（机械设计及理论专业论文）气携式液液水力旋流器分离机理及特性研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 气携式液一液水力旋流器分离机理及特性研究 摘要 气携式液 液水力旋流器是在常规液 液水力旋流器的基础上开发的一种新型高效的离 心分离设备 它具有体积小 处理能力大 有效浮选粒度下限小以及浮选速度快等优点 自问世以来受到了许多学者及工程师的青睐 本文通过机理分析 数值模拟及工程试验等方法对气携式液 液水力旋流器的分离机 理及流场特性进行了研究 数值模拟部分利用流体动力学软件f l u e n t 以雷诺平均n s 方程为控制方程 以r n g 缸s 模型为湍流模型 基于控制体积法 应用s i m p l e 算法 通过对控制方程中相关参数的 修正 对气携式液一液水力旋流器内部流场进行了分析 通过数值计算得到了旋流器内部 流场的速度分布特性 压力分布特性 湍动能及其耗散率分布特性规律 采用混合模型对多相流动进行处理 计算得出油 气 水三相流场的分布规律和分离特 性 从数值模拟的轴向剖面油相浓度分布图与大锥段横截面径向速度来看 水相与油 气 复合体较大的径向速度差异是气携式液 液水力旋流器高效快速地完成油水分离的主要原 因 这与理论分析的结果是一致的 为了验证数值计算结果 对气携式液 液水力旋流器进行了分离特性实验 即室内实 验与油田现场试验 试验结果表明 气携式液 液水力旋流器较常规液 液水力旋流器在相 同工况条件下油水分离效率将提高1 0 左右 入口注气时可获得9 5 7 的分离效率 底流 出水中含油浓度降到2 5 7 m g l 这与数值模拟结果也相吻合 本文工作为进一步研究气携式液 液水力旋流器的分离机理 流场特性及结构优化设 计提供 定的理论和经验 关键词气携 水力旋流器 浮选 油一气复合体 多相流动 分离效率 些 坠 s e p a r a t i o nm e c h a n i s m a n dc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yo ft h e g a s i n j e c t e dl i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n e a b s t r a c t g a s i n j e c t e dl i q u i d 1 i q u i dh y d r o c y c l o n e an e w k i n do fh i g he f f i c i e n tc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o n e q u i p m e n t d e v e l o p e db a s e do nt h en o r m a lu s e dl i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n e i th a sm a n yv i r t u e s s u c ha ss m a l lv o l u m e l a r g ec a p a c i t y s m a l lc u ts i z ea n dh i 曲f l o a t a t i o ns p e e d i th a sb e e n c o n c e m e db ym a n ys c h o l a r sa n de n 西n e e r s b ym e c h a n i s ma n a l y z i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n de n g i n e e r i n gt e s t i n g t h es e p a r a t i o n m e c h a n i s ma n df l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s i n j e c t e dl i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n ew e r e s t u d i e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u tb yu s i n gh y d r o d y n a m i cs o f t w a r ef l u e n t b a s e do n r e y n o l d