基于雙旋流的油泥分離器數(shù)值模擬

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。

1 研究現(xiàn)狀

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。

2 油泥性質(zhì)

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

3 數(shù)值模擬

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

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)

3.2 計(jì)算模型

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。

3.3 邊界條件

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)。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 單層旋流器入口流速的影響

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

4.2 壓力分布

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。

4.3 油水分布

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

4.4 油泥顆粒分離效率

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。

5 結(jié)論

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。