基于CFD-DEM的沉降罐油水沉降机理及分离过程分析_戴飞.pdf

收稿日期：；修改稿收到日期：。作者简介：戴飞，男，年毕业于中国科学院大学项目管理专业，硕士，现主要从事石油化工工程建设技术管理工作，高级工程师，已发表论文篇。：。基于 的沉降罐油水沉降机理及分离过程分析戴飞（中国石化工程建设有限公司，北京 ）摘要：沉降分离技术在我国石化行业应用广泛，然而其理论研究明显滞后于结构设计及应用研究。文章基于 耦合模型，以沉降罐内离散相油滴为研究对象，构建了油滴在重力场内的沉降分离数学模型，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对油滴沉降过程中的运动特性进行分析，获得了油滴沉降分离过程的运动轨迹，掌握了油滴分离过程中的速度变化以及受力变化。通过对斜板倾角和斜板等效间距进行改进，确定了油相分离效果最好的斜板倾角为 、斜板等效间距为 。在上述参数条件下，除油效率可从 提高到。该研究结果可为揭示沉降分离机理及指导新型高效沉降装置设计提供理论依据及数据参考。关键词：沉降分离离散元模型油滴分离机理运动特性 ：迄今为止，我国大部分油田已进入高含水开发期，采出液的含水率逐年升高，如何实现地面采出液的高效预分离及进行污水处理始终是相关领域学者研究的主要方向之一【】。目前，我国油田大多采用沉降法对采出液及产出污水进行分离，其中立式沉降罐因结构简单、沉降效率高、操作方便被广泛应用【】。周志强等【】采用欧拉模型对三维立式脱水型沉降罐内的油水分离过程进行了非稳态的数值模拟分析，开展了温度及油相体积分数对配液孔流速的影响研究，得出最佳温度在 。李永军等【】针对沉降罐的参数对脱水效果影响开展研究，得出了含油浓度、进液速度、相间密度差对分离性能的影响规律。部分学者对沉降罐结构进行了优化设计并采用数值模拟方法 对 优 化 后 结 构 的 可 行 性 进 行 了 验 证 分析【】。关于油水分离沉降机理及分离过程的研究，主要停留在理论推导及采用数值模拟方法进行油水分布状态、分离时间的研究等方面【】。而关于单颗粒油滴在沉降罐内重力分离过程中的受力变化、运动轨迹及速度变化等方面的研究鲜有报道。因此，本文基于离散元模型（），以沉降罐内的离散相油滴为研究对象，通过构建油滴在重力场内的沉降分离数学模型，考察立式沉降罐内的流场特性和油滴的运动轨迹，从机理上分析油滴运动特性，以期为缩短沉降罐沉降时间、增强分离性能提供理论依据。研究方法及基础理论研究方法 的耦合方法借助 软件与 软件，通过油水两相受力交换实现耦合，其中颗粒相（油相）和连续相（水相）分别由 和 求解。模型主要受牛顿第二定律和接触模型的影响，前者用于求解单元间的位移、速度和加速度，用于表述离散相运动过程；后者用于求解单元间的接触力，可将颗粒与颗粒、颗粒与流体、颗粒与边界之间的接触采用振动方程模拟求解。两者的双向耦合过程如下：在每个迭代步长内，首先利用 求解计算域内的流场，迭代至收敛后，将颗粒所在的流体单元内赋予物理特性，采用 模型求解每个颗粒所受的力，并迭代计算；待 收敛后，再进行流体的 仿真；最后，将所有颗粒相的动量汇集至网格单元内，实静设备石油化工设备技术，（）现流体与颗粒之间的质量、动量和能量交换，实现双向耦合。重力沉降基本原理重力沉降是基于两相或多相介质间的密度差异，对于本文研究的油水两相介质，重力场内离散相油滴所受的浮力、惯性力、扩散作用阻截等是影响沉降的主要因素，其中离散相油滴的浮升和下沉速度可以采用 方程计算，如式（）所示。（）（）式中：油滴的沉降速度，；水相密度，；油相密度，；重力加速度，；油滴半径，；介质黏度，。沉降管内低速层流场内油滴的沉降速度可以进一步修正为：（）（）（）（）式中：油滴直径，；水相黏度，；油相黏度，。由式（）可知，离散相油滴在连续相介质中的沉降速度由两相的密度差、黏度差以及油滴粒径共同决定。油滴在重力场内运动模型当油滴在静止流场内发生沉降分离时，对于单颗粒油滴而言，假设颗粒间不发生碰撞聚结，则其在连续流场内发生浮升或沉降时受到的外力有重力、浮力以及连续相介质间的粘滞阻力。