環形異向流淺層流場油滴流動及分離特性研究

基金項目：國家自然科學基金委員會聯合基金項目“面向海上聚驅采出水的油滴-微泡團聚機理及其協同動態旋流預除油特性研究”（U20B2030）；國家自然科學基金青年基金項目“微孔介質預分散式軸向旋流微細氣泡生成機理與特性研究”（51806019）；中國石油化工股份有限公司科研項目“油田采出水電場破乳凈化處理技術研究”（320047）；北京市教育委員會科技計劃一般項目“聚驅采出水旋流電氣浮處理關鍵技術研究”（KM202110017007）；北京石油化工學院大學生研究訓練計劃項目“環形異向流淺池分離技術流動及分離特性研究”（2024J00095）。

艾星宇，邢宇涵，蔡小壘，等.環形異向流淺層流場油滴流動及分離特性研究98-106

Ai Xingyu，Xing Yuhan，Cai Xiaolei，et al.Flow and separation characteristics of oil droplets in shallow annular counter-flow field98-106

目前關于環形多層異向流淺層流道內液滴流動和油水分離特性的研究尚不夠深入。為此，借助流體動力學方法，對環形異向流淺層流道內分散油滴運移分離特性和多層淺層流道速度分布特性進行分析。研究結果表明：環形異向流淺層流道內油滴浮升至斜板表面所需板長為96 mm，小于理論計算所需板長122 mm；淺層通道內層間速度分布對分離效率影響較大，下層流道入口速度峰值為0.008 05 m/s，環形多層淺層通道內油相浮升過程中會遇到交叉流，顯著影響淺層通道分離效率；滑移距離是影響淺層通道間分離效率的重要因素，當板長為350 mm、油滴粒徑為50 μm時，滑移距離占板長38.35%。所得結論可為基于淺層沉降強化分離理論的緊湊型采出水處理設備結構創新優化設計提供理論支撐。

采出水處理；環形異向流；淺層沉降分離；數值模擬；流道速度；分離效率；滑移距離

TE37

A

013

Flow and Separation Characteristics of Oil Droplets

in Shallow Annular Counter-Flow Field

Ai Xingyu1，2" Xing Yuhan1" Cai Xiaolei1，2nbsp;" ""Chen Jiaqing1，2" Ding Guodong1，2" An Shenfa3" Wang Xiujun4

（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology;2.Beijing Key Laboratory of Key Technology and Equipment for Deepwater Oil and Gas Pipelines;3.Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield Company;4.CNOOC Research Institute Co.，Ltd.）

The characteristics of oil droplet flow and separation in shallow annular multi-layer counter-flow channels have been inadequately investigated.In this paper，the flow and separation of dispersed oil droplets in shallow annular counter-flow channels and the velocity distribution in shallow multi-layer flow channel were analyzed by using computational fluid dynamics （CFD） methods.The results indicate that the plate length required for the oil droplet floating upward in the shallow annular counter-flow channel to the surface of the inclined plate is 96 mm，less than the theoretical plate length （122 mm）.The inter-layer velocity distribution in the shallow channel has a great impact on the separation efficiency，and the velocity at the inlet of the lower channel peaks at 0.008 05 m/s.The oil droplet may encounters a cross flow when it floats upward in the shallow annular multi-layer channel，which will impede greatly the separation efficiency in the channel.The sliding distance is a key factor influencing the separation efficiency.When the plate length is 350 mm and the grain size of oil droplet is 50 μm，the sliding distance accounts for 38.35% of the plate length.The research findings provide theoretical support for the innovative design and optimization of compact produced water treatment equipment based on the theory of shallow settling and enhanced separation.

annular counter-flow;shallow settling and separation;numerical simulation;velocity distribution in flow channel;separation efficiency;sliding distance

