操作参数对液_液旋流器内部流场及分离性能的影响分析_杨琳

2 操作参数对内部流场及分离性能的影响
2.1 进口流量对旋流器切线速度的影响
切 向 速 度 / （m·s-1）
3.50e+00 3.00e+00
Z=1000 Z=1200 Z=800
2.50e+00
2.00e+00
1.50e+00 1.00e+00
5.00e+01
0.00e+00 -2 0 2 4 6 8 10 12
1 仿真模型及参数设置
1.1 几何模型 选用的几何模型是现在油田生产中应用最为广
泛的一种通用油水分离旋流器。 计算的旋流器的结 构如图 1 所示。
do
圆柱段
do Dc
D
溢流口
大锥段 小锥段
平行尾管段 lu
du 底流出口
进口
图 1 双锥型液-液旋流器结构图
计算旋流器的结构参数： 大小锥段结合处（D） 为 35mm； 进 口 管 形 式 为 双 切 向 ; 进 口 管 直 径 为 12.2mm； 圆 柱 段 直 径 为 70mm； 圆 柱 段 长 度 为 70mm；溢流管直径为 3mm；底流管直径为 17.5m；大 锥段角度为 20°，小锥段角度为 1.5°；尾管段长度为 700mm。 1.2 计算模型
洛应力模型（RSM），对不 同 的 进 口 流 量 及 底 流 口 压 力 分 别 进 行 了 仿 真 研 究 ，得 到 不 同 操 作 参 数 下 的 内 部 流 场 情 况 ，
并据此分析其对液－液旋流器内部流场及分离性能的影响。
关键词:液－液旋流器； 操作参数； 内部流场； 分离性能
中 图 分 类 号 ：TB126
从以上分析可以得出与旋流器理论相一致的结 论[4]，即进口流量对旋流器分离性能的影响很大。 当流 量低于一定数值时， 油水两相不能得到很好的分离， 效率比较低。 这是由于流量过低时，液体在水力旋流 器内部没有形成旋转速度足够高的涡流，只有粒度较 大的油滴能够从混合液中分离出来，而许多小油滴则 未能与水分离。 在流量逐渐加大时，水力旋流器的分 离效率逐渐提高，水出口(即底流口)中的含油量也逐 渐减少。 当入口流量达到一定数值时，水力旋流器进 入高效区。 但当超过某一数值时，效率就有所波动，且 稍有下降的趋势。 这是由于流量过高时，液体在水力 旋流器内的旋转速度加快，分散相油滴受到了过大的 剪切应力的作用而发生破碎，使混合液的乳化程度加 大，不利于分离，分离效率下降。
·72·
杨琳，梁政，田家林：操作参数对液-液旋流器内部流场及分离性能的影响分析
（2）出口边界条件（压力输出）。 出口依据湍流 流动充分发展条件，给定溢流口静压为大气压，底流 口的出口压力设为变量。
（3）固壁边界条件。 由于模型为静态旋流器，故 所有壁面均设为“no slip”wall。
（4）其他相关设置。 压力项设为 The PRESTO 算 法，压力速度耦合项设为 SIMPLEC 算法，整个计算 采用非稳态计算，选取时间步长为 0.05s，残差控制 均为 0.001。 1.4 操作变量设置
·74·
2.3 底流背压对旋流器轴线速度的影响
经分析，底流背压对切向速度的影响不大，所以
只给出对轴向速度的影响。
1ຫໍສະໝຸດ Baidu
Z=1 000
Z=1 200
0.5
轴 向 速 度 /（m·s-1）
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
位 移 /mm
图 7 P＝0.1MPa 时轴线速度分布图
为了重点分析进液口流量及底流口压力对旋流 器内部流场及分离性能的影响，在入口边界条件中 设置不同的进口速度，分别为 8、10、12、14 m/s，其对 应的进口流量分别为 0.7、0.88、1.05、1.2 m3/h。 在出 口 边 界 条 件 中 设 置 不 同 的 底 流 口 压 力 分 别 为 0.1、 0.2、0.3、0.4MPa。
-2
-2.5
-3 -2
02
46 8
位 移 /mm
10 12
图 9 P＝0.3MPa 时轴线速度分布图
2.5
2
Z=1 000
Z=1 200
1.5
1
0.5
0
-0.5
1
-1.5
-2
-2.5 -2
02
46
8 10 12
位 移 /mm
图 10 P＝0.4MPa 时轴线速度分布图