其中，各力之间满足如下平衡关系：（）（）式中：运动时间，；流动系数。将式（）转换成无因次准数形式，见式（）。（）式中：流场雷诺数；油滴松弛时间，。其中（）（）由式（）可以得出，当时，油滴达到某一特定或 值所需要的时间为：（）根据运动速度与距离的关系，最终可以得出在时刻内油滴在重力场作用下浮升的距离（单位：）为：（）油滴在重力场内的运动过程分析油滴运动特点分析为获取油滴在连续相中的扩散形态、浮升速度、受力变化、运移时间、运动轨迹等运动特征，首先采用 方法对连续相介质进行初始流场构建与分析，再采用离散元法向流场内注入油滴粒子群，从而实现对油滴运动过程的捕捉和标记。数值模拟时的介质参数参照某油田采出液测量结果，介质为油水两相混合，连续相为水相，体积分数，密度为 ，动力黏度为 （）；离散相为油滴，密度为 ，动力黏度为 （），油滴直径为。图所示为通过双向耦合得到的油滴粒子群在连续相中重力场作用下的分离过程。由图可以看出：在前油滴群进入到沉降罐内前，油滴基本保持原有的分布状态，沿着入口方向做水平运动，并未发生明显的沉降分离；当时，油滴开始逐渐扩散并在浮力的作用下向沉降罐顶部运动，通过油滴粒子群的分布可以看出，此时油滴群上浮过程中速度差较大，不同油滴的上浮距离不同，靠近壁面处油滴的上浮速度远大于其余位置，油滴具有明显的“挑挂状”，存在明显的速度差异；当油滴粒子群进入沉降罐内时，上浮速度基本一致并趋于稳定。由图所示的油滴粒子群分离过程可知，油滴在浮力、阻力、重力共同作用下运动，经过左右，油 滴 群 逐 渐 扩 散 为 油 膜 开 始 向 上 运 移。图所示为油滴进入沉降罐内 后的油滴群扩散过程俯视图。由图可以看出：受油滴扩散行石油化工设备技术 年为的影响，随着时间延长，油滴逐渐向沉降罐中心扩散，且上浮速度越大，扩散过程越不明显。图油滴粒子群的沉降分离过程图油滴在沉降罐内的扩散过程图为在油滴粒子群内随机选取的单颗粒油滴（）的运动轨迹。由图可以看出，在油滴刚进入沉降罐内时，由于初始惯性力的作用，油滴沿水平方向运移，且在前行过程中略有下降，随后在合力的作用下加速上升，最终向沉降罐顶部移动。图 油滴运动轨迹油滴受力分析为了对油滴的运动轨迹做出解释，分析油滴在沉降罐内的主要受力，可知其受重力、浮力、液体阻力等的合力作用。构建流场内离散相油滴竖直方向上的受力平衡图（见图），对各项受力进行单独分析。）重力油滴自重对分离过程中的运动方向及行动轨迹影响较大。油滴所受的重力（单位：）为：（）浮力油滴所受浮力来源于进入沉降罐后受到的罐内周围液体的压力，且随深度的增大而增大。假设油滴形状为标准的微立方体，则油滴各个面上均会受到来自连续相介质的压力，油滴水平方向各面的高度相同，故具有相同的压力；而在竖直方向上由于所处深度不同，所以上下两个面上所承受力的压强不同，底部所受压强较大，顶部所受压强较小，使之在竖直方向上存在压差。该压差即为来自连续相介质的浮力。浮力（单位：）可由式（）计算得到。（）流体阻力油滴在沉降罐内运动与罐内连续相介质产生相对运动时，会受到与流体运动方向相反的作用力，这种连续相对离散相运动的作用力即为流体阻力。流体阻力随着油滴与流体间的相对运动速度而变化，其表达式为：（）式中：流体阻力，；油滴的横截面积，。对于球形油滴而言，则有：（）综上可得，油滴在沉降过程的运动方程为：（）式中：油滴质量，；加速度，。油滴的实际受力情况要比上述分析复杂，但由于流场的随机特性，目前还没有可全面系统地表述沉降过程的数学模型，所以理论上无法全面地 对 油 滴 沉 降 过 程 进 行 描 述。图为 油 滴（）在沉降罐内运动过程中的受力曲线。第 卷第期戴飞基于 的沉降罐油水沉降机理及分离过程分析由图可以看出：油滴在进入沉降罐内部的初始阶段，即前，所受合力的大小波动较大；当浮力和流体阻力的作用大于重力时，油滴开始向上浮动，此时油滴所受的合力不断增大，这是由于该过程中油滴主要做水平方向的运动，所以受到的流体阻力逐渐增大，致使合力不断增加；当油滴运动轨迹完成由水平向竖直方向的转变时，两相之间的相对速度逐渐减小，所受的合力也逐渐减小，最终趋于。