進液量對氣舉式同向出流旋流器分離特性影響

劉彩玉，鄭九洲，李 楓，張 勇

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318）

1 引言

水力旋流器由于結構簡單、成本低廉、分離效率高等優點被廣泛用于市政、環保、冶金、石油化工等諸多領域中，而旋流器的分離性能又受到操作參數、結構參數、及介質物性參數的影響。因此提高旋流器的分離效率始終是相關領域學者的研究方向。部分學者采用向旋流器內中注入微型氣泡的方式提高旋流器的分離效率，由于在流場內微型氣泡的粘度較大且密度較小，微型氣泡會帶著流場中散落的油滴向旋轉中心聚集，再由溢流排出，從而提高效率［1］。文獻［2］對注氣式油水分離水力分離旋流器進行了數值模擬研究，得出了在入口注氣條件下分流比、氣液比和進液量等參數對注氣式油水分離旋流器分離特性的影響。文獻［3］研究了井下氣液比對旋流器的油相分布、分離效率和壓力損失的影響，得出隨著入口氣相體積分數增大，旋流器溢流口處的油核不斷減小，旋流器的分離效率隨氣液比的增大而降低的結論。文獻［4］研究了氣泡直徑對旋流器氣液分離性能的影響，研究表明分離單一氣泡混合介質時，隨氣泡的直徑的增大溢流口氣相體積分數先增大后減小，分離多種氣泡直徑混合介質時，隨著氣泡直徑的增大，溢流口氣相體積逐漸減小。文獻［5］采用先注氣后旋流的方法，讓空氣以氣泡的形式注入到旋流器的內腔中，從而加速油滴的徑向運動速率，結果表明隨著氣液比的增加，分離效率先增加后減小。文獻［6］分別在注氣式水力旋流器入口及旋流腔位置注氣，研究了注氣量與溢流分流比對旋流器分離效率的影響，得出注氣量較小時小氣泡摻雜于小油滴中，可提高分離效率，注氣量較大時油滴在旋流腔中反復循環，很難從溢流口流出，因此效率會逐漸降低。文獻［7］提出了同向出流倒錐式旋流器結構，在常規旋流器的基礎上將出水口與出油口放在同側，同時在旋流器頂端設計了一個錐形的頂針結構，這種結構可使油滴在頂錐處聚結，有利于油水兩相分離從而提高分離效率。

鑒于上述研究結果可知，在一定條件下注入氣泡可提高旋流器的分離效率，但對于由軸心向旋流器內持續注氣以加速油核向溢流口排出速度的相關研究鮮有報道。以文獻［7］提出的同向出流水力旋流器為研究對象，在軸心內錐處開設注氣孔，通過注氣的方式將油核舉升至溢流口進而強化旋流器的分離性能。通過改變旋流器進液量，探討在不同進液量條件下對氣舉式旋流內部氣核形態、流場分布特性、分離性能的影響規律，為氣舉式同向出流水力旋流器的工程應用提供指導及參考。

2 結構設計及工作原理

由于同向出流水力旋流器旋轉中心處油核軸向運移速度較慢，致使部分油相沒能及時從溢流排出，分離性能有所降低。以此，提出一種氣舉式同向出流水力旋流器，其工作原理圖，如圖1所示。油水混合液以一定的壓力從進液口注入到旋流器中，經螺旋流道加速后在旋流器的錐段腔內進行旋流分離。由于油的密度比水小，沿螺旋流道的錐段軸心處會形成油核。此時再向注氣口注氣，注入的氣體會將聚集在旋流器軸心處的油核舉升至旋流器的溢流口，以此增大旋轉中心處油核的運移速度，進而提高旋流器的分離效率。

圖1 氣舉式同向出流旋流器原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Gas-Lift Co-Directional Outflow Hydrocyclone

3 數值模擬

3.1 流體域模型建立與網格劃分

為了研究入口進液量對氣舉式同向出流水力旋流器的分離性能，構建流體域模型，如圖2所示。以進液口圓心為原點，截面S（1z=170mm）、S（2z=250mm）、S（3z=300mm）、S（4z=450mm）為選取的分析截面位置，其余結構參數，如表1所示。

圖2 氣舉式同向出流水力旋流器流體域模型圖Fig.2 Fluid Domain Model of Gas-Lift Co-Directional Outflow Hydrocyclone

