入流含油率及油相物性對(duì)緊湊型重力分離器內(nèi)分界層高度影響的數(shù)值研究

王宗勇，林茹亭，李權(quán)，李航，劉家棟

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110020）

隨著陸地油田儲(chǔ)油量的日益減少，我國(guó)及世界多國(guó)開發(fā)了大量海上油田。由于海上油田平臺(tái)的空間十分有限，其上的操作設(shè)備須更加小巧、緊湊。要在較小的分離器容積即較短的停留時(shí)間下，達(dá)到工藝要求的分離效果，就需要分離器具有比普通分離器更高的分離效率[1-2]。對(duì)于這種緊湊型重力油水分離器的分離性能研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前乃至今后一段時(shí)期的一項(xiàng)重要任務(wù)。

用于油田初步油水分離的重力式分離器，其入流含油率和物性會(huì)產(chǎn)生一定程度的變化，這兩方面變化直接影響分離器內(nèi)的流動(dòng)特性以及油水分界層高度[3-4]，進(jìn)而影響分離器的分離性能。其中，分界層高度對(duì)于普通分離器影響相對(duì)較小，但對(duì)于緊湊型管式分離器影響較為明顯，其會(huì)使分離器的有效分離容積占比發(fā)生明顯變化。王國(guó)棟[5]等通過實(shí)驗(yàn)研究分析了油層厚度對(duì)于油相停留時(shí)間的影響，當(dāng)油層厚度相同時(shí)，進(jìn)口含油率越小，油相的停留時(shí)間越少。周曉君[6]等通過理論研究推算出油相在油水兩相混合區(qū)域的運(yùn)動(dòng)方程，得出了油水兩相在其內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律。DC Drown[7]等通過實(shí)驗(yàn)研究了油滴在油水兩相混合區(qū)域的流動(dòng)聚結(jié)過程，發(fā)現(xiàn)聚結(jié)速率不僅取決于靜態(tài)環(huán)境中的流體性質(zhì)，還取決于液滴之間的動(dòng)力黏度。SUN Zhiqian[8]等通過實(shí)驗(yàn)研究，分析了油滴在分離器內(nèi)不同區(qū)域的上升行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在入口區(qū)域油水混合物紊流較大，油滴上升速度與其他區(qū)域相比較慢。陸耀軍[9]等,對(duì)油滴在連續(xù)相中的受力,運(yùn)動(dòng)和軌跡進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，并采用Stokes 公式進(jìn)行液滴的受力計(jì)算，揭示了重力式油水分離器的分離規(guī)律。綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，油相的物性、油滴的運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)分離器內(nèi)的各個(gè)區(qū)域厚度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響分離器的分離效率。

本文通過數(shù)值模擬方法對(duì)進(jìn)口油含率以及油相物性（黏度，粒徑）進(jìn)行分析，探究其與分界層高度之間的關(guān)系，旨在為管式分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 數(shù)值模擬

1.1 分界層及其高度定義

為了清晰表達(dá)油水兩相在分離器內(nèi)的分布狀態(tài)，本文針對(duì)分離器軸向中間截面按照油相濃度沿著豎直方向變化情況，將分離器流動(dòng)截面分成三個(gè)區(qū)域：油層，即高濃度油相區(qū)域，其油相體積分?jǐn)?shù)CO>90%；分界層，即油水兩相混合區(qū)域,其油相體積分?jǐn)?shù)10%≤CO≤90%；水層，即高濃度水相區(qū)域，其含油體積分?jǐn)?shù)CO<10%。為了便于后面的分析說明，將油層和分界層的分界面稱為油相界面；分界層和水層的分界面稱為水相界面。各區(qū)域名稱及分布情況如圖1所示。

油水兩相在分離過程中，由于受到分離器管壁及內(nèi)構(gòu)件的影響，油相界面和水相界面形狀通常為一曲面（線），致使分界層在不同橫向位置所對(duì)應(yīng)的高度產(chǎn)生變化，為此需要定義一個(gè)平均高度（h）作為分析過程的標(biāo)定高度，該高度就是油相界面曲線豎直位置平均值與水相界面曲線豎直位置平均值之差，也就是圖1中上下兩條紅線之間的距離。