图油滴分离过程中所受合力变化曲线油滴在沉降罐内的速度分析假设油滴在竖直方向上由静止开始逐渐运动，先做加速运动，并在流体阻力的作用下逐渐转变为匀速运动。采用试差法计算油滴在滞留区内的沉降速度为：（）.（）数值模拟得出相同参数下油滴在沉降罐内运动过程中的速度变化，见图。由图可知，油滴在进入沉降罐后先做加速运动，并在很短的时间内加速上升，在 时，速度达到最 大 值 ；随后，油滴速度逐渐减小，直至时，速度趋于稳定，在之后的运动时间内，速度在 左右的范围内小幅波动，稳定运移。稳定后的速度与理论分析结果基本相同，但数值上较理论推导结果略小。沉降罐结构优化和改进目前沉降罐内通常会加装一组彼此平行的斜板，以加速水相等重介质的沉淀分离。分离效率与斜板倾角、斜板等效间距和斜板数量有关，其中，斜板倾角决定罐内的沉降速度和分离效果，斜板等效间距和斜板数量决定沉降效果。斜板倾角和等效间距确定后，斜板数量也将固定。在此采用上述 模拟的方式对斜板倾角和等效间距进行优化。取沉降罐容量为 ，高度为，直径为 ；内罐高度为 ，直径为；集油槽高度为；以油水流速进行模拟。不同斜板角度和等效间距的油相分布曲线见图（）图（）。由图（）可以看出：随着内罐高度的增加，油相体积分数先缓慢后快速增加，内罐顶部分离效果明显；斜板角度为 时，角度过小，减弱了水相的沉降速度，油相和水相之间的相间滑移不明显；斜板角度为 时，混合液流过斜板间隙时，油相来不及从底部进入，导致有效分离距离变小；斜板角度为 时的分离效果最好。斜板等效间距过大会影响油水两相的相对运行，而间距过小会对间隙内的流场产生较大影响，将流动方式从层流转为湍流，不利于油水分离。由图（）可以看出：斜板等效间距为 时，分离效果最好。图油滴上浮速度与时间关系曲线此外，罐内集油槽的高度和结构也会影响油水分离效果，王涛华【】已证明了环形集油槽要优于中心式和列管式集油槽，故在此只考虑不同集油槽高度对油相体积分数的影响（见图）。由图可以看出：随着内罐高度的升高，截面的油相体积逐渐增大，在高度小于 时，不同集油槽高度对油相体积的影响不大，而当高度大于时，不同集油槽高度下的油相体积差异较大；从波动情况看，集油槽高度越高，截面处的油相波动越小，越有利于油水分离，可满足不同工况下分离要求。依据上述结果对沉降内罐进行改进，统计其除油效率，见图。由图可见，改进后不同沉降时间情况下的除油效率明显提升，且达到最大除油效率的时间变短，由于沉降罐在内罐完成了一石油化工设备技术 年次预分离，使得内罐上部聚集了大量的油滴，当其进入沉降区后，油滴粒径增大，分离速度明显提升。图不同结构参数下的油相分布情况图不同集油槽高度下的油相分布情况图改进前后除油效率对比结论鉴于目前油水沉降分离的理论研究滞后于结构设计的问题，为更好地指导沉降分离设备的优化设计，利用理论分析与数值模拟相结合的方式，对油滴的运动特性和沉降分离过程进行了分析，并根据模拟结果对沉降罐的结构进行了优化，得到如下结论：）通过对离散相油滴在沉降罐内的轨迹进行模拟可知，研究条件下油滴在进入沉降罐内时先以水平方向运动为主，运动时间约为，后逐渐向竖直方向运动转变，经后，油滴粒子群整体均做竖直运动。）油滴在进入沉降罐内做水平运动过程中所受合力大小变化较大，呈现出较大的波动性，在后合力大小逐渐趋于定值。）通过理论计算得出的油滴粒子稳定后的运动速度值为，数值模拟结果为，呈现出了较好的一致性；油滴运动后，速度基本趋于稳定。）在斜板角度为 、斜板等效间距为 、采用环形集油槽且集油槽高度为 时，沉降 的除油效率达到，较改进前增加了，油水分离效果最好，分离速度明显提升。参考文献：万妍利论油田采出水处理回注的现状及技术发展 化工管理，（）：任永良，何树威，高胜，等油田采出液沉降处理数值模拟分析化工机械，（）：，孙立强，王迪，朱红波，等三相分离器设计及 模拟研 究 进 展石油化工设 备技 术，（）