油水旋流分离器入口结构优化研究

专题研究油水旋流分离器入口结构优化研究*艾志久1 贺会群2 牛贵锋1 肖 莉2 马海峰1(1 西南石油大学 2 江汉机械研究所)摘要 采用雷诺应力模型CFD数值模拟方法,对涡线形曲面入口、阿基米德螺旋线形入口等9种油水旋流分离器入口结构形式的内流场和分离特性进行了试验研究,得出比较理想的4种优化入口结构形式。

进一步的优化设计和性能试验表明,阿基米德螺旋线是一种较好的入口结构形式,采用这种入口结构形式优化设计的油水旋流分离器试验研究结果表明,阿基米德螺旋线和旋流腔之间实现了平滑过渡,从而得到较稳定的流场和较高的分离效率。

关键词 油水旋流分离器 入口结构形式 阿基米德螺旋线 试验研究引 言油水旋流分离器是利用2种互不相溶液体介质之间的密度差进行离心分离的。

由于旋流分离器本身无任何运转零件,待分离的液体介质由入口切向注入,因而混合液流是在一定的入口压力作用下快速进入旋流腔,并产生高速旋转流场。

旋流分离器内部液流的旋转强度对其分离效果有着相当大的影响,同时,其内部流场的分布合理与否也是影响分离效率的一个重要因素。

入口是液流进入旋流分离器的首要通道。

目前所做的试验研究发现,入口处的压力损失占旋流分离器总体压力损失的40%左右[1],因此入口结构形状直接影响旋流分离器的内流场分布和分离性能,入口形式合理的旋流器应当使压力损失尽量多地集中在旋流分离器的内腔。

由于实验条件的限制,单纯通过实验研究来进行油水旋流分离器尺寸优化是不现实的。

近年来,数值模拟技术和流体湍流理论的迅速发展,为人们从流体运动的基本方程出发,利用流场模拟方法深入地研究油水旋流分离器内的复杂流动现象提供了新途径。

采用CFD技术研究旋流分离器内流体流动的规律,能够预测旋流器的压降和分离效率,达到降低开发费用,缩短开发周期的目的。

数值模拟相关参数的确定利用CFD技术对油水旋流分离器进行数值模拟,须选取合适的湍流模型及建立正确的CFD分析模型。

1 雷诺(R eynolds)应力模型[2]湍流模型是油水分离CFD数值模拟计算的核心。

常用的零方程模型、单方程模型、双方程模型都是采用基于涡粘性假设下的湍流模型(如混合长度模型、标准 - 模型、各种修正的 - 模型),这些模型都存在不同程度的缺陷。

解决上述各种模型缺陷的根本途径在于彻底放弃基于各向同性的涡粘性假设的湍流模型,转而采用基于各向异性的湍流模型雷诺(Reyno l d s)应力模型(RS M)[3]。

研究表明[4,5],雷诺应力模型具有更强的描述旋流分离器内复杂湍流的能力。

故笔者采用雷诺应力模型进行CFD数值模拟。

2 边界条件边界条件包括:输入、输出和油水旋流分离器器壁[6]。

(1)输入边界条件 对油水旋流分离器CFD 数值模拟结果有较大影响,它包含了计算所需要的信息,主要有:①介质组成成分和相关物性参数;②介质进入方式,包括各成分体积分数、速度大52007年 第35卷 第1期石 油 机 械CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY*基金项目:中国石油集团公司重点科技项目 高效复合型旋流式净化装置与软件开发 (0441203-1)。

小;③各成分温度情况;④介质进入时的湍流状况描述。

(2)输出边界条件 将油水旋流分离器溢流口和底流口均设定与大气相连通,相对压力为零。

(3)旋流分离器器壁 设定所有的器壁为静止不动的 no sli p W a ll。

建立的油水旋流分离器CFD数值模拟计算模型及网格划分如图1所示。

图1 油水旋流分离器网格模型入口流道结构形式研究CFD数值模拟计算时,选定的参数为:油的密度831 4kg/m3,动力粘度8 265mPa s;水的密度998 2kg/m3,动力粘度1 003mPa s。

