斜板沉降池油水分離特性研究

李方濤，徐美香，田洪波，張 進，吳娟斌

(冀東油田公司南堡作業(yè)區(qū))

沉降罐是油田最為普遍的油水分離設(shè)備，在其應(yīng)用的過程中，科研人員依據(jù)淺層理論研究出了斜板沉降池。即通過在常規(guī)的沉降池內(nèi)加裝一組或多組相互平行的傾斜板，油水混合液流經(jīng)斜板間的間隙時，增強分離性能。每兩個斜板間的間隙都是一組獨立的沉降單元，輕質(zhì)油相流經(jīng)斜板間隙向頂部移動，重質(zhì)水相經(jīng)斜板間隙向沉降罐底部移動。當(dāng)油相在進入溢流液之前能夠沉降到斜板上表面，就認(rèn)為油相可以被分離出來［1－3］。由于斜板的存在，致使斜板沉降池內(nèi)的水力半徑有所減小，最終導(dǎo)致雷諾系數(shù)變小。故此，斜板沉降池在工作運行的時候，要保證來液的穩(wěn)定性降低湍流作用即滿足層流的條件，方能達到較好的處理效果［4］。在以往的研究中，大量學(xué)者針對常規(guī)沉降罐在結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化、流場分析及實驗研究等方面開展了大量工作［5－7］。同時也有部分學(xué)者通過對斜板式沉降的理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，在給定的斜板傾角下，沉積物層的最大體積濃度不能超過臨界濃度，否則沉積物層就不能流動［8－9］。關(guān)于斜板式沉降罐內(nèi)部流場特性及油水分離性能的研究相對較少。實際上斜板沉降池的流場特性及分離效率對工況的選取十分重要，鑒于此本文以斜板沉降池為研究對象，利用CFD方法對其內(nèi)部流場及分離性能進行數(shù)值模擬分析，這對揭示斜板沉降機理及指導(dǎo)新型斜板形式的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

一、模型建立

本文針對斜板式沉降池進行模型簡化，并創(chuàng)建了三維流體域模型。為展示斜板沉降池的結(jié)構(gòu)，對沉降池的三維模型進行了二維表述，如圖1所示。

圖1流體域模型簡圖

其中斜板的傾斜程度會直接影響分離效果，對于油水分離而言本文斜板傾角參照文獻［2］得出的最佳角度選取60°，斜板間距油水混合液由入口進入，經(jīng)斜板沉降后油相由頂部油相出口排出，水相由底部的水相出口排出。以處理量為100 m3/h的斜板沉降池為研究對象，其基本尺寸為6．25 m×2 m×2 m。斜板底部左邊距池邊距離為0．1 m，斜板底部右邊距池邊距0．5 m，出水口距離地面0．5 m，斜板距離油相出口0．3 m，兩相鄰斜板間距為75 mm。

二、網(wǎng)格劃分

對于模擬對象而言，由于組合斜板結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，為了方便網(wǎng)格劃分的同時提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，網(wǎng)格劃分時對流體域模型進行幾何分割。即以斜板為分割界限，將斜板沉降池劃分為沉降池上部區(qū)域、斜板區(qū)域、斜板底部三個區(qū)域。指定流體域外層界面為固壁面，由于六面體網(wǎng)格在數(shù)值計算過程中具有較高的精度，對三個區(qū)域都將用六面體網(wǎng)格進行劃分。并采用斜板附近網(wǎng)格加密的方法，整個流體域模型生成網(wǎng)格總數(shù)約為25×104，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

三、參數(shù)設(shè)置

在對斜板沉降池進行數(shù)值模擬時，選取合適的湍流模型對計算精度的影響十分重要。由于在斜板沉降池內(nèi)，混合介質(zhì)的流動是相對較為穩(wěn)定的黏性層流。本文選取雷諾應(yīng)力模型作為斜板沉降器數(shù)值模擬的兩相流模型。同時設(shè)置入口條件為速度入口，速度值為1 m/s，油相及水相出口均為自由出口，含油濃度為20%。

