張 偉 健， 胡 大 鵬

( 大連理工大學(xué) 化工學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

目前，我國大部分油田已進(jìn)入高含水階段．此前，油田采出液一般采用電脫水法處理，而電脫水器容易穿越電場，處理后的油水含量超標(biāo)，不能滿足預(yù)期的處理要求[1-3]．臥螺離心機(jī)更適合油泥資源化處理的工業(yè)化應(yīng)用．但它的局限性是在三相分離中分離出的固相不夠純凈，會混入較多的油相，分離效率也需要進(jìn)一步提升[4-6]．

朱桂華等[7]對離心機(jī)內(nèi)部物料進(jìn)行三維模型的建立，結(jié)合Fluent軟件選用RNGk-ε湍流模型與多重參考系模型，對流場內(nèi)固、液兩相進(jìn)行模擬仿真，得到不同轉(zhuǎn)速差下三相臥螺離心機(jī)流道的速度和壓力云圖，以及出砂口固相的干燥程度與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線．鄭勝飛等[8]采用Fluent軟件中的雷諾應(yīng)力模型和離散相模型模擬離心機(jī)三維流場，得到流場內(nèi)的壓力和速度分布，顆粒沉降時間與理論計算結(jié)果相符合．

含油污泥是石油開采、提煉、加工、儲存、運輸?shù)冗^程中產(chǎn)生的主要廢物．它通常是一種由水、油、砂三相組成的高度穩(wěn)定的乳狀液，其中含有大量的碳?xì)浠衔?PHCs)．如果不能將其回收處理，大量的含油污泥會污染地表．而且從污泥中回收原油也將具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[9-11]．三相機(jī)械離心分離技術(shù)具有能耗低、污染小、操作簡單等優(yōu)點，適用于污泥資源化處理的工業(yè)應(yīng)用[12-13]．本文將采用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬以及實驗驗證的方法，對三相臥螺離心機(jī)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分離性能進(jìn)行研究．

1 多相流和湍流模型

在流體力學(xué)軟件Fluent中有3種多相流模型：VOF、Mixture及Euler模型．本文將采用Mixture模型[14]．該模型適合離心機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中分散相不均勻分布的特點．

湍流模型選用RNGk-ε雙方程湍流模型[15]，其具有可解決高應(yīng)變率和高流線彎曲率的優(yōu)點，適合進(jìn)行三維非定常不可壓縮流場計算．

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

uiS+Fmi

(2)

脈動動能的輸運方程：

(3)

(4)

經(jīng)過簡化后的雙方程模型中的k方程就變成以下形式：

(5)

湍流能量耗散方程是不封閉的，通過模化，經(jīng)過量級比較舍去高階項，雙方程中的ε方程就變成以下形式：

(6)

式中，通常取

c1=1.45，c2=1.92，σk=1.0，μt=0.09ρk2/ε

湍流強(qiáng)度取決于進(jìn)料速度以及轉(zhuǎn)鼓和螺旋的旋轉(zhuǎn)速度，它是從式(7)和(8)中計算出來的．

I=u′/uavg≈0.16(Re)-1/8

(7)

其中，Re=ρutd/μ

(8)

2 結(jié)構(gòu)和數(shù)值模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

根據(jù)三相分離的特點，建立了三相臥螺離心機(jī)的三維模型，如圖1所示．

圖1 三相臥螺離心機(jī)的三維模型圖

該模型有3個主要特點，如圖2所示：

(1)擋油板在圓柱段靠近與錐段連接處，防止油相在螺旋輸送器的推動下從出砂口流出．

(2)在圓柱段出口處設(shè)置一個類似連通器的結(jié)構(gòu)，這使得油和水沿著它們各自的路徑移動到單獨的出口，并且控制出水口和出油口的徑向高度，使得出水口與出油口的壓力近似相等．

圖2 出水口、出油口以及螺旋輸送器

(3)在螺旋輸送器圓柱段葉片上開孔，使擋油板擋住的油相可以通過開孔流回出油口，防止油相在擋油板處堆積，最后溢過擋油板，從出砂口流出．

這種三相臥螺離心機(jī)的新穎性和優(yōu)點主要有：擋油板可以防止油滴繼續(xù)向出砂口移動；螺旋輸送器葉片上開孔的設(shè)計可以使油相盡可能地從出油口流出，提高分離效率．

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)三相臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)模型建立數(shù)值模型．歸納其幾何參數(shù)見表1．

表1 三相臥螺離心機(jī)幾何模型基本尺寸

在對結(jié)果影響不大的前提下，移除了管道、法蘭、肋板等結(jié)構(gòu)，簡化出油、出水、進(jìn)料口結(jié)構(gòu)，更多關(guān)注轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場，將流場模型簡化為如圖3所示．

圖3 三相臥螺離心機(jī)簡化后流場模型

2.3 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS自帶的meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分．螺旋輸送器葉片外沿到內(nèi)壁2 mm的筒狀部分，由六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格sweep劃分，其余部分由四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分．整個網(wǎng)格形式采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格形式．離心機(jī)模型單元數(shù)為1 050 474．網(wǎng)格質(zhì)量檢查顯示平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.83，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好，滿足計算要求．