重力加速度9 81m/s2,流量3m3/h,分流比10%,直径D=25mm,给定入口含油体积分数为4 5%,油滴粒径为0 03mm。

油水旋流分离器模型划分的网格数约为38万个,并采用了局部加密技术,对旋流器入口、溢流口的网格进行了局部加密,以增加模型的计算精度。

入口流道将作直线运动的油水混合物导入油水旋流分离器的圆柱段,控制着产生离心旋转作用的入口流速,它对油水旋流分离器内流场的作用非常显著,对压降和分离效率等工艺指标有重要影响。

笔者对9种入口流道结构形式进行了计算与分析[7~9],如图2所示。

在其它结构尺寸不变的情况下,通过改变入口结构形式,建立了旋流器CFD 分析模型。

入口截面形状采用矩形截面,模拟计算结果如图3所示。

由图3所示数据对比可看出:a 涡线形曲面入口、e 渐开线形入口、g 弧线形入口和i 阿基米德螺旋线形4种入口结构比较理想,分离效率和溢流口含油体积分数均较高;此外,还可看出曲线入口结构优于直线切线入口结构。

曲线入口在液体的导旋方面过渡相对平稳,形成稳定的流场,流体能顺畅地进入旋流状态,降低了局部湍流程度,改善了分离性能;直线切线入口由于过渡突然,对流体阻力较大,易导致湍流和材料的磨损,因此应采用曲线入口形式。

图4为涡线形入口流道和阿基米德螺旋线入口流道的示意图。

图2 油水旋流分离器进口(二维)结构a 涡线形曲面入口;b 收缩的矩形断面切线形入口;c 不收缩的矩形横断面切线入口;d 螺旋线形入口;e 渐开线形入口;f 同心圆圆环形入口;g 弧线形入口;h 三角形入口;i 阿基米德螺旋线形入口图3入口结构形式对旋流分离器性能的影响图4 2种入口流道结构形式示意图a 涡线形入口流道;b 阿基米德螺旋线形入口流道油水旋流分离器入口结构优化图5为根据油水旋流分离器CFD数值模拟计算结果所设计的具有阿基米德螺旋线入口形式的旋流分离器结构。

6石 油 机 械2007年 第35卷 第1期图5 阿基米德螺旋线入口结构示意图1 旋流套管;2,4,7 O形密封圈;3旋流嘴;5 旋流腔;6 锥管;8 尾管具有一定压力的油水混合物由旋流腔外的阿基米德螺旋线入口流道进入旋流器,由于流道较长,截面渐缩,液流逐渐加速旋转,形成稳定的流线,使油水混合液在尚未进入旋流腔前就出现了油水分离,油相聚集在流道内侧,水相被推向流道外侧。

流体进入旋流腔后形成连续的稳定流场,并在旋流腔内继续向下高速旋转。

阿基米德螺旋线入口流道降低了液滴的剪切破碎,从而提高了油水旋流分离器的分离性能,同时降低了油水旋流分离器的运行能耗。

该结构旋流分离器所能处理的油水混合物中含油体积分数范围比较宽,因而具有广泛的适应性,是一种高效油水分离设备。

对比涡线形曲面入口结构和阿基米德螺线入口结构的CFD数值模拟结果(图6),可以进一步说明阿基米德螺旋线入口流道结构形式的高效分离性能。

由图6可看出,阿基米德螺旋线入口结构形式压力分布比较有规律,压力由轴心处向壁面逐渐增大,并呈对称分布。

说明阿基米德螺旋线入口的压力场对称性优于涡线入口结构。

图6 纵剖面压力分布a 涡线入口结构;b 阿基米德螺旋线入口结构图7为纵剖面油相体积分数分布图,从图中可看出,由于进口含油较高,导致2种结构在油核中心处的含油体积分数都相对较高,但涡线入口结构一直到尾管段,其中心处含油体积分数达到10%左右,而阿基米德螺旋线入口结构其中心处的含油体积分数在锥段部分降低到了1%以下,说明阿基米德螺旋线入口结构的底流口含油较低,油相主要集中在旋流器的中心部分,该中心部分含油较高,而壁面处很小,从而证明阿基米德螺旋线入口形式旋流器具有良好的分离性能。

图7 纵剖面油相体积分数分布a 涡线入口结构;b 阿基米德螺旋线入口结构图8为进口横剖面的油相体积分数分布图。

由图中清楚看出,涡线入口结构在进口流道上油相分布几乎没有什么变化,只是进入旋流腔后才产生分层。

而阿基米德螺旋线入口结构在油水混合液进入旋流腔之前,就已出现了明显的分层,当混合液进入该流道后,随着进口截面的不断减小,液体将提前产生加速,产生较高的离心加速度,导致油水在进口段就发生了分离,从而使旋流器的分离性能得到提高。

