郭建章,張嵐冰,張文倩
(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266100)
旋流器的工作原理是通過(guò)離心力的作用,來(lái)實(shí)現(xiàn)不同流體的密度分選和粒度分級(jí),在環(huán)保、石油化工、非金屬礦業(yè)等分離領(lǐng)域占有重要地位。旋流器具有占地面積較小、結(jié)構(gòu)較精簡(jiǎn)、分離速度快、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。研究旋流器的新型結(jié)構(gòu),提高旋流器的工作效率,充分發(fā)揮節(jié)能高效的性能,始終是旋流器發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。
隨著石油行業(yè)的發(fā)展,以及全球環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)峻,油泥的處理方法日益受到社會(huì)關(guān)注,高效、綠色的油泥處理方法成為日后的發(fā)展方向。本次研究采用的興中油泥樣品,本文針對(duì)興中油泥含油量高、含渣量低的特點(diǎn),研究一種新型的雙層旋流器,通過(guò)對(duì)比單雙層旋流器的分離效果,來(lái)選擇最佳的雙層旋流器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)油相的高效回收利用。
2002年,David J.Aslin【1】提出用于穩(wěn)定流場(chǎng)的筒式氣-液-固三相旋流器,雖然旋流器的筒式結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)有所改善,也降低了離心力。2005年,鄭娟【2】參考了褚良銀關(guān)于旋流器入口斜率與旋流分離效率的關(guān)系,研究了傾角入口氣-液-固三相旋流器。2013年,東北石油大學(xué)蔣明虎【3】等人設(shè)計(jì)了一種內(nèi)錐形結(jié)構(gòu)的旋流器,用于氣-液-固三相旋流分離,切向出口的底流口,流場(chǎng)更加穩(wěn)定的同時(shí),還產(chǎn)生了更強(qiáng)的離心力,促進(jìn)氣泡在錐形壁上的聚集,同時(shí)也有利于油滴的聚集。2015年,張曉東【4】提出內(nèi)嵌式氣-液-液三相旋流器,這種結(jié)構(gòu)的體積更小,但離心力也隨之減小。2019年,孫先佑【5】提出一種復(fù)合式三相旋流器,這種三相旋流器能夠?qū)ΦV井中開(kāi)采的固液混合物進(jìn)行更好的分流,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎,實(shí)用性高。目前現(xiàn)有的旋流器改進(jìn)結(jié)構(gòu)多數(shù)是應(yīng)用于一次旋流分離,本次設(shè)計(jì)中提出的雙層旋流器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)既能夠節(jié)約空間,又能夠?qū)崿F(xiàn)旋流器的二次分離,提高分離效率。
興中油泥樣品來(lái)自舟山市中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)有限公司,選用的是原油儲(chǔ)罐中清洗之后經(jīng)過(guò)沉降處理的油罐底泥,油泥成分參數(shù)主要借鑒了浙江大學(xué)分析所得。其中的油相成分約占65%,且僅有1.55%的固相顆粒成分,因油相含量大,具有極大的回收價(jià)值【6】。
圖1【7】所示的興中油泥樣品外表光亮順滑,外觀上幾乎不可見(jiàn)固體顆粒,呈現(xiàn)偏液相的狀態(tài),膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等大分子顆粒成分較低,油相成分分布連續(xù)化。油泥質(zhì)地較均勻,粘度相對(duì)較低,呈現(xiàn)液相狀態(tài),其組分分布如表1所示。
