分流比对旋流器油水分离性能影响的模拟研究*

徐保蕊 蒋明虎 刘书孟 李广志 赵立新 蒋昌云

(1. 东北石油大学机械科学与工程学院；2. 大庆油田有限责任公司第二采油厂；3. 天津修船技术研究所)

近年来，水力旋流器因其结构紧凑、占地面积小、分离速度快及设备投资小等优点受到石油石化行业和市政环保领域工作者的重视。可用于固液、液气、固固及液液等两相介质的分离以及气液固等三相介质的处理。其中，油水两相分离用水力旋流器，是利用油水两相介质间的密度差将油相从水相中分离出来的一种技术方法[1,2]。

如今，计算流体动力学和计算机科学迅速发展，为采用数值模拟方法解决流体力学问题提供了极大的便利[3]，同时，计算机数值模拟也已经成为研究旋流分离技术的主要方法之一。数值模拟技术不仅可降低研究成本、提升研发速度，还可充分认识分离器内的流场和流体流动规律，因此学习和掌握数值模拟的研究、使用方法，对于如今旋流分离技术研究人员也越来越重要[4,5]。

笔者结合油田采出液含油实际情况，借助于计算流体动力学CFD数值方法，研究分析了分流比变化对旋流器油水分离性能的影响。给出了适于油水分离用旋流器的最佳分流比，掌握了分流比变化对旋流器速度、压力降、压降比及分离效率等分离特性的影响规律。

1 模型尺寸及参数设置

研究基于以往优化设计的一种单锥型油水两相分离旋流器，主要结构尺寸包括主直径D1、旋流腔长度L1、溢流口直径Du、溢流口伸入长度Lu、锥角α、底流口直径Dd、底流口长度L2和入口截面b×h，旋流器主要结构参数设置及模型尺寸关系见表1。

表1 旋流器结构模型尺寸关系

为便于对比分析，取S1(z=0)、S2(z=-80)两截面，如图1所示。采用Gambit软件建模和划分网格，网格划分如图2所示，利用Fluent软件开展数值模拟分析。

图1 旋流器结构示意图

图2 旋流器网格划分

模拟计算设置的介质物性参数分别为：油相密度870kg/m3，动力粘度0.046 1Pa·s，油滴粒径设为0.15mm；水的密度998.2kg/m3，动力粘度1.003mPa·s。

边界条件设置为：入口流量3m3/h，入口油相体积分数5.5%；设置速度入口，入口法向速度分量由入口流量与总入口截面积决定，其计算式为vf=Qi/Si，其他两个方向的速度分量为零；溢流口和底流口均设为自由出口[6]。

分流比F为水力旋流器的一个重要操作参数，它反映水力旋流器的溢流与底流两个出口之间流量的分配关系[2,7]，分流比F定义为溢流出口流量Qu与总流量Qi之比。在进行变分流比模拟计算时，入口流量不变，对F分别为15%、20%、25%、30%进行数值模拟对比分析。

2 模拟结果与分析

2.1速度场影响分析

由于旋流器的中心对称特征[8]，在对旋流器内部速度场分析过程中取旋流器不同截面上的[0，rmax]进行分析和对比。在入口流量不变的情况下，改变溢流分流比得出S1、S2截面上的切向速度分布如图3所示，可以看出，在加大了分流比的过程中，S1、S2截面上的切向速度分布基本不变，旋流器中心处速度为零，随径向尺寸的增加，切向速度也逐渐增加，且存在一个最大切向速度点vtmax，在该点处当半径进一步增加时，旋流器切向速度vt逐渐减小，在边壁处减小为零。因此当旋流器分流比在[15%，30%]范围内变化时，对旋流腔与锥段连接部分和锥段内部切向速度的影响很小。

a. S1截面

b. S2截面

同样，在入口流量不变的情况下，改变溢流分流比得出S1、S2两截面上的轴向速度分布如图4所示，可以看出，在加大分流比的过程中，S1、S2两截面上的轴向速度分布变化明显，主要表现分别为：

a. 在S1截面上，旋流器中心处轴向速度最大，流动方向向上，随径向尺寸的增加，轴向速度逐渐减小，且存在一个零轴向速度点(vz=0)，在该点处当半径进一步增加，旋流器轴向速度vz方向改变为向底流口流动，且逐渐增大，在临近边壁部分，旋流器的轴向速度绝对值由最大值迅速降低为零。

b. 在S2截面上，整体上旋流器的轴向速度均方向指向底流出口，在较小的径向尺寸范围内，轴向速度基本保持恒定，随径向尺寸的增加，轴向速度在数值上先减小后增大，且一直增加到轴向速度出现一个最大值，与S1截面类似，在临近边壁区域，旋流器的轴向速度绝对值由最大值迅速降低为零。

a. S1截面

b. S2截面

通过两个截面上的速度场变化对比可见，改变分流比主要对旋流器内部流体的轴向速度产生较为明显的影响，分流比变化主要影响了旋流器内部轴向速度流动方向的转变位置及旋流器中心邻域内轴向速度绝对值的大小。旋流器分离过程包括旋流腔和锥段两个主要部分的分离过程，当分流比增加时，有利于旋流器锥段内发生两相分离的油流向溢流口，但过大的分流比势必会造成旋流腔和锥段内已经与油相分离开的水相过多的流向溢流口[2]，因此需要找到一个最佳的分流比，该分流比既有利于将分离的油相运移到溢流口，又可尽量减少流向溢流口的水相，获得更好的综合分离效果。