圖1 分界層及其高度示意圖

1.2 幾何模型

本文所研究的緊湊型重力分離器采用圓管作為筒體，兩端選用橢圓封頭。油水混合液在封頭中心采用軸向入口，油相出口位于封頭過渡區(qū)域沿軸向出流，水相出口位于筒體底部沿徑向出流。分離器內(nèi)部設(shè)置整流構(gòu)件和聚結(jié)構(gòu)件，其中整流構(gòu)件采用圓形擋板，聚結(jié)構(gòu)件采用正V 形聚結(jié)板。分離器（包括內(nèi)構(gòu)件）結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖2和表1所示。

圖2 緊湊型重力分離器模型圖

表1 緊湊型重力分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.3 數(shù)值模擬及邊界條件

本文通過Fluent 軟件對(duì)分離器進(jìn)行模擬研究，采用Standardκ-ε湍流模型與Mixture 多相流方程對(duì)油水兩相流進(jìn)行計(jì)算，模擬中油水兩相為不可壓縮流體，流體流動(dòng)過程中無熱量交換。壓力和速度耦合采用SIMPLEC 算法，體積分?jǐn)?shù)差分格式為QUICK,壓力差分格式為PRESTO，入口邊界條件為速度入口，工作介質(zhì)采用油和水混合得到，其中水相介質(zhì)密度為998.2 kg·m3，黏度為1.003 mPa·s；油相介質(zhì)密度為780 kg·m3，黏度選取0.4～5.4 mPa·s，油為分散相。油水兩相出口均設(shè)置為自由流。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

網(wǎng)格質(zhì)量影響模擬的運(yùn)行速度以及計(jì)算結(jié)果，為了消除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬帶來的影響，確保計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文對(duì)各種參數(shù)下的分離過程進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。利用ICEM 軟件對(duì)仿真模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格）劃分，通過調(diào)整最大網(wǎng)格尺寸，劃分多組網(wǎng)格，利用分離器中橫截面（x/L=0.312 5）上速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差[10]（速度不均勻度cv）與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系，來確定最優(yōu)的網(wǎng)格尺寸。速度不均勻度越小，代表分離器流動(dòng)均勻性越好，油水分離能力越強(qiáng)，利用該參數(shù)作為網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)較為合理。速度不均勻度方程為：

式中：n—采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；

vj—第j點(diǎn)的采樣速度；

—采樣點(diǎn)的平均速度。

本文的網(wǎng)格尺寸與速度不均勻度關(guān)系如圖3所示，從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量<300 W 時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，速度不均勻度逐漸漸下降，表明網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果存在著較大的相關(guān)性，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到300 W 以后時(shí)，速度不均勻度基本趨于定值，說明達(dá)到該網(wǎng)格數(shù)量后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果已無影響，在綜合權(quán)衡計(jì)算時(shí)間的前提下，本文采用的網(wǎng)格數(shù)量均保持在300 W 以上。

圖3 速度不均勻度與網(wǎng)格數(shù)量關(guān)系

2 結(jié)果與討論

由Newton 第二定律和Stokes 定律可知油滴在油水混合區(qū)域中的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

式中:ρw、ρo—分別為水、油的密度；

do—油滴粒徑；

μ—油水混合液的動(dòng)力黏度。

從文獻(xiàn)[6]中得出混合液黏度與油水兩相黏度的關(guān)系為：

式中：μw—水的動(dòng)力黏度；

μo—油的動(dòng)力黏度；

δ—分離器內(nèi)含水量。

由以上兩式中可以看出，油水兩相黏度及油滴粒徑均會(huì)影響油滴在油水混合層即分界層中的運(yùn)動(dòng)軌跡，但對(duì)于分界層高度卻不能直接得到。分界層高度對(duì)于小直徑的管式分離器而言影響明顯，其不僅決定了分離器的有效分離空間，也決定了油滴上浮時(shí)間，進(jìn)而影響到分離器的處理能力和分離效率。因此，本文擬通過改變?nèi)肓骱吐省⒂拖囵ざ?、油滴粒徑三方面因素?duì)分界層高度變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 入流含油率對(duì)分界層高度的影響

