組合式旋流反應(yīng)器單體排布方式數(shù)值優(yōu)化

曹瑩瑩

大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠

旋流分離技術(shù)是一種高效的多相分離技術(shù)，它是在離心力的作用下利用兩相或多相間的密度差實(shí)現(xiàn)相間分離的[1]。由于其具有功能多、結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、設(shè)備體積小、處理工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域[2]。目前，為增大旋流反應(yīng)器的處理能力，通常將旋流單體裝配至1個封閉的組合容器內(nèi)并聯(lián)使用。組合式旋流器在國外應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，這種旋流器的關(guān)鍵技術(shù)之一是入口的設(shè)計，即對組合在同一個腔體內(nèi)的幾個旋流器入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上來看，這種組合容器不僅排列緊湊，節(jié)省空間，且相對于布置管匯，其結(jié)構(gòu)更加簡單。而關(guān)于組合容器多數(shù)學(xué)者主要針對其內(nèi)部單體的入口形式及裝配方式進(jìn)行了研究[3]。YABLONSKII[4]等人設(shè)計的組合式旋流器將相鄰的2個或2個以上水力旋流器的器壁去掉，將軸心距適當(dāng)?shù)乜s小，使2個旋流腔在容器上部相通。這種設(shè)計的特點(diǎn)是使相鄰2個旋流器的流體在旋流腔中產(chǎn)生相互作用，而使其渦流狀況發(fā)生改變，從而改善分離特性，同時使壓力降得到降低。MILLER[5]等也是通過改進(jìn)組合容器的裝配方式及結(jié)構(gòu)形式來提高其綜合性能。舒朝暉[6]、ROLDAN[7]等人在理論上對旋流器組合容器進(jìn)行研究，并對其在不同工況下的工作性能進(jìn)行了模擬預(yù)測。關(guān)于在組合容器內(nèi)旋流器單體的排布方式方面的研究，劉書孟等人[8-9]針對600 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐，將6個旋風(fēng)分離器并聯(lián)，并對其布置方式進(jìn)行了模擬探究，結(jié)果表明，相同操作條件下旋風(fēng)分離器間存在著相分配不均勻現(xiàn)象，一定程度上影響并聯(lián)旋流器的整體分離特性。

本文主要對固定處理量的用于油田采出液油水分離的旋流組合容器內(nèi)部單體排布方式進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，使容器內(nèi)油水兩相分布均勻，從而保障每個旋流器單體的高效運(yùn)行，進(jìn)而提升容器整體的分離效率。

1 組合容器結(jié)構(gòu)及模型簡化

以大慶油田現(xiàn)場應(yīng)用的處理量為20 m3/h的組合容器為研究對象，其由5個水力旋流器單體并聯(lián)組成，主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其中各旋流單體的設(shè)計處理量為4 m3/h。由圖1可知，液相介質(zhì)從入口首先進(jìn)入到組合容器的環(huán)形入口腔內(nèi)，然后進(jìn)入旋流器入口，在旋流器內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離，分離后的油水兩相被排至不同的2個腔室內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離。液相介質(zhì)主要為油水混合液，其中油相體積分?jǐn)?shù)為6%。研究過程中為了簡便、快速地對組合容器入口腔內(nèi)油水兩相分布進(jìn)行模擬，對研究對象的流體域模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化，簡化后的組合容器入口腔流體域模型如圖2所示。

圖1 組合容器模型Fig.1 Model of combined container

圖2 流體域簡化模型Fig.2 Simplified model of fluid domain

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

采用Gambit軟件對流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格完成模型離散，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗后，選取單元數(shù)約為9萬，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid generation

2.2 數(shù)學(xué)模型

考慮到組合容器三維模型內(nèi)部存在強(qiáng)渦流，選取雷諾應(yīng)力模型模擬油水兩相的混合狀況。因為模擬的液態(tài)介質(zhì)為油水兩相混合液，所以選取混合模型（Mixture）進(jìn)行以水為主相、油為分散相的數(shù)值模擬分析。模擬過程中考慮重力對流場的影響。

數(shù)值模擬中采用雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行湍流模擬，其核心方程為

式中： ρ為介質(zhì)密度，kg/m3； μ為介質(zhì)黏度，mPa·s； Di,j為擴(kuò)散項； Pi,j為應(yīng)力產(chǎn)生項；Gi,j為浮力產(chǎn)生項；φi.j為應(yīng)力應(yīng)變再分配項； ξi,j為離散項；Fi,j為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生項；K為流體介質(zhì)黏性系數(shù)；SK為用戶自定義的源項。

