一種新型導(dǎo)葉式油水分離水力旋流器

舒朝暉，王 暢，袁友為，馮慶偉，楊 帆，張德崇

（1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.中國石化股份有限公司勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東東營 257068）

0 引言

油水分離水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、高效、空間需求小、處理范圍廣等優(yōu)點，在各大油田具有十分廣闊的應(yīng)用前景［1］。傳統(tǒng)旋流器為切向進口的雙錐或單錐形式，由于其徑向尺寸較大，在一些狹小空間安裝比較困難［2］。軸向入口水力旋流器能較好地適應(yīng)狹小空間的要求，與切向入口旋流器相比，其徑向壓降更大，可以更好地實現(xiàn)油水分離。軸向?qū)~式水力旋流器在入口段安裝有導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，可為油水混合物的離心旋轉(zhuǎn)流動提供有利條件，與傳統(tǒng)水力旋流器相比，導(dǎo)葉式水力旋流器結(jié)構(gòu)更加緊湊，內(nèi)部流場更加穩(wěn)定，具有更好的分離性能。

GONG 等［3］對一種導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的減小，顆粒分離效率減弱。LIN 等［4］研究了導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的特性，分析了葉片間距、轉(zhuǎn)角對旋流器壓降和切向速度的影響。馬藝等［5］對導(dǎo)葉式油水分離水力旋流器進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在流量增大、油相密度差增大和入口油相濃度增大時，油相更易向軸心處聚集而經(jīng)溢流口排出，分離效果更好。

針對狹長空間的油水分離的問題，根據(jù)某油田現(xiàn)場含油污水的特點，設(shè)計出一種新型導(dǎo)葉式油水分離水力旋流器，采用FLUENT 軟件進行數(shù)值模擬研究，研究其壓力場、速度場、湍動能及油相體積濃度分布特點，并分析該水力旋流器的分離性能。

1 數(shù)學(xué)模型

旋流器的分離性能與進料的物性參數(shù)有關(guān)，由于某油田現(xiàn)場含油污水具有高度乳化、含水量高、油水密度相近的特點，其分離時需要更大的離心力才能獲得較好的分離效果。與常規(guī)導(dǎo)葉式水力旋流器相比，本旋流器在導(dǎo)葉的基礎(chǔ)上增加圓錐導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，增強其離心分離效果。

本文設(shè)計的水力旋流器是一種軸向?qū)~式雙錐旋流管，如圖1 所示。入口段設(shè)置有導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，旋流腔部分采用雙錐體結(jié)構(gòu)，溢流口設(shè)置于旋流器上部，底流口設(shè)置于旋流器底部，并在底部設(shè)計1 個內(nèi)錐，底流口采用軸向出口。旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Cyclone structure size mm

圖1 水力旋流器結(jié)構(gòu)Fig.1 Hydrocyclone structure

當(dāng)油水混合液以一定的初速度軸向進入帶有導(dǎo)葉的進口后，會沿導(dǎo)葉流道加速并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動，進入旋流腔后，由于油水兩相的密度不同，其受到的離心力也不同，在離心力的作用下油相和水相逐漸發(fā)生分離，密度小的油相慢慢向軸心處聚集，并沿著內(nèi)旋流從溢流管流出，密度大的水相沿外旋流最終從底流口流出。

2 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

導(dǎo)葉式旋流器模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法，對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，取旋流器壓降為標(biāo)準(zhǔn)，不同網(wǎng)格數(shù)下模擬得到的旋流器壓降如圖2所示。可見，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)低于560 774 時，模擬得到的壓降隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而增大，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到560 774 時，壓降不再隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而增加，其變化趨勢較平穩(wěn)，故認(rèn)為繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響不大。綜合考慮計算精度與模擬計算所用時間，采用網(wǎng)格數(shù)為560 774 的模型進行模擬計算。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Verification of grid independence

2.2 參數(shù)設(shè)置與邊界條件

根據(jù)油田現(xiàn)場含油污水的物性特點，數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings

采用穩(wěn)態(tài)計算方法，設(shè)置重力加速度為9.81 m/s2。采用速度入口（velocity-inlet），溢流口與底流口采用自由出流邊界（outflow），湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型（RSM），多相流模型采用混合模型（MIXTURE），采用基于壓力的求解器，SIMPLE 算法，QUICK 格式。

2.3 模型驗證

為了驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，在某卸油站對水力旋流器性能進行了現(xiàn)場試驗，試驗設(shè)備為2管旋流器，通過選擇不同位置的吸水口，進行了不同流量條件下污水旋流分離試驗，并取樣分析。原油密度為950 kg/m3，污水密度為1 000 kg/m3，水溫為50 ℃。

