萬(wàn)捷 林睿 葛蕓蕓 戴波 陳賢 黃申 王禮東 劉恩斌

1.中國(guó)石油新疆油田公司王家溝油氣儲(chǔ)運(yùn)中心 2.中國(guó)石油新疆油田公司 3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

均質(zhì)化是一種使懸浮液或乳化液體系中的分散物微?；?、均勻化的處理流程,這種處理方式不僅可降低分散物尺度還能改善分散物分布均勻度[1]。以新疆某油庫(kù)為例,其綜合含水率達(dá)標(biāo),但由于沉降造成底層原油含水率超標(biāo),使得外輸原油前幾個(gè)取樣含水率不達(dá)標(biāo),造成油品交接糾紛,影響油品外輸任務(wù)。為解決以上問(wèn)題,使用原油均質(zhì)化可以使外輸原油含水率達(dá)標(biāo)。常用的均質(zhì)化設(shè)備有攪拌槽、靜態(tài)混合器等。靜態(tài)混合器由于能耗低、占用空間小的優(yōu)勢(shì),在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛[2-3]。

前期的學(xué)者們大多采用實(shí)驗(yàn)方法研究某一個(gè)影響因素對(duì)原油均質(zhì)化的影響。隨著深入研究,發(fā)現(xiàn)影響因素多種多樣,流體本身的性質(zhì)和狀態(tài)以及混合單元的改變,甚至如添加劑等都會(huì)影響靜態(tài)混合器分布混合效果甚至改變液滴聚并和破碎的機(jī)制[4-6],單一的實(shí)驗(yàn)難以對(duì)靜態(tài)混合器分散效果和液滴破碎進(jìn)行完整的描述,需要更先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)靜態(tài)混合器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析。

隨著相關(guān)理論的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)被廣泛應(yīng)用于靜態(tài)混合器中的多相流流場(chǎng)研究。其中,分布混合效果主要通過(guò)顆粒跟蹤以確定停留時(shí)間分布(RTD)、均勻性和變異系數(shù);分散混合效果主要采用群體平衡方程對(duì)液滴尺寸分布進(jìn)行描述[7]。Haddadi等[8]采用液滴尺寸分布(DSD)和停留時(shí)間分布(RTD)研究了Kenics靜態(tài)混合器對(duì)水-硅油和水-苯這兩種互不相溶液體湍流分散效果;Leclaire等[9]采用格子玻爾茲曼方法預(yù)測(cè)SMX靜態(tài)混合器中流速與壓差關(guān)系,對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單相流和兩相流平均差異分別為10.7%和16.6%。王宗勇等[10]采用FLEUNT軟件中群體平衡模型預(yù)測(cè)Kenics靜態(tài)混合器中的液滴平均直徑和液滴尺寸分布,重點(diǎn)研究雷諾數(shù)、混合單元數(shù)和長(zhǎng)徑比等因素對(duì)靜態(tài)混合器沿線平均粒徑大小和液滴尺寸分布影響。綜上所述,基于CFD的方法能有效地研究靜態(tài)混合器中均質(zhì)化效果的影響因素并對(duì)均質(zhì)化效果進(jìn)行量化表示,有利于進(jìn)一步改善靜態(tài)混合器的均質(zhì)化性能。

將Kenics靜態(tài)混合器引入到原油輸送過(guò)程中,對(duì)含水原油進(jìn)行均質(zhì)化處理,解決含水原油中水分分布不均勻或大量聚集的現(xiàn)象,為解決現(xiàn)場(chǎng)含水率不均勻?qū)е碌脑徒唤蛹m紛提供參考和理論依據(jù)。

