氣浮旋流一體化油水分離器結(jié)構(gòu)選型模擬研究

李孟杰，肖小龍

（1.中石化石油工程建設(shè)有限公司，北京 100020 2.中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026）

0 前言

隨著深海油氣田的大規(guī)模開發(fā)，海上平臺對高效集約型含油污水處理技術(shù)的需求與日俱增，常規(guī)的油水分離技術(shù)，如重力沉降、離心分離、常規(guī)氣浮以及粗粒聚結(jié)等工藝技術(shù)或者幾種工藝技術(shù)的簡單組合，或投資成本高，或處理效率不穩(wěn)定，且擠占有限的平臺空間。近十幾年來，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)不斷開發(fā)嘗試“多元技術(shù)復(fù)合集約化”技術(shù)，水力旋流氣浮一體化技術(shù)應(yīng)運而生，目前國外多家研究機構(gòu)開展了大量相關(guān)研究，開發(fā)了形式多樣的水力旋流氣浮一體化設(shè)備。如德國西門子公司的Vorsep緊湊氣浮系統(tǒng)，該設(shè)備集約了氣浮、水力旋流以及粗?；劢Y(jié)技術(shù)于一臺設(shè)備，設(shè)備采用內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu)，溶氣污水內(nèi)筒切向進料，外筒粗粒聚結(jié)。美國CETCO Oilfield Services公司的CrudeSep旋流氣浮技術(shù)，最早于2002年開始研發(fā)，亦采用內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu)，但與Vorsep緊湊氣浮系統(tǒng)不同，內(nèi)筒僅作為收油裝置，旋流氣浮分離發(fā)生在外筒空間。而挪威Epcon公司的緊湊型氣浮裝置(CFU)是目前研究較充分、海上油田業(yè)績最突出的裝置，與德國西門子公司的Vorsep緊湊氣浮系統(tǒng)和美國CrudeSep旋流氣浮技術(shù)內(nèi)外筒較單一的分離作用不同，該裝置雖由內(nèi)外筒兩部分構(gòu)成，但內(nèi)外筒內(nèi)均發(fā)生水力旋流氣浮作用，外筒主要以外旋流氣浮為主，內(nèi)筒以內(nèi)旋流氣浮為主，因此其水力旋流氣浮分離能力、集約程度也更充分。國內(nèi)北京石油化工學(xué)院陳家慶教授較早研究水力旋流氣浮一體化集約技術(shù)，其開發(fā)的BIPTCFU氣浮旋流一體化技術(shù)，不僅優(yōu)化了設(shè)備流場結(jié)構(gòu)，更重要的是優(yōu)化了氣浮微氣泡發(fā)生方式，極大地提高了油水分離效率，并形成系列產(chǎn)品于海上油田開展了現(xiàn)場試驗。國內(nèi)油水處理設(shè)備提供商也開發(fā)了相應(yīng)的商業(yè)產(chǎn)品，并取得了較好的應(yīng)用效果。

目前國內(nèi)外市場水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備結(jié)構(gòu)形式多樣，本文對不同結(jié)構(gòu)形式的分離設(shè)備進行優(yōu)選，研究應(yīng)用FLUENT數(shù)值仿真技術(shù)，共開展了25例仿真研究，分析了2種國內(nèi)外水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備的內(nèi)部流場及相同條件下的油水分離效率，優(yōu)選了特定條件下的設(shè)備結(jié)構(gòu)。

1 CFD（計算流體動力學(xué)）模型建立及可靠性驗證

研究應(yīng)用Gambit軟件，采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對計算區(qū)域進行離散，利用cooper組合方式生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，生成“msh”文件，導(dǎo)入FLUENT進行仿真計算。為保證計算精度，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖1所示，網(wǎng)格總數(shù)分別為346 978，510 247，1 052 134，1 441 259，不同網(wǎng)格總數(shù)模型相同位置截面軸線上的切向速度如圖2所示。從圖2可以看出，當網(wǎng)格總數(shù)增加到1 052 134后，繼續(xù)增加網(wǎng)格至1 441 259，切向速度隨徑向位置的變化曲線幾乎重合，表明網(wǎng)格數(shù)量增加至100萬后，持續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果幾乎不產(chǎn)生影響，因此，后續(xù)不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總數(shù)均保持在100萬左右。