14 16 14 16 14 16
韦伯数称为临界韦伯数，不同韦伯数范围液滴有不
同的破碎情况。 对于液—液旋流器，I C smyth[3]研究认为，旋 流
器的韦伯数 WeD 由下式计算：
0.5
! " WeD =Vi
ρs Dc σ
（1）
式中:Vi 是进口流速, m/s; ρs 为分散相密度, t/m3；Dc 为
旋流器名义直径,mm; σ 为分散相表面张力，N/m。 对
0 2 4 6 8 10 12 14 16 位 移 /mm
图 3 Q＝0.88 m3/h 时切线速度分布图
从图 2～图 5 可以看出，旋流器内流场的切线速
度的分布规律随流量的增加无变化，即都是按照组
合涡运动规律分布，不同截面的峰值沿 Z 轴方向向
下逐渐衰减。 随切向速度的衰减，其峰值位置向轴
6.00e+00 5.00e+00
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-1980（2008）06-0072-04
目前我国大部分油田已进入石油开发的中后 期，采出油中的含水量为 70%～80%，有的油田甚至 已高达 90%，含油污水处理已是油田生产的重点问 题之一，尤其是海洋钻井平台。 液－液旋流器是一种 高效的分离装置，具有结构简单、设备紧凑、无运动 部件、分离效率高、处理量大和设备成本低等一系列 优 点 ， 广 泛 应 用 于 石 油 地 面 工 程 的 含 油 污 水 处 理 [1]。 在对液－液旋流器内部流场全面仿真分析的基础 上，对不同的进口流量及底流口的压力进行对比研 究，分析进口流量及底流口压力对其内部流畅及分 离性能之间的影响， 为液－液旋流器的设计与操作 提供一定的理论依据，对提高分离性能，降低能耗具 有一定的指导意义。
6
切 向 速 度 / （m·s-1）
5
4 3 2
心迁移。
1
0 -2 0 2 4 6 8 10 12 位 移 /mm
图 5 Q＝1.2 m3/h 时切线速度分布图
14 16
应该注意的是,切向速度 Ut 及最大切向速度 Utmax 都增大时, Ut max 的分布半径基本不变。 但是，通过对 比分析可以看出其不同截面的切线速度峰值随进口
Z=1000 Z=1200 Z=800
切 向 速 度/ （m·s-1）
4.00e+00
3.00e+00
2.00e+00
1.00e+00
0.00e+00 -2 0 2 4 6 8 10 12 位 移 /mm
图 4 Q＝1.05 m3/h 时切线速度分布图
14 16
8
Z=1000
7
Z=1200 Z=800
液－液旋流器是利用两相的密度差，在离心力的 作用下实现油水分离的。 其内部流场为高强度、强旋 转 的 湍 流 流 场 ， 所 以 采 用 雷 洛 应 力 （RSM） 模 型 进 行 分析， 既考虑到由于流体密度的变化以及流场的不 定常引起的雷诺应力随时间的变化， 同时也考虑到 雷诺应力在空间上的变化。 多相流模型的选择为混 合模型（Mixture），两模型的具体表达式见文献[2]。 1.3 固定参数设置
轴 向 速 度 /（m·s-1）
轴 向 速 度 /（m·s-1）
1
Z=1 000
0.5
Z=1 200
0
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3 -2 0 2 4 6 8 10 12 位 移 /mm
图 8 P＝0.2MPa 时轴线速度分布图
2
1.5
1
Z=1 000 Z=1 200
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
收 稿 日 期 ：2008-09-14 基金项目：“石油天然气装备”教 育 部 重 点 实 验 室 基 金 资 助 项 目(2006STS02)；四 川 省 教 育 厅 自 然 科 学 重 点 实 验 室 专 项 基 金 资 助
项 目 (2006ZD043) 作 者 简 介 ：杨 琳 （1979-），女 ,四 川 成 都 人 ，西 南 石 油 大 学 机 电 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 石 油 天 然 气 装 备 方 面 的 研 究 。