1 Kenics靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)

采用三維建模軟件Solidworks對(duì)Kenics靜態(tài)混合器中的混合單元進(jìn)行建模,如圖1所示。混合單元的直徑與管道內(nèi)徑相等,初始長(zhǎng)徑比L/D為1∶1,厚度為10 mm。管線尺寸為DN200 mm,模型原點(diǎn)位于混合單元入口,內(nèi)部設(shè)置6個(gè)混合單元,混合單元長(zhǎng)度為1 242 mm,如圖2所示。流體進(jìn)入混合單元之前有一個(gè)預(yù)混合區(qū),其長(zhǎng)度L1為414 mm,第6個(gè)混合單元與管線出口的距離L2為1 242 mm,模型原點(diǎn)位于第1個(gè)混合單元左側(cè)直徑中心處,管線總長(zhǎng)L0為2 898 mm?？紤]到混合單元呈不規(guī)則的扭曲狀,針對(duì)靜態(tài)混合器計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了更好地捕捉近壁面區(qū)域流體流動(dòng)特征,采用了膨脹層(inflation)網(wǎng)格進(jìn)行過(guò)渡,并對(duì)混合單元壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密,Kenics靜態(tài)混合器的網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

2 數(shù)值計(jì)算方法

以新疆某油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用FLUENT軟件對(duì)Kenics靜態(tài)混合器的混合單元排列方式、扭角、長(zhǎng)徑比和數(shù)量進(jìn)行模擬,分析其對(duì)均質(zhì)化效果的影響。

2.1 多相流模型及湍流模型

由于研究的是油水兩相,故采用多相流模型。FLUENT軟件中的多相流模型包括Volume of Fluid模型(VOF模型)、混合模型(Mixture模型)和歐拉模型(Eulerian模型)。VOF模型適用于跟蹤兩種及以上不相容流體界面位置。Mixture模型適用于分散相分布較廣的情況,其計(jì)算量小、穩(wěn)定性高;Eulerian模型的分散性只集中于區(qū)域某一部分,計(jì)算量較大,但精度高。考慮到計(jì)算量和靜態(tài)混合器內(nèi)存在分散相破碎且流動(dòng)復(fù)雜的情況,最終選用Mixture模型[11],對(duì)應(yīng)的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如式(1)和式(2)所示。

(1)

湍流模型主要包括Realizablek-ε模型和RNG模型,RNG模型適用于模擬中度旋流,Realizable模型適用于模擬強(qiáng)旋流,考慮到Kenics靜態(tài)混合器內(nèi)部流場(chǎng)主要為強(qiáng)旋流,因此,采用Realizablek-ε模型,該模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程基礎(chǔ)上加入與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的項(xiàng)[12-13],k與ε的運(yùn)輸方程如式(3)和式(4)所示。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k的生成項(xiàng);Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能k的生成項(xiàng);YM為可壓縮性修正項(xiàng);Sk、Sε分別為k方程和ε方程的源項(xiàng)。

2.2 群體平衡模型(PBM模型)

由于均質(zhì)化分為分布混合和分散混合,而分散混合描述了粒子在體系中的粒徑變化,因此,研究油水混合物在Kenics靜態(tài)混合器中的均質(zhì)化過(guò)程需要對(duì)分散相的粒徑進(jìn)行表述,考慮其內(nèi)部的液滴粒徑分布以及聚并和破碎現(xiàn)象,采用Mixture模型與PBM模型相耦合的模型方法預(yù)測(cè)流場(chǎng)對(duì)分散相液滴平均粒徑和粒徑分布的影響[14-15]。由于需要計(jì)算粒徑分布,因此,選用均一離散法將分散相液滴離散為有限的幾種粒徑間隔并耦合CFD方法進(jìn)行求解計(jì)算。聚并模型和破碎模型分別選擇Turbulent模型和Luo模型[16-18]。群體平衡模型中的群體平衡方程如式(5)所示。

(5)

式中：S(v,t)為液滴聚并和破碎的源項(xiàng),其表達(dá)見(jiàn)式(6)。

S(v,t)=Bc(v,t)-Dc(v,t)+Bb(v,t)-Db(v,t)

(6)