sa v e r a g en se q u a t i o n m q g 缸 m o d e lw a st a k e na st u r b u l e n tm e d e l c o n t r o lv o l u m e m e t h o dw a se o n s i d e r e d s i m p l ea r i t h m e t i cm e t h o d w a sa p p l i e d b ym o d i f y i n gt h ec o r r e l a t i o n p a r a m e t e r s i nc o n t r o le q u a t i o n t h ei n t e r i o rf l o wf i e l do ft h eg a s i n j e c t e d l i q u i d l i q u i d h y d r o c y c l o n ew a sa n a l y z e d b yn u m e r i c a lc a l c u l a t i n g t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t u r b u l e n te n e r g ya n di t sd i s s i p a t i o nr a t eo f t l l eh y d r o c y c l o n e f l o wf i e l dw e r eo b t a i n e d m i x e dm o d e lw a sa d o p t e dt o 讹a t 诚t hm u l t i p h a s ef l o w t h ed i s t r i b u t i o nr u l ea n dt h e s e p a r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo i l g a s w a t e rt h r e e p h a s ef l o wf i e l dw e r ec a l c u l a t e d 1 1 l eo i lp h a s e c o n c e n t x a t i o nd i s t r i b u f i o na n dt h er a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u f i o no f b i gc o n es e g m e n ts h o w st h a tt h e b i gd i f f e r e n c ei nr a d i a lv e l o c i t yb e t w e e nw a t e rp h a s ea n do i l g a sc o m p o u n db o d yi st h ep r i m a r y r e a s o nf o rt h ef a s t h i g he f f i c i e n to i l w a t e rs e p a r a t i o no fg a s i n j e c t e dl i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n e f o rt h es a k eo f v a l i d a t i n gt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i n gr e s u l t 也es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e g a s i n j e c t e dl i q u i d 1 i q u i dh y d r o c y c l o n ew e r ee x p e r i m e n t a ls t u d i e d w h i c hi n c l u d e sl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t sa n do i l f i e l dl o c a l ee x a m i n a t i o n t h ee x a m i n a t i o nr e s u l ts h o w st h a tu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s t h eg a s