圖1 興中油泥及其顯微圖像
表1 興中油泥組分分析
興中油泥中固體顆粒的大部分成分是鐵和硅的氧化物,其中還包括一部分鋁鹽、鈣鹽、鈉鹽等無(wú)機(jī)鹽。其中固相顆粒的粒徑【8】分布如表2所示。
表2 油泥殘?jiān)椒植嫉奶卣鲄?shù) μm
根據(jù)JB/T 9035—2015【9】對(duì)旋流器主直徑參數(shù)進(jìn)行選擇:依據(jù)實(shí)際工況,旋流器外層的進(jìn)料型式為切線左進(jìn)料型,為保證流體不會(huì)直接進(jìn)入內(nèi)層旋流器,旋流器內(nèi)層的進(jìn)料形式與外層相反,選擇切線右進(jìn)料型。在其設(shè)計(jì)中,整體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)均與主直徑大小相關(guān)聯(lián),因興中油泥中固體顆粒的粒徑為10~120 μm,因此選擇250 mm的主直徑,其余部件選型如表3所示。
表3 旋流器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)
使用SolidWorks對(duì)旋流器進(jìn)行建模工作,然后用ICEM對(duì)其進(jìn)行劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,同時(shí)在旋流器型的入口、出口、內(nèi)壁以及中心軸線附近等重要部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),進(jìn)行一定程度的細(xì)化。其中單層旋流器模型的計(jì)算域中共有網(wǎng)格91萬(wàn)個(gè),節(jié)點(diǎn)16萬(wàn)個(gè)。雙層旋流器模型因結(jié)構(gòu)不同,所劃分的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)有一定差異,但整體計(jì)算域中約有網(wǎng)格127萬(wàn)個(gè),節(jié)點(diǎn)23萬(wàn)個(gè)。
流體在旋流器中運(yùn)行,當(dāng)內(nèi)層旋流器的入口處于不同位置時(shí),分離情況也會(huì)不同,如圖2所示,改變內(nèi)旋流器入口位置,使得內(nèi)旋流器和外旋流器的旋流方向完全相反,并且將內(nèi)層旋流器入口和外層旋流器入口的夾角分別設(shè)定為0°、90°和180°,分類(lèi)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型進(jìn)口旋流器分別進(jìn)行分離模擬,觀察不同位置的雙層旋流器的分離效果。
圖2 旋流器分類(lèi)
在選擇旋流器流體的多相流模型時(shí),發(fā)現(xiàn)在模擬流體運(yùn)動(dòng)時(shí),離散相模型將離散相作為一個(gè)整體,而忽略了顆粒間的相互作用;對(duì)比歐拉模型和混合模型仿真模擬的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)歐拉模型將固液兩相視作相通的整體進(jìn)行計(jì)算【10】,而混合模型則是使用動(dòng)量方程,通過(guò)多相流的相對(duì)速度來(lái)進(jìn)行離散相的計(jì)算,本次旋流器的模擬選擇了更適用的混合模型。
在油水預(yù)分離時(shí),為了防止因液相旋流強(qiáng)度過(guò)大,引起油水兩相產(chǎn)生乳化作用【11】,所以將裝置中的流場(chǎng)設(shè)定為弱旋流場(chǎng)。仿真分析中湍流模型起到重要作用,目前主要有雷諾應(yīng)力模型、RNGk-e模型和標(biāo)準(zhǔn)k-e模型三種主要模型。理論上來(lái)說(shuō),雷諾應(yīng)力模型比k-e模型的計(jì)算更加準(zhǔn)確,但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),雷諾應(yīng)力模型的精度受到封閉形式的限制,在解決多相流問(wèn)題中有一定的缺陷。對(duì)比RNGk-e模型和標(biāo)準(zhǔn)k-e模型,由于此次流體模擬研究的是弱旋流場(chǎng),而RNGk-e模型適用于強(qiáng)旋流場(chǎng),并且標(biāo)準(zhǔn)k-e模型的精度更為合理,因此選擇更為適用的標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。
