力不同，從而造成運動軌跡不同，這是促進(jìn)油滴碰撞的主要原因；時均速度產(chǎn)生的黏性剪切力和湍流產(chǎn)生的瞬時剪切力會導(dǎo)致油滴變形，當(dāng)所受外力大于油滴的臨界表面張力時就會導(dǎo)致油滴破碎。

2) 開排沉箱內(nèi)油滴粒徑分布表現(xiàn)為在不同分離區(qū)粒徑的大小和分布區(qū)間均不同，這體現(xiàn)了斜板間復(fù)雜的流動情況，并證明了油滴存在聚結(jié)與破碎現(xiàn)象，可考慮在斜板折流處增設(shè)整流構(gòu)件以減少油滴的破碎。

3) 當(dāng)油滴聚結(jié)作用大于破碎作用時，宏觀表現(xiàn)為開排沉箱的分離除油過程，反之則會乳化返混，且分離過程主要發(fā)生在斜板段靜態(tài)區(qū)，因此開排沉箱設(shè)計過程中應(yīng)增加靜態(tài)空間區(qū)域和數(shù)量。

4) 開排沉箱內(nèi)溫度的垂直分布在斜板段具有更大的梯度，海平面以下5.5～15.0 m區(qū)間內(nèi)外溫差大且腐蝕環(huán)境惡劣，因此應(yīng)增加保溫措施來加強(qiáng)防腐。

[1] 張樹寶，李傳凱，陳欣．開排沉箱在海上平臺開式排放系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備，2014,43(3)：48-53． ZHANG Shubao,LI Chuankai,CHEN Xin.Application of sump caisson in open drain system on offshore platform[J].Petro-Chemical Equipment,2014,43(3):48-53.

[2] FRANKLIN A G.Methods and apparatus for wastewater treatment on offshore structures:US 6,267,901 B1[P].2001-07-31.

[3] 張樹寶，李傳凱，陳欣.傳統(tǒng)式開排沉箱工藝參數(shù)計算方法[J].石油化工設(shè)備，2014,43(2)：39-43.ZHANG Shubao,LI Chuankai,CHEN Xin.A calculation method for process parameters of traditional sump caisson[J].Petro-Chemical Equipment,2014,43(2):39-43.

[4] 劉華君，曹顏玉，孟凡昌，等.不同管口形式對開排沉箱流場影響的分析[J].石油化工設(shè)備，2011,40(6)：5-8.LIU Huajun,CAO Yanyu,MENG Fanchang,et al.Analysis of influence on fluid flow of open drain sump caisson with different inlet pattern[J].Petro-Chemical Equipment,2011,40(6):5-8.

[5] 劉華君，李雙勝，郝寶齊，等．斜板設(shè)計對沉箱分離作用影響的研究[J]．中國海洋平臺，2011,26(4)：47-50． LIU Huajun,LI Shuangsheng,HAO Baoji,et al.The influence on separation of sump caisson of inclined plate design[J].China Offshore Platform,2011,26(4):47-50.

[6] 霍瑞崗．朗伯--比伯定律在化學(xué)分析中的應(yīng)用及局限性[J]．學(xué)周刊，2013(11)：14-15． [7] 倪玲英，何利民．波紋板間油滴的Stockes浮升模擬分析[J]．過濾與分離，2007,17(2)：18-20． NI Lingying,HE Limin.Study on Stockes floating simulation of oil droplets in the corrugated board[J].Journal of Filtration & Separation,2007,17(2):18-20.

[8] BERGER R.Coalescence problem in chemical processes[J].International Chemical Engineering,1989,29(3):377-387.

[9] 袁惠新，張新周．旋流場中聚結(jié)過程研究[J]．化學(xué)工程，2005,33(5)：30-33,38． YUAN Huixin,ZHANG Xinzhou.Investigation into mechanism of coalescence in vortex field[J].Chemical Engineering,2005,33(5):30-33,38.

[10] 呂宇玲．油水兩相分散流的液滴特征與壓降規(guī)律研究[D]．青島：中國石油大學(xué)(華東)，2012． LV Yuling.Investigation of droplet characteristics and pressure drop in oil-water dispersed flows[D].Qingdao:China University of Petroleum,2012.

[11] 倪玲英．復(fù)雜通道中油滴的運動規(guī)律與顆粒周圍剪切力場研究[D]．青島：中國石油大學(xué)(華東)，2008． NI Lingying.Research of the law of oil droplets motion and the shearing field around the droplets in complicated channels [D].Qingdao:China University of Petroleum,2008.

[12] 王振波，馬藝，金有海．導(dǎo)葉式旋流器內(nèi)油滴的聚結(jié)破碎及影響因素[J]．化工學(xué)報，2011,62(2)：399-406． WANG Zhenbo,MA Yi,JIN Youhai.Droplet coalescence and breakup and its influence factors in vane-guided hydrocyclone[J].CIESC Journal,2011,62(2):399-406.

[13] 張義科，劉宇，王振波，等.旋流分離過程中油滴聚集破碎的動力學(xué)分析[J].過濾與分離，2016,26(1):1-5.ZHANG Yike,LIU Yu,WANG Zhenbo,et al.Kinetic analysis on oil particle coalescence and fragmentation in the process of hydrocyclone separation[J].Journal of Filtration & Separation,2016,26(1):1-5.

[14] TAYLOR G I.The formation of emulsions in definable fields of flow[J].Proceedings of the Royal Society of London,1934,146(858):501-523.

[15] 馮立超，賀毅強(qiáng)，喬斌，等．金屬及合金在海洋環(huán)境中的腐蝕與防護(hù)[J]．熱加工工藝，2013(24)：13-17． FENG Lichao,HE Yiqiang,QIAO Bin,et al.Corrosion and protection of metal and alloy in marine environment[J].Hot Working Technology,2013(24):13-17.