油泥砂強(qiáng)旋流湍動脫附機(jī)理及室內(nèi)可行性試驗(yàn)

王振波，朱衛(wèi)權(quán)，葉 洋，尹雖子，石 勇，霍建偉，都 帥，武金輝，孫治謙

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580；2.新疆油田采油二廠，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

含油泥砂是石油工業(yè)的主要污染物之一，隨著“十四五”期間環(huán)保監(jiān)管的日益嚴(yán)格，對于含油泥砂的無害化處理提出了更為嚴(yán)苛的要求，各采油廠急需一種更具經(jīng)濟(jì)性的工藝用以處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含油泥砂。過去對于含油泥砂多采用填埋、水洗、焚燒等方法，此類方法雖然在一定程度上解決了含油泥砂的處理問題，但是卻對生態(tài)環(huán)境造成了不可挽回的破壞。近些年來，含油泥砂處理行業(yè)發(fā)展了諸如生物處理、微波處理、高溫?zé)峤狻⒌蜏靥幚淼榷喾N新型處理工藝，這些處理方法均有其優(yōu)勢但又存在局限性。例如微波處理技術(shù)運(yùn)行成本高，低溫處理技術(shù)對溫度要求苛刻，熱解技術(shù)能耗投資大并且操作復(fù)雜等。綜上所述，現(xiàn)有的處理技術(shù)普遍存在耗能大、適應(yīng)性差、資源回收率低或存在二次污染等不足[1-5]。

旋流分離技術(shù)因其適應(yīng)性好、流程密閉、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于固液、液液分離領(lǐng)域。近年來，有學(xué)者嘗試將旋流分離技術(shù)應(yīng)用于油泥砂分離，并取得了一定進(jìn)展。姜亦堅(jiān)[6]使用化學(xué)旋流清洗法對大慶油田油泥砂進(jìn)行處理，清洗后泥砂中殘油率低于排放標(biāo)準(zhǔn)的0.3%[7]，證明旋流工藝可適用于含油泥砂處理領(lǐng)域；孫鵬[8]使用數(shù)值模擬的方法將雙錐形切向入口型旋流器應(yīng)用于罐底油泥除油工藝，使用正交試驗(yàn)法對不同工藝參數(shù)對分離指標(biāo)的影響；霍建偉[9]將課題組提出的DN50軸流式液-液體系旋流器兩級串聯(lián)后應(yīng)用于油泥除油工藝，在處理量為4 m3/h、一級溢流率10%～12%、二級溢流率6%時(shí)原油回收率得到91%，底流含油將至2 000 mg/L。本文在對旋流器內(nèi)強(qiáng)旋流湍動流場特性分析基礎(chǔ)上，結(jié)合油相在油泥砂中的存在狀態(tài)，對旋流器內(nèi)油泥砂的強(qiáng)旋流湍動脫附機(jī)理開展分析，并通過試驗(yàn)對旋流分離器用于三相分離器罐底油泥砂處理的有效性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，為旋流分離技術(shù)在含油泥砂處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了理論論據(jù)。

1 旋流器內(nèi)旋流場強(qiáng)湍動特征分析

旋流器內(nèi)流場為復(fù)雜的強(qiáng)旋流三維湍動流場，如圖1（a）所示，其以強(qiáng)旋流流動為主要流動特征的切向速度場呈組合渦形式存在，如圖1（b）所示。

圖1 強(qiáng)旋流三維湍動流場Fig.1 Three-dimensional turbulent flow field of strong swirling flow

湍流強(qiáng)度和湍動能是描述旋流場湍流狀態(tài)的2個(gè)重要參數(shù)。其中湍流強(qiáng)度是對湍流程度的直接表征；而湍動能則主要來源于時(shí)均流，通過高剪切應(yīng)力做功，給湍流提供能量。湍流同時(shí)也把湍動能傳遞給流場內(nèi)的分散相（顆粒、油滴等），從而改變分散相的運(yùn)動狀態(tài)。