旋流器內(nèi)部有液相與固相兩種形態(tài),液相為水和油混合而成,可視為在常溫情況下定常流動(dòng)的粘性不可壓縮流體,由于壁面粗糙度和重力的存在,可忽視液相的表面張力。
李娟【12】將包括VAKAMALLA T R【13】、SWAIN Sonali【14】、KUANG S B【15】在內(nèi)的學(xué)者們的成果中,總結(jié)分析不同離散格式、湍流模型和壓力-速度耦合方式,對(duì)旋流器內(nèi)部的流體速度模擬結(jié)果的影響,并且將學(xué)者們得到的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照分析。在模擬內(nèi)部流場(chǎng)時(shí),發(fā)現(xiàn)Second Order Upwind和QUICK離散格式并沒(méi)有明顯區(qū)別。SIMPLE,PISO及Coupled三種壓力-速度耦合方式對(duì)運(yùn)算無(wú)顯著差異,根據(jù)實(shí)際情況選用SIMPLE算法。本次模擬選用的旋流器數(shù)值求解方法如表4所示。
表4 旋流器數(shù)值求解方法
設(shè)定興中油泥的液相介質(zhì)為油和水的混合物,其中油相密度為830 kg/m3,黏度為1.6 mPa·s;水相密度為998.2 kg/m3,黏度為1 mPa·s;離散相顆粒物密度為1 150 kg/m3。旋流器入口處的湍流是已經(jīng)得到充分發(fā)展的,入口流速為6 m/s,其中水相占33%,離散相占1.55%,其方向是垂直入口方向且朝向旋流器入口內(nèi)側(cè)。
根據(jù)JB/T 9035—2015水力旋流器標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際應(yīng)用情況的綜合考慮,旋流器處理量應(yīng)該在25~40 m3/h之間。旋流器的入口處流速的選擇,并不單要考慮液相中油水的分離效果,也要考慮固相的分離效率,因此將旋流器入口流量設(shè)置為變量,并對(duì)不同的入口流量進(jìn)行了對(duì)比仿真,分析旋流器因?yàn)椴煌肟诹髁浚鴮?duì)出口處油量和固體分離效率的影響,從而選擇旋流器入口處的最佳流量。
通過(guò)模擬得出的不同入口流量下旋流器的出口含油量和顆粒分離率如圖3所示,從圖3中可以看出,流經(jīng)旋流器入口的流量遞增,出口的含油量隨之上升,而油泥顆粒的分離率則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),入口流量達(dá)到40 m3/h時(shí),顆粒分離率最大。這是由于入口流量的進(jìn)一步上升,造成了旋流器內(nèi)流體轉(zhuǎn)速的增加,造成液相包含著更多固相顆粒從旋流器的溢流口逃逸的現(xiàn)象,使得油泥顆粒分離效率的降低。所以當(dāng)入口流量為40 m3/h,即入口流速為6 m/s時(shí),旋流器分離效果最佳。
圖3 不同入口流量下旋流器的出口含油量和顆粒分離率
經(jīng)過(guò)上述的模擬選定進(jìn)口流速為40 m3/h,油水和油泥顆粒的綜合分離效果最好,所以選定40 m3/h為進(jìn)口流量,繼續(xù)對(duì)比不同類(lèi)型旋流器分離效果。在實(shí)際工況中,旋流器的溢流管和底流管的設(shè)計(jì)為常壓,所以在旋流器的模擬中,設(shè)定溢流口和底流口的壓力為常壓,進(jìn)料壓力為0.1 MPa。因此在本次模擬中,三種不同雙層結(jié)構(gòu)的旋流器的壓降并沒(méi)有區(qū)別。