2.3 模擬結(jié)果分析

為了對入口腔內(nèi)油水混合相的分布進(jìn)行系統(tǒng)分析，按照圖4所示的截面選取方式分析容器內(nèi)部油相分布情況。

圖4 截面選取示意圖Fig.4 Schematic diagram of section selection

按照圖4所示截面截取容器內(nèi)部流場油相體積分?jǐn)?shù)分布截面，得出初始結(jié)構(gòu)入口腔內(nèi)不同截面位置的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖（圖5）。由油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖可以看出，組合容器入口腔內(nèi)的油相分布并不均勻，存在部分油相區(qū)域性集中的問題。同時以組合容器入口處所在的徑向截面為中心向容器兩側(cè)形成兩股渦流，而油相由于密度較小在渦流的作用下主要集中在兩個渦流的中心區(qū)域。顯然在這種渦流狀態(tài)下，并不能使油相均勻地流入到每個旋流單體內(nèi)，從而影響旋流單體的分離效率。

為了評價油相進(jìn)入不同旋流器單體內(nèi)的均勻性，采用方差分析方法，對不同單體排布方式時的組合容器內(nèi)部油相分布均勻性進(jìn)行分析及評價。圖2所示的旋流器單體排布方式中各單體入口處油相質(zhì)量流率如表1所示。

表1 初始排布方式不同單體入口處油相質(zhì)量流率Tab.1 Mass flow rate of oil phase at the entrance of different monomers in the initial arrangement

圖5 初始結(jié)構(gòu)入口腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.5 Cloud diagram of oil phase volume fraction distribution in the inlet cavity of initiating structure

將上述數(shù)據(jù)代入如下方差公式

式中：M為油相質(zhì)量流率平均值；n為出口數(shù)目；xn為第n個出口處質(zhì)量流率值。

得到該模型下各出口處油相質(zhì)量流率數(shù)值方差為4.7×10-7。

對初始排布方式的組合容器內(nèi)部流場特性進(jìn)行分析可知，可以通過調(diào)整旋流單體位置至2個對稱渦流的中心區(qū)域，使旋流單體擾亂渦流特性，進(jìn)而使油水兩相均勻分布。同時為了保證油相分布的均勻性，可以適當(dāng)增強(qiáng)旋流器單體排布的對稱性?；谏鲜鲈瓌t，對組合容器內(nèi)旋流單體的排布方式提出六種方案（圖6）。

按照上述方差計算方法來評價油相分布均勻程度，模擬得出不同排布方式下旋流器單體入口油相質(zhì)量流率的平均值及方差（表2）。

表2 不同排布方式入口處油相質(zhì)量流率Tab.2 Mass flow rate of oil phase at the entrance of different layouts

圖6 旋流器單體的幾種排布方式Fig.6 Several arrangement modes of hydrocyclone monomer

圖7 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)入口腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.7 Cloud diagram of oil phase volume fraction distribution in the inlet cavity of optimized structure

分析表2所示的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，按照結(jié)構(gòu)一的方式排布旋流單體時，組合容器內(nèi)的油相質(zhì)量流率平均值較大，方差值較小。說明在該方案下，相同時間內(nèi)可使更多的油相進(jìn)入到旋流器內(nèi)，會降低后續(xù)油相堆積的可能；同時方差值較小說明采用該結(jié)構(gòu)時不同旋流單體入口處油相分布較為均勻，且具有更好的穩(wěn)定性。此時組合容器入口腔內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖7所示，可以看出，與初始結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后內(nèi)部油相體積分?jǐn)?shù)分布更為均勻，C截面上的油相濃度差異較小，且B截面云圖顯示油相被均勻地分散至整個入口截面內(nèi)，呈現(xiàn)出更好的均勻性。

3 結(jié)論

采用多相流模型中的混合模型（Mixture），以大慶油田現(xiàn)場應(yīng)用的處理量為20 m3/h的組合容器為研究對象，對其內(nèi)部流場內(nèi)油水兩相的分布情況及濃度分配特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出了多種旋流單體排布方式來進(jìn)行入口腔內(nèi)油相分布均勻程度對比。

（1）旋流器單體的排列方式對組合容器入口腔內(nèi)油相分布影響較大，初始結(jié)構(gòu)排布方式下入口腔內(nèi)出現(xiàn)了呈對稱分布的雙渦現(xiàn)象，且進(jìn)入靠近渦流中心位置的旋流器單體的入口油相濃度較大。

（2）在組合容器內(nèi)進(jìn)行旋流單體布置時，為保障油相分布的均勻性，應(yīng)避免在入口鄰近區(qū)域布置單體。

（3）通過對比組合容器內(nèi)旋流器布置形式對組合容器內(nèi)油相分布的影響發(fā)現(xiàn)，在雙渦流場內(nèi)，旋流器單體與入口軸心對稱方式布置時組合容器內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布較好控制。