將不同入口流量條件下水力旋流器的壓降模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如圖3 所示。

圖3 模擬與試驗壓降對比Fig.3 Comparison of simulated and experimental pressure drop

可以看出，模擬與試驗結(jié)果的變化趨勢基本相同，誤差均在10%以內(nèi)，可見本文所建模型是準(zhǔn)確的。

3 計算結(jié)果分析

水力旋流器中的流動情況非常復(fù)雜，為了分析其流場特征，分別選取水力旋流器的大錐段、小錐段與直管段交界面及直管段3 個不同截面來研究水力旋流器內(nèi)的流體流動特性。

（2）點 對 點（P2P）網(wǎng) 絡(luò) 。NAKAMOTO S[14]曾說過：“比特幣是一種P2P的現(xiàn)金支付系統(tǒng)?！边@種P2P結(jié)構(gòu)的特點是：中心平臺不是必要條件，每一臺電腦都是一個獨立體，獨立體間通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接，最終形成密密麻麻的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖。因此P2P網(wǎng)絡(luò)一旦啟動就無法停止下來，除非所有實體都退出該網(wǎng)絡(luò)。

3.1 壓力場

壓降是衡量水力旋流器分離性能的一個重要指標(biāo)。圖4 示出水力旋流器不同截面上的靜壓徑向分布。在不同截面處，水力旋流器的靜壓沿徑向基本均呈對稱分布，沿徑向從壁面到軸心靜壓逐漸減小，在軸心處達(dá)到最小值。這是因為在旋流器內(nèi)，徑向壓力滿足p=pR+（ρue2/2n）［1-（R/r）2n］的分布規(guī)律（式中pR，ue分別為旋流器壁面處的壓力和切向速度，R 為該截面處旋流器的半徑，r 為回轉(zhuǎn)半徑，n 為常數(shù)），即旋流器內(nèi)的壓力隨半徑的減小而不斷降低，而旋流器內(nèi)的動壓與靜壓相比是很小的，故靜壓分布呈現(xiàn)壁面高中心低的趨勢。在軸心附近壓力下降急劇，說明此處壓力能迅速轉(zhuǎn)化為動能［6］。

圖4 水力旋流器靜壓徑向分布Fig.4 Static pressure radial distribution of hydrocyclone

對比3 個截面圖可以看出，旋流器大錐段最大靜壓為0.26 MPa，最小靜壓接近于0；小錐底面最大靜壓為0.083 MPa，最小靜壓為0.063 MPa；直管段截面最大靜壓為0.033 2 MPa，最小靜壓為0.032 5 MPa。可見，旋流器內(nèi)部靜壓沿大錐到小錐底部再到直管段依次減小，說明流體離開導(dǎo)葉即開始產(chǎn)生離心運動并有能量損失，從而產(chǎn)生壓降。從徑向壓降變化幅度來看，大錐段的徑向壓降最大，說明油水旋流分離主要在此階段產(chǎn)生；小錐段底部的徑向壓降較小，說明小錐段也有一定的旋流分離過程，此階段主要完成小粒徑油滴的分離；直管段的徑向壓降很小，幾乎可以忽略不計，說明此時油水旋流分離過程已經(jīng)完成，直管段主要起著穩(wěn)定流場的作用，流體在此處的流動比較平緩。

3.2 速度場

3.2.1 切向速度分布

旋流器內(nèi)的旋流分離作用是由離心力場產(chǎn)生的，離心力場由切向速度決定，通過研究水力旋流器的切向速度分布能更好地了解其內(nèi)部流場特點。

圖5 示出水力旋流器切向速度分布云圖。從圖中可以看出，旋流器的切向速度沿軸向從大椎段到小錐段再到直管段依次降低；在同一軸向位置，切向速度呈中心對稱分布。

圖5 切向速度云圖Fig.5 The contour of tangential velocity

旋流器不同截面的切向速度分布如圖6所示。圖中表明，旋流器切向速度在一定程度上呈現(xiàn)軸對稱分布。在不同截面處，切向速度均有明顯的峰值，即從壁面到軸心處切向速度先增大，達(dá)到峰值后逐漸減小，在軸心附近達(dá)到最小，呈現(xiàn)出明顯的強制渦和自由渦特點。在軸心左、右兩側(cè)各存在一個使得切向速度最大的位置，這就是旋流器切向速度的雙峰特征。切向速度越大，油水混合物所受離心力越大，兩相越容易分離。對比3 個截面圖可知，大錐段切向速度最大為13.4 m/s，小錐段和直管段交界面最大為5.5 m/s，直管段最大為1.2 m/s?？梢?，隨著油水混合物沿軸向從大錐段到小錐段再到直管段的流動，其切向速度逐漸減小，各段分離作用逐漸減弱，即油水混合物主要在旋流器的大錐段進行分離，在小錐段仍具有一定的分離作用，在直管段分離過程趨于結(jié)束。

