劉宇程 程齊暄

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

響應(yīng)曲面法優(yōu)化旋流分離處理含油廢水＊

劉宇程 程齊暄

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

旋流分離器對含油廢水的油-水分離有較好的效果，但其分離效率受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響。目前定量計算大多采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計，并且大部分經(jīng)驗(yàn)公式是基于固-液分離的旋流器，對于油-水分離并不能達(dá)到最優(yōu)的分離效果。通過響應(yīng)曲面法（RSM）中的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計對旋流器進(jìn)行設(shè)計計算，以20%含油率水樣，旋流器公稱直徑75 mm為例，優(yōu)化結(jié)果為入口直徑為14 mm，溢流口直徑為18.94 mm，底流口直徑為8 mm，處理效率為93.13%，優(yōu)于廣泛采用的Arterburn和Rietema經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計的處理效率。

旋流器；含油廢水；響應(yīng)曲面法；數(shù)值模擬；分離效率

0 引 言

鉆井廢水、油田采出水，以及稀釋破乳后的含油污泥、鉆井液是油氣田開采過程中產(chǎn)生的含油廢水的主要來源，其中部分油基鉆井液含油量高達(dá)40%［1］，若直接排放不僅造成環(huán)境污染，而且浪費(fèi)資源。經(jīng)過預(yù)處理后的含油廢水可以通過旋流器進(jìn)行油水分離，對于一定的水樣來說，油水分離效率與壓力降、分流比、入口流量，以及旋流器結(jié)構(gòu)類型、入口直徑、溢流口直徑、底流口直徑有關(guān)［2-3］。壓力降、分流比、入口流量可以通過調(diào)節(jié)管道的閥門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，周寧玉采用STATISTICA 6.0對入口流量和分離比與分離效率的關(guān)系進(jìn)行了二次擬合［4］。但旋流器結(jié)構(gòu)類型、入口直徑、溢流口直徑、底流口直徑若直接通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計成本較高，并且未查到對這些參數(shù)進(jìn)行二次擬合的相關(guān)文獻(xiàn)。響應(yīng)曲面法分析多因素多水平的實(shí)驗(yàn)優(yōu)于正交實(shí)驗(yàn)方案，主要體現(xiàn)在能準(zhǔn)確估計達(dá)到最優(yōu)處理效率的參數(shù)［5-6］，并且液-液旋流分離定量分析結(jié)果較少。數(shù)值模擬是一種分析旋流器經(jīng)濟(jì)可行的手段［7-9］，所以本文通過數(shù)值模擬對不同尺寸的旋流器的分離效率進(jìn)行計算，并采用響應(yīng)曲面法對模擬結(jié)果進(jìn)行二次擬合，最后將優(yōu)化結(jié)果與Arterburn和Rietema設(shè)計方案進(jìn)行比較。

1 數(shù)值模擬

擬采用處理量Q＝6 m3／h，水樣柴油含量α＝20%，入口壓力P＝0.2 MPa，依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式［10］設(shè)計公稱直徑D＝75 mm、筒體高度H1＝100 mm、錐體高度H2＝250 mm的旋流器作為初始條件。根據(jù)中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計法（Central Composite Design）對入口直徑di、溢流口直徑do、底流口直徑du進(jìn)行三因素三水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計，編碼分別為X1，X2，X3，中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6，r值為1.682［11］。以溢流口油含量與入口油含量的比值除油率y為響應(yīng)值，各因素三水平由低到高分別編碼－1，0，＋1，如表1所示。