圖1 模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量模型相同位置切向速度變化

2 不同結(jié)構(gòu)單相流場分析

表1表示兩種國內(nèi)外不同水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，通過分離器內(nèi)部單相流場的分析，研究不同結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場特點，分析其旋流氣浮兩種分離技術(shù)的集約能力。

表1 兩種國內(nèi)外不同水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖3表示不同水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備模型。

2.1 “1”型分離器結(jié)構(gòu)流場分析

如圖3所示，“1”型分離器為單筒結(jié)構(gòu)，筒內(nèi)僅布置收油裝置，切向進料。圖4、圖5分別表示“1”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度和切向速度散點圖。從圖4可以看出，“1”型分離器內(nèi)部軸向速度從邊壁到筒中心位置，依次經(jīng)歷了下行流-上行流-下行流的變化過程，與經(jīng)典旋風(fēng)分離器軸向速度下行流-上行流的變化特點有所區(qū)別，即分離器內(nèi)部多了一組“零軸速包絡(luò)面”。而如圖5切向速度散點圖所示，切向速度只有一組經(jīng)典旋風(fēng)分離器的內(nèi)外雙旋流流動，并沒有像軸向速度一樣，形成兩組典型切向速度，軸向速度的不同特點將會影響“1”型分離器的收油情況，即分離器內(nèi)已分離輕組分不會集中在筒體中心位置，而是集中在筒體內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)直徑與圖4所示最大軸向速度包絡(luò)面一致，約為350 mm，因此“1”型分離器設(shè)計了與之對應(yīng)的收油裝置，如圖3所示。

圖3 兩種水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備模型

圖4 “1”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度散點圖

從圖5可以看出，“1”型分離器內(nèi)部切向速度呈明顯的軸對稱分布，分布曲線形狀似“駝峰”，切向速度在離邊壁20～30 mm處達到最大值，且在分離器軸向方向衰減緩慢。之后，越靠近中心位置，切向速度越小，“駝峰”中部“凹陷”區(qū)域范圍明顯較經(jīng)典旋風(fēng)分離器大，該流場特點利于維持穩(wěn)定的旋流強度，提高內(nèi)筒油水分離效率的穩(wěn)定性。

圖5 “1”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線切向速度散點圖

2.2 “2”型分離器結(jié)構(gòu)流場分析

如圖3所示，“2”型分離器為內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu)，外筒切向進料，內(nèi)筒為自上而下漸縮式結(jié)構(gòu)。圖6、圖7分別表示“2”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度和切向速度散點圖。從圖6可以看出，與“1”型分離器類似，“2”型分離器內(nèi)部軸向速度也依次經(jīng)歷了下行流-上行流-下行流的變化過程，即分離器內(nèi)部形成了兩組“零軸速包絡(luò)面”，軸向速度的特點雖會影響已分離油相的收集，但“2”型分離器特殊的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，即由上而下的減縮設(shè)計，以及內(nèi)筒上部的開孔設(shè)計，有利于油相的分離。

圖6 “2”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度散點圖

從圖7可以看出，與“1”型分離器類似，“2”型分離器內(nèi)部切向速度也呈明顯的軸對稱分布，分布曲線形狀似“駝峰”，切向速度在離邊壁20～30 mm處達到最大值，且在分離器軸向方向衰減緩慢。但與“1”型分離器不同的是，由于減縮型內(nèi)筒的存在，提高了筒上部最大切向速度值，有利于油水相的快速分離。

圖7 “2”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線切向速度散點圖

3 不同結(jié)構(gòu)油水兩相分離效果分析

油氣水三相分離計算，常溫常壓條件下，選擇水和辛烷烴模擬油水，修改辛烷烴密度為0.89 kg/L，并且假定液滴都是球形。計算分離器總效率時，假定液滴直徑數(shù)據(jù)服從圖8的Rosin-Rammler分布。

圖8 液滴直徑分布曲線

3.1 油氣水三相模擬設(shè)置

油氣水三相模擬顆粒相采用相間耦合的隨機軌道模型DPM模擬顆粒相。分別模擬處理量、溶氣水量、分流比以及溶氣比對油氣水相分離的影響，每種分離器結(jié)構(gòu)分別開展25組模擬，具體模擬方案如表2所示。