0" 引" 言

艾星宇Symbol`@@，等：環形異向流淺層流場油滴流動及分離特性研究

采出水（produced water）是原油開采及加工過程中最大的副產物，其主要污染物包括石油烴類、懸浮雜質、溶解態礦物質、表面活性劑和聚合物等［1］。隨著社會環保意識的逐漸增強以及國家碳達峰、碳中和頂層戰略布局的穩步推進，采出水相關排放及回注標準將更為嚴格。例如中海油已經明確提出建設資源節約型和環境友好型綠色油田，加強油氣開發中副產資源和能源的綜合利用能力、努力提高油氣生產過程中環境友好水平和控制“三廢”排放，要求對海上油田采出水進行回注處理，最終達到零排放。為此，油田現場對采出水處理裝置的處理能力和處理效果提出了更高的要求［2-3］。因此，迫切需要開發更為高效緊湊的采出水處理裝置，持續推進采出水降碳減污協同增效處理，確保我國石油行業的健康綠色發展［4］。

目前，高效緊湊型采出水處理技術已從旋流［5-6］、過濾［7］、氣浮［8-9］等單一技術轉向多技術耦合協同［10］，通過提升單體設備處理性能［11-12］，進一步簡化采出水處理工藝流程。在此背景下，采出水設備核心分離區結構也逐漸從池體結構或臥式罐體結構等向立式罐體結構甚至是管式結構發展［13］。然而，設備緊湊性能的提升意味著設備有效分離區體積的減小，核心分離區內流態也從以層流為主發展為以湍流為主［14］，相應強湍流引起的彌散效應等導致分離區內油滴去除粒徑下限擴大，限制了裝置分離性能的進一步提升［15-16］。淺層沉降分離技術是以淺層理論為基礎發展而來的一種多相流強化分離技術，該技術主要是通過縮短分離區內離散相顆粒的浮升距離，優化流場布局，降低局部湍流強度以及減小表面水力負荷率，促進小粒徑油滴的去除分離，從而增強處理裝置分離性能［17-25］。國內外研究人員已經針對淺層沉降分離理論及工程應用開展了大量的研究工作。例如，20世紀初，Hazen提出淺層沉降理論，該理論表明淺層通道內可被去除的顆粒粒徑大小是沉降深度的函數，與沉降時間無關［26］；E.PONDER［27-28］研究了傾斜淺層通道水平投影面積對捕獲粒子效率的影響規律，并提出了PNK理論；A.CALLEN等［29］應用PNK理論來預測傾斜通道中顆粒的沉降行為和分離效率，研究結果表明，淺層分離區寬高比（分離區板長長度除以其垂直間隙）與分離區有效面積密切相關；李方濤等［30］通過計算流體力學的方法對斜板沉降池油水分離性能進行研究，重點探究了沉降時間對分離性能的影響，研究結果表明，隨著沉降時間的推移，在沉降初始階段沉降效果逐漸增強， 到沉降后期沉降效率將趨于穩定。總體而言，現有研究已經形成了田中法（分離粒徑法）、姚氏法（特性參數法）、理想分離法等淺層沉降分離理論或經驗板長計算方法，并較為系統地探究了淺層分離流動過程及相關分離特性，結果可為淺層沉降分離設備設計及優化提供理論指導。

現有淺層分離的研究主要關注矩形淺層流道內流動和分離機理。然而，與常規臥式罐體結構采用矩形淺層流道不同，立式結構罐體及管式結構分離設備罐體直徑普遍偏小，更適合于采用空心錐臺堆疊結構組成的環形同向流或異向流淺層流道。而且空心錐臺堆疊結構的表面水力負荷更低，還可通過提高罐體高度或空心錐臺堆疊深度進一步提升分離效率。但空心錐臺堆疊結構形式的淺層流道內存在配水均勻性較差［31］、近軸心端流速明顯高于遠軸心段等問題，尤其是近軸心端高流速已經成為影響淺層沉降分離效率的關鍵因素。例如潘億勇等［32］已經初步探究了淺層沉降間配水均勻性對油水分離效率的影響。目前，關于環形多層異向流淺層流道內液滴流動和油水分離特性的研究尚不深入，導致現有理論計算結果難以支撐和指導該類型淺層沉降結構設計和優化。因此，本文將借助流體動力學方法，對環形多層異向流淺層流道內油水兩相流動過程及特性進行研究，探究不同粒徑油滴顆粒的運移及分離特性，獲得影響多層異向流淺層流道油相運移分離性能的關鍵因素，從而為基于淺層沉降強化分離理論的緊湊型采出水處理設備結構創新優化設計提供理論指導和數據支撐。