入流含油率（Vo）決定了分離器內(nèi)油水兩相的比例，進(jìn)而影響到油水混合液的物性，從而對(duì)分界層高度產(chǎn)生影響，最終影響分離器的分離性能。為了探究入流含油率對(duì)分界層高度變化的影響，本文對(duì)Vo=10%和20%的x=500 mm 截面處的濃度云圖（入口流速0.2 m·s-1）進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示。

圖4 油相濃度云圖

由圖4可以明顯看出油相界面呈現(xiàn)凹形，水相界面呈現(xiàn)凸形，形成這種界面形狀的主要原因是流體通過聚結(jié)構(gòu)件時(shí)，油滴在聚結(jié)板表面進(jìn)行聚結(jié)，當(dāng)油相的浮力大于自身重力以及聚結(jié)板的摩擦阻力，通過聚結(jié)斜板斜向上浮升，在圓筒形壁面的作用下大粒徑油滴向中間靠攏并繼續(xù)上浮，而分界層區(qū)域的水滴沿斜板斜向下向中間匯合沉降，從而使油、水相界面呈現(xiàn)凹、凸面形狀。對(duì)比（a）和（b）子圖中油相區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，入流含油率增加，油相區(qū)域明顯增大，這是流體流動(dòng)連續(xù)性決定的，同時(shí)也與油水兩相之間的相互作用有個(gè)，即分離器內(nèi)部油含量充足，油滴之間相互碰撞、聚結(jié)概率增大，大粒徑油滴可以較為快速地到達(dá)分離器上層，進(jìn)而增大了油相區(qū)域。此外，入流含油率增大，相應(yīng)的分界層高度也明顯增大，存在較為明顯的油相濃度分層現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象是因?yàn)樵诜纸鐚訁^(qū)域中，油相濃度產(chǎn)生顯著變化，由上至下水相由分散相變?yōu)檫B續(xù)相。為了準(zhǔn)確探究入流含油率對(duì)分界層高度（h）變化的影響，本文針對(duì)不同截面處（x/D=1，2.5 和3.5）的不同含油率下分界面進(jìn)行了研究，所取得三個(gè)截面分別位于聚結(jié)構(gòu)件前、中、后三個(gè)軸向位置，結(jié)果如圖5所示。

圖5 分界層高度與入流含油率關(guān)系

由圖5可知，三個(gè)截面處的分界層高度隨入流含油率變化規(guī)律是相同的，均隨著含油率的提高而增大，在體積分?jǐn)?shù)5%～20%范圍內(nèi)分界層高度增加快速，與含油率基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，而在20%以后的濃度范圍內(nèi)分界層高度增加緩慢。這種現(xiàn)象說明含油率提高增大了分離過程中油水之間接觸的比例，同時(shí)也增大油滴之間碰撞聚結(jié)的概率，前者使油水混合液的密度減小、黏度增大，導(dǎo)致油滴浮升速度減慢，分界層高達(dá)增大；而后者可以增大油滴可以提升浮升速度，對(duì)于分界層厚度減薄具有一定促進(jìn)作用，但顯然該作用與混合物物性改變相比是比較弱的，僅在較高入流含油率（>20%）下其作用才變得明顯，分界層增幅變得比較緩慢。

對(duì)比圖5中的三條曲線可知，隨著油水混合液軸向流動(dòng)距離的增長(zhǎng)，分界層高度在逐漸減小，形成這種規(guī)律的原因有兩個(gè)：一是隨著流動(dòng)距離的增加，意味著油滴在油水混合區(qū)即分界層內(nèi)的停留時(shí)間在增大，更多的較小粒徑油滴通過油水分界面進(jìn)入油層，導(dǎo)致分界層厚度逐漸減薄；二是斜板聚結(jié)構(gòu)件對(duì)于分界層減薄起到了促進(jìn)作用，小油滴在聚結(jié)板下表面聚結(jié)并斜向上流動(dòng)，在分離器邊壁匯聚后再向上浮升，減小了油水逆向流動(dòng)時(shí)相互之間的影響，促進(jìn)了分界層的逐漸減薄。

