溢流管直徑對旋流器分離效率影響的數(shù)值模擬

牛 偉

（西安石油大學(xué)機械學(xué)院，陜西 西安 710065））

設(shè)備與自控

溢流管直徑對旋流器分離效率影響的數(shù)值模擬

牛 偉

（西安石油大學(xué)機械學(xué)院，陜西 西安 710065））

在溢流管長度L0均分別設(shè)定為10mm、15mm、20mm條件下，應(yīng)用Fluent軟件對不同直徑的直筒式水力旋流器進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同入口速度下的壓降和分離效率。結(jié)果表明，當(dāng)溢流管直徑為3mm時，旋流器的分離效率最大。旋流器主直徑D一定時，使旋流器分離效率最高的直徑也是一定的，一般溢流口直徑選擇經(jīng)驗值為D/ (5～8.5)。

溢流管；旋流器；數(shù)值模擬；分離效率

目前我國東部的大部分主力油田已經(jīng)進(jìn)入中、高含水和特高含水開采階段，地面工程投資比重逐年增加，各級處理站規(guī)模逐漸增大，地面工程改造量日益增多，原油開采成本越來越高，采出液的處理和節(jié)能降耗已經(jīng)成為油田地面工程的重大問題[1]。

油水分離水力旋流器是一種高效、節(jié)能、造價低的液-液分離設(shè)備，具有處理量大、分離效率高、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、占地面積少、處理過程連續(xù)、分離時間短、無須反沖洗、操作維護(hù)與安裝靈活方便等許多突出優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于石油、化工和冶金等行業(yè)[2-4]。水力旋流器的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定其分離性能的主要因素[5-8]。隨著原油含水量的不斷上升，人們開始對水力旋流器用于高含水原油預(yù)分離產(chǎn)生了興趣，設(shè)計過程中往往注重主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)選，而忽視溢流口直徑這一重要結(jié)構(gòu)尺寸，造成旋流器使用時不管處理液的含油量多少，溢流口直徑基本不變，影響旋流器分離性能[9]。為此，本文就溢流管直徑的大小對旋流器壓差和分離效率的影響，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 水力旋流器工作原理及模型的建立

本次設(shè)計采用的是雙錐旋流器，雙錐結(jié)構(gòu)的旋流器主要是為了適應(yīng)液-液分離的特點發(fā)展起來的，由于液-液系統(tǒng)中兩相之間的密度差一般較小，所以在離心力場中兩相之間的速度差也就比較小。無論分散相是向器壁方向運動還是向中心軸線方向運動，從進(jìn)口截面進(jìn)入旋流器內(nèi)到達(dá)器壁或中心軸線所需的停留時間要遠(yuǎn)大于固體顆粒所需的停留時間。這時采用雙錐結(jié)構(gòu)不僅可以滿足較長停留時間的要求，而且可使較大尺寸的液滴在大錐角段分離，較小尺寸的液滴在小錐角段分離。這樣在一個旋流器內(nèi)就達(dá)到了雙級分離效果，除此之外，大錐段還可以起到降低壓降的效果。

表1 旋流器基本尺寸/mm

水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)見圖1，由圓柱體、大椎體、小椎體、溢流管、尾管和2個互成180°的矩形切向進(jìn)口組成。溢流管在圓柱體的上端與頂蓋連接，進(jìn)料口在圓柱體上部沿側(cè)面切向進(jìn)入圓柱腔內(nèi)。本文所探討的旋流器基本尺寸如表1所示，改變直徑參數(shù)表如表2所示。

