含聚濃度對旋流器流場分布和分離性能的影響

鄭國興 蔣明虎 王鳳山

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；3.黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室）

目前，針對含聚采出液黏度對旋流器流場特性和分離特性的影響，國內外眾多學者大多是基于連續相為牛頓流體的假設來研究的［1～3］，即服從牛頓內摩擦定律。 但是聚丙烯酰胺的水溶液呈現明顯的非牛頓流體特性， 即溫度不變的條件下，黏度值隨著速度梯度的變化而變化，所以將它假設為牛頓流體時沒有考慮到非牛頓流體的流變性對旋流器內部流場和分離效率的影響。 為此，筆者研究了含聚濃度變化對螺旋導流式旋流器黏度場和分離效率的影響。 將任意粒徑下高黏度流體與分離效率進行擬合，利用擬合方程計算任一粒徑低黏度下旋流器的分離效率計算值并與模擬值進行對比，從而對工程實際進行一定的指導。

1 計算模型

1.1 物理模型的選取

螺旋導流式旋流器幾何結構與坐標約束如圖1所示［4］。 旋流器工作時，混合液流經螺旋流道后加速旋轉，形成強烈的渦旋，受油水兩相密度差的影響， 油滴不斷向中心運移從溢流口流出，水相則被甩向邊壁從底流口排出，最終實現兩相分離。 其中，截面S1為入口截面位置，截面S2距離入口170mm，截面S3距離入口230mm，截面S4距離入口460mm。

圖1 螺旋導流式旋流器幾何結構與坐標約束簡圖

1.2 模擬參數設置

采用ANSYS Fluent軟件進行數值求解， 模擬介質為油和水， 設置油相密度881kg/m3， 黏度21.3mPa·s；根據含聚采出液流變特性，選取水相黏度值范圍為1～35mPa·s。 數值模擬過程中，采用黏度模型對連續長流場進行修正。 壓力-速度耦合選用SIMPLE算法，湍流計算模型選擇雷諾應力模型［5～7］，選擇離散相模型對油滴運移軌跡進行求解。 選用速度入口 （Velocity-inlet） 和自由出流（Outflow）出口邊界條件，設置入口油相體積分數2%，溢流分流比20%，壁面邊界條件設置為無滑移、無滲漏。

2 連續相結果分析

數值模擬分析了5種含聚濃度C（0、500、1 500、2 500、3 500mg/L）下的旋流器內黏度場變化規律， 計算中除含聚濃度之外均采用相同的參數設置。

圖2為縱剖面、 截面S1～S4處不同含聚濃度下的表觀黏度分布云圖。 當含聚濃度為0mg/L時，即清水狀態下，流體表現為牛頓流體特性，黏度值始終為1.003mPa·s；當在清水中添加聚合物后，流體表現為非牛頓流體特性。 觀察同一含聚濃度（例如C=1500mg/L）下縱剖面可以發現，流體位于入口段位置時，由于速度較小，表觀黏度較大；經過螺旋流道加速， 表觀黏度較入口段大幅下降。觀察同一含聚濃度（例如C=1500mg/L）下S1=0mm、S2=170mm、S3=230mm、S4=460mm這4個截面中的任一截面可以發現，當流體處于旋流器中心位置和壁面位置時，黏度最小，這與流體在壁面和旋流器中心位置速度梯度較大、 剪切作用較強有關。 對同一含聚濃度 （例如C=1500mg/L） 下S2=170mm、S3=230mm兩個截面進行對比觀察，其中S2=170mm位于旋流器的旋流腔段，S3=230mm位于旋流器的圓錐段， 可以發現隨著縱向位置增大，表觀黏度逐漸降低，這可能與錐段是旋流器主要的分離部位，該部位中流體速度較大，致使表觀黏度降低有關。

圖2 縱剖面、截面S1～S4處不同含聚濃度下的表觀黏度分布云圖

圖3為截面S3處不同含聚濃度下的表觀黏度分布曲線，可以看出，表觀黏度隨徑向位置變化對稱分布，呈M形，且隨著含聚濃度的增大曲線斜率增加，這說明隨著含聚濃度的增加，表觀黏度受剪切速度影響越大，流體所呈現的非牛頓特性越強。

圖3 截面S3處不同含聚濃度下的表觀黏度分布曲線

3 分離效率驗證

為計算旋流分離器分級效率，首先利用Rosin-Rammler方法對入口顆粒尺寸進行分布擬合。

假定油滴顆粒粒徑服從表1的分布。 可以看出，小粒徑和大粒徑的顆粒占比較小，大部分顆粒粒徑處于中間，分布形式完全符合自然界規律，由公式計算得當平均粒徑d估計值約0.342 3mm、傳播系數n為2.56后即可進行數值模擬。

表1 油滴顆粒粒徑分布

分級效率不僅能全面反映旋流器分離效率，同時也可以直觀地觀察出旋流器系統內顆粒分離情況，為了分析顆粒的分級效率，通常采用等粒徑顆粒。 選取幾種不同粒徑顆粒， 均勻地從入口噴射， 顆粒的分離效率為溢流口捕集到的顆粒數與入口顆粒總數的比值，即分級效率。 設從入口進入旋流器系統內的粒徑為di的顆粒數目為nif，被顆粒底流出口捕集的粒徑為di的顆粒數目為nie，則分級效率η（di）和總分離效率η計算式如下：

其中，nic為被顆粒溢流出口捕集的粒徑為di的顆粒數目。

圖4為不同含聚濃度和粒徑下旋流器的分離效率。 表2為任一粒徑下含聚濃度與旋流器的分離效率擬合方程。 油田實際含聚濃度集中在0～1 000mg/L范圍內，濃度較低，利用擬合方程計算任一粒徑低黏度下旋流器的分離效率計算值并與模擬值（以粒徑0.31mm為例）進行對比。 圖5為粒徑0.31mm時不同含聚濃度下的旋流器分離效率，可以看出計算值與模擬值較接近，最大差值為2.91%， 說明兩種方法得出的分離效率值相差較小，且粒徑越大，高黏度呈現的含聚濃度與分離效率規律在低黏度范圍內應用的越好，即高黏度下的擬合方程可作為同一粒徑下不同含聚濃度的經驗公式，減少了模擬計算量，并可以將理論規律應用到工程實際中。

圖4 不同含聚濃度和粒徑下旋流器的分離效率

表2 任一粒徑下含聚濃度與旋流器分離效率的擬合方程

圖5 粒徑0.31mm時不同含聚濃度下的旋流器分離效率

4 結論

4.1 水中溶入聚合物后，其表觀黏度隨徑向位置變化呈對稱分布（M形），且隨著含聚濃度的增加，流體所呈現的非牛頓特性越強。

4.2 利用Rosin-Rammler分布定義油滴粒徑，針對同一含聚濃度，隨著粒徑的增大，旋流器的分離效率明顯增大，且分離效率受含聚濃度影響程度越小。 針對同一粒徑，隨著含聚濃度的增大，旋流器分離效率呈明顯的下降趨勢。

4.3 將高濃度含聚水溶液呈現的不同粒徑的分離效率的規律應用于低濃度范圍時發現，粒徑越大，高濃度含聚水溶液呈現的規律在低濃度范圍內應用得越好，即高黏度下的擬合方程可作為同一粒徑下不同含聚濃度的經驗公式，該結論極大地減少了模擬計算量，并可以將理論規律應用到工程實際中。