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２０２０年第２０卷第６期环境保护与治理㊀㊀㊀㊀油水分离水力旋流器优化设计与仿真屈丹龙１ꎬ李㊀毅２(１.中国石化油田事业部ꎬ北京㊀１００７２８２.山东省油田采出水处理及环境污染治理重点实验室ꎬ中国石化石油工程设计有限公司ꎬ山东东营㊀２５７０２６)㊀㊀摘㊀要:针对埕岛油田某海上平台采用水力旋流器油水分离效果较差的问题ꎬ设计优化了旋流管结构ꎬ大锥角由原来的２５ʎ调整为１５ʎꎻ入口形式由单切向入口调整为阿基米德螺旋线双入口ꎬ通过ＦＬＵＥＮＴ软件进行了仿真模拟ꎬ分析了优化过程中旋流管内部流场的速度㊁压力㊁轨迹线等变化情况ꎬ为旋流管入口结构设计及锥角的选取提供了依据ꎮ关键词:海上采油平台ꎻ水力旋流器ꎻ阿基米德螺旋线ꎻ油水分离ꎻ仿真模拟ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２￣７９３２.２０２０.０６.００７０㊀前言水力旋流器是一种高效的油水分离设备ꎬ在油田采出水处理领域尤其在海上采油平台得到了广泛应用ꎬ埕岛油田某海上平台采用水力旋流器对三相分离器分出采出水进行油水分离ꎬ除油率在４０％~５０％之间ꎮ为了提高水力旋流器除油率ꎬ本文进行了旋流管优化设计与仿真研究ꎮ影响旋流管油水分离效率的因素主要分为外部工况因素和内部旋流管结构因素ꎬ其中外部工况因素主要有油滴粒径㊁温度㊁油水密度差㊁黏度等[１￣３]ꎬ内部结构因素主要为旋流管内部结构尺寸㊁锥角㊁入口形式等[４￣６]ꎮ埕岛油田某海上平台水力旋流器内旋流管为４段式结构ꎬ根据功能不同分别为旋流腔㊁大锥段㊁小锥段和平尾段(见图１)ꎮ油水混合液在压力作用下自进水口高速切向进入旋流腔ꎬ在旋流腔内形成高速旋转的流体ꎬ入口形式是影响旋流管的流场分布及压力损失的重要因素[７]ꎮ锥角是影响旋流管内流场分布㊁动量矩及分离效率的重要因素[８ꎬ９]ꎮ图１㊀旋流管结构示意㊀㊀本文在对入口形式初步优化的基础上ꎬ继续对锥角和入口形式进行优化ꎬ并通过ＦＬＵＥＮＴ软件对该平台的旋流管内部结构进行了优化设计与仿真ꎮ１㊀基础资料１.１㊀水质资料埕岛油田某海上平台三相分离器分出采出水温度:５５ħꎬ油品密度:０ ９１９ｇ/ｃｍ３ꎬ水中含油量:２００~４００ｍｇ/Ｌꎬ悬浮固体含量:３５ｍｇ/Ｌꎮ１.２㊀旋流管尺寸初始旋流管各部分内径㊁长度尺寸见表１ꎬ另外ꎬ大锥角２５ʎꎬ小锥角２ʎꎮ２㊀ＣＦＤ模型建立２.１㊀边界条件(表２)表１㊀初始旋流管结构尺寸ｍｍ表２㊀边界条件参数２.２㊀多相流模型选择 Ｅｕｌｅｒ￣Ｍｉｘｔｕｒｅ 模型计算ꎮ３㊀仿真结果与分析３.１㊀初始旋流管仿真与分析首先对初始旋流管进行建模及流态模拟计算ꎮ根据旋流管内径检测结果建立旋流管三维模型ꎬ对模型进行了网格划分ꎬ网格数量为５０万ꎮ３.１.１㊀旋流管内流场速度矢量速度矢量指标可以用来指示流场内流体的流动方向以及速度大小ꎬ能够直观地判断流态的变化情况ꎬ由图２可以看出ꎬ在大锥段中部截面处ꎬ局部速度矢量方向明显出现不规则偏流ꎬ表明局部流态已发生变化ꎮ这可能是由于在缩颈过程中ꎬ轴向方向上局部产生了不均匀的回压ꎬ造成局部流态的紊乱ꎮ３.１.２㊀旋流管内流场静压力分布进水口横截面静压分布情况见图３ꎬ静压涡核中心与速度矢量中心同样偏向于管体几何中心的右侧ꎬ分析可能是由流场中局部压力不均匀所导致ꎮ３.１.