2.2 油相黏度對(duì)分界層高度的影響

油相動(dòng)力黏度（μ）代表著油滴之間相互的內(nèi)摩擦力大小，由公式2 可知，油相動(dòng)力黏度的改變會(huì)引起油水混合液動(dòng)力黏度的變化，使油滴在油水混合層中運(yùn)動(dòng)速度和軌跡發(fā)生改變。為了揭示油相動(dòng)力黏度對(duì)分界層高度的影響規(guī)律，本文選用6 種黏度對(duì)入流含油率20%的緊湊型重力分離器進(jìn)行了模擬計(jì)算，邊界條件與前述保持一致。

圖6顯示了不同油相動(dòng)力黏度與分界層高度的變化關(guān)系，從中可以看出：隨著油相動(dòng)力黏度的增大，分界層高度隨之減薄，在較小的黏度范圍內(nèi)（0.4≤μ≤2.4），分界層高度下降快速，而在2.4≤μ≤5.4 黏度范圍內(nèi)下降緩慢，在兩個(gè)黏度范圍均按照相應(yīng)的線性規(guī)律降低。形成這種現(xiàn)象的根本原因是：黏度增大提高了油滴之間聚結(jié)的能力，隨著流動(dòng)的進(jìn)行液滴粒徑會(huì)得到明顯增大，盡管黏度增大會(huì)提高混合液的黏度，但對(duì)于油滴浮升速度而言，其小于與油滴粒徑平方成正比而與混合液黏度一次方成反比，最終的浮升得到顯著提升，進(jìn)而導(dǎo)致分界層高度減薄。當(dāng)油相黏度較高時(shí)，油水混合液黏度的影響變得比較顯著，而對(duì)于油滴之間的聚結(jié)作用變得不如以前明顯，所以導(dǎo)致較高濃度范圍內(nèi)分界層高度增加變緩。不同截面位置的分界層高度仍舊體現(xiàn)出與2.1 節(jié)相同的規(guī)律和原因。

圖6 分界層高度與動(dòng)力黏度關(guān)系

2.3 油滴粒徑對(duì)分界層高度的影響

為了研究油滴粒徑對(duì)分界層高度的影響，從油相粒徑30 μm 為起點(diǎn)，以30 μm 為增量等間隔選取6 種不同大小的油相粒徑，對(duì)分離器內(nèi)三處截面（位置與上述保持一致）出的分界層進(jìn)行分析。

圖7為不同油相粒徑與分界層關(guān)系圖，從中可以看出：三個(gè)截面處的分界層高度呈現(xiàn)相同的規(guī)律，均隨著油滴粒徑（do）的增大而變小，并且在30 μm≤do≤120 μm 范圍時(shí)下降迅速，而在120 μm≤do≤180 μm 范圍時(shí)下降緩慢。這種現(xiàn)象可以通過Stokes 浮升速度公式得到解釋，油滴粒徑增大顯著增加的浮升速度，進(jìn)而導(dǎo)致油水得到快速分離，相應(yīng)的油水分界層高度減小。但當(dāng)油滴粒徑達(dá)到一定程度后，部分油滴在黏度剪切力以及斜板入口剪切作用下容易破碎變差小油滴，進(jìn)而減緩了分界層高度增加速度，導(dǎo)致較高粒徑范圍內(nèi)分界層高度反而增加放緩。

圖7 分界層高度與油相粒徑關(guān)系

3 結(jié) 論

本文采用CFD 方法對(duì)緊湊型重力分離器進(jìn)行模擬研究，分析了入流含油率以及油相物性對(duì)分界層高度的影響，得到以下結(jié)論：

1）分界層高度隨著入流含油率的增加而增大，在入流含油率達(dá)到20%以后時(shí)分界層高度增速放緩。

2）隨著油相黏度和油滴粒徑的增大，分界層高度均之減小，說明在本文所研究的黏度和粒徑范圍內(nèi)，這兩個(gè)參數(shù)的增大對(duì)于油水分離越有利。

3）分界層高度隨著油水混合液軸向流動(dòng)長(zhǎng)度的增加而減小，表明分界層高度與分離效果之間存在必然的聯(lián)系，具體關(guān)系有待進(jìn)一步研究。