結構參數對油-水兩相雙錐型旋流分離器影響的數值模擬

艾昕宇，胡耀強，鄧志安，梁裕如，何 鵬，王文強

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710075;2.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065)

0 引言

水力旋流器最早用于采礦行業的除砂器中[1-2]，由于其優良的操作原理又被廣泛應用于其他行業。數值模擬由于其高效的計算周期、較少的資金投入以及強大的仿真能力往往被應用在結構尺寸的優化當中。趙立新[3]、徐妍霞[4]、王黨飛[5]等人對水力旋流器結構參數的變化對其分離效果的影響作了深入研究。雙錐型結構可以提高介質在腔體內的停留時間[6]，提高分離效率。近年來國內外學者為了使雙錐型水力旋流分離器能更好地解決應用中的實際問題，對裝置的結構及流場特性進行的研究日漸成熟。但是由于油水密度差較小，對輕質油相的分離難度仍然較高。

該研究對雙錐型水力旋流器的結構進行調整，通過改變主要參數溢流管直徑D o、溢流管伸入長度Ls和大錐段角度α，探究這3個結構因素對除油效率的影響[7]。使用遞進分析方法得出理想的結構參數組合，使其在滿足壓降要求的同時除油率達到95%以上，為更好地促進高含水油田中后期開發、對含油污水處理的工藝設備選型提供理論支撐。

1 模型與方法

1.1 基礎模型尺寸

與常規水處理工藝相比，水力旋流技術使用離心力和密度差;與普通的單錐型相比，雙錐型結構內油相的停留時間更長，分離效率高達90%以上。通過閱讀大量文獻發現，溢流口直徑大小可影響分離時間、大錐角角度的變化，對切向速度有一定影響;溢流管深入長度的變化可導致循環流的程度。因此，該文對含油污水預處理進行研究，在已有模型基礎上，利用計算流體動力學軟件，在保證壓降的同時以除油效率為指標，階梯式優化出一款適應于油田含油污水預處理的雙錐型水力旋流分離器，如圖1所示。

圖1 雙錐型水力旋流分離器Fig.1 Double-cone hydrocyclone separator

文中采用現場傳統雙錐型結構，進料方式為單側切向入口，初始尺寸如圖2所示，結構主體段由圓柱段、大錐段、小錐段3部分組成[8]，模型參數按照M.T.Thew等人的主要尺寸比例關系設計[9]，公稱直徑選取標準尺寸D=50 mm，其余參數幾何尺寸比例為D1/D=1.6，D d/D=0.4，Do/D≤0.14，L1/D=1.8。各部分參數如表1所示。

表1 油水分離旋流器的初始尺寸Table 1 Initial dimensions of oil-water separation cyclone

圖2 初始尺寸模型圖Fig.2 Initial size model

除油效率即油相出口與入口處的油相質量流量之比，底流壓降由進出口壓差計算而得。除油效率和壓力降是評價裝置的重要指標，在處理能力相同及壓降相似的情況下，除油效率越大越好。經過模擬計算，初始結構的除油效率為92.86%，壓力降為54 420.5 Pa。通過探究上述3個主要參數對分離性能和內流場的影響，可為最優結構參數的選擇提供依據，提高其分離效率。

1.2 計算流體動力學模擬及相關計算

在相關油田取樣后測得相應的物性參數，設置入口為油水充分混合液進行模擬，根據現場使用的雙錐型旋流分離器實際運行情況，設置初始條件下的模擬邊界條件及數值模型工況:根據預處理型旋流分離器含水量60%～98%的指標，水相體積分數設置為82.5%，油相占比為17.5%;為了使油水混合液在入口處充分混合，通過現場試驗測得入口速度為10 m/s。

將水相設為連續相介質，為了計算出口壓力進而得到整個流域的壓力場，入口邊界設定為速度入口，出口設置為Outflow(自由出口);壁面邊界按照無滑移設定[10];計算精度設置為1×10-6;多相流模型選取Mixture模型[11]，該模型針對多相流的計算穩定性良好，且計算量相對較小。

網格數量會影響計算時間和計算精度。選用除油效率做為參照將網格劃分為5個數量進行無關性檢驗，得到滿足計算穩定性要求的網格數量。由圖3可以看出，除油效率在實驗3時分離效果最佳，此時網格數量在65萬左右，網格劃分如圖4所示。

圖3 網格無關性檢驗Fig.3 Grid independence test

圖4 網格劃分圖Fig.4 Meshing diagram

2 模擬結果分析

2.1 溢流口直徑Do的影響

在其他參數保持不變的情況下，分別改變溢流口直徑D o為5 mm，10 mm，15 mm，20 mm和25 mm，通過對不同參數進行建模、數值模擬，對比探討其對內流場的影響。

由圖5可見，油相濃度在不同的溢流口直徑下在腔體內產生不同程度的分布，其形態基本一致，在溢流口直徑為5～15 mm處油核形態明顯，由于溢流口過小導致油相聚集在大椎段，且蔓延至底流口處。當溢流口直徑增加至25 mm時，出口處的油相濃度明顯升高。