表1 各因素水平及編碼設(shè)計mm

采用ICEM CFD與Fluent對表1中的不同尺寸的旋流器進(jìn)行模擬計算，相關(guān)文獻(xiàn)指出，RSM湍流模型與Mixture混合模型計算旋流分離器具有較高的精度［12-13］。由于中心實(shí)驗(yàn)次數(shù)需要6次，模擬時采用不同的網(wǎng)格劃分精度與k-ε模型配合使用，以達(dá)到不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果表征隨機(jī)誤差，本次計算結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)以上模擬結(jié)果采用Design-Expert 8.0進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，得出二次擬合回歸方程為：y＝79.38－0.088X1＋3.40X2－7.15X3＋0.50X1X2＋0.59 X1X3＋1.33X2X3＋0.031X12－0.26X22－0.070 X32。其中y代表除油率，X1，X2和X3分別代表入口直徑、溢流口直徑和底流口直徑編碼。相關(guān)系數(shù)R2＝0.984 1，說明該方程擬合結(jié)果可靠。對擬合結(jié)果的方差分析結(jié)果如表3所示。

表2 模擬旋流器實(shí)驗(yàn)除油率

表3 回歸方程的方差分析

由上述方差分析結(jié)果可以看出其中的X2與X3的Prof＞F值小于0.000 1，說明底流口和溢流口直徑對處理效率影響極顯著［14］，是旋流分離效率的關(guān)鍵因素，在進(jìn)行模擬或者實(shí)驗(yàn)時需要對出口進(jìn)行更精確計算。X1的Prof＞F值0.790 9較大，說明入口對分離效率影響較低，入口直徑主要影響的是壓力降與能否形成旋流，較大的入口直徑阻力較小，但入口速度小，不能形成旋流，較小的入口直徑阻力較大，但入口速度大，旋流強(qiáng)度較高。

由上述方差分析結(jié)果X2X3的Prof＞F值小于0.05，說明X2與X3的交互作用影響顯著，X2，X3與除油率y的關(guān)系如圖1所示。中間紅色區(qū)域處理效率大于80%，說明溢流口與底流口直徑需要在一定的比例范圍內(nèi)能有較好的處理效率，單獨(dú)增大溢流口或底流口直徑會降低處理效率。X1，X2以及X1，X3與除油率的關(guān)系見圖2、圖3。由圖2可以看出減少溢流口的直徑會降低處理效率，入口直徑編碼值為［－2，2］，溢流口直徑編碼值＞－2，有80%以上的處理效率。由圖3可以看出底流口直徑編碼值小于0時處理效率較高。綜合以上結(jié)果可看出，溢流口直徑編碼值大約為［－2，4］，底流口直徑編碼值為［－3，0］時，處理效率較高。

圖1 X2和X3對除油率y的影響

圖2 X1和X2對除油率y的影響

圖3 X1和X3對除油率y的影響

由以上編碼值分析結(jié)果可得：對于75 mm旋流器來說，對應(yīng)的入口直徑14～22 mm，溢流口直徑18～30 mm，底流口直徑6～12 mm，具有較高的處理效率，這與實(shí)際旋流器尺寸比例基本一致。對旋流器尺寸進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)回歸方程結(jié)果，從大于90%處理效率的不同設(shè)計方案中選取入口直徑為14 mm，溢流口直徑為18.94 mm，底流口直徑為8 mm，回歸方程計算預(yù)計除油率為96.15%。

2.2 優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果對比分析

將上述結(jié)果RSM方案與Arterburn和Rietema設(shè)計方案［15-16］進(jìn)行模擬對比，并驗(yàn)證響應(yīng)曲面法估計的處理效率與模擬效率是否接近，結(jié)果如表4所示。響應(yīng)曲面法優(yōu)化結(jié)果除油率高于Arterburn和Rietema的設(shè)計方案，并且模擬結(jié)果與預(yù)測值96.15%偏差3.02%，說明預(yù)測模型可靠。各方案旋流器中油含量的分布圖如圖4所示，從圖4中可以看到RSM與Rietema油分布比Arterburn更集中于中心強(qiáng)制渦，強(qiáng)制渦區(qū)切向速度較高具有較低的壓力分布，這有利于油從溢流口分離，RSM方案在溢流口壁面附近油含量比Rietema方案少，說明RSM方案溢流口附近的短路流較少，因?yàn)镽SM方案具有較小的溢流口直徑。并且RSM方案由于入口較小具有較高的速度，那么進(jìn)入旋流器后能提供更大的離心力場，有利于油水分離，所以最終處理效率最高的是響應(yīng)曲面法優(yōu)化的RSM方案，處理效率為93.13%。