霍建偉等[9-10]通過對內(nèi)流場和湍流度的分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致旋流器內(nèi)分散相的聚并破碎的主要因素為時(shí)均速度梯度引起的黏性剪切力和湍流流動引起的高剪切應(yīng)力及湍動能。其中前者主要引起分散相（顆粒絮團(tuán)、油滴等）的變形，從而增加分散相之間的碰撞機(jī)會，后者則是導(dǎo)致分散相（顆粒絮團(tuán)、油滴等）旋轉(zhuǎn)、變形和破碎的主要條件。旋流器內(nèi)這一典型流場特性是實(shí)現(xiàn)油泥湍動脫附與分離的基礎(chǔ)。

2 油泥砂強(qiáng)旋流湍動脫附機(jī)理分析

油泥砂中的油相大致呈4種形式存在（如圖2（a）所示），即游離態(tài)油、顆粒間橋接油（或絮團(tuán)表面包覆油）、顆粒表面吸附油、顆粒孔隙內(nèi)微細(xì)油滴。對于每一種形式的油相，在旋流器內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫附分離的機(jī)制不盡相同。考慮顆粒自轉(zhuǎn)對油泥砂的分離機(jī)理，結(jié)合旋流器內(nèi)強(qiáng)旋流湍動流場，從多個(gè)角度闡述油泥砂中游離態(tài)油、顆粒間橋接油（或絮團(tuán)表面包覆油）、顆粒表面吸附油以及顆粒孔隙內(nèi)微細(xì)油滴的分離機(jī)理。

圖2 旋流器內(nèi)油泥砂的湍動脫附機(jī)制Fig.2 Turbulent desorption mechanism of oil sludge in a hydrocyclone

（1）游離態(tài)油的分離：主要通過調(diào)控旋流器內(nèi)流場分布，強(qiáng)化細(xì)小油滴的聚并（變大）行為和離心分離過程來實(shí)現(xiàn)，即所謂的旋流除油過程。

（2）顆粒絮團(tuán)表面包覆油、絮團(tuán)內(nèi)顆粒間橋接油的分離：主要通過以下3種途徑來實(shí)現(xiàn)如圖2（b）（c）所示。

①由于在旋流器內(nèi)強(qiáng)旋流、強(qiáng)湍動的典型流動特征，在強(qiáng)旋流剪切應(yīng)力和脈動應(yīng)力（包括剪切應(yīng)力、拉應(yīng)力）作用下，顆粒之間克服油滴的橋接力（粘附、表面張力），顆粒絮團(tuán)破碎，將這一部分油從顆粒絮團(tuán)中釋放出來，成為游離態(tài)油。

②由于油泥分離用旋流器內(nèi)顆粒濃度較高，顆粒絮團(tuán)之間、顆粒之間的運(yùn)動速度、方向存在顯著差異，在顆粒之間、顆粒絮團(tuán)之間存在較強(qiáng)的干涉作用，從而在顆粒絮團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，促進(jìn)了顆粒絮團(tuán)解體，有利于將其中的橋接油釋放出來。

③由于旋流器內(nèi)顆粒之間、顆粒與絮團(tuán)之間、絮團(tuán)與絮團(tuán)之間存在較為劇烈的碰撞、摩擦行為，由此產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力和剪切應(yīng)力極大地促進(jìn)了絮體的解體，有利于將絮體顆粒間的橋接油釋放出來。這一過程在邊界層內(nèi)部、邊界層附近以及局部渦流邊界區(qū)尤為明顯。

其中，顆粒（絮團(tuán)）之間的碰撞摩擦作用：旋流器內(nèi)油泥內(nèi)固相濃度較高（尤其是邊界層內(nèi)部），顆粒之間存在較為劇烈的碰撞、摩擦行為，由此帶來的對顆粒（絮團(tuán)）表面的沖擊應(yīng)力和強(qiáng)剪切應(yīng)力將附著于顆粒（絮團(tuán)）表面的油膜擊碎、扯裂，破碎后的油膜在表面張力作用下聚成為液滴，成為游離態(tài)油滴彌散于水相中；此外顆粒（絮團(tuán)）沉降過程中，相互之間的干涉行為（主要由徑向沉降、切向速度的差異引起）也會對顆粒絮團(tuán)產(chǎn)生拉應(yīng)力，加劇絮團(tuán)破碎趨勢，利于顆粒間粘附油相的釋放。

（3）顆粒表面吸附油膜的分離，脫附機(jī)制基本與上述（2）中的①③過程相同。顆粒表面吸附油膜在強(qiáng)旋流剪切應(yīng)力、湍流脈動應(yīng)力及顆粒間的碰撞、剪切應(yīng)力等作用下，油膜破碎，在表面張力作用下縮聚為油滴，成為游離態(tài)油。