圖4顯示了進(jìn)口流量為40 m3/h時(shí),4種旋流器流場(chǎng)壓力云圖,在單層的旋流器中,形成了穩(wěn)定的空氣柱,標(biāo)志著旋流場(chǎng)的穩(wěn)定。旋流形成的壓力在入口處達(dá)到最高,在同一橫截面上,隨著位置越來(lái)越向軸心接近,壓力逐漸降低,在中心軸位置壓力降為最低。
圖4 旋流器壓力云圖
在3種不同進(jìn)口的旋流器中,除去了空氣柱的影響,旋流器內(nèi)層的壓力差并不明顯,但外層的壓力依舊按照中心軸線對(duì)稱(chēng)分布,符合旋流場(chǎng)的壓力分布特性。在旋流器內(nèi)層中,也形成了穩(wěn)定的壓力,使得流體和油泥顆??梢赃M(jìn)一步分離。
圖5顯示了4種旋流器流場(chǎng)的油水分布,在單層的旋流器中,油水混合物在進(jìn)入旋流器之后,輕相的油經(jīng)過(guò)旋流從旋流器溢流口排出,重相的水和油泥顆粒經(jīng)過(guò)旋流和重力的作用,從旋流器底端的底流口排出。
從圖5中可以看出,單層旋流器的油水分布比較不穩(wěn)定,分離效果也會(huì)受到一定的影響。雙層的旋流分離器中,進(jìn)入外層旋流器的結(jié)構(gòu)將油水旋流分離,其中油進(jìn)入內(nèi)層旋流器,水和油泥顆粒通過(guò)外層底流口排出。進(jìn)入內(nèi)層旋流器的流體含油量在95%以上,且形成了類(lèi)似單層旋流器的分布狀況,意味著溢流口中排出的油的純度進(jìn)一步得到了提高。
圖5 旋流器油水分布
圖6顯示了4種旋流器油泥顆粒分離效率分布,單層旋流器的分離效率最低,在90%之下,而3種雙層旋流器的分離效率均在95%之上,說(shuō)明雙層旋流器的結(jié)構(gòu)能夠有效提高油泥顆粒的分離效率。在這幾種雙層旋流器中,Ⅰ型進(jìn)口雙層旋流器的分離效率最高,Ⅱ型和Ⅲ型進(jìn)口雙層旋流器的分離效率接近。這是因?yàn)橛捎趦?nèi)外層旋流器進(jìn)口形式相反,Ⅰ型進(jìn)口雙層旋流器中的流體從外層進(jìn)入內(nèi)層時(shí)經(jīng)過(guò)的流程最長(zhǎng),油泥沉降的時(shí)間也最長(zhǎng),顆粒經(jīng)過(guò)充分的沉降才進(jìn)入內(nèi)層,所以?xún)?nèi)層的顆粒數(shù)量極少【16】。Ⅱ型和Ⅲ型進(jìn)口雙層旋流器的流體進(jìn)入內(nèi)層時(shí),也會(huì)受到重力的影響,所以分離效率也進(jìn)一步提高。
圖6 旋流器顆粒分離效率
對(duì)內(nèi)層旋流器的油泥顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的追蹤,發(fā)現(xiàn)從溢流口排出的流體,幾乎不含有水和油泥顆粒,含油量和油泥分離率均在99%以上,能夠有效實(shí)現(xiàn)三相分離的要求。從底流口排出的流體,含油率和油泥顆粒分離率也在95%以上,適用于要求不高的回收油應(yīng)用場(chǎng)所。
針對(duì)興中油泥含油量高、含渣量低的特點(diǎn),提出一種新型的雙層旋流器結(jié)構(gòu),采用數(shù)值模擬的方法考察了單層旋流器和3種不同進(jìn)口型雙層旋流器的壓力分布、油水分布和油泥顆粒分布效率,得到如下結(jié)論:
1)單層的旋流器進(jìn)行油水分離時(shí),隨著流速的升高,油水分離效果也更好。在本次研究中,當(dāng)入口流量為40 m3/h,即入口流速為6 m/s時(shí),旋流器分離效果最佳。
2)3種不同進(jìn)口的旋流器中,外層的壓力符合旋流場(chǎng)的壓力分布特性。在旋流器內(nèi)層中,壓力差分布不明顯,但是壓力穩(wěn)定,能夠進(jìn)一步分離流體和油泥顆粒。
3)對(duì)比3種雙層旋流器結(jié)構(gòu),Ⅰ型進(jìn)口雙層旋流器的分離效率最高。3種雙層旋流器的內(nèi)層油相純度均在95%之上,尤其內(nèi)層旋流器溢流口的油相純度達(dá)到了99%以上。相對(duì)于單層旋流器不足90%的分離率,雙層旋流器的結(jié)構(gòu)能夠有效提高油-水-顆粒的三相分離效果。