2.4 計算條件

2.4.1 邊界條件使用 使用Fluent 2019 R3計算其內(nèi)部流場．在轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間設(shè)置interface面，轉(zhuǎn)鼓和螺旋軸壁面剪切條件為無滑移條件，壁面為滑動壁面．

入口定義為速度入口，3個出口定義為壓力出口(表壓為零)．物理特性和操作參數(shù)見表2、3．

表2 進(jìn)料物理特性

表3 三相臥螺離心機(jī)操作參數(shù)

2.4.2 數(shù)值設(shè)定 油、水、砂三相都視為不可壓縮流體，采用多重參考系模型計算流體區(qū)域的運動．由于流體處于湍流狀態(tài)，將RNGk-ε方程作為湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行近壁處理，計算使用分離的隱式和SIMPLE方法[16]，采用瞬態(tài)法計算，時間步長設(shè)置為0.03 s，直到結(jié)果穩(wěn)定．

2.5 出水口和出油口位置的確定

在離心機(jī)的設(shè)計中，存在一個關(guān)鍵的問題，即出油口和出水口位置的確定．在排液過程中，如果油、水兩相壓力差較大，排液會出現(xiàn)明顯的先后順序，這樣會使油、水兩相從同一出口排出，嚴(yán)重影響分離效率．因此需要對出油口和出水口的壓力進(jìn)行計算，從而確定兩者位置關(guān)系．

油水砂三相分離水力平衡如圖4所示，通過螺旋輸送器葉片開孔位置、出油口距中心軸半徑以及大量模擬，可知油相的穩(wěn)定厚度約為 15 mm，平衡線保持在re處，即re=145 mm．出油口距中心軸半徑為134 mm，出油口半徑為4 mm．為了出油口能穩(wěn)定出油并保證其回收效率，需要利用這些已知條件，通過排液壓力來確定出水口的位置．

圖4 三相分離水力平衡

出油口與出水口壓力相等：

(9)

在離心機(jī)中，液體在做圓周運動，有著離心力ω2r．

質(zhì)量為m的顆粒，離心力是其質(zhì)量與加速度的乘積，表示為

F=mrω2

(10)

轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與角速度之間的關(guān)系為

(11)

通過離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速可以計算出任意徑向位置物料所受到的離心力．由式(10)和(11)可以得出在固定轉(zhuǎn)速下，其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)任意徑向位置的離心加速度

a=ω2r=(2πn/60)2r

(12)

為了讓出水口與出油口的壓力相同，平衡線re處的壓力為

(13)

由式(12)和(13)，得

(14)

計算得到出水口距中心軸半徑為132.39 mm，出水口半徑為4 mm．

在運行過程中，如果出水口壓力大于出油口壓力，則會導(dǎo)致排水速度大于排油速度，使油相厚度增加，使出水口壓力下降；反之，如果出水口壓力小于出油口壓力，則會導(dǎo)致排水速度小于排油速度，使油相厚度減小，出水口壓力上升．在一定范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)排液壓力平衡的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證排液穩(wěn)定．

3 模擬結(jié)果和討論

3.1 離心機(jī)改進(jìn)前油相體積分?jǐn)?shù)分布分析

離心機(jī)改進(jìn)前未設(shè)導(dǎo)油孔，油相回收率十分有限，而且在連續(xù)工作時，會出現(xiàn)油相在擋油板處過度堆積的問題．

圖5為不同時刻z=0截面油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖中可以明顯看出，在t=9 s之前，擋油板能夠阻止油相進(jìn)入錐段，防止油相從出砂口排出．在t=21 s時，隨著設(shè)備的運行，油相在螺旋輸送器的推動下于擋油板處堆積，最后溢出，使油相從出砂口推出，導(dǎo)致油相回收率下降，固相含油率上升，影響分離效率．

3.2 離心機(jī)改進(jìn)后油相體積分?jǐn)?shù)分布分析

模擬結(jié)果表明，在螺旋輸送器的推動下，油相很難從離心機(jī)內(nèi)壁面與螺旋輸送器葉片外端的縫隙中流向出油口．因此，通過在螺旋輸送器葉片上開設(shè)導(dǎo)油孔，使油能夠順暢地從出油口流出，避免油相在擋油板處堆積，影響分離效率．

同時，通過分析發(fā)現(xiàn)，物料在進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓時，會帶有徑向的速度．當(dāng)進(jìn)料位置距離擋油板過近時，會在螺旋輸送器的推動下，直接越過擋油板，導(dǎo)致油相回收率下降以及出砂口含油率增加，影響分離效率．

因此，通過大量的計算機(jī)模擬，不斷優(yōu)化，最終做出以下改進(jìn)：螺旋輸送器上增加了周向24個導(dǎo)油孔，并且將進(jìn)料位置向大端法蘭移700 mm(見圖2)．

圖6為改進(jìn)后不同時刻z=0截面油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖中可以明顯看出變化，在長時間運行穩(wěn)定后，油相依然沒有溢出擋油板，油相堆積得到了很好的解決，這種改進(jìn)方法能夠提高油相回收率．

