操作參數對脫水型旋流器性能的影響*

李楓 肖廣闊 馬志權 丁康玉

1東北石油大學2大慶油田采油十廠3大慶油田采油工程研究院4大慶油田井下作業分公司

操作參數對脫水型旋流器性能的影響*

李楓1肖廣闊2馬志權3丁康玉4

1東北石油大學2大慶油田采油十廠3大慶油田采油工程研究院4大慶油田井下作業分公司

脫水型旋流器工作時，油水混合液由切向入口進入，因一定壓力的作用，在設備內部進行高速旋轉，形成高速旋轉的渦流。應用計算流體動力學軟件FLUENT，對特定結構的含油體積分數為40%的脫水型旋流器進行數值模擬分析，研究操作參數對脫水型旋流器的分離性能的影響。在一定流量下，隨溢流分流比的增加，旋流器的脫水率降低，脫油率提高，底流壓力損失增大，最佳分流比取決于具體需要。分流比一定時，隨入口流量的增加，底流壓力損失增大，脫水率和脫油率均有先增大后減小趨勢。

脫水型旋流器；溢流分流比；入口流量；分離效率；壓力降

脫水型油水分離旋流器是石油行業以及油類脫水等作業所迫切需要的一種高效價廉的分離設備，適用于油水混合液的含油體積分數較高的情況[1]。增加分離效率、減小壓力損失是其最基本也是最重要的發展方向。而操作參數對脫水型旋流器的分離性能有著重要的影響，對其進行研究，具有一定的科學實用價值。

1 脫水型旋流器的結構原理

（1）結構。脫水型水力旋流器由入口、溢流管、旋流腔、大錐段、小錐段及底流管各組件緊閉相連形成旋流器整體，在旋流腔的下方有兩個圓錐段，錐角分別為α和θ，且比脫油型水力旋流器中的數值要大。它與脫油型水力旋流器的區別是底流管很短或沒有，因此長度大大縮短。

（2）工作原理。脫水型旋流器工作時，油水混合液由切向入口進入，因一定壓力的作用，在設備內部進行高速旋轉，形成高速旋轉的渦流。在液流沿設備下行的過程中，由于離心力的作用，密度較大的水相被甩至器壁，而密度較小的油相則被擠至中心處。這樣，油從頂部的溢流管排出，水從底流管排除，從而實現油和水的旋流分離。

2 方案設計

盡管水力旋流器的結構相對簡單，但其內部流場卻十分復雜，影響其分離效率的結構參數和操作參數也很多。由于數值模擬對現場實際應用具有指導意義，在其實際工況數據的基礎上，應用計算流體動力學軟件FLUENT，對特定結構的含油體積分數為40%的脫水型旋流器進行數值模擬分析，研究操作參數對脫水型旋流器的分離性能的影響。通過改變旋流器的分流比和入口流量，得到分離效率和壓力降的變化規律。

通過前期的優化工作，得到一組結構數據作為脫水型旋流器的結構參數：旋流腔直徑D1=46mm，底流管長度L3=0，小錐段錐角θ=4.5°，大錐段錐角α=30°，溢流管直徑Du=8mm，溢流管伸入長度Lu=20mm，入口截面尺寸A為4.3×13mm2。

（1）改變溢流分流比。將入口流量固定在Qi= 4m3/h，依次改變分流比，從35%到55%（間隔為5%），分析分流比對分離效率及壓力降的影響。

（2）改變入口流量。將溢流分流比固定在之前確定的最佳分流比上，依次改變入口流量，從3.2m3/h到6.4m3/h（間隔為0.8m3/h），分析入口流量對分離效率及壓力降的影響。

3 物性參數及模型建立

（1）介質物性參數。模擬計算中所取介質的物性參數為：油的密度0.889×103kg/m3，動力黏度100mPa·s（脫油型旋流器處理的混合液黏度一般小于20mPa·s）；水的密度0.9982×103kg/m3，動力黏度1.003mPa·s。

（2）計算域網格生成及邊界條件設置。模型采用規格網格，計算網格數約為10萬，并對旋流器入口、出口的網格進行局部加密，來增加計算精度。本模擬湍流模型選取雷諾應力模型（RSM），計算中利用多相流模型，方程中對流項和擴散項的離散采用二階迎風差分格式，壓力—速度耦合使用SIMPLEC算法。在FLUENT計算中，邊界條件設置如下：入口油相體積分數為40%，溢流分流比按實驗方案變化；入口法向速度分量按實驗方案中入口流量變化，其他兩個方向速度分量為零；溢流口和底流口設定為自由出流。

4 操作參數的影響

水力旋流器在實際應用中，一般關心分離效率和壓力損失兩個指標，增加分離效率、減小壓力損失是研究旋流器最基本、最重要的方向[2]。脫水型旋流器的分離效率分為溢流的脫水率和底流的脫油率。在數值模擬中，含油體積分數由FLUENT軟件中的各相質量流率（MassFlowRate）報告換算得到。提高脫水率可在溢流口處得到較高濃度的油相；而提高脫油率可以降低底流水相中油的濃度，即增加底流水相的純凈度。

（1）溢流分流比的影響。從圖1可以看出，將入口流量固定在Qi=4m3/h，隨著溢流分流比的增加，旋流器的脫水率減小，脫油率增加。溢流分流比在50%時，從兩方面綜合來看，分離效率最高。這是因為隨著溢流分流比的增大，從溢流排出的流量增大，部分油水混合液未完全分離即由溢流口排出，溢流的含水量增加，使脫水率降低；溢流流量增大的同時，底流流量減小，脫油率增加。底流壓力降隨著溢流分流比的增加而增加。

圖1 入口流量一定時的分離效率曲線

（2）入口流量的影響。入口流量是旋流器最為重要的一個操作參數，它不僅直接決定了旋流器的處理量，而且影響著旋流器內部的湍流程度和停留時間，同時它也是旋流器壓力降重要組成要素[3]。從溢流分流比一定時的分離效率曲線可看出，溢流分流比固定在最佳分流比50%時，隨著入口流量的增加，脫水率和脫油率均有先增大后減小趨勢。入口流量在4m3/h時，綜合分離效率最高。從溢流分流比一定時的底流壓力降曲線看出，隨著入口流量的增加，底流壓力降增加。在入口截面不變情況下，入口流量的變化會引起入口液流速度的改變。入口液流速度過小會導致分離過程所需的離心力較小，分離效率降低；入口液流速度過大，液滴由于剪切作用而發生的分裂也隨之增多，而且由于水滴的表面張力比油滴小，也會使分離效率下降。

5 結語

（1）在一定流量下，隨溢流分流比的增加，旋流器的脫水率降低，脫油率提高，底流壓力損失增大，最佳分流比取決于具體需要。

（2）分流比一定時，隨入口流量的增加，底流壓力損失增大，脫水率和脫油率均有先增大后減小趨勢。

（3）本次研究脫水型旋流器的研究結果對脫水型旋流器的設計和流場分析提供一定理論依據。

[1]褚良銀，劉培坤．除水型油水分離旋流器試驗研究[J]．石油機械，1998，26（8）：10-14.

[2]賀杰，劉安生．水力旋流器用于高含油油水混合液分離的試驗[J]．石油機械，1996，24（5）：22-25.

[3]白志山，汪華林．油脫水型水力旋流器壓力特性和分離性能[J]．華東理工大學學報，2006，32（4）：488-491.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.016