i n j e c t e dl i q u i d 1 i q u i dh y d r o c y c l o n ec o u l de n h a n c eo i l w a t e rs e p a r a t i o n e f f i c i e n c yb ya b o u t1 0 c o m p a r e dt ot h en o l t n a lu s e dl i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n e w h e nt h e g a sw a si n j e c t e dt h r o u g hi n l e t s t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yc a nr e a c ha b o u t9 5 7 i e t h eo i l c o n c e n t r a t i o no fu n d e r f l o wc a nb er e d u c e dt o2 5 7 m g r t w h i c hi si na c c o r d a n t ew i t ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t t h i sw o r kp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s ea n de x p e r i e n c e sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho ft h es e p a r a t i o n m e c h a n i s m f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft l l eg a s i n j e c t e d l i q u i d l i q u i dh y d r o c y c l o n e s k e yw o r d s g a s i n j e c t e d h y d r o c y c l o n e f l o a t a t i o n o i l g a sc o m p o u n db o d y m u l t i p h a s ef l o w s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y 大庆石油学院硕上研究生学位论文 1 1 问题的由来 第一章概述 随着大庆油田进入特高含水开发后期 在油田污水处理领域又出现了许多亟待解决的 新课题 主要表现在四个方面 一是油田采出水处理难度增大 水中的悬浮颗粒变细 s r b 硫酸盐还原菌 含量超标 含聚污水中油和悬浮物的去除更加困难 现有工艺对上述变 化适应性差 造成处理水质合格率降低 二是注水水质标准提高 随着二 三次加密井建 成投产 薄差油层投入开发 深度处理水在油田注水中所占的比重增加 对油田注水水质 提出了更高的要求 三是污水处理成本增加 老油田特高含水后期 开发效益变差 要求 简化污水处理工艺 降低地面处理费用 以保证油田的整体开发效益 四是环境保护日益 受到重视 如何做好水量的合理调配 保证污水的采注平衡 避免污水外排成为当今极为 重要的问题 水力旋流器的基本原理是将具有一定密度差且互不相溶的液 液 液 固 液 气等两相 或多相混合物在离心力作用下进行分离 l 它具有分离效率高 占用空间小 噪音低 可 连续操作 操作维护简便等显著特点 2 随着研究的深入 先后出现了静态 动态 复合 式 气携式等不同类型的水力旋流器 其中气携式水力旋流器是在以往技术的基础上提出 的 种新型水力旋流器 常规水力旋流器对乳化油去除效果差 3 分割粒径一般在3 0 u m 左右 气浮法对原水 含油浓度适应范围偏小 4 0 1 5 0 m g l 处理效率较低 6 0 8 0 为此 我们提出开发气 携式液 液水力旋流器 气携式液 液水力旋流器具有旋流分离和气浮选的双重功效 克服 了常规水力旋流器的缺点 具备除油和除悬浮物的双重作用 相对于常规水力旋流器和气 浮法处理效率更高 水力旋流器的诸多评价指标中 分离效率是个非常关键的一个指标 4 罐l 油田后期开 发中 由于采出液含水量加大 同时聚合物驱及三元复合驱等采油技术的逐步推广应用 含油污水中聚合物含量及其乳化程度在逐渐增加 油田污水处理领域又出现了许多需要解 决的新课题 利用常规水力旋流器分离油田采出液的处理难度越来越大 