（化学工程专业论文）波纹板聚结器流动特性的数值模拟.pdf

中文摘要 波纹板聚结器是油田油水分离装置的重要设备。随着我国三次采油行业的 迅速发展，原油采出液的物化性质发生很大变化，主要表现在原油在水中的乳化 ，程度和稳定性的增强。现有油水分离装置的除油效率变低，要求开发适合采出液 特点的油水分离器。本文从考察设备的流动特性入手，研究了不同内构件与流场 分布之间的关系，筛选出性能优越的稳流构件，为分散相在连续相中的浮升与聚 结提供更有利的流场条件，从而优化油水分离设备的结构，提高油水分离器的分 离效率。 本文利用c f d 软件，系统模拟了油水分离器各种内构件流场分布规律，并 对计算结果进行了对比分析，筛选出了性能优越的内构件。模拟计算结果表明： ( i ) 入口构件可有效改善分离器内流场的分布状况，减缓了入口流体对分离器内 流体的冲击，使分离器内部流场更接近柱塞流动，更有利于油水两相的分离。其 中离心式入口构件较其他构件综合性能更优越，可优先选择。( 2 ) 流体经过布液 板后，明显改善了流场的分布状况，有效抑制了漩涡和返混的产生。 采用拉格朗日两相流模型，对油滴的浮升过程进行了模拟计算，考察了油 滴粒径、分离器负荷与分离效率之间的关系。模拟结果表明：( 1 ) 油滴在分离器 中的停留时间增加，其分离效率逐渐增大。当采出液中油滴的粒径较小( 1 0 岬) 时，单靠油滴的浮升过程很难实现油水两相的分离。( 2 ) 可以采用在分离器内部 加装聚结填料的方法，改变分离器内部的流动状况，增加油滴的碰撞聚并被填料 捕获的机会，从而提高油水分离效率。 波纹板聚结器数值模拟结果表明，聚结填料彼此相邻的流体通道交错贯通， 使得填料内部流体交错流动，大大增加了油滴的聚结机率，提高了油水分离效率； 另外在聚结填料后方加大稳流空间，更有利于提高油水两相的分离。 关键词：油水分离器；波纹板聚结填料；油滴浮升；数值模拟 a b s t r a c t c o r r u g a t e ds h e e tc o a l e s c e ri st h em a j o re q u i p m e n tf o rr e m o v i n gw a t e rf r o mo i l 。 a st h et e r t i a r yo i lr e c o v e r yt e c h n o l o g yr a p i d l yd e v e l o p e d , t h ep r o p e r t yo fp r o d u c e d l i q u i dh a sc h a n g e dg r e a t l y e 孵i a l l yt h es t a b i l i t yo ft h ec r u d eo i le m u l s i f i e di nw a t e r h a ss 打e n g t h e n e d 砸1 cp o o re f f i c i e n c yo fs e p a r a t o rn o wa v a i l a b l ec o u l dn o ts a t i s f yt h e r e q u e s to fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s e p a r a t o rw h i c hi sa p p r o p r i a t ef o rt e r t i a r y o i l r e c o v e r yt e c h n o l o g yn e e d st ob ed e v e l o p e d 。髓es e p a r a t i n gp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d b yr e s e a r c h i n ge q u i p m e n t s f l o w i n gp r o p e r t i e s 髓er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wf i e l d s d i s t r i b u t i o na n dt h ei n t e r i o rs t r u c t u r e sw a si n v e s t i g a t e d s ot h es e p a r a t o r ss t r u c t u r e w a so p t i m i z e df o ri m p r o v h u gt h es e p a r a t i n ge f f i c i e n c y i no r d e rt oo p t i m i z ew a t e r - o i ls e p a r a t i o ne q u i p m e n t , t h ef l o wf i e l d sw i t ht h r e e k i n d so fi n l e tc o m p o n e n t sw e r es i m u l a t e ds y s t e m a t i c a l l yu s i n gc f ds o i l w a r e 强e c o m p u