（4）內(nèi)部孔隙內(nèi)微細(xì)油的分離主要基于以下機(jī)制。

①顆粒表面油膜破碎再縮聚成為油滴過程中，在液相溶解、表面張力的作用下會將與之相連的部分油滴吸出，縮合為一體，成為游離態(tài)油，如圖2（c）所示。

②顆粒的自轉(zhuǎn)行為以及脈動行為在顆粒表面形成力較大的瞬時(shí)切向速度，在離心力及孔隙內(nèi)油滴前后壓力梯度作用下，孔隙內(nèi)的部分油滴向外遷移直至逸出成為游離態(tài)油，如圖2（d）所示。

實(shí)際上，對于處于孔隙內(nèi)部的油相，尤其是對于處于孔隙深層的油滴，由于吸附（面積大）力大、向外逸出阻力大，單純依賴于旋流器的強(qiáng)旋流湍動流場難以實(shí)現(xiàn)高效分離。對于此部分油相，可以先通過添加化學(xué)助劑，改變油滴與顆粒之間的界面特性，減小油滴與顆粒間吸附力，再進(jìn)行物理脫附。

3 油泥砂湍動脫附室內(nèi)可行性試驗(yàn)

為驗(yàn)證油泥旋流湍動脫附除油的可行性，本文在室溫下進(jìn)行了初步試驗(yàn)。單次試驗(yàn)取樣結(jié)束后通過補(bǔ)充含油泥砂與清水以保證介質(zhì)含油濃度恒定，油泥砂樣品為新疆某油田罐底油泥，裝置確定為前期正交試驗(yàn)法優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的軸流式旋流器[12]，其柱段直徑為50 mm、柱段長度為100 mm、導(dǎo)向流道數(shù)為6個(gè)、流道出口角為30°、錐段角度為5°、尾管長度為750 mm、溢流口直徑為10 mm，底流口直徑為14 mm。

3.1 試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)使用的新疆油田某采油廠罐底外排油泥樣品，呈黑色黏稠狀。罐底油泥物性見表1。從表可知，含油率高達(dá)40.16%，具有很好的回收利用價(jià)值。采用激光粒度儀測得泥砂粒徑分布見表2。

表1 罐底油泥物性Tab.1 Physical properties of oil sludge discharged from tank bottom

表2 泥砂粒度分布Tab.2 The distribution table of sludge particle sizes

由表1可知，泥砂的中位粒徑為37.91 μm、平均粒徑為41.7 μm；絕大多數(shù)泥砂尺寸集中在15.21～106.4 μm，能夠滿足旋流器的分離條件。

3.2 試驗(yàn)裝置及流程

開展單級分離試驗(yàn)及兩級串聯(lián)試驗(yàn)，其中，兩級串聯(lián)試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 兩級串聯(lián)試驗(yàn)裝置示意Fig.3 Schematic diagram of two-stage series experimental device

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）單級旋流處理試驗(yàn)。

試驗(yàn)中溢流比為12%，摻水比為1：10，破乳劑濃度為100 mg/L。控制入口流量為2.0～4.5 m3/h，研究入口流量對DN50型旋流器分離性能的影響。本文提出原油回收率這一指標(biāo)對原油回油效率進(jìn)行表征，其計(jì)算公式如式（1）所示。式中Q2底流為二級旋流器底流流量，Q1入口為一級旋流器入口流量；C1入口為一級旋流器入口物料含油率，通過紫外分光法[13]測得；C2底流為二級旋流器底流含油率，由于二級旋流底流中含砂量較高，其含油濃度經(jīng)索氏抽提后，通過紅外分光法[14-15]測得。圖4示出原油回收率、壓降與入口流量的關(guān)系曲線。

圖4 油泥砂旋流湍動脫附性能與入口流量關(guān)系（單級）Fig.4 Relationship between turbulent desorption performance of oil sludge swirling flow and inlet flow（Single stage）

由圖4可知，隨著入口流量增加，油相回收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。究其原因，一方面由于入口流量較小時(shí)旋流內(nèi)流場湍動強(qiáng)度較低，對油泥砂的湍流脫附能力不足；另一方面，離心因數(shù)過低，對于旋流腔內(nèi)游離態(tài)油相分離效率也較低。