表2 兩種分離設(shè)備不同操作條件模擬方案

3.2 處理量對分離效果的影響

如表2所示，溶氣水量表示溶氣水占總處理量的百分比；分流比表示油相排出量占處理量的百分比；溶氣比表示溶氣水中標態(tài)氣相占溶氣水的比例。分別保持溶氣水量為40%、分流比為15%以及溶氣比為20%不變，研究處理量對分離效率的影響。

圖9表示處理量對分離效率的影響，可以看出，整體而言“1”型分離器和“2”型分離器分離效率隨處理量的變化規(guī)律類似，均隨著處理量的增加而增加，但兩處細節(jié)有所不同，一是“2”型分離器分離效率明顯高于“1”型分離器；二是處理量較低時，如1.5～2 m/h，“2”型分離器分離效率仍能維持在60%以上，而“1”型分離器分離效率出現(xiàn)降低，這主要與“2”型分離器采用漸縮式內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，緩解了切向速度的衰減速度有關(guān)。

圖9 處理量對除油效率的影響

3.3 溶氣水量對分離效果的影響

圖10表示溶氣水量對分離效率的影響，可以看出隨著溶氣水量的增加，兩種結(jié)構(gòu)分離器分離效率均增加，但當溶氣水量增加到一定值后，兩種分離器的分離效率均不再隨溶氣水量的增加而發(fā)生變化，表明“1”型和“2”型分離器均存在最優(yōu)值溶氣水量。另外，“2”型分離器所需溶氣水量明顯高于“1”型，因為采用了漸縮式內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，“2”型分離器自切向進料后，切向速度衰減緩慢，壓力衰減相應(yīng)較慢，溶氣水內(nèi)微氣泡釋放速度較慢，釋放時間較長，而“1”型分離器溶氣水內(nèi)微氣泡釋放速度較高，釋放時間短，因此在達到最優(yōu)值前的較低的溶氣水量條件下，如20%～35%之間“1”型分離器分離效率較高，但持續(xù)增加溶氣水量，“2”型分離器的釋放時間增加，進一步提高了其油水分離能力。

圖10 溶氣水量對除油效率的影響

3.4 分流比對分離效果的影響

圖11表示分流比對分離效率的影響，可以看出“1”型和“2”型分離器的分離效率均隨著分流比的增加而增加，且變化規(guī)律類似，與溶氣水量的影響類似，當分流比達到一定值后兩種結(jié)構(gòu)分離器分離效率均維持一定效率，而不發(fā)生較大變化，“2”型分離器分離效率明顯高于“1”型分離器；不同的是，“2”型分離器在較低的分流比時就已到達最優(yōu)分離效率值，而“1”型分離器需較高的分流比，表明“2”型分離器收油裝置的設(shè)計優(yōu)于“1”型分離器。

圖11 分流比對除油效率的影響

4 結(jié)論

研究應(yīng)用FLUENT軟件對國內(nèi)外較通用的兩種水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備開展了25組數(shù)值模擬研究，研究表明：

a)兩種結(jié)構(gòu)分離器切向速度流場衰減速度均較慢，由于采用了漸縮式內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，“2”型分離器切向速度流場對稱性優(yōu)于“1”型分離器，且切向速度最大值明顯高于“1”型分離器。

b)兩種結(jié)構(gòu)分離器均存在兩組“零軸速包絡(luò)面”，因此不利于分離器收油操作，為此兩種結(jié)構(gòu)分離器均設(shè)計了特殊的收油裝置，優(yōu)化了收油結(jié)構(gòu)。

c)兩種結(jié)構(gòu)分離器分離效率均隨著處理量、溶氣水量、分流比以及溶氣比的增加而增加，但也表現(xiàn)出了不同的特點：一是“2”型分離器分離效率明顯高于“1”型分離器；二是處理量較低時，“2”型分離器分離效率明顯優(yōu)于“1”型分離器；三是“2”型分離器溶氣水量、分流比最優(yōu)值明顯小于“1”型分離器。