含聚濃度對(duì)旋流器流場(chǎng)分布和分離性能的影響

鄭國興 蔣明虎 王鳳山

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；3.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

目前，針對(duì)含聚采出液黏度對(duì)旋流器流場(chǎng)特性和分離特性的影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者大多是基于連續(xù)相為牛頓流體的假設(shè)來研究的［1～3］，即服從牛頓內(nèi)摩擦定律。 但是聚丙烯酰胺的水溶液呈現(xiàn)明顯的非牛頓流體特性， 即溫度不變的條件下，黏度值隨著速度梯度的變化而變化，所以將它假設(shè)為牛頓流體時(shí)沒有考慮到非牛頓流體的流變性對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)和分離效率的影響。 為此，筆者研究了含聚濃度變化對(duì)螺旋導(dǎo)流式旋流器黏度場(chǎng)和分離效率的影響。 將任意粒徑下高黏度流體與分離效率進(jìn)行擬合，利用擬合方程計(jì)算任一粒徑低黏度下旋流器的分離效率計(jì)算值并與模擬值進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行一定的指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型的選取

螺旋導(dǎo)流式旋流器幾何結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)約束如圖1所示［4］。 旋流器工作時(shí)，混合液流經(jīng)螺旋流道后加速旋轉(zhuǎn)，形成強(qiáng)烈的渦旋，受油水兩相密度差的影響， 油滴不斷向中心運(yùn)移從溢流口流出，水相則被甩向邊壁從底流口排出，最終實(shí)現(xiàn)兩相分離。 其中，截面S1為入口截面位置，截面S2距離入口170mm，截面S3距離入口230mm，截面S4距離入口460mm。

圖1 螺旋導(dǎo)流式旋流器幾何結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)約束簡圖

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值求解， 模擬介質(zhì)為油和水， 設(shè)置油相密度881kg/m3， 黏度21.3mPa·s；根據(jù)含聚采出液流變特性，選取水相黏度值范圍為1～35mPa·s。 數(shù)值模擬過程中，采用黏度模型對(duì)連續(xù)長流場(chǎng)進(jìn)行修正。 壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，湍流計(jì)算模型選擇雷諾應(yīng)力模型［5～7］，選擇離散相模型對(duì)油滴運(yùn)移軌跡進(jìn)行求解。 選用速度入口 （Velocity-inlet） 和自由出流（Outflow）出口邊界條件，設(shè)置入口油相體積分?jǐn)?shù)2%，溢流分流比20%，壁面邊界條件設(shè)置為無滑移、無滲漏。

2 連續(xù)相結(jié)果分析

數(shù)值模擬分析了5種含聚濃度C（0、500、1 500、2 500、3 500mg/L）下的旋流器內(nèi)黏度場(chǎng)變化規(guī)律， 計(jì)算中除含聚濃度之外均采用相同的參數(shù)設(shè)置。

圖2為縱剖面、 截面S1～S4處不同含聚濃度下的表觀黏度分布云圖。 當(dāng)含聚濃度為0mg/L時(shí)，即清水狀態(tài)下，流體表現(xiàn)為牛頓流體特性，黏度值始終為1.003mPa·s；當(dāng)在清水中添加聚合物后，流體表現(xiàn)為非牛頓流體特性。 觀察同一含聚濃度（例如C=1500mg/L）下縱剖面可以發(fā)現(xiàn)，流體位于入口段位置時(shí)，由于速度較小，表觀黏度較大；經(jīng)過螺旋流道加速， 表觀黏度較入口段大幅下降。觀察同一含聚濃度（例如C=1500mg/L）下S1=0mm、S2=170mm、S3=230mm、S4=460mm這4個(gè)截面中的任一截面可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體處于旋流器中心位置和壁面位置時(shí)，黏度最小，這與流體在壁面和旋流器中心位置速度梯度較大、 剪切作用較強(qiáng)有關(guān)。 對(duì)同一含聚濃度 （例如C=1500mg/L） 下S2=170mm、S3=230mm兩個(gè)截面進(jìn)行對(duì)比觀察，其中S2=170mm位于旋流器的旋流腔段，S3=230mm位于旋流器的圓錐段， 可以發(fā)現(xiàn)隨著縱向位置增大，表觀黏度逐漸降低，這可能與錐段是旋流器主要的分離部位，該部位中流體速度較大，致使表觀黏度降低有關(guān)。