以致水力旋流器 分离效率越来越低 比如含油污水中聚合物含量5 0 0 m g l 左右 则分离效率降低1 5 而如果含油污水聚合物含量为8 0 0 m g l 左右 则分离效率降低2 0 左右 5 9 q4 1 可见其影响 是非常显著的 本文工作以气携式液 液水力旋流器的原型机为研究对象 用实验与数值模拟的方法 研究了气携式液 液水力旋流器的分离机理及流场特性 并在此基础上提出改型设计意见 最终达到提高液 液水力旋流器分离效率的目的 本文实验部分是利用空气压缩机 n i k u n i 气液混合泵对旋流器单体进行注气 通过注 入的微气泡捕获微小油滴形成油 气复合体 在离心力的作用下气泡将携带油滴运移至核 心处 完成气浮选和旋流分离的协同效应 从而实现油水高效分离 数值模拟以雷诺平均n s 方程为控制方程 以r n gk e 漠型为湍流模型 用q u i c k 格 式对控制方程进行离散 利用欧拉一欧拉饵 e 多相流模型对油 水两相 油 气 水三相进 行全流场的数值模拟 最后将数值模拟结果与工程实验数据进行了对比 以便验证计算模 型和机理分析的准确性 同时观察改型设计的实际效果 本文工作是与大庆油田有限责任公司第二采油厂合作完成 文中的工程实验由大庆石 油学院分离理论及应用技术研究室完成 相关实验数据用于验证数值计算和改型设计效 果 该研究工作还得到了教育部留学回国人员科研启动基金的资助 2 0 0 5 3 8 3 及黑龙江 i 第一章概述 省教育厅科学技术研究项目的资助 1 0 5 5 1 0 1 6 1 2 旋流分离技术简介 旋流分离技术最早应用于固 液两相分离 2 0 世纪6 0 年代末期 英国南安普敦大学的 m a r t i nt h e w 等人开始研究用水力旋流器进行油 水两相介质分离的可行性 1 2 1 5 1 8 经过近 十年的努力 他们终于得出了肯定的结论并设计出样机 于1 9 8 3 年设计生产出第一个商用 的高压v o r t o i l 型水力旋流器i l 叫 该旋流器在澳大利亚的b a s ss t r a i t 油田的平台上进行实 验 取得了令人满意的结果 从此开辟了液 液水力旋流器工业领域应用的先河 1 9 2 0 1 水力旋流器的应用范围在不断扩大 已从主要进行固 液分离扩展到两种互不相溶液 体介质的液一液分离以及气 液分离 气一固 液三相分离等 如液体的净化 泥浆稠化 液 体脱气 固体介质清洗 按密度或形状进行固体分类等许多方面 成为一种多用途的高效 分离装置 目前水力旋流器已经被广泛地应用在石油 化工 环保 食品 医药等诸多工 业领域中口1 2 5 2 9 1 液 液水力旋流器用于油田采出水处理系统与传统分离设备相比 具有体积小 重量 轻 分离效率高 无运动部件 安装维修方便 成本低等优点 世界上许多国家和地区的 海上和陆地油田都有应用 倍受人们重视 除用于油田采出水处理外 近年来水力旋流器 在高含水期采出液预分离和原油脱水的应用上也取得了可喜的进展 迄今为止 在英国已经召开了六次以水力旋流器为专题的国际会议 交流各国在此领 域内的最新研究成果 分别于1 9 8 0 年在剑桥 1 9 8 4 年在巴斯 1 9 8 7 年在牛津 1 9 9 2 年在南 安普敦 1 9 9 6 年在剑桥和2 0 0 0 年在约克召开 8 1 4 2 2 0 2 5 2 8 3 3 会议的召开对水力旋流器从基础 理论到工业应用等各方面的发展都起到了很大的推动作用 在我国 尽管液 液旋流分离技术的研究起步较晚 但已得到人们的充分重视 江汉 石油机械研究所 四川联合大学等科研院所先后开展了液 液水力旋流器分离机理和应用 技术的研究 使该项技术有了突飞猛进的发展 但也存在很大的不足 尤其与国外技术发 达地区相比 研究与应用的力度都很不够 大庆石油学院从1 9 9 0 年开始进行油水分离用水 力旋流器的研究工作 对于加强理论与实践的结台起到了积极的促进作用 在结构优化和 应用研究领域也取得了一些成果 所研制的旋流分离设备在油田生产中得到了推广应用 1 3 气携式液一液水力旋流器简介 气携式液一液水力旋流器是 种高效离心分离设备 它具有有效浮选粒度下限小 浮 选速度快以及浮选成本低等优点 3 4 3 6 1 除了用其对矿物分选进行了大量的应用研究外 还 正在越来越多地将其用于水的净化及工业废水的处理和回收 工业废渣废料的综合治理和 利用以及生物工程中的细菌分离等方面的应用研究 均取得了不同程度的可喜效果 气携式液一液水力旋流器是在以往的常规的静态水力旋流器的基础上向旋流器内部注 气 利用注入的微气泡的携带作用将被乳化的难以分离的细小油滴运移至核心处 完成油 水分离 由于是利用气泡的携带作用 故名气携式液 液水力旋流器 