t a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e da n dt h ei n l e tc o m p o n e n tw h i c hh a sh i g h p e r f o r m a n c ew a ss e l e c t e df o rt h es e p a r a t o r 1 1 1 ef i n d i n g si n d i c a t e da sf o l l o w s ：1 t h e e n t r a n c ec o m p o n e n te f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h es e p a r a t o r a n ds l o w e dd o w nt h ei n i t i a lf l o wf i e l di m p a c t i te n a b l ei n t e r i o rf l o wi n s i d et h e s e p a r a t o rc l o s et op l u n g e rf l o w , s u p p r e s s i n ga n dr e d u c i n gt h ee d d yc u r r e n ta n d 她她 w h i c hw a sm o r ea d v a n t a g e o u st os e p a r a t i n gp r o c e s s 强ec e n t r i f u g a l t y p ee n t r a n c e c o m p o n e n tc o m p a r e so t h e rc o m p o n e n tp e r f o r m a n c et ob em o r es u p e r i o r , m a yc h o o s e f i r s t l y 2 w h e nt h ef l u i df l o wo u to fp e r f o r a t e dp l a t e ，t h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n c o n d i t i o n si m p r o v e do b v i o u s l y t h ee d d yc u r r e n ta n dr e t u r n si s s u p p r e s s e da n d r e d u c e d ： t r a j e c t o r yo fo i ld r o p l e t sw e r es i m u l a t e dw i t ht w o - p h a s el a n g r a g em o d e l t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dd i a m e t e ro ft h eo i ld r o p l e t sa sw e l la s r e s i d e n tt i m ew a ss t u d i e d s i m u l a t i o nr e s u l t so fo i ld r o p l e t sd r i p p i n gp r o c e s si n d i c a t e d ： 1 e f f i c i e n c yo fs e p a r a t i o nw i l lb ei m p r o v e da st h er e s i d e n tt i m ei n c r e a s e s w h e nt h e o i ld r o p l e td i a m e t e ri ss m a l l e rt h a nlo l a m , i tw i l lb ev e r yd i f f i c u l t l yt or e m o v ei tf r o m m i x t u r e 2 t h ec o r r u g a t e ds h e e tp a c k i n gn e e d st ob ei n s t a l l e dt oe n h a n c et h ef l o w i n g c o n d i t i o n s ，s ot h a tt h eo i ld r o p l e t sa r em o r ep o s s i b l et oa d h e r et ot h ep a c k i n gs u r f a c e a n dc o l l i d ew i t he a c ho t h e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fc o r r u g a t e ds h e e te o a l e s c e rp r o v e da sf o l l o w s ：t h e n e i g h b o r i n gf l u i dc h a n n e li n s i d et h ep a