隨著入口流量的逐漸增大，旋流器內(nèi)離心力場增強(qiáng)，湍動強(qiáng)度提高。旋流器內(nèi)顆粒之間、顆粒與絮團(tuán)之間、絮團(tuán)與絮團(tuán)之間的碰撞、摩擦變得更為劇烈，所帶來的沖擊應(yīng)力以及剪切應(yīng)力使得泥砂絮團(tuán)解體，釋放出顆粒間的橋接油，將更多的顆粒絮團(tuán)表面包覆油、絮團(tuán)內(nèi)顆粒間橋接油分離出來；在強(qiáng)旋流剪切應(yīng)力、湍流脈動應(yīng)力及更加劇烈的顆粒碰撞等作用下，更多的顆粒表面吸附油膜破碎，在表面張力作用下縮聚為油滴，成為游離態(tài)油；強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場的強(qiáng)湍動特性在顆粒表面形成的瞬時(shí)切向速度增大，離心力及孔隙內(nèi)油滴前后壓力梯度作用增強(qiáng)，使得孔隙內(nèi)更多的油滴向外遷移直至逸出成為游離態(tài)油。

同時(shí)，隨著離心因數(shù)的增大，較小的油滴也獲得足夠的向心浮力進(jìn)行分離，旋流器油水分離能力增強(qiáng)，油相回收率升高。入口流量Q1入口=4 m3/h，原油回收率達(dá)到85%、油泥砂含油率為0.5%。

試驗(yàn)中，當(dāng)入口流量 Q1入口＞4.0 m3/h，油相回收率隨著入口流量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)入口流量過大時(shí)，一方面多相流體在旋流器段的停留（分離）時(shí)間變短，另一方面強(qiáng)旋轉(zhuǎn)剪切流場的增強(qiáng)使得油滴的破碎乳化趨勢增加，兩者均影響了油泥的湍動脫附效果和離心分離效率。

（2）兩級旋流串聯(lián)分離試驗(yàn)。

在一級溢流比為12%、二級溢流比為6%、破乳劑濃度為100 mg/L、摻水比為1：10的條件下研究不同流量條件下油泥砂兩級串聯(lián)分離后原油回收率與壓降變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 油泥砂旋流湍動脫附性能與入口流量關(guān)系（兩級串聯(lián)）Fig.5 Relationship between turbulent desorption performance of oil sludge swirling flow and inlet flow（Two-stage series）

由圖5所知，兩級串聯(lián)旋流裝置底流油泥含油的變化趨勢與單級旋流底流含油的趨勢相同：隨著進(jìn)口流量的增加，原油回收率先升高后降低，具體原因與單級旋流器相同，此處不再贅述。此外，當(dāng)進(jìn)口流量Q1入口=4 m3/h時(shí)，原油回收率可達(dá)91.29%，此時(shí)油泥砂含油率約為0.1%，低于排放標(biāo)準(zhǔn)的0.3%[7]，對比前文中姜亦堅(jiān)化學(xué)旋流清洗法得到的含油濃度0.2%降低了1倍。這說明采用兩級串聯(lián)流程，在強(qiáng)旋流湍動脫附作用和強(qiáng)離心力場分離作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)油泥砂的高效分離、原油的高效回收和油泥砂的達(dá)標(biāo)處置。

4 結(jié)論

（1）單級旋流試驗(yàn)結(jié)果表明，處理量為4 m3/h、溢流比為12%、破乳劑濃度為100 mg/L時(shí)，原油回收率可達(dá)85%，油泥砂含油率為0.5%。

（2）兩級旋流串聯(lián)試驗(yàn)結(jié)果表明，在處理量為4 m3/h、一級溢流比為12%、二級溢流比為6%、破乳劑濃度為100 mg/L的操作參數(shù)下，原油回收率可達(dá)91.29%，油泥砂含油率為0.1%，低于直接排放標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）油泥砂湍動脫附可行性試驗(yàn)結(jié)果表明，基于兩級串聯(lián)旋流技術(shù)，在強(qiáng)旋流湍動脫附作用和強(qiáng)離心力場分離作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)油泥砂的高效分離、原油的高效回收和油泥砂的達(dá)標(biāo)處置。