气携式水力旋流器把旋流分离技术与气浮选技术巧妙结合在一起 其多力场耦合效应 有效地改善水力旋流器的分离效果 油 水混合液经增压泵增压后 从切向入口高速进入 旋流器内腔形成旋流场 由于分散相 油滴 与连续相 水 之间存在密度差 在离心力 作用下 连续相向外被甩向器壁 而分散相将被迫向中心低压区运移 从而完成油水两相 分离 气体密度在油 气一水三相中最小 在注气条件下 当气体以一定形式进入水力旋流器 后 会有一部分气体进入旋流器的核心处 最终由溢流口排出 在此过程中 如果气泡的 粒径大小适当 将会携带油滴 形成油一气复合体 从而加速油滴的运移过程 同时也会 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 将粒径微小难于分离的油滴带入核心处 实现气浮选和旋流分离的协同效应 但如果气泡 粒径过大 在其向中心运移时 速度明显加快 在混合介质中的驰豫时间变短 则携带油 滴的能力降低 另一方面 太多的气体占据旋流器核心的大部分空间 不利于油相从溢流 口排出 目前国内许多机构正致力于气携式液 液水力旋流器的研究 如清华大学 石油大学 大庆石油学院 四川联合大学等 但主要是针对固 液分离 四川联合大学褚良银 东北 大学罗茜等学者提出并研制出一种用于气一固分离的控制大密度有用矿物过磨的充气水力 旋流器 并申请了专利1 3 7 1 1 4 计算流体力学 c f d 简介 1 4 1c f d 概述 计算流体动力学 c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 简称c f d 是通过计算机计算和图 像显示 对流体流动和热传导的物理现象进行分析的一种计算技术 包括对各种类型的流 体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟计算 计算流体力学是近代流体 力学 数值计算和计算机科学相结合的产物 是一门具有强大生命力的边缘学科 它以电 子计算机为工具 应用各种离散化的数学方法 对流体力学的各类问题进行数值实验 计 算机模拟和分析研究 以解决各种实际问题 它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件 下的相关信息 随着计算机技术的推广普及和计算方法的不断发展 几十年来c f d 技术 取得了蓬勃的发展 3 8 4 计算流体力学是多领域交叉的学科 涉及计算机科学 流体力学 偏微分方程的数学 理论 数值分析等多学科 这些学科的交叉融合 相互促进和支持 推动着这些学科的深 入发展 由于数值模拟相对于实验研究有其独特的优点 例如成本低 周期短 能获得完 整的数据 能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态等 近些年来 作为研究流体流动 的新方法 c f d 技术已经得到越来越广泛地应用 4 2 l c f d 的基本思想是 把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场 如速度场 压力 场 用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替 通过一定的原则和方式建立起关于 这些离散点上场变量之间关系的代数方程组 然后求解代数方程组获得场变量的近似解 理论分析所得的结果具有普遍性 各种影响因素清晰可见 但它要求对计算对象进行 抽象和简化 才能得出理论解 对于非线性的流动问题很难给出结果 实验测量结果真实 可信 然而 实验研究往往受到各种因素的困扰 如模型尺寸 流场的扰动 测量精度 经费投入以及人力和物力巨大的耗费 实验周期长等等 c f d 方法与传统的理论分析方法 实验测量方法组成了研究流体流动问题的有机体系 另外 c f d 也可以和c a d 结合起来 进行结构的优化和放大设计 图1 1 为该体系的关系图 图卜1 流体流动研究体系关系图 f i g 1 1r e l a t i o nc h a r to f f l u i dn o ws t u d y 第一章概述 1 计算流体动力学的特点 计算流体力学有以下几个特点 1 适应性强 应用面广 工程实际中的流动问题一般都很复杂 故其控制方程一般是非线性的 自变量多 计算域的几何形状和边界条件复杂 很难求得近似 而用c f d 方法则有可能找到满 足工程需要的数值解 2 它不受物理模型和实验模型的限制 省钱省时 3 它可模拟特殊尺寸 高温 有毒 易燃等真实条件和实验中无法接近的理想条件 4 c f d 也存在一定的局限性 首先 它是一种离散近似的计算方法 依赖于物理上合理 