c k i n gm u t u a l l yl i n k su pa l l o w i n gf l u i dt of l o w c r o s s l yw h i c hi n c r e a s e sa g g l u t i n a t i o np r o b a b i l i t ya n de n h a n c e st h ew a t e r - o i l s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y a l s om o r es t e a d ys p a c ea f t e rt h ec o a l e s c e rw o u l db eh e l p f u lf o r s e p a r a t i o n k e yw o r d s ：o i l - w a t e rs e p a r a t o r , c o a l e s c e n c ep a c k i n g ，o i ld r o p l e t st r a c e s ， n u m e r i c a ls i m u l a _ t i o n 独创性声明 本人声甓所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同下作的同忐对本研究所做的任何贡献均已在论义中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论义作者签名：勿蚴蹲 签字日期：汐7 年参月f 争瞄 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠叁鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢壅叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或 叠描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 l 匀国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文存解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：红功污 签字醚期：稠多醚 导师签名：弦f 匀 签字醚期：如年多月，加 天津大学硬圭攀馒论文第一辜文献综述 第一章文献综述 1 1 油水分离技术的研究现状 1 1 1 油水分离方法 油水混合物处理的难易程度隧其来源及油滴的状态和组成不同丽宥差异。 其处理方法按原理可分为物理法( 重力沉降、机械、离心、粗粒化、过滤、膜分 离等) ；物理化学法( 浮选、吸附、离子交换、电解等) ；化学法( 凝聚、酸化、盐 析等) ；生物化学法( 活性污泥、生物滤池、氧化塘等) u 】。下面介绍几种国内外常 见的处理方法【2 5 1 。 ( 1 ) 重力分离法：利用油水两相的密度差及油和永的不嚣溶性进行分离。油 水两相在隔油池中进行，常见的有平流式( a p i ) 、平行板( p p i ) 、波纹板( c p i ) 及斜 板( i p i ) 等型式。重力分离的设计思想主要依据斯撬竞斯( s t o k e s ) 公式，盎s t o k e s 公式可求出一定表面积的隔油池所能除去的最小油珠粒径。隔油池流体流动状态 对除油能力和效果有很大影响，最好的流动状态是层流，它鸯利于油漓的上升和 固栩的沉降。根据上述理论，进而设计出了p p i 式、c p i 式及i p i 式等更为高效 隔油池。这几种型式的隔油池与a p i 式相比较，占地面积省，去油能力、排油能 力及安全程度等方面明显提高，因此已被广泛应用。该类方法设备结构简单，易 操作，除油效果稳定，但不适用于溶解性油类或乳化油的分离。 0 ) 聚结法( 粗粒化法) ：利用油水两相对聚结材料亲和力的不同来进行分离。 主要用于分散油的处理。此法的技术关键是粗粒化材料的选择，许多研究者认为 材质表面的亲油疏水性是主要的，而且亲油性材料与油的接触角小于7 0 为好。 常用的亲油性料有蜡状球、聚烯系、聚苯乙烯系球体或发泡体、聚氨酷发泡体等。 粗粒化法可以把5 1 0 岫粒径以上的油珠完全分离，无需外加化学试剂，无二 次污染，设备占地面积小，基建费用低，健对悬浮物浓度高的含油废水，聚结材 料易堵塞。 ( 3 ) 水力旋流：属于离心沉降。剩用不同密度、不互溶的两相在水力旋流器 中高速旋转时产生离心力的差异而达到分离的目的。这种分离器比传统的分离器 处理效率高、占地少、结构简单，可单级和多级串联使用。其缺点是高流速产 生的紊流将部分分散油势碎，使之成先更细的分散物，铁面使分离效率降低；其 次运转费用高。 天津大学硕士学位论文第一露文献综述 “) 生物法：含油废水经隔油、浮选等处理后，出水油含量一般仍高达 2 0 3 0 m g l ，著废水中存在溶解性有机物，则c o d 和b o d 5 也很高，都达不到 国家规定的排放标准，尚需进行：级处理。二级处理主要采用活性污泥法和生物 滤池法。生物处理法近年来已有不少改进，薪的发展包括曝气塔、深井曝气、纯 氧曝气以及循序间歇式生物处理等，这些方法都不同程度地提高了对含油废水的 处理效率。 ( 5 ) 凝聚法：也就是用絮凝荆除油的方法。常用的无机絮凝剂是铝盐和铁盐， 特别是近年来出现的无机高分子凝聚剂，如聚硫酸铁、聚氛化铝等，具有用量少、 效率高的特点，两且使爝时最优p h 也较宽。虽然无机絮凝荆法的处理速度快， 但药荆较贵，污泥生成量多。有机高分子凝聚剂的研究发展很快，但目前有机高 分子絮凝剂在含油废水处理方蟊的应用仍然主要是用作其它方法的辘助荆。 ( 6 ) 气浮法：通常采用的主要是加压溶气浮选法去除乳化油。因为空气微泡 由非极性分子组成，能与疏水性的油结合在一起，带着油滴一起上升，浮升速度 增大近于倍，所以滴水分离效率很高。在含油废水中加入絮凝荆，还会进一步提 高油水的分离效果。目前该法已被广泛应用于油田废水、石油化工废水、食品油 生产废水等的处理，但动力消耗较大，构造复杂，维修保养困难。 另外还有电絮凝法、膜分离方法、磁分离法f 6 】等。 1 1 2 重力油水分离技术鳃发展 多年来重力分离法作为一种基本而简便的物理除油方法，不消耗药剂，无 二次污染，运行维护费瘸低，一直是国内外学者研究的热点隆越】，下瑟重点套绍 重力油水分离技术的发展过程。 ( 1 ) a p i 型油本分离池平流式隔油池) a p i 型油水分离池是由a p i ( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 研制出来的装置。 在构造方面，为回收漂浮的油而增加了回转式集油管，其它则与平流式沉淀装置 完全相同。目前此类型装置在国内钢铁企业应用较多。平流式隔油池翼有构造简 单、维护容易及使用方便的特点；除油效率达6 0 7 0 ，可除去的最小油滴粒径 为1 0 0 1 5 0 x m ：缺点是占地嚣积大。 ( 2 ) p p i 型油水分离池 p p i 型油水分离池( 平行叛式隧油装置，p a r a l l e lp l a t ei n t e r c e p t o r ) ，是由壳牌 ( s h e l l ) 石油公司于1 9 5 0 年研制出来的斜板式油水分离池f l 曩。它是在平流式隔油 池内沿水流方向安装数量较多的倾斜平行板，不仅增加有效分离面积，而且也提 高了整流效果。斜板闻距为1 0 0 m m ，倾角为4 5 0 。在斜板内被分离的i 蠹，澄蓑斜 板的下面上升，而后收集到捕油顶盖内，樽从顶盖一端的溢流管流出，从而回收 2 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 原水中的油珠。这种装置可去除大于8 0 岫的油珠。 ( 3 ) c p i 型油水分离池 c p i ( c o a g u l a t e dp l a t ei n t e r c e p t o r ) 为波纹斜板式隔油装置，是由壳牌( s h e l l ) 石 油公司磺制患来的另一种斜扳式油水分离池。与p p i 型油求分离池不阏是斜板的 形状不是平板，而是波纹板。一般斜板的间距为2 0 4 0 m m ，从而增大单位体积 的分离面积。分离粒径大于6 0 i t m 的油滴。其优点是油水分离效果好，停留时阅 短( 般不超过3 0 分钟) ，占地面积小。 ( 4 ) p e f f o r m a x 板式聚结器 到了s o 年代，美国c 烈筒陀o 公司开发了商标为p e r f o r m a x 的扳式聚结器， 这是一种错流设割”0 4 】。其聚结部分是由多层斜板重叠而成( 如图1 1 ) ，与单层 板式聚结器楣比，可大大提高分离效率，诱且不易隰塞。聚结部分可巍不同材料 制造，如聚丙烯、陶瓷和不锈钢。在相同的运行条件下，该装置的处理能力远远 大予以往的分离器，成为油水分离向高效、小型化方向发展的关键技术。 图1 - 1p e r f o r m a x 扳式聚结器的多层斜扳截瑟圈 f i g 1 1i n c l i n e dp l a t e si np e f f o r m a xc o a l e s c i n gs e p a r a t o r 8 0 年代以来，水力旋流分离技术的瑟发应雳成为油水分离技术发展的标志， 具有设备体积小，停留时间短，处理效率较高的优点。但由其分离原理所决定的 高流速对含油废水会造成严重的二次乳化，要求进出口较大的压差作为运行能 量，而且对排液控制要求高，因而在一定程度上限制了该技术的工业性应用珏孓湖。 这期间在重力沉降分离领域，仍以填料式分离器为主，并逐渐与聚结技术 相续合【豫潮，在毽界范围蠹得到广泛应用。 1 1 3 油滴浮升过程研究现状 油滴的浮升过程受到很多因素的影响，主要包括以下几个方面f 1 9 】： ( 1 ) 流场分布不均匀性的影响 当流场内速度分布不均，有较大的速度梯度时，如在多层板填料或波纹叛 填料的流道中，由于油滴所受曳力不对称，就会产生旋转；对于非球形油滴即使 3 天津大学硬圭学位论文 第一豢文献综述 在均匀流场中，由于受力不均，也会产生旋转。加上粘性效应，油滴一侧的绕流 速度就会交大，另一侧变小，予是两侧压力不对称，默焉产生一个横向力，使油 滴移向速度较高的一侧。 ( 2 ) 油渍厥带电荷的影响 油滴在同流场中大部分带有相同的电荷，由于电荷同性相排斥，当浮升 速度不同的两个油滴靠近时，它们会改变原来的运动方向，从而影响油滴的浮升 速度。 ( 3 ) 油滴间的相互作用 当流场巾有多个油漓显相距较近时，彼此闻就会产生流体上酶相互影响， 这种影响的大小取决予油滴的形状、大小、间距及方位等。 以楣邻两串行浮升的泊滴为例，上油滴所受的阻力较大，这是瞧子先导油 滴给了周围流体能量，使之产生向上的运动，减小了后继油滴的阻力。这样，后 继油滴的速度大于先导油滴，以致赶上先导油滴并与之聚结。若两油滴并行浮升， 由予粘滞效应，两油滴间的流体被两漓滴携带且一起上舞，两油滴闻的绕流速度 就会小于两油滴外的绕流速度，流体对油滴的曳力也随之不同，油滴就会产生旋 转，最终导致两油渍痢两侧分开。 ( 4 ) 油滴形状的影响 油滴的形状取决于作用其上的力，这些力的相对大小，可用无因次数表示， 其中主要无因次数有，n e o ，胁。这里：p = 壁兰是油滴雷诺数，代表了 惯性力与粘链力之毖，：g a p d _ 生2 ：罂, a 3 是奥托薪数，表示重力与比表露 仃o + 口 张力之比；n 脚= 型 等是莫顿数，表示连续相的性质，特别是粘度的影响。 夕o 依照上述兰个无因次数的不同，油滴的形状也不同，在低地数或低m 泔的 情况下，油滴为球形；两者都较大时，则为椭球或球帽形。油滴形状的不同直接 导致了油漓浮升( 下沉) 的速度的不丽。 ( 5 ) 器壁的影响 为了提高分离效果，现代重力式油本分离设备巾往往采用多种强化结构，如 多层板、波纹板等。油滴在这些结构中的沉降或浮升运动，就不能再等效成无限 均匀流场的绕流问题，所以要做相应的修正。s c h i l l e r ( 1 9 3 2 ) 通过实验与理论分析 后指出：在器壁影响下，液体内的阻力系数应做如下的修正： c n 嚣旦( 1 + 马 ( 1 1 ) 氛娃p 2 l 式中：d 为油滴直径；l 为油滴中心距器壁的距离，m lb 为系数，当单油滴平行 4 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 于板面运动时：b = 三，当油滴垂直于板面运动时：b = 三，当油滴沿无限长圆 1 06 柱的轴线运动时：b = 21 ： k p 为油滴雷诺系数。但是，一般只有l 5 d 当时，这 种修正才需要多数情况下，这种影响也可以略而不计。 ( 6 ) 内环流的影响 油滴在连续相中运动时，在摩擦力的作用下，油滴内部也会发牛运动，产牛 内部环流。考虑内环流影响后油滴的浮升会比剐性小球快。这是因为表面可 动使得流体中的速度梯度较刚性小球时小使得在流体中耗散的能量减小，也是 阻力减小的缘故。 1 2 油水分离器内构件及其研究现状 1 2 1 入口构件 油水分离器入口构件的丰要功能是吸收进入设备快速液流的动能，减少进 口射流对流场的冲击。早期入口构件是结构简单的挡板当人们认识到入口构件 能有效改善入口液流的分布状况后各种结构形式的 口构件大量出现。图1 - 2 是三种典型的入口构件结构。 中中佃 挡板式孔箱式离心式 图1 - 2 三种入口构件结构简圈 f i gi 2 t b mk i n d so f i n l e tc o m p o n e t s 挡板式 口构件出现的最早这种构件结构简单但是分布性能较差容易 在其下游的分离空间形成涡流、短路等现象。 孔箱式入口构件是河南石油勘探局在h n s 型分离器中最先采用的其特 点是在吸收上孔箱式入口构件特点的同时，通过将入口构件下置有效地引入了重 力效能和水洗作用从而较上孔箱式进口件的预分离效果更好。 离心式入口构件的最大特点是利用了离心力的作用，园离心分离的效果远好 于惯性分离，且便于控制与调节，因此其预分离作用更加明显实用【2 。】。 天津大学硕i 。学位论文 第一章文献综述 1 2 2 稳流构件 在重力式油水分离设备中为了改善设备流动特性，同时又有利于设备分离 特性的提高，1 9 9 2 年第一次提出了在重力式油水分离器中设置稳流构件的思想t 并有针对性地研制出了一些构件构件，如孔板式、格栅式等。实验证明稳流构件 在重力式油水分离设备中的应用是成功的1 2 1 l 。 1 3 聚结填料摄述 1 0 1 聚结填料的种类 聚结填料是油水分离器的核心部件分散相的液滴沉降在聚结介质表面t 并 发生吸附、润湿、碰撞、聚结等过程，使分散相液滴长大形成大液滴或液膜，在 重力和流体流动的作用下，液膜或大液滴从聚结介质表面脱出t 而实现分离。填 料聚结工艺的原理是基于破乳后的含油水在填料层中由于流速和流向的不断变 化发生碰撞浆结，油珠聚结后，根据“浅池理论”【矧在填科层中由于浮升距离小， 可获得较好的分离效果。 聚结填料按结构形式可分为多孔介质填料和波纹扳式填料。两种填科的结构 如图1 - 3 和图i - 4 所示： 图1 - 3 多孔介质填抖结构圈1 4 波纹扳填科结构 f i 9 1 - 3s t r a e t e o f p o r o u s m e s af i g i - 4s t u c l 吒o f c o r r u g a t e d s h e e l p a c k i n gp a c k i n g 其中多孔介质填料是天津大学新开发的规整填料。由于其耐腐蚀性强田j ，油 滴聚结效率高因而在油水分离席用中有一定的优势。但由于其为整块烧制结 构紧密，通量小，压降大，在工业中无法得到j 泛应用。目前油水分离器中使用 较多的是波纹板聚结填料。 波纹板聚结填料按材质又可分为金属、塑料与陶瓷三大类。