图8 进口横剖面油相体积分数分布a 涡线入口结构;b 阿基米德螺旋线入口结构结 束 语笔者利用CFD数值模拟方法,对油水旋流分离器多种入口结构形式进行了分离性能和内流场计算,结果表明:阿基米德螺旋线入口形式是一种较好的入口结构形式,采用这种入口结构可以实现阿基米德螺旋线和旋流腔之间的平滑过渡,从而得到较稳定的流场和较高的分离效率。

(下转第35页)72007年 第35卷 第1期艾志久等:油水旋流分离器入口结构优化研究可以防止结垢,对管道无腐蚀,无二次污染,消毒水量大。

该技术设备体积小,运行安全,可靠性高,运行费用低,应用领域广。

结 论(1)光电杀菌高级氧化(AOT)系统反应的最终产物是CO2和H2O,不添加任何有毒有害的化学药品,不会对水体产生二次污染;(2)光电杀菌高级氧化(AOT)系统有机结合光化学、光催化技术、光催化氧化技术、臭氧氧化技术和紫外线氧化技术为一体,能分解和破坏有机物、微生物以及其他污染物;(3)现场应用效果表明,光电杀菌高级氧化(AOT)系统可把SRB、TGB控制在每毫升100个以下,使水对设备的腐蚀率大大降低,能够满足油田污水处理的工艺要求,现场易于推广应用,为油田的污水处理提供了新的技术思路。

参 考 文 献1 杨云霞,张晓健 我国主要油田污水处理技术现状及问题 油气田地面工程,2001,20(1):4~52 李书光,刘 冰,胡松青 超声波处理石油污水的实验研究 石油学报,2003,19(3):99~1023 W u S J Pur ifi cation o f Con ta m i nated W a ter by U ltrason icD egradation Physics,2001,30(12):782~7864 Bessa E,San t A nna G L,D ezo ttiM Photocata l y ti c/H2O2 treat m ent o f o ilfie l d produced w aters A ppli ed Cata l ys i s B: Env iron m enta,l2001,29:125~134第一作者简介:巨亚锋,助理工程师,生于1979年, 2002年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业,现从事采油、采气工艺、油气田完井管柱、井下工具的研究及油气田井下工具相关的新技术、新工艺推广应用及研究工作。

地址:(710021)陕西省西安市。

电话:(029) 86590674。

E-m a i:l jyf_cq@pe tro ch i na co m cn。

收稿日期:2006-09-11(本文编辑 李学富)(上接第7页)参 考 文 献1 蒋明虎,赵立新 液-液水力旋流器的入口形式及其研究 石油矿场机械,1998,27(2):3~62 刘海生,贺会群,艾志久等 雷诺应力模型对旋流器内流场的数值模拟 计算机仿真,2006,23(9):243~ 2443 褚良银,陈文梅 水力旋流器 北京:化学工业出版社,1998:144~1534 H argreaves J H,Sil vester R S Co m puta ti ona l fluid dyna m-i cs appli ed to the ana l ysis o f deo ili ng hydrocy clone prefer-ences T rans Instn Che m,july,1990,68,P art A:365~ 3835 B l oo rM I G,L ngha m D B Theoretica l i nvesti gati on o f t heflo w i n a con i ca l hydro cy clone T rans Instn Chem,1973, 51:36~416 贺会群,杨振会,吴 刚等 油水旋流分离器流场模拟分析与研究 石油机械,2005,33(12):1~57 V andoo r ma il J P,R aithby G D Enhancements of the SI M-PLE m ethod f o r Pred i c ting i ncompressi ble fl u i d fl ows H eat T ransfer 1984,(7):147~1638 (美)P atankar S V N u mericalH eat T ransf er and F l ui d F lo w张 政译 传热与流体流动的数值计算(第3版) 北京:科学出版社,1992:130~1579 赵庆国,张明贤 水力旋流器分离技术 北京:化学工业出版社,2003:53~54第一作者简介:艾志久,教授,生于1954年,1988年于西南石油学院获硕士学位,1990~1994年在美国密苏里大学作访问学者,现主要从事石油矿场机械和现代设计方法的科研和教学工作,任西南石油大学机械工程及自动化教研室主任。