３㊀旋流管内流体轨迹线追踪流体轨迹线指标能够直观地显示出旋流管内流体质子的运动轨迹情况ꎮ如图４所示ꎬ整个截面流场呈现出明显的旋流状态ꎬ但旋涡中心点偏离了旋流管的几何中心ꎮ图２㊀初始尺寸旋流管大锥段截面速度矢量图３㊀初始尺寸旋流管进水口截面静压力分布图４㊀初始尺寸旋流管进水口截面流体轨迹分布３.２㊀大锥角优化仿真结果及分析设计模型将旋流管旋流腔和大锥段长度延长ꎬ锥角缩小至１５ʎꎬ并通过模拟分析考察调整尺寸后旋流管的运行工况ꎮ２０２０年第２０卷第６期环境保护与治理㊀㊀㊀㊀３.２.１㊀旋流管内流场速度矢量由图５可以看出ꎬ调整锥角后ꎬ局部流态紊乱的现象得到明显改善ꎬ在大锥段中部截面处ꎬ流场仍处于明显的旋流状态ꎬ并没有发生明显的偏流现象ꎮ图５㊀调整锥角后旋流管大锥段截面速度矢量３.２.２㊀旋流管内流场静压力分布由图６可以看出ꎬ旋流管内压力分布基本均匀ꎬ静压涡核中心与旋流管体几何中心基本保持一致ꎮ图６㊀调整锥角后旋流管进水口截面静压力分布３.２.３㊀旋流管内流场轨迹线追踪由图７可以看出ꎬ调整锥角后ꎬ整个截面流场呈现出明显的旋流状态ꎬ而且旋涡中心点与旋流管的几何中心轴线基本保持一致ꎮ３.３㊀入口结构优化仿真结果与分析在旋流管外径相同的情况下ꎬ阿基米德螺线形入口导流能力强ꎬ可使混合液获得更长的流道ꎬ在旋流腔内形成稳定㊁有序的旋流流场ꎬ降低液滴剪切破碎的可能性[４]ꎮ前期将旋流管设计为阿基米德螺线形双入口获得了良好的模拟效果[１０]ꎬ本次同样设计为阿基米德螺线形双入口ꎬ考察入口形式和锥角的叠加效果ꎮ图７㊀调整锥角后旋流管进水口截面流体轨迹分布３.３.１㊀入口结构优化速度矢量分布由图８可以看出ꎬ经大锥角和入口结构优化后ꎬ旋流管内呈明显的旋流速度分布ꎬ流态较理想ꎮ图８㊀旋流器中间截面的速度分布矢量３.３.２㊀入口结构优化压力分布由旋流管顶部横截面压力云(图９)可看出ꎬ旋流管内压力自外壁向中心轴线呈逐渐降低的环状梯度分布ꎬ旋流管内压力随着流场流线递减ꎬ压力分布合理ꎮ３.３.３㊀入口结构优化油相浓度分布旋流管横截面油相浓度分布如图１０显示ꎬ油相浓度分布与压力梯度分布具有一定的相关性ꎬ旋流管内油相浓度自中心向外壁逐渐降低ꎬ靠近管壁处油相浓度较低ꎬ靠近中心轴线油相浓度最高ꎮ屈丹龙ꎬ等.油水分离水力旋流器优化设计与仿真图９㊀中间截面的压力分布云图图１０㊀旋流管内油相浓度分布㊀㊀在获得了油相浓度分布差异后ꎬ通过设置在旋流管顶部中心的出油管排出浓度较高的油相混合液ꎬ从而得到良好的油水分离效果ꎮ４㊀结论ａ)埕岛油田某海上平台水力旋流器旋流管内压力分布不均㊁流场紊乱㊁离心力不强ꎬ造成水力旋流器除油效果不理想ꎮｂ)旋流管优化设计后将大锥角由原来的２５ʎ调整为１５ʎꎬ入口形式由单切向入口调整为阿基米德螺旋线双入口ꎬ旋流管内部流场㊁速度㊁压力更为合理ꎬ离心力强㊁稳定性好㊁涡流区域少ꎬ油水分离效果得到提升ꎮ５㊀参考文献[１]㊀ＷｏｌｂｅｒｔＤꎬＭａＢＦꎬＡｕｒｅｌｌｅＹꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｓｔｉｍａ￣ｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄ￣ｌｉｑｕｉｄｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｓｕｓｉｎｇｔｒａｊｅｃｔｏｒｙａｎａｌ￣ｙｓｉｓ[Ｊ].ＡｉｃｈｅＪｏｕｒｎａｌꎬ１９９５ꎬ４１(４１):１３９５￣１４０２.[２]㊀夏福军ꎬ邓述波ꎬ张宝良.水力旋流器处理聚合物驱含油污水的研究[Ｊ].工业水处理ꎬ２００２ꎬ２２(２):１４￣１６.田地面工程ꎬ２０１２ꎬ３１(１１):４９.[４]㊀王振波ꎬ陈磊ꎬ金有海.