1" 技術分析

1.1" 環形異向流淺層沉降分離原理

環形異向流淺層沉降原理主要是通過在核心分離區設置多層空心錐臺堆疊結構斜板，相鄰斜板間形成一定間距的淺層分離通道，水相與分散相油滴在淺層分離通道內運移并完成分離過程［33］，沉降原理如圖1所示。

環形多層異向流淺層流場的特點是主體水流向下，斜板傾角一般控制在45°～ 60°。在環形異向流淺層分離過程中，分散油滴向上浮升時主要受到重力Fg、浮力Fb以及阻力Fr的共同作用，其中Fr與水的流態有關。

根據油滴在流道中的運動規律，當某一粒徑的油滴P處于斜板中某一位置時，它具有上浮速度vo，水流具有軸向速度v。分散顆粒的上浮速度vo為其絕對浮升運動速度vp （相對于地面或靜止通道壁面）與周圍流體絕對速度vs（相對于地面或靜止通道壁面）之間的相對速度，即vo=vp-vs。根據牛頓第二定律得出如下關系式：

mdv→o/dt=F→b+F→r+F→g=ρpgVp+

CDAρcv2o/2+ρcgVp（1）

式中：m為油滴質量，kg；ρp為分散油滴的密度，kg/m3；ρc為周圍流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Vp為分散油滴的體積，L；CD為阻力系數；A為淺層沉降通道投影面積，m2。

假設板間距為d，α為斜板的傾斜角度，取垂直斜板方向為x方向，取沿斜板方向為y方向。油滴運動方程可以表示為：

vx=vocos α

vy=v-vosin α

（2）

根據上向流矩形斜板板組矩形相似原理，可以獲得油滴分速度與板長間關系式：

vx/d=vy/Le（3）

式中：vx為垂直斜板向上方向速度，m/s；vy為平行斜板向下方向速度，m/s；Le為分離段板長，m。

由式（2）、式（3）可得：

Le=（vd）/（vocos α）-（dsin α）/（cos α）（4）

通過式（1）可計算上浮速度vo，并根據式（4）可計算分離段板長Le。當水流剛進入淺層分離通道時，因水流方向發生急劇變化，從沿中心流道的向上流急劇轉變為沿斜板向下流。水流速度從急劇變化到趨于穩定所需板長稱為起始段L0，所以最終板長L計算公式為：

L=Le+L0（5）

假定油滴分離所需的時間為t，則分離效率計算式為：

η=voQ/A=vod/t（6）

式中：η表示分離效率；Q表示淺層分離流道流量，m3/h。

由式（6）可知，淺層斜板的分離效率與斜板間距離成反比，斜板間距越小其分離效率越高。由于斜板間距越小，其雷諾數（Re）也會越小，油滴浮升到斜板表面所需要的時間變得更短，從而使分離效率越高。

1.2" 主要結構及工作原理

為研究環形異向流淺層流場內流動及分離特性，在額定處理量為1.0 m3/h、水力停留時間為180 s條件下，設計了基于淺層沉降技術的環形異向流分離通道，如圖2所示。該通道主要由入口彎管、環形空心錐狀斜板、折流板、排油管及環形排水出口等部分組成。其中入口彎管直徑為20 mm，排油管直徑為10 mm，環形排水出口面積為78.50 mm2，傾斜角度為60 °。按照去除粒徑為50 μm油滴進行計算，根據α=60 °、d=30 mm、v=0.078 m/s、vo=0.026 832 m/s，可得分離段板長Le=170 mm，起始段長度L0=180 mm，則錐臺板總長L為350 mm。