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 金属孔板波纹填料是继金属丝网波纹填料后瑞士苏尔寿公司开发的又一种 重要规整填料。该填料保持了金属丝网波纹的几何规则结构特点，改用表蘧用沟 纹的孔板制成，其性能介于金属丝网波纹填料与散装填料之间。在炼油和石油化 王中被广泛应用。 聚丙烯分子的毒# 极性特征使褥其表蕊自由能和表厦张力较低，是一种典型的 亲油性材料，使其在油水分离工业中获得应用，尤其在聚结式油水分离器中。复 合型聚丙烯聚结板，强化了油水分离过程，提高了油水分离效果，从而迸一步提 高了聚丙烯在油水分离工韭中的应震潜力。 陶瓷板波纹填料是一种新型的规整填料，具有通量大，效率高，阻力较小， 造价便宜、耐腐蚀、耐高温( 5 0 0 一7 0 0 c ) 、操作弹性大和放大效应不明显等优 点。所以首先震予高温及腐蚀性介质的分离过程中，操作压力在0 1 5 0 0 k p a 之 间，有大量无机酸和碱液存在的场合，该填料不宜采用。陶瓷填料具有的抗堵塞、 耐腐蚀及抗摩擦等优点，使得它开始逐渐代替金属和塑料填料被广泛用于原油脱 水过程中，并且取得了很好的效栗。 1 3 2 油滴聚结过程简述 关于油滴聚结的机理，隧前尚处在探讨阶段，未形成统一的理论【硐。总的 来说，大体主有两种蕊赢，润湿聚结( w e t t i n gc o a l e s c e n c e ) 帮磋撞聚结( c o l l i s i o n c o a l e s c e n c e ) 。润湿聚结理论建立在亲油性粗粒化材料的基础上，当含油污水流经 由亲油性材料组成的粗粒化床时，分散油珠便在材料表面润湿附着，这样材料表 面几乎全被油包往，再流来的油珠也更容易润湿附着在上覆，因磊附着的油珠不 断聚结扩大并形成油膜。由于浮力和水流冲击作用，油膜开始脱落，于是材料表 面得到一定更新。脱落的油膜到水相中仍形成油珠，该油珠粒径比聚结前的油珠 粒径要大，浮升速度加快，从而达到油水分离的目的。图1 5 显示油滴的聚结 过程。 图1 5 油滴的聚结过程 f i g 。1 - 5o i ld r o p l e t sc o a l e s c e n c ep r o e 缓 7 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 碰撞聚结理论建立在疏油材料基础上。无论由粒状的藏是纤维状的粗粒化材 料组成的糨粒化床，其空隙均构成重相连续的通道，犹如无数根直径檄小交错的 微管。当含油废水流经该床时，由于粗粒化材料是疏油的，两个或多个油珠有可 能同时与管壁碰撞或飘相碰撞，其冲量足可以将它们合并成为一个较大的油珠， 从而达到粗粒化的目的。例如蛇纹石及陶粒作的粗粒化材料的聚结就是属于碰撞 聚结。当然，无论是亲油的或是疏油的材料，两种聚结都是同时存在的，只是 裁者以润漫聚结为主，也有磁攮聚结，原因是污水流经粗粒化床时，油珠之间也 有碰撞；羼者以碰撞聚结为主，也有润湿聚结，原因是当疏油材料表面沉积油泥 时，该材料便有亲油牲，叁然有润湿聚结现象。 垂直交错放置的波纹板填料作为油水分离器的聚结元件时，内部流体的流动 过程较为复杂。为更清楚的描绘填料内部油水两相的流动状态，将波纹板按等院 表面积原则简化为斜置平板。由于波纹板的交错放置，波纹板填料的油水分离过 程可以认为是油水两相通过图1 - 6 所示的并流和逆流分离的组合过程。 图l 麓化成斜板阚的滚液滚动形式 。 f i g 。1 - 6f l u i ds t y l eb e t w e e ni n c k i n e dp a r a l l e lp l a t e s 油水两楣分散体系流经斜板平板通道的分离过程中，油滴随着水相流动，同 时嫩于浮力的作用而浮升，当其浮升至上平板下表面后便与板面吸附、聚结，由 此产生一由轻摆所组成的沿平板壁面丽向上流动的流动膜，此轻相流动膜流至平 板上端井浮到容器顶部轻相油层之中，从两完成分离过程【2 5 】。 1 3 3 影响油滴聚结效率的因素 聚结负荷是影响聚结效果的重要因素。聚结负荷一般用q 表示，对于粒状聚 结填料来讲，聚结负荷的物理意义为油水混合物流经聚结填料床的过滤速度，其 单位是m h ，理论公式为： g 篇爰 c 他， l ，4 s 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 式中9 一处理量，m 3 隐； 鼠广油承分离器憨直径，i n _ 相关文献实验结果表明嘞1 ，随着聚结负荷的逐渐增加，聚结填料的聚结效率 都随之降低。相反q 值越小，聚结除油效率越高，但是q 值过小，会导致滤速过 低，致使聚结除油装置的数量过多或体积过大。聚结负荷q 值应在1 0 2 0 m h 之 间为宜。 1 4 油水分离器的c f d 硒究进展 c f d 即c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 的缩写，是流体力学的一个分支，它 是随着现代计算机技术的快速发展丽逐渐成熟的- - f l 科学。它通过计算枫模拟获 褥某种流体在特定条件下流场的有关信息。c f d 计算相对子实验研究，具有成 本低、速度快、资料完备、可以模拟理想条件及接近真实条件的情况等优点。