式中：v為液滴體積,m3;n為數(shù)量密度函數(shù),t為時(shí)間,s。

2.3 邊界條件及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

以油水混合體系進(jìn)行數(shù)值模擬,油為連續(xù)相,水為分散相。油水物性參數(shù)見(jiàn)表1。管線入口邊界條件為1 m/s的速度入口,設(shè)置入口1和入口2的初始含水率分別為2.0%和0.4%,采用均一離散法將管內(nèi)粒徑分為10個(gè)區(qū)間,入口水滴粒徑的初始值設(shè)置為Bin-0、Bin-1和Bin-2三種。出口邊界條件定義為壓力出口,壁面均采用無(wú)滑移邊界條件。由于油水為不可壓縮流體,所以壓力和速度耦合采用SIMPLE算法,離散格式除體積外均為二階迎風(fēng)格式,動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率等指標(biāo)收斂精度均為10-4。

表1 油水物性參數(shù)介質(zhì)密度/(kg·m-3)黏度/(mPa·s)油869.00043.430 0水997.0740.893 7

為了保證數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性,針對(duì)Kenics靜態(tài)混合器幾何模型,利用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS Meshing劃分了5種不同網(wǎng)格數(shù)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)分別為1 303 755、1 802 723、3 062 984、4 110 626、5 012 696。在相同參數(shù)條件下,根據(jù)流體通過(guò)靜態(tài)混合器的壓降進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如圖4所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到3 062 984時(shí),隨著網(wǎng)格數(shù)的增加,壓降變化較小。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率,選擇網(wǎng)格數(shù)為3 062 984作為最終的計(jì)算網(wǎng)格。

2.4 均質(zhì)化效果評(píng)價(jià)方法

為了定量分析均質(zhì)化效果,采用變異系數(shù)(CoV)和索特平均直徑(d32)分別對(duì)分散物分布均勻度和分散物粒度進(jìn)行表示,其表達(dá)式分別如式(7)、式(8)所示。

(7)

(8)

3 結(jié)果與討論

3.1 混合單元排列方式對(duì)均質(zhì)化效果的影響

為探究不同混合單元排列方式對(duì)均質(zhì)化效果的影響,劃分了混合單元排列方式為同向順排、同向叉排、異向順排和異向叉排的4種Kenics靜態(tài)混合器模型。圖5所示為4種結(jié)構(gòu)下的水相體積分布云圖。從圖5可看出,相比于同向順排和異向順排,同向叉排和異向叉排明顯有更好的分布混合效果,并且同向排列時(shí)不能實(shí)現(xiàn)水相的均勻分布。當(dāng)排列方式為同向叉排時(shí),流體流出混合單元后仍然存在水相分布不均勻的現(xiàn)象,而異向叉排時(shí)流體流出混合單元后已經(jīng)完全混合均勻。因此,交叉排列時(shí)對(duì)流體的切割分流效果是影響流體分布混合效果的主要因素,異向排列時(shí)對(duì)流體流動(dòng)方向的改變對(duì)分布混合效果的影響仍然較大,只是略小于同相排列時(shí)的流動(dòng)方向。

采用變異系數(shù)對(duì)分布混合效果進(jìn)行量化表示,變異系數(shù)越小,分布混合效果越好。如圖6所示,隨著排列方式的變化,管線出口的變異系數(shù)逐漸減小,其分布混合效果從優(yōu)到劣依次為異向叉排、同向叉排、異向順排、同向順排,叉排時(shí)相同位置對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)最小,異向叉排的變異系數(shù)小于同向叉排,并且在流出最后一個(gè)混合單元(軸向距離(z)=1 242 mm)后保持穩(wěn)定,這與圖6得出的結(jié)論相同。

圖7所示為不同排列方式下管線內(nèi)液滴平均粒徑變化曲線圖。從圖7可看出,管線內(nèi)水滴的平均粒徑都隨著通過(guò)混合單元個(gè)數(shù)的增加而降低,管內(nèi)最終的液滴平均粒徑從小到大依次為異向叉排、異向順排、同向叉排、同向順排,同向排列時(shí)對(duì)水滴的破碎效果較弱,液滴平均粒徑變化不大。由此可以看出,相較于對(duì)流體的切割分流,對(duì)流體流動(dòng)方向的改變更能引起液滴破碎,為了兼顧分布混合和分散混合宜采用異向叉排的排列方式。