圖5 不同溢流口縱截面的油相體積分數分布云圖Fig.5 Diagrams of oil volume fraction distribution in different cross-sections of overflow ports

取圓柱段與大椎段連接處Z1的切向速度進行分析比對，由圖6和圖7可知切向速度分布趨勢一致，切向速度在D o增加時出現明顯的增加，證明D o過小使得其內部油水分離的程度較小，內部湍流紊亂，存在循環流。適當增大溢流口面積可以有效提高分離效率，但是壓力降也隨之先增大后減小，且在Do=15 mm處出現峰值;當溢流口直徑增加到25 mm時可將除油效率提高到94%以上，此時壓降較小，為53 082.57 Pa。

圖6 截面Z 1處切向速度Fig.6 Tangential velocity at section Z 1

圖7 除油效率和壓力降變化曲線Fig.7 Oil removal efficiency and pressure drop curve

2.2 溢流管深入長度Ls的影響

旋流分離溢流管插入深度過短會在容器頂部及壁面上產生短路流，插入深度過長又會增加旋流器的循環流程度，使能量損耗。圖8選取了5種不同的插入長度分析縱截面的油相分布云圖。

圖8 不同溢流管深入長度下縱截面的油相分布云圖Fig.8 Oil volume fraction diagrams in longitudinal section of different overflow pipe depths

由圖9的變化曲線可見，L s長度的增加會使頂部兩側的短路流明顯減弱。在同一位置處，壁面處的油相含量幾乎為0，油核聚集在軸心處，隨著溢流管深入長度的增加油相含量不斷升高[15]。截面處的油相含量在Ls=110 mm時達到最大值。

圖9 截面Z 1處油相體積分數變化曲線Fig.9 Oil volume fraction change curve at section Z 1

由圖10變化曲線可見，除油效率隨著插入長度的增加呈現出先增后減的趨勢，Ls的增加確實會對分離效果產生提高作用，Ls=95 mm分離效率最高。Ls對壓降的影響也尤為顯著，總體態勢上呈現出壓降增大，證明Ls的增加確實會使內部擾流嚴重，能量損耗增加。

圖10 除油效率和壓力降變化曲線Fig.10 Oil removal efficiency and pressure drop curve

2.3 大錐段角度α的影響

雙錐型水力旋流器的大錐段起到了很好的預分離作用，流體在大錐段內部的加速度持續增加[16]。選取α為12°，15°，18°三種不同的角度進行模擬，選取兩錐段交接處為截面Z2，圖11為截面Z2處分速度隨大錐角度的變化曲線。由圖11a可見，切向速度近似呈現自由渦-強制渦的組合渦[10]特征，內外旋流分布明顯，切向速度在中心軸兩側數值最小，內旋區域的降低梯度相同[17]。圖11b的軸向速度分布反映了流體在2個出口間的流動情況，軸心處的明顯的波峰是流體做內旋運動在向溢流口處運動。

圖11 截面Z 2處分速度隨大錐角度的變化曲線Fig.11 Variation of the velocity of section Z 2 with the angle of the large cone

圖12為旋流分離器除油效率和壓力降隨大錐角度的變化曲線，大錐角的增大使得壓力降處于持續增加的狀態，除油效率也得到了相應的提高。根據模擬結果來看，在整體對流場穩定性干擾較小的時候，適當增加大錐段的角度可以提高分離效率。

圖12 旋流分離器除油效率和壓力降隨大錐角度的變化曲線Fig.12 Variation curve of oil removal efficiency and pressure drop of cyclone separator with large cone angle

2.4 結構優選

表2給出了雙錐型油水兩相旋流分離器的結構參數。通過對3組參數共13組數據進行模擬，在固定部分結構的條件下，通過遞進篩選的方式，以除油率為指標，結合壓降優選出雙錐型油水兩相旋流分離器的最優結構為溢流口直徑Do=25 mm，溢流管深入長度Ls=110 mm，大錐角α=15°，油相的分離效率提高至96%以上。

表2 雙錐型油水兩相旋流分離器的結構參數Table 2 Structural parameters of a double-cone oil-water two-phase cyclone separator

3 結論

通過對3種結構參數的數值模擬優化，得出以下結論:

1)溢流口直徑的變化在Z1截面上的速度分布趨勢基本一致，增大溢流口直徑對切向速度影響較大，使得分離效果明顯但壓降呈現先增后減的趨勢。

2)隨著溢流管深入長度的增加，腔體頂部兩側短路流明顯，Z1截面處油相體積分布也隨深入長度變化而增加。壓降在深入長度增加時明顯升高證明深入長度會使內部擾流嚴重，能量損耗增加。

3)大錐角變化對切向速度的影響呈現遞增趨勢，分布規律呈現M型;大錐角度的增大會使壓力降持續增加，內部流場變化明顯。

4)通過對旋流分離器的3個參數變化進行模擬分析，根據遞進分析的結果可優選出最優結構參數組合:溢流口直徑D o=25 mm，溢流管深入長度L s=110 mm，大錐角α=15°，油相的分離效率提高至96%以上。