近 些年来，作为研究流体流动的新方法，c f d 在化工领域得到了越来越广泛地魔 焉f 2 7 】。 应用c f d 软件对油水分离器的研究主要集中在液液旋流油水分离器，已经 有很多科研工作者做过这方面的努力并得到了较好的结果。魏巍新等汹j 对油田当 前使瘸较多的旋流器进行了模拟分析，根据简化结构对比，入弱形式、溢流出髓 直径、旋流腔长度为参数得出不同结构尺寸旋流器的分离效率，并通过对比分析 得到了最优结果。油田现场中应用计算得到的优化结构可以提高分离效率6 左 右。另外，阁惠民等冽用计算流体动力学( c 瓤1 ) 的数值方法，采用r s m 模型对 油水分离用液液水力旋流器的两棚流场进行了研究，初步揭示了液一液两楣分离 的现象，这都为进一步研究旋流器特性参数对分离效率的影响和旋流器的结构优 化提供了参考。 馔由于旋流分离器靠离心作用实现密度不同的涎相分离，要求有较高的入翻 速度，在分离器中有很大的压降，这样会消耗较多的能量，加大处理成本。另一 方面，旋流分离体积小，处瑗量十分有限，对于油暖大量采出的三元复合驱油水 分离并不实用。重力式油东分离器主要靠油滴的聚结彝浮舞实现两檩的分离，这 种分离器结构简单，操作方便，体积大，能满足处理量较大的油水分离任务，主 要缺点是对于油滴粒径较小油水混合物，分离效率较低，不能满足工业应糟要求。 蠢此，必须对内部结构进行优化设计，提高其分离效果。墨前，剩用c f d 软件 对重力式油水分离器的研究较少，而且主要是对分离器内部单相流场的简单模拟 分析f 3 0 】。对油水两相流动过程以及各种稳流构件( 主要是入口构件) 和聚结填料 内部流场缺乏系统全甏的模拟优化，本文正是基于此种情况开展研究豹。 参 天津犬学硕士学位论文 第一索文献综述 1 5s t a r c d 软件简介 1 5 1 解算器 s t a r - c d 是由英医c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 公司f 3 1 】推出，英国帝国理 工大学计算流体力学领域的专家教授开发，全球第一个采用完全非结构化网格生 成技术来研究工鲎领域中复杂流动的流体分析商震软件包。s t a r - c d 使雳的前 后处理软件包称为p r o s t a r ，使用单一、高效、强健( r o b u s t ) 的解算器s t a r 求解流动，其王作原理解析如匿1 7 所示。 图l _ 7s 1 ：f 僻c d 工作原理 f i g 1 - 7p r i n c i p l eo f s t a r - c d 该通用解算器普遍适用于多种流动情况与物理现象。解算器与最新的时间空 间离散格式楣结合，便s t a r - c d 在最复杂的c f d 应用方藤具有无可匹敌的能 力。 l 。5 。2 网格生成技术的特点 s 1 a r c d 可以生成和使用任意形状的贴体网格，如六丽体、四面体、棱柱 体、金字塔形甚至多面体网格瑟礤。网格单元与任意的交界面技术和局部加密技术 相结合可以产生非连续的、完全非结构化网格。利用自动网格生成器例如： p r o 。a m ，即可快速生成完全j 器结构化网格。任意相邻的不连续网格采用网格连 接技术( c o u p l e ) ，使得s t a r - c d 可以解决多种具有复杂结构的模氆。嵌入式 网格加密用来增强局部的网格分辨力和适应性误差控制；适应性加密使得用户对 于任何网格拓扑进行基于物理参数的适应性局部加密。另外还有运动网格技术可 以应用于旋转机械和变容积计算。 l o 天津大学硬学位论文第一意文熬综述 1 5 3s t a r - c d 的特点 本文研究的对象重力式油水分离器内部结构复杂，特别在加装了聚结填料后， 内部的流动空间交错相通，这使得网格划分变得十分困难，普通的网格划分软件 很难实现。由于s t a r - c d 采用非结构化网格，使得单元形状表现得非常丰富， 单元可以进行任意的细分和拉伸，可以灵活地生成备种的c a d 模型。而p r o a m 是s t a r - c d 功能强大的前处理曜格工具软件包，它使用单无修正技术生成以六 面体为主的高质量网格，近壁处生成分层的总体网格拓扑结构。这种网格生成方 法可以快速生成适合油水分离器内部流场特点的高质量网格，蔼且局部网格优化 技术可以用来提高解的精度。另外，s t a r - c d 使用非结构化网格和有限体积法 来求解n s 方程组，对定常态和非定常态流动分别采用优化的s i m p l e 格式和 p i s o 格式来遴行计算。最新湍流模型的推出使得其在计算的稳定性、收敛性和 结果的可靠性等方面都得到了显著的提高。 本文的数值模拟正是基于这个强大的计算平台。 1 6 研究的内容和意义 作为重力分离设备的一个重要技术指标，流动特性不仅与设备的分离特性密 切褶关，而且往往决定着设备的整体技术经济特性。为此，本文从考察设备的流 动特性入手，研究了设备结构与流场分布之间的关系，改进了重力式油水分离设 备的结构，从焉失分散楣在连续相孛的聚结分离提供了更为有利的流场条件。 本文主要研究内容如下： 1 对油水分离设备的流动特性进行微观研究，筛选出性能优越的入口构件， 增加其它稳流构件，从舔改善分离器内部流场，提高油水分离效率。 2 进一步研究油水分离理论。模拟计算不同油粒直径和分离时间与油滴的脱 除效率之阗的关系，为优化设计分离设备提供理论指导。 