網格劃分是數值計算的前處理過程，也是數值計算的關鍵部分，如果流體域模型的網格劃分質量不好，不僅會影響數值計算結果的準確性，還有可能導致結果失真而發散［8-9］。采用ICEM軟件進行網格劃分，最佳網格數是由流動情況、分析類型和幾何關系等多個因素共同決定的，如果網格過少可能會導致數值計算精度較低，如果網格數量過多，計算結果準確度提高，但計算耗時也會增長，因此有必要進行網格獨立性驗證。將該旋流器模型網格數量劃分為316196、405730、559482、610582 和703156 五個等級，隨著網格數增加到559482時，分離效率不隨著網格數量的變化而變化，因此選擇網格數為559482最為最終模型進行后續計算，網格劃分結果，如圖3所示。

圖3 氣舉式同向出流水力旋流器網格劃分Fig.3 Meshing of Gas-Lift Co-Directional Outflow Hydrocyclone

3.2 數學模型

氣舉式同向出流水力旋流器內部流場處于油、氣、水三相流動狀態，為了模擬該旋流器的流場特征及分離特性，采用多相流模型中的Mixture模型與RSM模型來模擬旋流器內部流場情況。RSM模型實質就是根據時均化法則，直接構建表示雷諾應力的輸運方程，通過對輸運方程中新產生的未知項分別進行模化，從而構成封閉方程組，對于不可壓縮流動，時均化后的Navier－Stokes方程為［10］：

式中：xi，xj—坐標分量；

ui，uj—時均速度分量；

p—時均壓力，Pa；

μ—流體動力黏度，N·S/m2；

ρ—流體密度，kg/m3；

RSM 中，通過求解雷諾應力各分量的輸運方程來封閉以上基本方程：

式中：Dij—擴散項；Pij—應力產生項；φij—壓力應變項；εij—粘性耗散項分別為：

式中：μt—湍動黏度；σk—0.82；C1—1.8；k—湍動能；ε—耗散率；σij—Kronecker delta函數，Pkk=2P。

3.3 邊界條件

設置旋流器內的介質為三相，分別為水相、油相與氣相，其中水相密度為998.2kg/m3；油相為離散相，油滴粒徑設置為300μm，密度為883kg/m3，體積分數為1%；氣相為離散相，氣相粒徑為100μm，氣相密度為1.225kg/m3。入口邊界為速度入口（Velocity Inlet），注氣速度為2m/s，溢流出口與底流出口均為自由出口（Out‐flow），溢流分流比為30%，底流分流比為70%。離散后的控制方程組求解的算法為SIMPLE算法，收斂精度設置為10-6。為了研究入口進液量對氣舉式同向出流旋流器分離性能的影響，分別對入口進液量3.6m3/h至8.4m3/h進行數值模擬。

4 結果分析

4.1 進液量對氣核形態的影響

對氣舉式同向出流水力旋流器油水進液量對氣核形態的影響進行分析，設置進液量分別為Q=3.6m3/h、Q=4.8m3/h、Q=6m3/h、Q=7.3m3/h、Q=8.4 m3/h，氣相分布云圖，如圖4所示。當Q=3.6m3/h時，該種情況較其他4 種情況有較長的氣流，而當流量變化至4.8m3/h 時氣流長度明顯變短。截面S2動壓分布曲線，如圖5 所示。由圖5 可知S2截面處的壓力也明顯升高，這說明進液量增加，出氣口處壓力增大，在進液量較小時，進液量對氣核形態影響較大。當進液量由7.3m3/h變化至8.4m3/h時進液量對氣流長度已無明顯影響，但隨著進液量的增加，S2截面處的壓力不斷增大。這說明在注氣速度不變的情況下，增加進液量，出氣口處壓力逐漸增大，與氣相出口達到壓力平衡，阻礙了氣體進入。

圖4 氣相體積分數分布云圖Fig.4 Contours of Gas Volume Fraction Distribution

圖5 截面S2動壓分布曲線Fig.5 Dynamic Pressure Distribution Curves of Cross-Section S2

4.2 進液量對速度場的影響

4.2.1 進液量對軸向速度的影響

同向出流水力旋流器的軸向速度反映的是油相在旋流器旋轉中心向溢流口的運移速度，軸向速度越高，油相在流器旋轉中心向溢流口運動越快。不同進液量下軸心位置與油相軸向速度分布曲線，如圖6所示。