不同流量条件下导叶式液一液水力旋流器流场测试[Ｊ].流体机械ꎬ２００８ꎬ３６(９):１１￣１５.[５]㊀丁旭明ꎬ王振波ꎬ金有海.两种入口结构旋流器性能对比试验研究[Ｊ].化工机械ꎬ２００５ꎬ３３(２):６９￣７１.[６]㊀李枫ꎬ刘彩玉ꎬ蒋明虎ꎬ等.水力旋流器中阿基米德螺线入口的设计[Ｊ].化工机械ꎬ２００４ꎬ３３(３):１３９￣１４１.[７]㊀蒋明虎ꎬ赵立新ꎬ李枫ꎬ等.液￣液水力旋流器的入口形式及其研究[Ｊ].石油矿厂机械ꎬ１９９８ꎬ２７(２):３￣５.[８]㊀蒋明虎ꎬ刘道友ꎬ赵立新ꎬ等.锥角对水力旋流器压力场和速度场的影响[Ｊ].化工机械ꎬ２０１１ꎬ３８(５):５７２￣５７６.[９]㊀赵立新ꎬ王尊策ꎬ李枫ꎬ等.液液水力旋流器流场特性与分离特性研究(一) 锥角变化对切向速度场的影响[Ｊ].化工装备技术ꎬ１９９９ꎬ２０(４)７￣１０.[１０]龚俊ꎬ叶俊红ꎬ姚明修.基于ＦＬＵＥＮＴ的水力旋流器入口结构参数优化设计流场仿真[Ｊ].山东化工ꎬ２０１９ꎬ４８(６):１８２￣１８４.ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＯｉｌ￣ｗａｔｅｒＳｅｐａｒａｔｉｏｎＨｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅＱｕＤａｎｌｏｎｇ１ꎬＬｉＹｉ２(１.ＳＩＮＯＰＥＣＯｉｌｆｉｅｌｄＤｅｐａｒｔｍｅｎｔꎬＢｅｉｊｉｎｇꎬ１００７２８ꎻ２.ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｉｌｆｉｅｌｄＰｒｏｄｕｃｅｄＷａ￣ｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌꎬＳＩＮＯＰＥＣＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＣｏｒｐｏｒａ￣ｔｉｏｎꎬＳｈａｎｄｏｎｇꎬＤｏｎｇｙｉｎｇꎬ２５７０２６)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｏｏｒｅｆｆｅｃｔｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｏｎｏｉｌ￣ｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎｉｎａｎｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＣｈｅｎｇｄａｏＯｉｌｆｉｅｌｄꎬｔｈｅｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅｃｏｎｅａｎｇｌｅｆｒｏｍ２５ʎｔｏ１５ʎ.ＴｈｅｉｎｌｅｔｆｏｒｍｗａｓａｌｓｏａｄｊｕｓｔｅｄｆｒｏｍａｓｉｎｇｌｅｔａｎｇｅｎｔｉａｌｉｎｌｅｔｔｏａｎＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓｓｐｉｒａｌｄｏｕｂｌｅｉｎｌｅｔ.ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙꎬｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｎｔｈｅｉｎ￣ｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａ￣ｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｉｎｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅａｎｄｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｎｅａｎｇｌｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍꎻｈｙｄｒｏ￣ｃｙｃｌｏｎｅꎻＡｒｃｈｉｍｅｄｅｓｈｅｌｉｘꎻｏｉｌ￣ｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎꎻｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ。
油—水分离水力旋流器的试验研究及数值模拟的开题报告题目：油-水分离水力旋流器的试验研究及数值模拟分析一、研究背景及意义随着石油、化工、食品等行业的发展，油-水混合物的分离和净化成为一个非常重要的问题。
传统的油-水分离方法包括重力沉降法、离心法、过滤法等，但存在着设备大、工艺复杂、能耗高等缺陷。
水力旋流器作为一种简单、高效、低成本的分离设备，在油-水分离领域应用广泛。
因此，对水力旋流器进行试验研究及数值模拟分析，对于优化分离效果、提高分离效率、降低成本具有非常重要的意义。
二、研究内容本课题拟通过实验和数值模拟两种方法，研究水力旋流器对油-水混合物的分离效果和机理。
具体研究内容如下：1. 设计制作水力旋流器，并进行流场测试和性能评价。
2. 通过实验研究，探究水力旋流器对不同比例的油-水混合物的分离效果，并分析影响分离效果的主要因素。
3. 基于CFD软件，建立水力旋流器的数值模型，模拟旋流器内部流场，并分析油-水分离机理。
4. 对实验结果和数值模拟结果进行对比分析，验证数值模拟方法的可靠性和准确性。
三、研究方法与技术路线1. 实验方法：设计制作水力旋流器，使用模拟油-水混合物进行实验，以分离效率、分离效果与水力旋流器结构和操作参数的关系为主要研究内容，通过数据处理和统计分析，得出实验结果。
2. 数值模拟方法：利用CFD软件对水力旋流器进行数值分析，建立三维数值模型，采用VOF（Volume of Fluid）方法模拟油-水分离，并对分离效果、分离机理等进行分析。
3. 技术路线：（1）设计制作水力旋流器；（2）进行流场测试和性能评价；（3）通过实验研究探究水力旋流器对油-水混合物的分离效果；（4）建立数值模型，开展CFD数值模拟并进行数值仿真；（5）对实验结果和数值模拟结果进行对比分析。
四、预期成果1. 设计制作出一种较为理想的水力旋流器。
2. 明确水力旋流器对油-水混合物的分离机理，探究主要影响因素。
井下油水旋流分离器的数值计算及优化设计李莹【摘要】：将油井举升系统与油水旋流分离技术相结合,形成同井注采系统,是油田进入高含水期后提高经济效益的一项新技术。
其核心设备水力旋流器是一种利用两相流的密度差,在离心力场中将分散相从连续相中分离出来的一种设备。
水力旋流器结构简单、无相对运动部件,具有分离效率高、价格低廉、操作维修方便。
采用CFD软件中最精细的雷诺应力湍流模型,基于控制体积法,应用PC-SIMPLE算法,对油水分离旋流器内部流场进行了数值模拟。
通过对单相流数值模拟得到旋流器内部流场的速度分布特性和压力分布特性。
对油水两相流数值模拟得出了油滴粒径、流量及分流比的变化对分离效率的影响。