分離過程中，含油污水經入口進入到流體均布區，通過入口彎管沖擊到中心流道底端，使得含油污水在流道中均勻分布；隨后含油污水沿中心流道向上流動，并在折流板分流作用下進入淺層分離通道，也就是強化分離區；強化分離區由環形空心錐狀斜板組成，油滴在通道內將迅速上浮到上斜板下表面并平行于斜板斜升到中心流道上部，從而完成富集過程，最后從中心流道頂部排油管排出；凈化后的水相沿著環形空心錐狀斜板間流道斜向下流，并經底部環形排水出口排出。

2" 數值模擬方法

2.1" 幾何模型與網格劃分

幾何模型采用ANSYS平臺中的Space Claim軟件進行繪制，利用Fluent Meshing進行網格劃分，如圖3所示。網格劃分過程中主要采用多面體網格類型，以保證模擬計算的穩定性和收斂性，進而可以更為準確地捕捉流體流動的細節以及幾何特征。考慮到流場特性，對斜板表面區域邊界層局部進行了加密處理，邊界層設置為8層，增長率為1.2，第一層高度為0.2 mm。

2.2" 多相流模型設置

利用ANSYS Fluent軟件進行數值模擬。多相流模型采用Eulerian模型，在該模型中可以考慮油滴與液相之間、油滴與油滴之間的相互作用，且計算速度較快，收斂精度較高［34］。

湍流模型采用RNG k-ε模型。對于低雷諾數流動，RNG k-ε模型通常能夠提供更準確的預測，其在預測壁面邊界層中的湍流行為方面表現出色，能夠準確地模擬湍流的剪切層和速度分布。RNG k-ε模型來源于瞬態N-S方程，其對ε方程進行了修正，可以更好地呈現主流時間平均應變率［35］。

2.3" 物性參數及邊界條件

數值模擬計算過程中連續相為水相，初始密度為 998 kg/m3，黏度為1.00 mPa·s；分散相為煤油，其初始密度為780 kg/m3，黏度為2.40 mPa·s。環形異向流淺層流道入口設置為速度入口，入口流速為0.41 m/s，入口湍流按湍流黏性比為10及湍流強度為5%給定，入口含油質量濃度為200 mg/L。出水口及出油口均設置為自由出流邊界（out flow），其中出油口設置流出5%。壁面邊界條件設置為無滑移壁面。

2.4" 網格無關性驗證

網格數量變化主要對環形異向流淺層流場內的分離效率產生較大影響。分別構建網格數目為100 321、205 462、434 565、606 545、814 517和1 027 841等6組模型進行網格獨立性驗證。此次研究重點關注分離效率，結果表明隨著網格數量的增加分離效率逐漸減小，當網格數量由606 545增加至814 517時，相對偏差為0.57 %，可見當網格數量為606 545時，可在縮短計算時間的情況下保證計算精度。因此，后續都采用該數量對應的網格密度對模型進行網格劃分。

3" 結果及討論

3.1" 環形異向流淺層通道內分散油滴運移分離特性

為研究環形異向流環形淺層流道內的離散油滴運移分離特性，設置進水流量為1.0 m3/h，水中離散油滴粒徑為50 μm，油相質量濃度為200 mg/L，數值模擬了油水兩相流在多層異向流環形淺層流道內流動過程。圖4為異向流環形淺層流道內流場及離散油相分布云圖。

從圖4a可知，在環形淺層流道內，油滴分離經歷3個關鍵階段：初始階段、分離階段和末尾階段。初始階段主要特點是含油污水從豎直向上流轉變為沿環形空心錐臺斜板斜向下流，此時流體流動方向急速變化，受慣性作用和湍流彌散效應影響，部分油滴會隨主體水流進入到強化分離區，此時油相分布沒有出現明顯分層。從圖4b可知，分離階段主要特點是速度場趨于穩定，湍流彌散效應減弱。根據環形異向流淺層沉降分離原理，在重力等作用下，分散油滴逐漸向上浮升，最終聚集至空心錐臺斜板底面，并沿底面斜向上浮升直至完成分離過程。末尾階段流場內多數油滴已完成浮升分離，且該區域內環形流通截面積較初始階段明顯偏低，相應流速也逐級減小，有利于油滴浮升分離效率的進一步提高。