3.2 混合單元扭角對(duì)均質(zhì)化效果的影響

為了探究混合單元扭轉(zhuǎn)角度對(duì)均質(zhì)化效果的影響,劃分了混合單元扭轉(zhuǎn)角度為90°、120°、150°、180°、210°和240°共6種Kenics靜態(tài)混合器模型。圖8所示為不同扭角的變異系數(shù)曲線圖。從圖8可看出,變異系數(shù)隨扭轉(zhuǎn)角度的增大而降低,并且扭轉(zhuǎn)角度越大,變異系數(shù)降低的速度越快。當(dāng)扭角為90°和120°時(shí),在z=1 863 mm處,其變異系數(shù)有增大的趨勢(shì),最終出口的變異系數(shù)值為0.144 2和0.107 9。表明較小的扭角不能保持油水混合物的分布混合效果,在流出混合器后可能會(huì)出現(xiàn)油水分層流動(dòng)現(xiàn)象。隨著扭角的增大,當(dāng)扭角為240°時(shí),變異系數(shù)在z=1 242 mm處趨于穩(wěn)定,而較小的扭角在此處的變異系數(shù)并不能達(dá)到穩(wěn)定。因此,扭角越大,變異系數(shù)越小,并且越快達(dá)到穩(wěn)定。

圖9為不同扭角的液滴平均粒徑變化曲線圖。從圖9可看出,液滴平均粒徑隨扭角的增大而明顯減小,當(dāng)扭角為240°時(shí),出口處的液滴平均粒徑為99.27μm,較大的扭角具有更強(qiáng)的剪切力和拉伸力,能使水滴有效地破碎。綜上所述,較大的扭角有利于獲得較好的均質(zhì)化效果。

3.3 混合單元長(zhǎng)徑比對(duì)均質(zhì)化效果的影響

圖10所示為不同長(zhǎng)徑比的變異系數(shù)曲線對(duì)比。從圖10可看出,隨著長(zhǎng)徑比的降低,出口處的變異系數(shù)減小并逐漸趨于相同。當(dāng)長(zhǎng)徑比為1.75∶1.00時(shí),變異系數(shù)在管線出口處仍然呈下降趨勢(shì),此時(shí)達(dá)到完全混合需要更多的混合單元。而在長(zhǎng)徑比為0.50∶1.00、0.75∶1.00、1.00∶1.00、1.25∶1.00和1.50∶1.00的混合器中,變異系數(shù)值分別在z=621 mm、z=1 035 mm、z=1 242 mm、z=1 656 mm、z=1 863 mm處達(dá)到穩(wěn)定,表明長(zhǎng)徑比越小,變異系數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定所需要的混合單元數(shù)量也越少,越有利于對(duì)油水的分布混合。

圖11所示為不同長(zhǎng)徑比的液滴平均粒徑變化曲線圖。從圖11可看出,隨著長(zhǎng)徑比的降低,管線內(nèi)液滴平均粒徑的下降幅度越來(lái)越大。當(dāng)長(zhǎng)徑比為0.50∶1.00時(shí),對(duì)應(yīng)的出口水相液滴平均粒徑為55.14 μm。隨著長(zhǎng)徑比的減小,液滴平均粒徑達(dá)到穩(wěn)定所需要的混合單元數(shù)量減少。這是因?yàn)榱黧w流經(jīng)相同的距離時(shí),長(zhǎng)徑比越小,其通過(guò)的混合單元個(gè)數(shù)越多,流體流向被改變的次數(shù)越多,所受拉伸作用和湍動(dòng)效果的次數(shù)越多。因此,長(zhǎng)徑比越小,出口處的液滴平均粒徑越小。綜上所述,較小的長(zhǎng)徑比有利于獲得較好的均質(zhì)化效果。