在流场模拟中考虑了分散油相的流动特性,用计算两相流的湍流数学模型和处理分散油相的方法,研究油水分离旋流器的结构参数对流场和分离性能的影响,对入口、圆柱段及溢流管进行了结构优化。
为了验证数值计算结果,对优化后旋流器进行了分离特性实验研究,优化后的旋流单管基本上达到了设计要求的处理能力和除油效率,其分流比也在合适的范围之内。
最后介绍了电潜泵井下油水分离系统的结构和工作原理,将优化设计后的旋流器引入系统,并对系统进行了方案设计,包括电潜泵的设计计算以及配套电动机的选型。
【关键词】：井下油水分离数值模拟结构优化水力旋流器电潜泵【学位授予单位】：中国石油大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：TE934【DOI】：CNKI:CDMD:2.2008.199606【目录】：∙摘要4-5∙Abstract5-8∙第一章绪论8-16∙ 1.1 概述8∙ 1.2 国内外研究现状8-11∙ 1.2.1 国内外研究新进展8-10∙ 1.2.2 水力旋流器的理论发展10-11∙ 1.3 计算流体动力学(CFD)简介11-14∙ 1.3.1 CFD 概述11-12∙ 1.3.2 CFD 在水力旋流器研究中的应用12-14∙ 1.4 本论文的研究内容及研究方法14-16∙ 1.4.1 本论文的研究内容14∙ 1.4.2 本论文的研究方法14-16∙第二章水力旋流器的基础理论研究16-44∙ 2.1 水力旋流器的基本结构及工作原理16-17∙ 2.2 水力旋流器的特性参数及影响因素17-23∙ 2.2.1 分流比17-18∙ 2.2.2 分离效率18-21∙ 2.2.3 处理量21∙ 2.2.4 几何参数对水力旋流器性能的影响21-22∙ 2.2.5 操作参数对水力旋流器性能的影响22-23∙ 2.3 旋流器速度场分布规律及影响参数研究23-32∙ 2.3.1 切向速度的分布规律及影响参数23-27∙ 2.3.2 轴向速度的分布规律及影响参数27-30∙ 2.3.3 径向速度场分布规律研究30-32∙ 2.4 旋流器中分散相液滴的向心运动32-44∙ 2.4.1 液液旋流分离器分散相液滴受力分析32-38∙ 2.4.2 油水液液旋流分离器分散相油滴自由径向运动方程38-40 ∙ 2.4.3 油水液液旋流分离器可分离分散相油滴直径40-44∙第三章双锥型油水分离器的数值模拟44-69∙ 3.1 油水分离器的数值模拟方法及湍流模型44-49∙ 3.1.1 直接数值模拟(DNS)44∙ 3.1.2 大涡模拟44-45∙ 3.1.3 Reynolds 平均法45-47∙ 3.1.4 两相流模型47-49∙ 3.2 数值模拟计算建模过程49-54∙ 3.2.1 几何模型50∙ 3.2.2 物理模型50-52∙ 3.2.3 RSM 湍流模型52-54∙ 3.3 单相流场的数值计算结果及分析54-64∙ 3.3.1 流体迹线的数值模拟55∙ 3.3.2 速度场分布特性55-62∙ 3.3.3 压力场分布特性62-64∙ 3.4 两相流场的数值计算结果及分析64-67∙ 3.5 小结67-69∙第四章油水分离旋流器结构优化69-83∙ 4.1 油水分离旋流器结构的单要素优化69-81∙ 4.1.1 CFD 分析前处理69-70∙ 4.1.2 入口流道型式研究70-76∙ 4.1.3 圆柱段优化76-77∙ 4.1.4 溢流管优化77-81∙ 4.2 室内试验及结果分析81-83∙第五章电潜泵井下油水分离生产系统设计83-88∙ 5.1 基本结构83∙ 5.2 工作原理83-84∙ 5.3 井下油水分离系统方案设计84-88∙ 5.3.1 水力旋流器设计84∙ 5.3.2 电潜泵的设计84-87∙ 5.3.3 配套电动机的选择87-88∙结论88-89∙参考文献89-92∙攻读硕士学位期间取得的学术成果92-93 ∙致谢93。