数学上适用 适合于 在计算机上进行计算的离散的有限数学模型 并且最终结果不能提供任何形式的解析 表达式 只是有限个离散点上的数值解 并有一定的计算误差 第二 它不像物理模 型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述 往往需要由原体观测或物理模型实验 提供某些流动参数 并需要对建立的数学模型进行验证 第三 程序的编制及资料的 收集 整理与正确利用 在很大程序上依赖于经验与技巧 此外 因数值处理方法等 原因有可能导致计算结果的不真实 例如产生数值粘性和频散等伪物理效应 当然 某些缺点或局限性可能通过某种方式克服或弥补 此外 c f d 因涉及大量数值计算 因此 常需要较高的计算机软硬件配置 c f d 有自己的原理 方法和特点 数值计算与理论分析 实验观测相互联系 相互促 进 但不能完全替代 三者各有各的适用场合 在实际工作中 需要注意三者有机的结合 争取做到取长补短 2 计算流体动力学的应用领域 近十多年来 c f d 有了很大发展 替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法 过去的一些典型教学实验 如r e y n o l d s 实验 现在完全可以借助c f d 手段在计算机上实 现 所有涉及流体流动 热交换 分子输运等现象的问题 几乎都可以通过计算流体力学 的方法进行分析和模拟 c f d 不仅作为一个研究工具 而且还作为设计工具在水利 土木 工程 环境工程 海洋结构工程 工业制造等领域 如图1 2 所示 发挥作用i 枷 4 图1 2 计算流体动力学的应用领域 f i g 卜2a p p l i c a t i o nf i e l d so f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 大庆石油学院硕士研究生学位论文 典型的应用场合及相关的工程问题包括 水轮机 风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 汽车流线外型对性能的影响 洪水波及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 3 计算流体动力学的工作步骤 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟 基本过程如图1 3 所示 通常包括如下 步骤 建立控制方程 确定初始条件及边界条件 划分计算网格 生成计算节点 建立离散方程 离散初始条件及边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 是否 j 显示和输出计算结果 否 囤1 3 计算流体动力学的工作步骤 f i g 1 3s t e p so f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 1 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型 具体地说就是建立反映问题各个 量之间关系的微分方程及相应的定解条件 这是数值模拟的出发点 没有正确完善的数学 模型 数值模拟就毫无意义 流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 以及这些方程相应的定解条件 2 寻求高效率 高准确度的计算方法 即建立针对控制方程的数值离散化方法 如 有限差分法 有限体积法等 这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法 还包括贴体坐标的建立 边界条件的处理等 这些内容可以况是c f d 的核心 第一章概述 3 编制程序和进行计算 这部分工作包括计算网格划分 初始条件和边界条件的输 入 控制参数的设定等 这是整个工作中花时间最多的部分 由于求解的问题比较复杂 比如n a v i e r s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程 数值求解方法在理论上不是绝对 完善的 所以需要通过实验加以验证 4 显示计算结果 计算结果一般通过图表等方式显示 这对检查和判断分析质量和 结果有重要参考意义 计算流体力学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量 能量 动量和自定义的标 量的微分方程组 求解结果能预报流动过程的细节 并成为过程装置优化和放大定量设计 的有力工具 