圖6 軸心位置軸向速度分布曲線Fig.6 Axial Velocity Distribution in the Axis Position of Hydrocyclone

在出氣口位置z=310mm，不同進液量條件下軸向速度均可達到0.4m/s。軸心位置z=310mm至z=440mm處為錐段旋流分離腔位置，該處隨著軸心位置的增加軸向速度逐漸提高，這是由于數值模擬時溢流出口與底流出口均設置為自由出口，出口處壓力為零，軸心位置越靠近出口處壓力越小，壓降越大，因此軸向速度逐漸提高。由圖中也可以看出，在軸心位置z=310mm 至z=460mm處，隨著進液量的增加，軸向速度明顯提高，這說明在注氣速度不變的情況下，增大進液量有助于提高油核向溢流口的運移速度。

4.2.2 進液量對徑向速度的影響

對氣舉式同向出流水力旋流器截面S3處的徑向速度進行分析。旋流器S3位置的徑向位置與速度曲線，如圖7所示。由圖7可知截面S3的徑向速度呈對稱分布，靠近壁面速度接近于0，這是由于在數值模擬時壁面采用了無滑移壁面，其意義是靠近壁面的流體與壁面速度相同且無相對速度，壁面速度為零，因此接近于壁面的流體速度也為0，由圖也可以看出隨著進液量的增加，該截面的徑向速度也明顯增大，這說明增大進液量可提高旋流器內部流場的轉速，使混合液內不同的介質獲得更大的離心力。

4.3 進液量對分離性能的影響

由于所提出的旋流器結構主要用于油水兩相分離，因此對旋流器的分離性能最直觀的體現是油相分布云圖與各個位置的油相體積分數，通過數值模擬得到截面S1、S3、S4的油相分布云圖，如圖8所示。從云圖中可以直觀的看出，隨著處理量的增大，更多的油相向旋流器的旋轉中心聚集，這說明增大處理量有助于提高旋流器的分離性能。截面S4油相體積分數分布曲線，如圖9 所示。由圖9可知，增大進液量使溢流口處的油相體積分數由小變大，而底流口處的油相體積分數由大變小，這說明增大進液量使更多的油相從溢流口排出，更多的水相從底流口排出，更進一步的驗證了所提出結構的準確性。

圖8 不同進液量下油相分布云圖Fig.8 Contours of Oil Phase Distribution at Different Inlet Flow Rate

圖9 S4截面油相體積分數分布曲線Fig.9 Oil Phase Volume Fraction Distribution Curves of Cross-Section S4

為了定量分析入口進液量對氣舉式同向出流水力旋流器分離性能影響，分離效率由溢流口的油相質量流率和入口油相質量流率來計算，其計算公式為：

式中：Ez—分離效率；Mog—溢流油相質量流率，kg/s；Mig—入口油相質量流率，kg/s。

根據式（8）得到不同處理量條件下旋流器的分離效率曲線圖，如圖10所示。由圖10可知進液量由3.6m3/h增至8.4m3/h時，分離效率由64%增至77.9%，這說明隨著處理量的增大旋流器的分離效率也明顯變高。

圖10 進液量對分離效率的影響Fig.10 Effect of Inlet Flow Rate on Separation Efficiency

5 結論

通過數值模擬研究了在不同進液量條件下氣舉式同向出流旋流器的流場特性及分離性能，主要分析了進液量對氣核形態、速度場及分離性能的影響，研究過程中得出結論如下：（1）在注氣速度不變的情況下，增加進液量，注氣口處壓力逐漸增大，在進液量（3.6～4.8）m3/h時進液量對氣核形態影響較大，在進液量（4.8～8.4）m3/h時進液量對氣核形態影響較小。（2）隨著進液量的增加，軸向速度與徑向速度均明顯增大，提高了旋流器軸心處的油相體積分數，通過注氣的方式可加速旋轉中心的油核向溢流口的運移速度，進一步驗證了該旋流器結構的可行性。（3）增大進液量會提高旋流器的分離性能，更多的油相從溢流口排出，更多的水相從底流口排出，當進液量由（3.6～8.4）m3/h時分離效率由（64～77.9）%。