3.4 混合單元數(shù)量對(duì)均質(zhì)化效果的影響

根據(jù)對(duì)混合單元長(zhǎng)徑比的研究發(fā)現(xiàn),為了獲得較好的均質(zhì)化效果,長(zhǎng)徑比越小,需要通過(guò)的混合單元數(shù)量越多。因此,混合單元數(shù)量對(duì)均質(zhì)化效果有較大影響。為了探究混合單元數(shù)量對(duì)均質(zhì)化效果的影響,劃分了混合單元數(shù)量分別為0、2、4、6、8、10共6種混合器模型。圖12所示為不同混合單元數(shù)量的變異系數(shù)曲線。從圖12可看出,混合單元數(shù)量為0,即空管時(shí)的變異系數(shù)呈上升趨勢(shì),說(shuō)明空管時(shí)幾乎不存在分布混合現(xiàn)象,并且水相的分布越來(lái)越不均勻。隨著混合單元數(shù)量的增多,變異系數(shù)明顯呈下降趨勢(shì),當(dāng)混合單元數(shù)量達(dá)到4個(gè)及以上時(shí),最終得到的變異系數(shù)值幾乎不存在太大差別,再增加混合單元數(shù)量只能保持變異系數(shù)的穩(wěn)定,并不能使其減小。

圖13所示為不同混合單元數(shù)量的液滴平均粒徑變化曲線。由圖13可知,空管時(shí)整體的液滴平均粒徑呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),對(duì)應(yīng)的出口液滴平均粒徑為248.13 μm。這是因?yàn)榇藭r(shí)流體狀態(tài)為自然流動(dòng),液滴在碰撞時(shí)聚并為大液滴。隨著混合單元數(shù)量的增加,管線出口的液滴平均粒徑逐漸下降,下降幅度逐漸趨于平緩,這是由于每通過(guò)一個(gè)混合單元,流體都會(huì)被切割和分流,從而將大液滴切割為小液滴。且混合單元數(shù)越多,湍動(dòng)效果持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)應(yīng)的水相液滴平均粒徑越小。當(dāng)混合單元數(shù)為10個(gè)時(shí),對(duì)應(yīng)的出口液滴平均粒徑為103.58 μm。因此,混合單元數(shù)量越多,出口處的液滴平均粒徑越小。綜上所述,較多的混合單元數(shù)量有利于獲得較好的均質(zhì)化效果。

5 結(jié)論

(1) 含水原油在Kenics靜態(tài)混合器中流動(dòng)時(shí),混合單元對(duì)流體的切割分流是影響分布混合效果的主要因素,對(duì)流體流向的改變也是影響分散混合效果的主要因素。

(2) 同向排列和異向排列的區(qū)別在于是否改變流體流向,叉排和順排的區(qū)別在于是否對(duì)流體進(jìn)行切割分流。因此,為了兼顧分布混合效果和分散混合效果,選用異向叉排的排列方式能得到較好的均質(zhì)化效果。

(3) 混合單元扭角越大,對(duì)流體的湍動(dòng)效果和拉伸作用越強(qiáng),管線出口處的變異系數(shù)和液滴平均粒徑越小,均質(zhì)化效果越好。但在扭角較小時(shí),出口處的變異系數(shù)有增大的趨勢(shì),這表明較小的扭角不能保持油水混合物的分布混合效果,在流出混合器后可能會(huì)出現(xiàn)油水分層流動(dòng)現(xiàn)象。

(4) 隨著混合單元長(zhǎng)徑比的減小,管線出口處的變異系數(shù)和液滴平均粒徑呈下降趨勢(shì),達(dá)到穩(wěn)定時(shí),流體流經(jīng)的距離變短,流體流經(jīng)相同的距離時(shí)通過(guò)的混合單元數(shù)量增多,且通過(guò)的混合單元數(shù)量越多,均質(zhì)化效果越好。