计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验 它从基本物理定理出发 在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备 在科学研究和工程技术中产生了巨 大的影响 现在c f d 技术已经广泛地应用于工业生产 设计和研究部门 数值模拟也存在一定的局限性 首先 要有准确的数学模型 这不是所有问题都能做 到的 有些问题 其机理尚未完全清楚 很难有准确的数学模型 因此限制了数值模拟技 术的应用 其次 数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性 收敛性等进行分析 这些分析方法大部分对线性方程是有效的 对非线性方程则不是有效 的 最后 数值模拟还受到计算机本身条件的限制 即计算机运行速度和容量的限制 1 4 2c f d 在水力旋流器研究中的应用 随着水力旋流器应用范围的迅速扩大和人们对其分离性能指标要求的日益提高 按照 传统的经验或半经验公式进行旋流器设计方法的局限性越来越明显 通过数值模拟技术研 究旋流器内部流场的分布特性和流动状态 对旋流器分离机理的认识和结构优化设计方面 的推动作用已经得到了一致的认同 这方面的研究主要集中在静态水力旋流器方面 而对 于气携式液 液水力旋流器流场的数值模拟 目前尚无此方面的相关报道 多年来 国内 外的许多学者一直在对旋流器速度分布进行研究 分别采用电测 光测等方法测定其内部 各点的速度 包括切向和轴向速度 及加速度 分析微粒 固体颗粒或液滴 在连续相液 体介质中的运动状态 从而掌握微粒在水力旋流器内部的运动规律 建立相应的数学模型 例如 k t h s i e n 和r k r a j a m a l l i 利用激光多普勒测速技术l d a l a s e rd o p p l e r a n e m o m e t e r 测出了固 液水力旋流器内部流体的轴向速度和切向速度 并用所建立的数 学模型对径向速度做出了预测 4 在国内 清华大学 四川联合大学对水力旋流器的流 场进行了大量的测定实验 大庆石油学院在旋流器流场的流速测定方面也作了一些工作 尽管水力旋流器的结构相对比较简单 但影响其分离效率的结构参数和操作参数却很 多 这些参数的最佳值如要完全通过实验确定 其实验量是非常大的 近年来 随着计算 机的飞速发展 应用计算机根据计算流体力学 c f d 的原理和方法 对旋流器内部流场 进行数值模拟受到越来越多学者的重视 国内 外的一些研究人员先后开展了液 液分离静态水力旋流器流场数值模拟的研究 建立的一些理论模型可以帮助人们认识影响静态水力旋流器分离性能的主要参数 以利于 进行更深入的研究 在所建立的模型中 按采用的湍流模型可以分为两类 即七 湍流模 型和雷诺应力模型 1 湍流模型一标准 嵋模型 r a n g k e 模型 f r a s t e r 采用标准k e 模型 考虑旋转对湍流分布的影响 对湍能耗散方程进行了修正 在耗散方程中加入一项旋转对流动的影响因素 采用该模型计算旋流器内部的三维流场 其速度分布的数值模拟结果与实验结果尚存在一定差距 尤其在主要分离段出入较大 为了改善对旋转流动的预报 更重要的还是对模型本身进行的改进和修正 其中比较 有代表性的是1 9 8 6 年和1 9 9 2 年由y o k h o t 和o r s z a g 等人应用重整化群理论 发展并改进 的一种r n g 缸 模型 其基本思想是把湍流视为受随机力驱动的输运过程 通过频谱分析 大庆石油学院硕士研究生学位论文 的方法消去其中的小尺度涡并将其影响归并到涡黏性中 以得到所需尺度上的输运过程 在高雷诺数时r n gk e 模型与标准的k e 模型具有相同的形式 只不过在方程中出现一个 附加项 从而在一定程度上补偿了标准虹s 模型的不足 陆耀军 李玉星等采用r n gk e 模型开展了水力旋流器内部速度场分布特性 湍流动能及压力特性研究 4 5 4 8 j 李玉星等人采用r n gk e 模型 以s i m p l e 算法为基础 对静态液一液分离水力旋流 器的内部流场进行了数值计算 从所得到的流体流动的速度矢量图和流线图可以看出 该 模型的数值模拟结果能够反映出旋流器内部流体流动的基本规律 但与实测结果仍存在一 定的误差 4 5 4 7 1 陆耀军的研究结果表明1 4 8 l r n gk e 模型对液一液旋流器中切向速度的模拟结果仍然存 在定性上的不合理性 同标准k e 模型一样 r n gk e 模型也得出了径向速度全零的结果 这是模型缺陷的另一重要体现 在旋流器上游区段中 轴向速度呈近壁大近轴小的分布 这一结果虽同l d v 测量结果尚存在较大的出入 但却较标准七 