表4 各設(shè)計方案的除油率

本次優(yōu)化結(jié)果認(rèn)為入口直徑di＝（0.18～0.29） D，溢流口直徑do＝（0.24～0.4）D，底流口直徑du＝（0.08～0.16）D，都處于高除油率范圍。Arterburn認(rèn)為入口直徑di＝（0.28～0.45）D，溢流口直徑do＝0.4D，底流口直徑du＝0.1D，對比結(jié)果可以看出Arterburn溢流口直徑設(shè)計得較寬，是因?yàn)锳rterburn在應(yīng)用于固-液分離時液體的含量較高，較大的溢流口的阻力損失較小，流量較大，對于油水分離來說，溢流口部分流量應(yīng)較低，大致分流比應(yīng)在20%左右，所以RSM結(jié)果比Arterburn更好。Rietema認(rèn)為入口直徑di＝0.28D，溢流口直徑do＝0.33D，與本次優(yōu)化結(jié)果一致，但Rietema用于固-液分離的設(shè)計方法考慮了空氣柱的存在，對于液-液分離是沒有空氣柱的，所以處理效率為88.17%。

圖4 油含量分布

雖然本次優(yōu)化結(jié)果具有較高的處理效率，但是建立在已知具體水樣的分析，所以對于其它配比的水樣，還需要另外作模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。Arterburn和Rietema針對各種水樣都能使用，有不低的處理效率，若簡單計算設(shè)計可以采用，最佳方案還是用響應(yīng)曲面法來精確計算。本文主要考慮是溢流口的除油率，對于旋流器來說影響因素與評價指標(biāo)有很多，對于旋流器尺寸結(jié)構(gòu)來說，還包括錐段形式、入口形式、錐角大小、筒體高度等，響應(yīng)值需要考慮溢流口的含水率、底流口的含油率、能耗，這些同時考慮時分析較為復(fù)雜，還需要進(jìn)一步多目標(biāo)規(guī)劃，并且錐段形式，入口形式難以定量計算，所以響應(yīng)曲面法主要針對某一種具體形式進(jìn)行計算較好。

3 結(jié) 論

響應(yīng)曲面法能定量分析分離效率與旋流器尺寸的關(guān)系，了解各尺寸對分離效率的影響顯著性，并且優(yōu)化結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證后表明可靠，對于20%的含油率水樣優(yōu)化結(jié)果認(rèn)為入口直徑di＝（0.18～0.29）D，溢流口直徑do＝（0.24～0.4）D，底流口直徑du＝（0.08～0.16）D具有較高除油率，對實(shí)際工程應(yīng)用具有良好的指導(dǎo)意義。

Arterburn和Rietema設(shè)計方案常用于傳統(tǒng)型固-液分離的旋流器設(shè)計，但對于液-液分離的旋流器來說設(shè)計結(jié)果并非最優(yōu)，采用數(shù)值模擬與響應(yīng)曲面法設(shè)計旋流器能夠得到較優(yōu)的尺寸結(jié)構(gòu)，處理效率達(dá)到93.13%，優(yōu)于Arterburn和Rietema經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)際工程運(yùn)用時，可以根據(jù)溢流口含水率、底流口的含油率進(jìn)行優(yōu)化選擇。

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1005-3158（2014）05-0014-04

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.05.005

2014-05-30）

（編輯 石津銘）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“廢棄油基鉆井液旋流分離機(jī)理及脫出油循環(huán)利用研究”（51104126）。

劉宇程，2001年畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)在西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院從事油氣田污染治理方面的研究。通信地址：四川省成都市新都區(qū)新都大道8號，610500