圖2流體域模型網(wǎng)格劃分

四、結(jié)果分析

1．流體跡線

數(shù)值模擬得斜板沉降池內(nèi)不同時刻的流體質(zhì)點跡線如圖3所示。通過圖3所示的跡線圖可以發(fā)現(xiàn)在沉降剛剛開始時，流場內(nèi)跡線分布無明顯規(guī)律，且無明顯的渦流現(xiàn)象，但隨著沉降時間的不斷增加，在斜板附件的上方及下區(qū)域內(nèi)均逐漸形成了明顯的渦流線形，該區(qū)域的渦流存在對分離有兩方面的影響。

圖3不同時刻斜板沉降池流體質(zhì)點流動跡線圖

2．速度場分布

數(shù)值模擬得出不同時刻斜板沉降池內(nèi)的油相速度矢量圖，如圖4所示。由圖4看出沉降池內(nèi)油相介質(zhì)運動速度的大小及運動方向，當(dāng)油相經(jīng)斜板后向沉降池頂部運動時呈逐漸增大的向上運動。充分說明斜板可加快油水兩相的分離速度。

圖4斜板沉降池內(nèi)不同時刻油相速度矢量圖

數(shù)值模擬得出斜板沉降池內(nèi)不同時刻的油相介質(zhì)的速度分布云圖，如圖5所示。分析圖5知分離時間小于3 h時，油相在沉降池的頂部區(qū)域及底部驅(qū)油運動速度較大。這是由于在入口位置的油水混合液由在斜板的作用下直接運動導(dǎo)流沉降池的頂部及底部，未經(jīng)斜板分離，此時沉降池內(nèi)暫沒有形成穩(wěn)定的分離環(huán)境。但隨著分離時間的逐漸增大，輕相油相介質(zhì)集中分布在沉降池頂部，同時由于油相出口的存在，致使油相在頂部區(qū)域始終保持著一定的運動速度。

圖5斜板沉降池速度云圖

3．濃度場分布

數(shù)值模擬得出圖6所示的不同沉降時間時斜板沉降池內(nèi)部油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。分析圖6可看出斜板沉降池內(nèi)油相濃度分布隨時間的變化規(guī)律?？梢缘贸鲈诔两党貎?nèi)油相在池頂區(qū)域濃度最大，重質(zhì)水相沉積在沉降池底部，且隨著沉降時間的逐漸增加，油相在頂部區(qū)域濃度逐漸升高，在分離初始時，部分油相分布于斜板間隙及沉降池其他位置，隨著時間在增加油相逐漸向沉降池頂部運移。

數(shù)值模擬得出沉降池不同高度位置油相體積分分?jǐn)?shù)分布隨分離時間的變化情況如圖7所示。分析圖7可知，隨著沉降時間的不斷增加，油相在頂部區(qū)域分布的濃度逐漸增大，在超過4 h后油相在沉降池頂部的濃度分布情況基本不發(fā)生變化。在進水口附近油相濃度分布較小，即該區(qū)域水相分布較大，這是因為由于受沉降池來液的影響，其附近水相濃度變化梯度較大。結(jié)果表明，研究范圍內(nèi)沉降池的分離所需時間為4 h。

圖6沉降池內(nèi)不同時刻油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖7斜板沉降池不同高度輕相介質(zhì)含量曲線

4．分離效率

為評價沉降池的分離性能，通過統(tǒng)計不同時刻沉降池的分離效率，得出圖8所示分離效率隨時間的變化規(guī)律。由圖8可以看出，隨著分離時間的增加分離效率呈明顯的升高趨勢，分離初期分離效率增高速度明顯，當(dāng)分離時間達到4 h后分離效率基本不隨時間的增加而發(fā)生明顯變化。

圖8斜板沉降池效率關(guān)系圖

五、結(jié)論

(1)由于斜板式沉降池自身結(jié)構(gòu)的缺陷其內(nèi)部流場存在大量渦流區(qū)，改變了油水兩相的運動軌跡，對分離效率產(chǎn)生較大的影響。

(2)分析了沉降效果主要受沉降時間的影響，在沉降初期隨著沉降時間的增加沉降效果逐漸增強，到沉降后期較小顆粒難發(fā)生聚并不在人為干涉的情況下沉降效率將不再發(fā)生變化。

(3)斜板沉降池有固定的分離時間，超出該分離時間后場內(nèi)油水兩相分布變化微弱且分離效率無明顯變化，所以對于本文研究的斜板式沉降池而言其最佳分離時間為4 h。