水力旋流器工作原理是利用2種混合在一起但互不相溶的液體之間的密度差在水力旋流器內(nèi)進(jìn)行離心分離。首先，液體從切向高速進(jìn)入旋流腔，在腔內(nèi)急劇旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強烈的渦流，后面由入口處進(jìn)來的液體推動著旋流腔內(nèi)的液體邊旋轉(zhuǎn)邊向下運動，其運動呈螺旋形。這些旋轉(zhuǎn)著的液體向下進(jìn)入大錐角錐體段后，隨著旋流器內(nèi)徑的逐漸減小，若忽略摩擦，根據(jù)角動量守恒，則液流的旋轉(zhuǎn)速度不斷加大，經(jīng)過較短的大錐角圓錐段后，迅速地過渡到長度較大、錐角較小的小錐角段，大小錐角段是發(fā)生分離的主要區(qū)域，由于液體產(chǎn)生渦流運動時，沿徑向方向的壓力分布不等，邊界處較高，核心區(qū)域較低，這樣會對連續(xù)相液體中的液滴產(chǎn)生一個向心壓差，這種徑向壓力差的綜合作用結(jié)果，使得有密度差的兩相介質(zhì)在旋流器內(nèi)部得到有效的分離[1]。

圖1 除油水力旋流器結(jié)構(gòu)圖

表2 直筒式溢流管改變直徑參數(shù)表

2 計算模型及方法

2.1 網(wǎng)格劃分及湍流模型的選擇

由于分離器為三維立體結(jié)構(gòu)，并且為多連通區(qū)域，不能直接采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為此將分離器劃分成5個區(qū)域，分別為入口部分、柱段部分、錐段部分、溢流部分和底流部分。溢流管、柱體部分、錐體部分和底流管都為軸對稱結(jié)構(gòu)，其為規(guī)則形狀，所以此4個部分都可以采用六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

雷諾應(yīng)力模型完全摒棄了用各向同性的湍流粘度來計算湍流應(yīng)力，而是考慮了湍流各向異性的效應(yīng)，特別是旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、浮力效應(yīng)、曲率效應(yīng)等，得到的油水質(zhì)量損失就相應(yīng)要小一些，故本文選用雷諾應(yīng)力模型。

2.2 邊界條件

根據(jù)旋流器的實際情況定義如下的邊界條件:

1）油水兩相流體在入口處均勻混合，根據(jù)已知的流量和油水兩相的體積分?jǐn)?shù)確定出兩相的入口速度，法向加速度分量為9.81m·s-2，其他兩個方向加速度分量為零；

2）混合液中含油濃度5%，分流比為8%；

3）固壁按無滑移邊界條件處理，即速度和湍流度均為零；

4）介質(zhì)的組成成分及相關(guān)的物性參數(shù):連續(xù)相介質(zhì)為水，密度998.2kg·m-3，黏度為0.001003Pa·s；分散相介質(zhì)為油，密度為834.1kg·m-3，黏度為0.002233Pa·s。

3 溢流口直徑的模擬結(jié)果分析

3.1 溢流口直徑對密度的影響

分析模擬結(jié)果所得的軸向截面油水相密度分布云圖如圖2所示。

圖2 軸向截面油水相密度分布云圖

觀察分析圖2，從以上4種直徑的油芯柱可以看出，油水主要在旋流器的柱段分離，隨著溢流管直徑的增加，溢流管處油相密度先增大后減小。這是因為對于給定的底流口直徑，底流口的流通面積是固定的，不斷增加的溢流管直徑相應(yīng)增大了溢流管的流通面積，使油相可以順利排出，但隨著溢流管直徑的繼續(xù)增大，會導(dǎo)致一部分水相從溢流管排出，從而降低分離效率。由圖2可以看出溢流管直徑為3mm時，油相在溢流管更加集中。

3.2 溢流口直徑對壓差的影響

分析模擬結(jié)果所得的溢流口直徑對壓差的影響如圖3所示。

圖3 溢流口直徑對壓差的影響

由圖3可以看出，同一旋流器溢流口直徑越大，壓差越小。這說明溢流口直徑的大小也會影響旋流器能耗。但溢流口直徑減小，壓差上升幅度很小，所以改變溢流口直徑對壓差的影響可以忽略。溢流口直徑越大，在相同入口流量和操作壓力下，溢流量就多，則底流量減少，壓差降低，其變化幅度不大，也說明了旋流器的分流比（溢流口流量與入口流量之比）基本上不受溢流口直徑大小影響。