位 移 /mm 图 2 Q＝0.7 m3/h 时切线速度分布图
14 16
切 向 速 度/ （m·s-1）
4.50e+00 4.00e+00 3.50e+00
3.00e+00 2.50e+00 2.00e+00 1.50e+00 1.00e+00 5.00e+01 0.00e+00
-2
Z=1000 Z=1200 Z=800
轴 向 速 度 /（m·s-1）
杨琳，梁政，田家林：操作参数对液-液旋流器内部流场及分离性能的影响分析
从图 7～10 可以明显的看出， 随着底流背压的 增加，轴线速度的分布规律自相似，即沿半径方向向 下，随半径的减小而减小，再转变为向上的速度，在 旋流器半径的中部通过零点，所有零点组成零轴速 包络面，该面以外的外旋区为下降流，通过底流出口 排出；内旋区近为上升，通过溢流口排出。
方面， 旋流器内 Ut 及 Ut max 的增加会使流体中分散 相液滴所受的离心力及离心加速度增加，Vt max 即是 准自由涡与准强制涡的分界处，有利于增加分离效
率。 另一方面，随着切向力的增大，其速度梯度也会
增大，当超过一定值后，液滴将发生破裂，产生乳化
现象。 工程上常用韦伯数来判断，液滴开始破碎的
流量的增加而增大，以 Z＝1 200 的主分离截面为例说 明： 流量为 0.7 m3/h 时 的 峰 值 为 3.2 m/s； 流 量 为 0.88 m3/h 时 的 峰 值 为 4.3 m/s；流 量 为 1.05 m3/h 时 增加为 5.5 m/s；流量为 1.2 m3/h 时达到 7.2 m/s。 一
介质的组成成分以及相关的物性参数：主相水， 密度为 998.2 kg/m3，粘度为 10.03 mPa·s；分散相油， 密度为 960kg/m3，粘度为 48mPa·s，分散相颗粒直径 为 0.1mm。
（1）入口边界条件（速度输入）。油水混合物沿切 向入口进入旋流器， 入口截面法向的时均速度为变 量，分散相的体 积 分 数 为 3%，相 应 的 湍 流 参 数 （包 括 湍 流 强 度 I 和 水 力 直 径 DH） 根 据 已 知 的 入 口 速 度、入口及两个出口的尺寸给出。
随着流量的增加，油相开始逐渐集中，随着所受 离心力的增加，油滴逐渐从旋流器边壁处往轴心方向 移动，油相越来越集中在轴心附近，在流量为 1.2m3/h 时达到最好的分布状态，而且边壁处的含油率也降得 非常低。 由旋流器的分离原理轻相油向轴心处运动， 由溢流口排出；重相水向器壁运动，底流口排出，可见 当流量为 1.2m3/h 时能获得相对最佳的分离效果。
于油水分离来说，当 Weber 数大于 12 时，油滴可能
·73·
杨琳，梁政，田家林：操作参数对液-液旋流器内部流场及分离性能的影响分析
发生破碎。 2.2 进口流量对旋流器油水体积分布的影响
图 6 Q 分别为 0.7 、0.88、1.05、1.2m3/h 时的油相体积分布图
从图 6 可以看出，随着进口流量的增加，油相在 旋流器内部是趋于集中的，当流量为 0.7m3/h 时的最 高体积分数为 5.52e-02， 流量 0.88m3/h 时体积分数 为2.75e-01，流量 1.05m3/h 时体积分数增加为 5.41e01，流量 1.2m3/h 时体积分数达到 6.82e-01。 不仅在 数量上有所体现， 在油相的分布上更加直观的反应 了油相的集中程度。 结合与不同流量所受到的切向 力， 当流量为 0.7m3/h 时内部流场的切向力较小，油 滴所受的离心力及离心加速度也相应较小， 油水的 两相还处于相对均匀分散状态，分离效果相当差。
第 10 卷 第 6 期
重庆科技学院学报（自然科学版）
2008 年 12 月
操作参数对液-液旋流器内部流场及分离性能 的影响分析
杨 琳 1,2 梁 政 1,2 田家林 1,2 （1.西南石油大学,成都 610500; 2. 西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室, 成都 610500）
摘 要:为了进一步研究液－液旋流器操作参数对其内部 流 场 及 分 离 性 能 的 影 响 ，用 FLUENT 流 体 分 析 软 件 ，采 用 雷