油水分离用水力旋流器流动机理和应用研究
水力旋流器是一种基于液体旋转运动原理的装置。
其工作原理是将混合油水通过一定
的流道进入旋流器，在旋流器内部形成旋流效应。
当旋流效应产生后，密度较大的油会被
离心力推到旋流器的外侧，而较轻的水则被离心力吸附于旋流器的内侧，实现油水分离的
效果。
水力旋流器还能够通过调节进出口之间的压差以控制分离效果。
水力旋流器具有以下几个优点。
其结构简单，装置小巧，方便安装和维护。
水力旋流
器的分离效果好，能够有效地将油和水分离，油含量低于15ppm。
水力旋流器的能耗低，
工作效率高。
根据实际使用情况，水力旋流器的功耗一般在0.1-0.5kW/m^3之间。
水力旋
流器可以根据不同的需求来进行设计和制造，适用于各种场合和工艺要求。
水力旋流器在油水分离过程中具有广泛的应用前景。
它可以应用于石油、化工、电力、食品等工业领域中，用于处理含油废水、含油污泥等。
水力旋流器还可以应用于船舶、港
口等领域，用于处理船舶产生的污水和机舱的废油。
水力旋流器还可以用于污水处理厂、
汽车工厂等场所，用于处理废水和污物的分离。
水力旋流器在实际应用中能够高效地分离
油水，提高油水分离效率，减少对环境的污染。
基于响应面法的井下油水分离微型旋流器结构参数优化
卢梦媚;赵立新;刘琳;王皓;蒋明虎
【期刊名称】《流体机械》
【年(卷),期】2024(52)5
【摘要】针对微型旋流器分离性能受结构参数影响较大的问题,基于数值模拟方法和Box-Behnken设计,采用二阶多项式基函数构建微型旋流器底流口直径等5个主要结构参数与分离效率及压力损失间的数学关系模型,并对优化前、后的微型旋流器开展数值模拟和室内试验。
通过对模拟数据进行方差分析验证了数学关系模型的精度,等高线图明确了结构参数之间的交互作用以及对分离效率及压力损失的影响程度。
结果表明,底流口直径、小锥角、溢流口直径是影响微型旋流器分离效率和压力损失的重要结构因素;优化后的微型旋流器的结构参数为L_(1)=9.554 mm,D_(d)=2.184 mm,D_(o)=2.977,θ=9.39°,θ_(2)=2°,相较于初始结构分离效率提高了3.7%。
研究结果可为高性能井下油水分离微型旋流器的设计提供参考。
【总页数】8页(P32-39)
【作者】卢梦媚;赵立新;刘琳;王皓;蒋明虎
【作者单位】东北石油大学机械科学与工程学院;黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室;大庆石化公司炼油厂
【正文语种】中文
【中图分类】TH138.8
【相关文献】
1.井下油水分离旋流器大锥角参数优化
2.基于响应面法的同向出流旋流器结构参数优化研究
3.基于响应面法的水力旋流器结构参数优化
4.基于响应面法的处理污水用水力旋流器结构参数优化
5.基于相关性分析和响应面法的复合旋流器结构参数优化
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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。