3.3 溢流口直徑對分離效率的影響

分析模擬結(jié)果所得的溢流口直徑與分離效率的影響圖如圖4、圖5所示。圖4是溢流管長度一定時，圖5是入口速度一定時。

圖4 不同速度下直徑與分離效率的關(guān)系曲線

圖5 不同長度下直徑與分離效率的關(guān)系曲線

如圖4所示，當(dāng)溢流管長度一定時，不同速度下的直徑與分離效率曲線的趨勢是一樣的，說明速度對分離效率的曲線影響很小，由圖4可知，溢流管直徑為3mm所對應(yīng)的分離效率最大。由圖5可知，當(dāng)速度一定，溢流管長度不同時，溢流管直徑為3mm所對應(yīng)的分離效率也是最大的，說明溢流管長度對分離效率的影響也是很小的。

研究表明，減小溢流口直徑能提高旋流器的脫水效率，而引起的壓降略有上升，可忽略不計。但是，溢流口直徑不是越小越好，直徑過小，中心油核不能順利從溢流口中排出；若溢流口直徑過大，液體過早倒流，過多的液體沿旋流器端面流入溢流出口，所以溢流口直徑過小或過大都會導(dǎo)致分離性能變壞。所以溢流管直徑為3mm時分離效率最大。

4 結(jié)論

1）減小溢流口直徑能提高旋流器的脫水效率，而引起的壓降略有上升，可忽略不計。

2）溢流口直徑不是越小越好，直徑過小，中心油核不能順利從溢流口中排出；若溢流口直徑過大，液體過早倒流，過多的液體沿旋流器端面流入溢流出口，所以溢流口直徑過小或過大都會導(dǎo)致分離性能變壞。

3）當(dāng)主直徑為20mm，溢流管直徑為3mm時分離效率最大，滿足經(jīng)驗公式D/(5～8.5)。

[1] 姜寶山.油田含油水處理新工藝及配套技術(shù)研究[D].大慶:大慶石油學(xué)院，2003.

[2] 蔣明虎，趙立新，李楓，等.旋流分離技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3] 趙立新，李楓.離心分離技術(shù)[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2006.

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[5] 呂憲俊，崔學(xué)奇，邱俊.水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離性能研究[C].//第十三屆全國粉體工程及礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用研討會論文專輯[A].北京:中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2007，70-74.

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[7] 趙慶國，張明賢.水力旋流分離技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[8] 任相軍，王振波，金友海.軸流式氣液旋流分離器分離性能試驗研究[J].石油化工設(shè)備，2009，38(3):16-20.

[9] 倪玲英.溢流口直徑對原油預(yù)分水旋流器性能的影響[D].東營:中國石油大學(xué)(華東)，2001.

Numerical Simulation for Influence of Overflow Pipe Diameter on Hydro Cyclone Separation Efficiency

NIU Wei
((Mechanical Engineering College，Xi 'an Shiyou University，Xi 'an 710065, China)

Under the condition of overfow pipe length L0being set to 10 mm, 15 mm, 20 mm respectively, straight cylindrical hydro cyclone of different diameter were simulated by Fluent software, and thus the pressure drop and separation effciency under different inlet velocity were got.The results showed∶ when the overfow pipe diameter was 3mm, the separation effciency of cyclone was the highest.When cyclone main diameter D was constant, the diameter that made the highest cyclone separation effciency was certain, and also satisfed the empirical formula D/(5～ 8.5).

overfow pipe; hydro cyclone; numerical simulation; separation effciency

TE 96

A

1671-9905(2015)01-0045-04

牛偉（1985-），男，西安石油大學(xué)動力工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事流體機械及測量設(shè)備的研究，E-mail: happyniuwei66@126.com，電話:15991277719

2014-11-13