圖6 水力旋流器切向速度Fig.6 Tangential velocity of hydrocyclone

3.2.2 軸向速度分布

圖7 軸向速度云圖Fig.7 The contour of axial velocity

旋流器不同截面上的軸向速度分布如圖8 所示，圖中速度為正值時表示流體沿軸向向溢流口方向流動，速度為負(fù)值時表示流體沿軸向向底流口方向流動?？梢钥闯?，旋流器壁面處的軸向速度為零，沿壁面向中心位置逐漸由零到負(fù)，再過渡到正值，在距離壁面較近的某個位置通過零點。不同截面處軸向速度為零的點連接起來就形成了“零軸速包絡(luò)面”［7］，該面內(nèi)部的液體向上流動，形成內(nèi)旋流；而在其外部的液體則向下往底流口方向流動，形成外旋流。對比3 個截面圖可以看出，大錐段截面正方向和負(fù)方向的軸向速度均較大，說明此階段待分離流體（向底流口方向流動的流體）和已分離流體（向溢流口方向流動的流體）流動特征明顯，進一步說明了旋流器的大錐段是發(fā)生兩相分離的主要部位；而小錐段和直管段交界面處正、負(fù)兩個方向軸向速度的絕對值都較小，而且除旋流器中心較小范圍外，其余位置軸向速度均為負(fù)值，靠近直管段，外旋流比內(nèi)旋流更顯著。直管段截面處正方向軸向速度的大小和區(qū)域逐漸增大，負(fù)方向軸向速度的絕對值很小，說明此階段兩相分離過程基本結(jié)束，在直管段內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的內(nèi)旋流。

圖8 水力旋流器軸向速度Fig.8 Axial velocity of hydrocyclone

由于外旋流和內(nèi)旋流相互作用的影響，加之旋流器內(nèi)較強的離心湍流作用，軸向速度分布沒有表現(xiàn)出嚴(yán)格的徑向?qū)ΨQ，但從速度變化的趨勢來看，仍然可以認(rèn)為大體滿足徑向?qū)ΨQ分布規(guī)律。

3.2.3 徑向速度分布

徑向速度影響旋流器的相分離程度［8］。圖9示出水力旋流器徑向速度分布云圖?？梢悦黠@地看出，旋流器的徑向速度沿軸向從大錐段到小錐段有明顯的降低，到直管段后又迅速增大到最大值；在同一軸向位置，徑向速度呈明顯的中心對稱分布。

圖9 徑向速度云圖Fig.9 The contour of radial velocity

圖10 示出模擬得到的旋流器內(nèi)不同截面流場徑向速度分布。圖中速度為正值時表示流體沿徑向向旋流器中心流動，速度為負(fù)值時表示流體沿徑向向旋流器邊壁方向流動。從圖中可以看出，徑向速度呈軸對稱分布。在大錐段，軸心附近的徑向速度為正，壁面附近徑向速度為負(fù)，說明此時軸心附近流體向中心聚集，壁面附近流體則向邊壁方向流動。在小錐段，軸心附近的流體徑向速度逐漸變?yōu)樨?fù)值且不斷增大，流體整體呈往邊壁流動的趨勢。在小錐段底部，徑向速度出現(xiàn)波動，隨后流體進入直管段并且徑向速度逐漸穩(wěn)定，此時流體徑向速度為正，流體朝軸心處流動。對比不同截面可以看出，從大錐段到直管段，徑向速度最大值和平均值均依次增大，根據(jù)旋流器的雙錐螺旋模型，越往直管段徑向速度越大，說明其內(nèi)旋流朝中心的流動速度越大，體現(xiàn)了油相向軸心聚集的特征。在靠近壁面處徑向速度由大錐段的負(fù)值到直管段接近于零，說明大錐段發(fā)生了明顯的兩相分離，有相當(dāng)部分流體向旋流器邊壁方向運動，而在直管段分離過程已經(jīng)結(jié)束，此時的徑向速度主要表現(xiàn)為向旋流器中心的流動。徑向速度最高的位置一般在軸心處，故越靠近軸心，徑向運動越明顯，增加了流體在軸心處的聚集。