模擬結(jié)果表明，運行穩(wěn)定時油、水、砂三相分層明顯，出油口處幾乎沒有其他相，油相回收率得到很大的提高．

3.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比

分離效率主要由各個出口處油和砂的體積分?jǐn)?shù)來反映．為了便于計算，用油相回收率和固相回收率來分別評價油和砂的分離效率[17]．

油相回收率為出油口出油量占入口進(jìn)油量的百分比．固相回收率為出砂口出砂量占入口進(jìn)砂量的百分比．

在模擬過程中，監(jiān)測各個出口的流量以及各組分體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果計算分離效率．

在轉(zhuǎn)速2 800 r/min，轉(zhuǎn)速差30 r/min，入口流量5.19 m3/h，入口含水率0.7、含油率0.2、含砂率0.1的條件下，改進(jìn)前后分離效率對比見表4、5．

表4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前分離效率模擬結(jié)果

表5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后分離效率模擬結(jié)果

計算結(jié)果表明，增加導(dǎo)油孔，出水口含油率從10.2%下降到5.3%，出油口含油率也大幅度提升，油相回收率從59.4%提高到83.0%，固相回收率基本沒有變化．結(jié)構(gòu)改進(jìn)后極大地提高了油相回收率，改進(jìn)效果顯著．

4 實驗驗證

根據(jù)三相臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)及特點，畫出整套零件圖和裝配圖，然后依據(jù)圖紙到加工廠生產(chǎn)制造設(shè)備，搭建實驗平臺，如圖7所示．

圖7 三相臥螺離心機(jī)油水砂分離實驗平臺

實驗步驟如下：

(1)準(zhǔn)備工作．實驗用的原料為自來水、原油和石英砂，按照體積比7∶2∶1的比例進(jìn)行配制．

對物料邊加熱邊攪拌，確保物料進(jìn)入三相臥螺離心機(jī)前充分混合．

(2)空載運行以及熱水預(yù)熱．關(guān)閉進(jìn)料閥和螺桿泵，開啟離心機(jī)主副變頻器，逐漸加速使離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和螺旋達(dá)到較高轉(zhuǎn)速．然后將螺桿泵通入熱水罐，啟動螺桿泵，再逐漸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，觀察各個進(jìn)出口的流量變化．

(3)測試離心機(jī)的分離效率．關(guān)閉螺桿泵，讓轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的水自然排盡，然后將進(jìn)料攪拌桶、螺桿泵、臥螺離心機(jī)三者相連，開啟螺桿泵，開始進(jìn)料．調(diào)節(jié)主副變頻器逐漸使轉(zhuǎn)鼓加速，使其處于恒定轉(zhuǎn)速，保持進(jìn)料物理特性和其他操作參數(shù)(見表2、3)不變，對離心機(jī)進(jìn)料、出油、出水及出砂進(jìn)行采樣并測量．

(4)測試改進(jìn)的離心機(jī)的分離效率并記錄數(shù)據(jù)．更換螺旋輸送器，重復(fù)上述操作．

對實驗分離出來的樣品進(jìn)行采樣編號，之后采取焚燒法確定各組分含量．測量方法如下：首先，取一個清潔干燥恒重后的坩堝，稱重，加入待測樣品約10 g，再次稱重，然后將坩堝和樣品一起放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，稱重；最后將干燥后的樣品進(jìn)行充分焚燒，稱重．根據(jù)以上操作記錄下的數(shù)據(jù)，可以計算出各個組分的含量，得到分離效率見表6、7．

表6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前分離效率實驗結(jié)果

表7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后分離效率實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的離心機(jī)確實能夠顯著提升出油口含油率以及油相回收率，與模擬結(jié)果相符．但實驗中發(fā)現(xiàn)出油口含砂率與模擬相比差別較大，且含量很高，導(dǎo)致固相回收率不高．

通過觀察樣品發(fā)現(xiàn)，出油口的固相顆粒相比于出砂口的固相顆粒普遍偏小，且密度較?。偨Y(jié)原因，實驗使用的石英砂粒徑和球形度不夠均勻，且存放時間過長混入了大量灰塵，這些固相形成浮渣從出油口排出．

5 結(jié) 論

(1)通過水力平衡計算，控制油、水兩相在出口位置的壓力相等，從而確定出水口的位置．在一定范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)排液壓力平衡的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證排液穩(wěn)定．

(2)數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的三相臥螺離心機(jī)在螺旋輸送器的作用下，會將部分油相推向出砂口，影響分離效率．增加導(dǎo)油孔的設(shè)計可以使油相軸向流動，大大地減少了油相在擋油板處的堆積，對提升分離效率有積極作用．

(3)實驗中油相回收率大幅度提升，能夠證明導(dǎo)油孔在提升分離效率的實際作用．但在實驗中也發(fā)現(xiàn)，浮渣對分離效率影響極大，在以后的實驗中要選擇更加純凈、大小均勻的固相顆粒，而且要避免露天堆放混入灰塵．