3 研究油水聚结填料内部的流场分布和油滴运动状况，为开发新型油水分离 填料提供技术参考。 天津大学硕士学位论文第二章油东分离器漉动特性的c f d 研究 第二章油水分离器流动特性的c f d 研究 重力式油水分离器是利用油水两相密度的不同分离油井采出物以及其它的 油水混合物分离设备。为了得到较好的油水分离效果，设备内流体流动形式应尽 可能达到或者接近柱塞流( 层流) ，以利于油水两相的分离。为了达到这个要求， 一般通过优化内部构件的形式来改善分离器的流场分布【3 3 】。 长期以，为了加快油水混合物中水滴( w o 型) 和油滴( o w 型) 的沉降或浮升 过程，改善设备的技术经济特性，人们对提高油水分离设备的分离特性开展了诸 多研究瑟4 - 3 7 1 ，值对设备流动特性的研究却还很不够。近2 0 年来，美国i d a h o 大 学采用激光多普勒测速仪( l d v ) 对分离器中的速度场进行了模拟实验测试【3 明； s h e l l 公司p 9 】采用放射性示踪法，对现场设备的流动特性进行了停留时间分布测 试。测试结果表明，现宥设备中普遍存在严重的短路流和返混现象，不仅未能有 效利用设备空间，而且由于涡流造成的返混，使相当多的介质未经过充分的处理 就排出。 本章从考察设备的流动特性入手，进一步研究分离器内部设备结构与流场分 布之润的关系，为设计和优化濑水分离器的结构提供技术指导。 2 1 控制方程 2 1 1 基本假设 在考察油水分离器流动特性时，使用常温的水代替油量较少的油水混合物。 考虑到油水分离过程一般都在等温条件下进行，即各楣闻处于热力学平衡状态， 因此假定分离过程为绝热不可压缩过程。 2 1 2 基本方程 由于流动主体在分离器中的流速较低，处于层流状态，因此在模拟计算时 采震层流模型渊。 对于一般的流体，连续性方程为： 挈+ 型+ 塑+ 塑；0像1 ) 国苏却昆 天津大学硬圭学位论文第二章= 癯本分离器滚动特性麓c 雾p 研究 对于不可压缩流体，密度为常数，连续性方程简化为： d i v ( u ) = 一般流体的动量方程为： 咋等然z 一吉考+ 参考c 考+ 挈c o x , 甜f 一然九一一二十二一l 一+ 二l | 融；“p 瓠；p 瓠；、瓠； 。 式中一流体的动力学粘性系数，n 。s m 。 2 2 边界条件 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 1 ) 入口条件 在正常操作条件下，流体在分离器中的停留时间为3 0 m i n 左右，模拟计算时， 为了使入墨构件的性能对比燹加明显，增大了入日速度，停留时间控制在2 0 m i n 。 入口流体定义为流动状态为楗塞流，在油水分离器中的停留时间为t = 2 0 m i n ，由 油水分离器的尺寸计算出其体积为v = 0 0 7 1 9 9 m 3 ，分离器进口直径为d 自, = 2 0 m m ， 入口速度 材鼬：竺一：0 1 9 1 m s (2_420材鼬2 x 6 0 m 2 2 ( 2 _ 4 ) 油水分离爨的直径为d = 2 5 0 m m ，故流体在分离器杰酆的主体流动速度为 u 产0 0 0 1 2 m s ，从而霄诺准数 羚：d m u i , p ：2 9 0 2 0 0 0( 2 ) 因此主体流动是层流状态，采用s t a r - c d 中的l a m i n a r 模型来进行计算。 ( 2 ) 壁面条件 绝热，无滑移整面雕】。 ( 3 ) 出翻条件 本文采用质量流量出口。在正常操作条件下，油相的含量在5 左右，在油 水得以完全分离时，油相出口和水相出口流出的质量分别接近为5 和9 5 ，故 在计算中控制两个出目流体的流量分别为5 和9 5 ，这样是油水分离器内部的 流场更接近真实的流动状态。 1 4 天津大学珂l 士学惶论文 第一章汕水分离器流动特性的c f d 研究 2 3 计算区域和网格结构 本文所模拟的的分离器直径为m 2 5 0 m m 总蚝为1 5 0 0 r a m ，分离器的两头是 椭圆封头具体结构如图2 - i 所示。 圈2 - 1 油水分离器计算区域( 单位：一) f i g2 1t h ec a l c u l a t i n g d o m a i no f o i l - w a t 日s e n i o r ( u n i t ：一) 布液板安装在距入口约2 0 0 r a m 处，挡板和孔箱式入口构件安装在布液板和 入口中间。 采用s t a r - c d 内部自带的网格牛成工具p r o a m 划分a 面体单元的非结构 型网格它可以快速生成高质量的贴体网格，根据几何参数和物理参数的分布控 制网格疏密蚓，见图2 - 2 。 图2 - 2 汕水分离器网格结构 f i 9 2 - 2 g r i d s o f n i l - w a t e rs e p a r a t o r 网格疏密不同的区域以c o u p l e 形式连接，使整个分离器内部不同网格结 构形成个连通的计算区域。这是s t a r c d 前处理模块p r o - a m 中特有的功能。 油水分离器最终被划分为以内部六面体网格为主，近壁采用分层结构的总体嘲格 天津大学硕士学位论文 第二章油水分离器流动特性的c f d 研究 拓扑结构，其计算稳定性和收敛性非常好。 2 4 入口构件对油水分离器内部流场的影