圖5為不同分離階段3個代表截面（用截面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示）速度分布曲線。

從圖5可以看出，當含油污水從截面Ⅰ流至截面Ⅲ，流速峰值從0.009 14 m/s降至0.004 62 m/s，相應雷諾數從4 789減小至2 420。產生上述現象的主要原因是主體水流從初始階段流入外側末尾階段時，環形流動截面積明顯增大，使得平均流速明顯降低，因而更有利于油滴完成浮升過程。基于數值模擬結果，以油層質量濃度和厚度作為評價指標，獲得了環形異向流淺層流道內分離階段油滴運動軌跡，并與淺層沉降理論計算獲得的油滴運動軌跡進行對比，結果如圖6所示。

結果的淺層通道內油滴運動軌跡

從圖6可知，基于淺層沉降理論計算獲得的油滴運動軌跡呈直線，而數值模擬提取的油滴運動軌跡呈現前期浮升高度較低態勢，在斜板位置40～80 mm處，浮升速度明顯增大。以油滴浮升至上斜板底面距離作為所需最小板長指標，數值模擬獲得的所需板長為96 mm，遠小于理論計算的122 mm。這是因為在現有淺層分離理論計算過程中，通道內流速采用的平均流速，油滴顆粒運移分離過程主要與其受力和淺層分離通道長度有關；而數值模擬充分考慮了環形異向流淺層流道內水流流通截面增大引起的流速降低，此時慣性作用和湍流彌散效應等減弱，油滴在重力作用下可以更為有效完成運移分離，相應所需板長明顯縮短。基于數值模擬結果，進一步修正了環形異向流淺層流道板長計算公式，如下式所示：

L=0.786 9du（v-vosinα）/vo+L0（7）

式中：du為油滴浮升速度所引起的豎直向上位移，m，du=d/cos α。

3.2" 環形多層淺層流道速度分布特性

環形多層淺層流道內流速流量分配的不均勻性使得局部流道內流量過大，導致淺層沉降分離效率明顯降低，進而影響整體油水分離效果。為研究多層淺層流道速度分布特性，基于前述工況，分析了3層異向流淺層流道內的速度分布特性和油水分離特性。圖7為不同淺層通道入口處流體速度分布曲線。

由圖7可知，上、中、下3層間淺層通道內速度分布明顯不均勻，各通道配水均勻性較差，下層淺層流道內入口段速度峰值為0.008 05 m/s，中層為0.001 54 m/s，上層為0.001 73 m/s。這是因為含油污水通過下部入口管段流入后，下層淺層通道流動阻力偏小，導致大部分含油污水從該層“短路”流走。上層淺層通道流量大于中層通道的主要原因在于，主體水流向上流動過程中，受上部均流沖擊板作用，含油污水向四周擴散，其擴散后路徑與上層淺層通道距離最近，導致更多的流體從上層淺層通道流出。整體而言，多層淺層通道內流速分布呈現兩端高、中間低的特點，尤其是下部距離入口最近端淺層通道流速最高。通過分析3層淺層通道內主體水流速度和含油質量濃度變化，獲得了不同淺層通道內油水分離特性，如圖8所示。

基于淺層沉降分離理論，淺層通道內主體水流流速越低，湍流彌散效應越弱，相應的分離效率越高。從圖8可見，最下層淺層通道分離效率最高，主要原因是采用空心錐臺堆疊淺層通道時，下層通道分離后的油相在浮升過程中，會與上層淺層入口周邊水流形成交叉流，部分油相會被帶入到上一層淺層通道，造成該通道入口水流含油質量濃度升高，進而導致該通道名義分離效率降低。最上層淺層分離效率回升的原因在于，隨著下層和中層淺層通道的分流作用，主體水流在流向上層淺層通道時流速已經降低，使得交叉流對浮升油滴的影響減弱，導致下層和中層分離的油相被攜帶進入上層通道的含油量減小，使得上層淺層通道分離效率有所回升。因此空心錐臺堆疊淺層通道內需要考慮淺層通道內流速流量如何均勻分配，防止局部短流流量過大，以造成淺層沉降分離效率大幅降低。同時還需要考慮交叉流對淺層通道分離效率的影響。