圖2 縱剖面、截面S1～S4處不同含聚濃度下的表觀黏度分布云圖

圖3為截面S3處不同含聚濃度下的表觀黏度分布曲線，可以看出，表觀黏度隨徑向位置變化對(duì)稱分布，呈M形，且隨著含聚濃度的增大曲線斜率增加，這說明隨著含聚濃度的增加，表觀黏度受剪切速度影響越大，流體所呈現(xiàn)的非牛頓特性越強(qiáng)。

圖3 截面S3處不同含聚濃度下的表觀黏度分布曲線

3 分離效率驗(yàn)證

為計(jì)算旋流分離器分級(jí)效率，首先利用Rosin-Rammler方法對(duì)入口顆粒尺寸進(jìn)行分布擬合。

假定油滴顆粒粒徑服從表1的分布。 可以看出，小粒徑和大粒徑的顆粒占比較小，大部分顆粒粒徑處于中間，分布形式完全符合自然界規(guī)律，由公式計(jì)算得當(dāng)平均粒徑d估計(jì)值約0.342 3mm、傳播系數(shù)n為2.56后即可進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 油滴顆粒粒徑分布

分級(jí)效率不僅能全面反映旋流器分離效率，同時(shí)也可以直觀地觀察出旋流器系統(tǒng)內(nèi)顆粒分離情況，為了分析顆粒的分級(jí)效率，通常采用等粒徑顆粒。 選取幾種不同粒徑顆粒， 均勻地從入口噴射， 顆粒的分離效率為溢流口捕集到的顆粒數(shù)與入口顆?？倲?shù)的比值，即分級(jí)效率。 設(shè)從入口進(jìn)入旋流器系統(tǒng)內(nèi)的粒徑為di的顆粒數(shù)目為nif，被顆粒底流出口捕集的粒徑為di的顆粒數(shù)目為nie，則分級(jí)效率η（di）和總分離效率η計(jì)算式如下：

其中，nic為被顆粒溢流出口捕集的粒徑為di的顆粒數(shù)目。

圖4為不同含聚濃度和粒徑下旋流器的分離效率。 表2為任一粒徑下含聚濃度與旋流器的分離效率擬合方程。 油田實(shí)際含聚濃度集中在0～1 000mg/L范圍內(nèi)，濃度較低，利用擬合方程計(jì)算任一粒徑低黏度下旋流器的分離效率計(jì)算值并與模擬值（以粒徑0.31mm為例）進(jìn)行對(duì)比。 圖5為粒徑0.31mm時(shí)不同含聚濃度下的旋流器分離效率，可以看出計(jì)算值與模擬值較接近，最大差值為2.91%， 說明兩種方法得出的分離效率值相差較小，且粒徑越大，高黏度呈現(xiàn)的含聚濃度與分離效率規(guī)律在低黏度范圍內(nèi)應(yīng)用的越好，即高黏度下的擬合方程可作為同一粒徑下不同含聚濃度的經(jīng)驗(yàn)公式，減少了模擬計(jì)算量，并可以將理論規(guī)律應(yīng)用到工程實(shí)際中。

圖4 不同含聚濃度和粒徑下旋流器的分離效率

表2 任一粒徑下含聚濃度與旋流器分離效率的擬合方程

圖5 粒徑0.31mm時(shí)不同含聚濃度下的旋流器分離效率

4 結(jié)論

4.1 水中溶入聚合物后，其表觀黏度隨徑向位置變化呈對(duì)稱分布（M形），且隨著含聚濃度的增加，流體所呈現(xiàn)的非牛頓特性越強(qiáng)。

4.2 利用Rosin-Rammler分布定義油滴粒徑，針對(duì)同一含聚濃度，隨著粒徑的增大，旋流器的分離效率明顯增大，且分離效率受含聚濃度影響程度越小。 針對(duì)同一粒徑，隨著含聚濃度的增大，旋流器分離效率呈明顯的下降趨勢(shì)。

4.3 將高濃度含聚水溶液呈現(xiàn)的不同粒徑的分離效率的規(guī)律應(yīng)用于低濃度范圍時(shí)發(fā)現(xiàn)，粒徑越大，高濃度含聚水溶液呈現(xiàn)的規(guī)律在低濃度范圍內(nèi)應(yīng)用得越好，即高黏度下的擬合方程可作為同一粒徑下不同含聚濃度的經(jīng)驗(yàn)公式，該結(jié)論極大地減少了模擬計(jì)算量，并可以將理論規(guī)律應(yīng)用到工程實(shí)際中。