圖10 水力旋流器徑向速度Fig.10 Radial velocity of hydrocyclone

3.3 湍動能

湍動能是衡量湍流發(fā)展或者衰退的重要指標(biāo)，分析旋流器內(nèi)部流場的湍動能變化可以分析其內(nèi)部流動是否平穩(wěn)，有助于研究旋流器內(nèi)部流場的流動特征。旋流器不同截面上的湍動能分布如圖11 所示。從圖可看出，旋流器內(nèi)部流場各個截面的湍動能基本呈對稱分布，在旋流器壁面附近流體具有較大的湍動能，沿著徑向方向從壁面到軸心湍動能迅速減小，在軸心附近湍動能的變化較為平緩，呈現(xiàn)出典型的“浴盆結(jié)構(gòu)”。對比3個截面圖可知，大錐段的湍動能最大，小錐段和直管段交界面次之，直管段截面的湍動能最小，3 個截面的“盆底”范圍則逐漸增大，說明從大錐段到小錐段再到直管段，旋流器的流場越來越穩(wěn)定。

圖11 水力旋流器湍動能分布Fig.11 Turbulence energy distribution of hydrocyclone

3.4 油相體積濃度分布

圖12 示出旋流器內(nèi)部流場油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。油相濃度整體呈軸對稱分布，濃度最高的位置在溢流管入口處，在本模擬工況下，最大濃度可達(dá)47 500 mg/L。油水兩相分離主要在大錐段內(nèi)完成，然后順溢流管從溢流口流出，可以看到溢流管中油相體積分?jǐn)?shù)明顯高于其他部分，且溢流管中油相體積分?jǐn)?shù)分布較為穩(wěn)定，說明油水混合物通過該導(dǎo)葉式水力旋流器產(chǎn)生了持續(xù)穩(wěn)定的分離。

圖12 水力旋流器油相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.12 Oil phase volume fraction distribution of hydrocyclone

3.5 旋流器的分離性能

分離效率和壓降是油水分離水力旋流器分離性能的主要考核指標(biāo)，將模擬得到的不同入口流量條件下的分離效率和壓降與前人的研究結(jié)果進行對比分析［9］，分別如圖13，14 所示。

圖13 分離效率對比Fig.13 Comparison of separation efficiency

從圖13 可以看出，設(shè)計的導(dǎo)葉式油水分離水力旋流器與前人的研究結(jié)果非常接近，在低入口濃度條件下仍然具有較高的分離效率。在本油田現(xiàn)場工況條件下，當(dāng)旋流器的入口流量為5 m3/h時，其分離效率為80.51%。

從圖14 可看出，本導(dǎo)葉式水力旋流器的壓降比前人得到的結(jié)果更低，而且在流量越高時，降低的幅度越大。在本油田現(xiàn)場工況條件下，當(dāng)旋流器的入口流量為5 m3/h 時，其壓降為0.35 MPa?？梢?，本文設(shè)計的導(dǎo)葉式水力旋流器可以明顯降低壓降，具有較好的分離性能。

圖14 壓降對比Fig.14 Comparison of pressure drop

4 結(jié)論

（1）旋流器不同截面上的靜壓呈軸對稱分布，并沿壁面向軸心方向不斷減小。徑向壓降沿大錐段到小錐底部再到直管段不斷減小，油水旋流分離過程主要發(fā)生在大錐段，小錐段也有一定的分離作用，直管段則主要起著穩(wěn)定流場的作用。旋流器湍動能呈典型的“浴盆結(jié)構(gòu)”，從大錐段到小錐段再到直管段，旋流器的流場越來越穩(wěn)定。

（2）旋流器內(nèi)部切向速度呈明顯的“雙峰結(jié)構(gòu)”，最大切向速度沿軸向從大錐段到小錐段再到直管段逐漸降低，分別為13.4，5.5，1.2 m/s。對于軸向速度，大錐段內(nèi)顯示出明顯的內(nèi)旋流和外旋流，小錐段底部大部分流體處于外旋流，直管段內(nèi)內(nèi)旋流的速度值較大，外旋流的速度值較小。徑向速度呈軸對稱分布，直管段內(nèi)旋流朝中心的流動速度較大，體現(xiàn)了油相在直管段向軸心聚集的特征。

（3）溢流管中油相體積濃度分布均勻，最大濃度可達(dá)47 500 mg/L。在本油田現(xiàn)場工況條件下，當(dāng)旋流器的入口流量為5 m3/h 時，壓降為0.35 MPa，分離效率為80.51%。本導(dǎo)葉式水力旋流器不僅具有較高的分離效率，還具有壓降更低的特點。