重力式油水分離器斜板填料的數(shù)值模擬研究

李朋浩，劉博文，李奎琛，田 淵，申利波

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，山東 東營 257061)

常見的油水分離器主要是通過重力沉降的方式進(jìn)行油水分離，其具有結(jié)構(gòu)簡單、處理量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油石化等領(lǐng)域[1]。油水分離器常見的內(nèi)構(gòu)件有斜板填料、波紋板填料、TP板填料等，根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，各類填料有著不同的用處，斜板填料作為最常見的內(nèi)構(gòu)件之一，具有不易阻塞，分離效果好等優(yōu)點(diǎn)，在重力式油水分離器中得到較為廣泛的使用[2]。

本文在考察工業(yè)中常見的油水分離器后，通過設(shè)定合理的停留時(shí)間進(jìn)而對(duì)油水分離器進(jìn)行設(shè)計(jì)，油水分離器內(nèi)部只存在斜板填料，未對(duì)分離器的出入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為更好的對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，究其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性，本文通過Fluent模擬軟件對(duì)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)分布及油相濃度進(jìn)行數(shù)值分析，考察不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其的影響，進(jìn)而完成對(duì)斜板填料的優(yōu)化，通過改變流場(chǎng)分布可有效提高油水分離器的分離效果，使得重力式油水分離器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，有利于減小其體積及占地面積。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

1.1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 油水分離器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

油水分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，油水分離器左側(cè)中部開設(shè)直徑為30mm的入口，在分離器后端上部及下部分別開設(shè)直徑為20mm的油相及水相出口，筒體直徑為400mm，筒體長度為1200mm，兩側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，斜板填料距離左側(cè)封頭焊縫距離為250mm，斜板填料后面空間為廣闊的重力沉降區(qū)。

1.2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究可知，為使得模擬結(jié)果與真實(shí)值接近，多相流模型選取mixture模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[3-4]，為使得油水分離器停留時(shí)間為30min，入口流速經(jīng)計(jì)算可得為0.12m/s，邊界條件采用速度入口條件，油相及水相出口采用自由出流邊界條件，其余的容器壁采用壁面邊界條件。油相的設(shè)定密度為905 kg/m3，該油品粘度為241mPa·s，油滴的粒徑為200μm，入口處油相的體積分?jǐn)?shù)為20%。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 內(nèi)部流場(chǎng)及油相濃度分布

圖2 油相體積分?jǐn)?shù)云圖

為初步得到油水分離器內(nèi)部流體的流動(dòng)特性，探究流體流動(dòng)與分離效果的關(guān)系，設(shè)定斜板填料的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)：傾斜角為30°、板間距為50mm，板長為250mm，通過數(shù)值模擬可得到分離器內(nèi)部的油相體積分?jǐn)?shù)云圖如圖2所示，分離器的上部油相濃度較高，積聚成一定濃度的油層，下部水相濃度較高，油相出口處油相的體積分?jǐn)?shù)為66.56%，水相出口處油相的體積分?jǐn)?shù)為9.05%，流體流經(jīng)斜板填料，使得油水分離器實(shí)現(xiàn)了較好的油水分離。

為進(jìn)一步研究其油相分布原因，分析其內(nèi)部流場(chǎng)得到速度矢量圖，如圖3所示。流體在入口處以很大的速度流入分離器，由于未設(shè)有相應(yīng)入口結(jié)構(gòu)，流體直接沖擊斜板上部，造成局部回流，回流向下流動(dòng)影響下部流體正常流入斜板板間，造成一定的沖擊，影響斜板的分離效果。斜板下部產(chǎn)生了一定死區(qū)，造成分離器流體區(qū)域的浪費(fèi)，降低分離空間。流經(jīng)斜板填料的流體在其后部產(chǎn)生一定的渦流，流體的局部擾動(dòng)需要較大的沉降區(qū)進(jìn)行緩解。由于未設(shè)置相應(yīng)出口結(jié)構(gòu)，流體在各出口有局部渦流，也會(huì)在一定程度上降低分離效果。

圖3 分離器內(nèi)部速度矢量圖

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響及分析

油水分離器油出口的油相體積分?jǐn)?shù)，可有效反映出油水分離器的分離效果，通過改變斜板填料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別建模并進(jìn)行數(shù)值模擬研究，進(jìn)而考察不同參數(shù)對(duì)油水分離器分離效果的影響。

圖4 板傾斜角對(duì)分離效果影響

如圖4可知，通過增大板的傾斜角，油出口油相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并于傾斜角為15°時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)取得最大值70.35%，此時(shí)油水分離器分離效果最好。隨著板傾斜角的增大，板后的渦流情況加劇，在一定程度上影響油水的重力沉降，進(jìn)而降低了分離器的分離效果。

圖5 板間距對(duì)分離效果影響

如圖5可知，通過增大板間距，油出口油相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并于板間距為30mm時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)取得最大值71.29%，此時(shí)油水分離器分離效果最好。隨著板間距增大，相同體積斜板數(shù)少，油相聚結(jié)的幾率減小可降低分離效果，另外當(dāng)板間距過小時(shí)，阻礙了板間流體的流動(dòng)，進(jìn)而也會(huì)影響分離器的分離效果。

圖6 板長對(duì)分離效果影響

如圖6可知，通過減小斜板長度，油出口油相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，并于斜板長度為150mm時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)取得最大值74.63%，此時(shí)油水分離器分離效果最好。當(dāng)板長較小時(shí)，不但可以起到油相聚結(jié)和油滴浮升的目的，而且在其后續(xù)的重力沉降區(qū)產(chǎn)生的渦流較小，進(jìn)而降低對(duì)重力沉降區(qū)的影響，使得分離器的油水分離效果提升。

3 結(jié)論

(1)斜板填料的前后會(huì)產(chǎn)生一定的渦流和短路流，流體的流動(dòng)亟待進(jìn)一步優(yōu)化，斜板填料可在一定程度上提升分離器的油水分離效果。

(2)通過改變斜板填料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效提升分離器的分離效果，結(jié)合數(shù)值模擬研究可以發(fā)現(xiàn)，斜板傾斜角度為15°，斜板長度為150mm，板間距為30mm時(shí)，斜板填料可使油水分離器達(dá)到較好的分離效果。