2.2压力降影响分析

在水力旋流器整个分离过程中，旋流器内部形成由准自由涡和准强制涡构成的组合涡结构，因此要实现旋流分离，必定会产生一定的压力损耗，水力旋流器是利用一定的压力损耗来换取分离所需能量的[2]。但旋流器所消耗的压力降并非全部都是必要损失，过大的压力降不利于旋流器的推广应用。因此，有必要研究分流比变化对水力旋流器压力降的影响，尽量降低不必要的压力损耗。

计算得出了旋流器溢流出口和底流出口的压力降，不同分流比情况下，旋流器溢流口与底流口附近压力损失分布云图如图5所示。

a. 溢流口

b. 底流口

由图5a可见，溢流分流比逐渐减小过程中，旋流器溢流口和溢流口伸入段的压力损失是逐渐减小的，与溢流口临近的旋流腔中心部分压力降也逐渐减小，而旋流腔其他部分的压力降基本不随分流比变化。由图5b可见溢流分流比逐渐减小过程中，旋流器底流口及锥段与底流口相邻部分的压力降是逐渐增大的。整体上随着旋流器溢流分流比的逐渐减小，旋流器内部压力降成逐渐增大的趋势。

水力旋流器的压降比pr是指旋流器溢流压力降与底流压力降的比，压降比的合理确定有利于旋流器分离性能的充分发挥，而压降比的大小受旋流器分流比的影响也较大[2]，因此汇总得出了不同旋流器分流比下的压降比变化情况，变化曲线如图6所示。

图6 旋流器压降比随溢流分流比变化曲线

根据图中压降比与分流比的曲线拟合得出二者的关系式：

pr= 0.011F+0.5015

(1)

在研究范围内，拟合方差R2= 0.999，说明在其他参数不变时，旋流器压降比随分流比的增加而加大。如果分流比降低，会使得压降比减小，从而升高溢流出口压力，不利于旋流器溢流油相的排出。

2.3分离效率分析

分离效率η是从含油浓度降低的角度出发来评价分离效果的，包括3个主要的定义：质量效率、简化效率和综合效率[2,9]。其中综合效率受简化效率、分流比和入口含油浓度影响，其综合考虑因素最全面，因此在研究对比分离效率的过程中为首选，同时尽量保证较高的质量效率和简化效率。

从油相分离角度出发，研究中将质量效率Ez定义为溢流中所含油相的质量Mo与水力旋流器入口油相总质量Mi的比，即：

(2)

简化效率Ej为：

(3)

综合效率E为：

E=K(1-F)Ej

(4)

其中，K为仅与入口含油体积浓度Ci有关的常数，K=1/(1-Ci)。

根据数值模拟计算结果得出的溢流口和底流口的质量流率，利用式(2)～(4)分别计算得出了旋流器的3个主要效率随分流比的变化曲线(图7)。

可见，3个效率中，质量效率与简化效率二者比较接近，相差不大，综合效率最低；旋流器的质量效率和简化效率均随溢流分流比的增大逐渐增大，而综合效率却随着旋流器溢流分流比的增大先增大后降低；分流比大于25%时，该旋流器的综合效率下降明显。

图7 旋流器分离效率随溢流分流比变化曲线

3 结论

3.1在入口流量不变的情况下，随着分流比增大，旋流器内S1、S2两截面上的切向速度分布基本不变，轴向速度分布变化明显。分流比变化影响了旋流器内部轴向速度流动方向的转变位置及旋流器中心邻域内轴向速度绝对值的大小。

3.2分流比越小，旋流器溢流口及临近区域压力损失越小；与溢流口临近的旋流腔中心部分压力降也随分流比逐渐减小，旋流腔的其他部分压力降基本不随分流比变化；旋流器底流口及相邻锥段底部压力降随分流比的减小而逐渐增大。

3.3在一定范围内，压降比与分流比呈线性关系，压降比随分流比的增加而加大。

3.4不同溢流分流比下，旋流器质量效率与简化效率相差不大且相对较高，综合效率最低；旋流器的质量效率和简化效率随溢流分流比的增大均成增大趋势，综合效率随旋流器溢流分流比的增大成先增大后降低趋势；随着分流比值大于25%时，该旋流器的综合效率下降明显；数值模拟分析表明，该旋流器最佳分流比为20%，此时旋流器综合效率最高，且质量效率和简化效率均高于95%。

[1] 吕瑞典，李君裕，王远明，等.油井产液除砂旋流器试验研究[J].石油机械，1995，23(6)：18～23.

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[3] 赵立新，代佳鑫，郭现臣.叶片式水力旋流器操作参数优选[J].流体机械，2013，41(10)：7～9，52.

[4] 赵立新，刘丽丽，徐磊，等.倾斜入口流道的水力旋流器数值模拟分析[J].化工机械，2012，39(2)：203～205.

[5] 王尊策，张井龙，徐艳，等.不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟[J].化工机械，2012，39(2)：194～197.

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[8] 赵立新，王尊策，蒋明虎.液液水力旋流器流场特性与分离特性研究(三)——水力旋流器径向速度测试方法[J].化工装备技术，1999，20(5)：4～6.

[9] 赵立新，蒋明虎.液液水力旋流器流场特性与分离特性研究(七)——操作参数对分离特性的影响[J].化工装备技术，2000，21(2)：5～8.