3.3" 顆粒粒徑對淺層分離特性影響

由淺層分離原理可知，理論計算過程中當分散油滴浮升至淺層通道上層斜板底面時，視為完成淺層分離。但是在進行多層淺層流道速度分布特性分析時發現，分散油滴浮升至淺層通道內上層油相聚集界面時，受慣性作用會繼續斜向下滑移一定距離，油滴斜向下速度逐漸減小，直至為0，而后沿斜面斜向上運移，即存在滑移距離Lh，如圖9所示。這里將油滴浮升至淺層通道內上層油相聚集界面處到其向下運動的速度反向點之間的距離（即油滴浮升過程中首次速度為0且隨后向相反方向運行歷程）定義為滑移距離Lh。

為探究油相顆粒群在浮升過程中發生的滑移距離，分別對粒徑5、10、50、70、100和150 μm的油滴淺層沉降分離過程進行模擬計算，并提取不同油滴粒徑油水分離效率和油相滑移距離。

不同粒徑油滴的滑移距離及其分離效率如圖10所示。

通過對其滑移距離分析可知，隨著油滴粒徑的減小，滑移距離逐漸增大，表明小粒徑油滴受主體水流的裹挾作用更強，導致淺層沉降分離效率降低。模擬結果顯示，粒徑小于10 μm的油滴顆粒群滑移距離小于20 mm。由于板長有限，較小粒徑的油滴無法滑移到極限位置便從出水口流出，從而導致其分離效率極低。當板長為350 mm、油滴粒徑為50 μm時，滑移距離為134.225 mm，占板長的38.35%，而傳統的斜板板長在計算過程中忽略了滑移距離的影響。考慮油滴粒徑和流速變化，對環形異向流淺層流道板長計算式（見式（7））進行了二次修正，則有：

L=1.088 7du（v-vosin α）/vo+1.383 5L0（8）

4" 結" 論

通過理論計算和流體動力學數值模擬等方法，分析了環形異向流淺層流道內分散油滴運移分離特性和多層淺層流道速度分布特性，得出如下主要結論：

（1）環形異向流淺層流道內分散油滴分離過程整體呈現初始階段、分離階段和末尾階段3個階段；隨著主體水流從初始階段向外側末尾階段流動，流體流速峰值大幅下降，雷諾數減小，可有效促進油滴完成浮升過程；油滴浮升至斜板表面所需板長為96 mm，小于理論計算所需板長122 mm，基于此對傳統板長計算公式進行了修正。

（2）淺層通道內層間速度分布對分離效率影響較大。對比分析了3層淺層分離通道內配水均勻性，結果表明，下層流道入口速度峰值為0.008 05 m/s，明顯高于中層和上層入口速度峰值，局部短流流速過大，導致大部分含油污水從該層“短路”流走，使得整體淺層沉降分離效率明顯降低。環形多層淺層通道內油相浮升過程中會遇到交叉流，進而顯著影響淺層通道分離效率。

（3）滑移距離是影響淺層通道間分離效率的重要因素。對比分析了淺層分離通道中不同粒徑油滴浮升至上層油相聚集界面時的滑移距離，結果表明，隨著油滴粒徑的減小，滑移距離明顯增大，如若剩余板長小于滑移距離，則部分油滴無法完成浮升分離過程，且分離效率明顯低于理論值。當板長為350 mm、油滴粒徑為50 μm時，滑移距離占板長的38.35%，基于數值模擬結果對理論板長計算公式進行了二次修正。

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第一艾星宇，生于1999年，現為在讀碩士研究生，研究方向為環保多相流高效分離技術與設備。地址：（102617）北京市大興區。email：1617021648@qq.com。

通信作者：蔡小壘，email：caixiaolei@bipt.edu.cn。

2023-11-08

楊曉峰