s 模型的结果有所改善 在旋流器的中下游区 r n gk e 模型与标准缸 模型的模拟结果基本相近 都近似呈无旋 充分发展管流分布 在总体上 旋流器中的静压分布呈近壁大近轴小的趋势 这与实际情 况在定性上相吻合 与标准k e 模型的模拟结果相比 r n gk e 模型在静压场预报方面并 无改进 除入口附近的个别剖面外 湍流动能沿径向呈近壁大近轴小的分布 沿轴向呈渐 弱的趋势 尤其是在旋流器上游各剖面上预报出的湍流动能都较大 然后迅速减少到较低 水平 并继续维持近壁大近轴小的趋势 2 湍流模型一雷诺应力模型 采用雷诺应力模型 在个别确定结构的水力旋流器流场数值模拟时 表现出其计算结 果更加接近实测 但该类模型具有计算量大 边界条件不易确定以及收敛性低等缺点 王海刚 5 0 l 在其博士论文中针对目前旋风分离器数值模拟中存在的不足 特别是气 固 两相流方面 首次采用霄诺应力模型 并加入了颗粒影响源项的湍流模型 模拟计算了旋 风分离器内部的强旋转气 固两相流动 分析了颗粒与湍流相互作用的机理 将标准七 s 模型 r n gk e 模型和雷诺应力模型加以修正 使其适合于气 固两相流的模拟 计算结 果表明 在一定的速度范围内 颗粒的分离效率随入口速度的提高而增加 与此同时 压 降损失增大 当速度超过 定值时 不但分离效率没有提高 压降反而迅速增加 利用贴 体网格 采用标准舡s 模型 r n gk e 模型计算了旋风分离器内部的三维湍流流动 通过 与实验数据的比较 发现只有雷诺应力模型才能给出正确的切向 轴向和径向速度的分布 r n g k e 模型在一定的区域也能给出与实验数据相接近的结果 但对于径向和分离器圆锥 段数值预报结果不合理 标准缸s 模型计算结果除了轴向速度与实验接近外 对于切向和 径向速度不能给出准确的结果 说明这种模型不适合分离器内流的计算 为了准确表述分 离器内部流动 必须采用雷诺应力模型 采用雷诺应力模型准确给出了分离器内部切向速 度的兰金组合涡结构 给出了雷诺应力六个分量在分离器不同断面的分布 与湍能实验数 据相符 采用双流体模型的中的a s m 计算了不同尺度颗粒在分离器内部的浓度分布情况 以往研究结果表明 标准b s 模型与r n gk e 模型在旋流器中强旋湍流场的数值预报 方面 既不能给出切向速度的兰金组合涡结构 也不能预报中心回流区的存在 为了改善 对旋转流动的预报 许多学者进行了多方面的努力 如给定更合理的入口条件 采用高精 度差分格式等 由于液一液水力旋流器内部的流场属于强螺旋流 鉴于实际流动中的湍流 性 数值模拟应采用湍流模式 在湍流与螺旋流的相互作用中 流线弯曲 流动斜交 回 流及压力梯度等都是主要因素 特别是湍流对旋流所产生的体积力十分敏感 更为复杂的 是他们的综合作用不同于他们独立作用的叠加 在流场数值模拟方面 模型的选择仍是一 个有争议的问题 第一章概述 1 5 本文研究的主要内容及应用价值 1 5 1 论文主要内容 论文分四个主要部分 1 气携式液 液水力旋流器的分离机理的理论分析 这部分主要针对离散相 油滴 气泡 的分布 运动轨迹 碰撞 合并 破裂等 物理现象进行理论分析 2 数值模拟分析 针对气携式液一液水力旋流器的原型机内的油水两相流场进行了数值模拟 并根据 计算结果对原型机进行了改进设计 在对改进设计方案再度进行数值模拟 并与工程 实验结果的对比后 证明本文所采用的计算模型具有较高的精确度 可以用于多相流 动的计算 同时本文提出的改型设计方案在总体分离效果上优于原型设计 达到理想 效果 3 气携式液 液水力旋流器的室内实验研究 1 气携式液 液水力旋流器操作参数优化研究 入口流量对分离效率的影响 分流比对分离效率的影响 溶气方式和进气形式优化 注气量 气液体积比 对分离效率的影响 2 气携式液 液水力旋流器结构参数优化研究 溢流管尺寸的优化 油水分离段的结构优化 4 油田现场实验研究 通过对旋流器不同注气方式以及单级 两级串联旋流器的油田现场实验研究发 现 注气的确对改善旋流器的分离效果起到了非常积极的作用 由于该站的聚合物含 量非常高 采用微孔材料进行注气时 入口含油浓度为1 0 0 0 m g l 时 实验装置出水 的含油浓度经两级串联气携式旋流器处理后可降至1 0 0 m g l 以下 在入口含油浓度为 8 0 0 m g l 左右时 经一级水力旋流器处理后 底流水中含油浓度即可降到1 0 0 m g l 以 下 同时通过对比实验发现 空气压缩机 微孔管旋流器注气是较为理想的提高旋流器 分离效率的工艺方式 1 5 2 论文的理论意义及应用价值 在常规液 液水力旋流器的基础之上提出并设计了一种新型的气携式水力旋流器 通 过对不同注气类型的气携式液一液水力旋流器的数值模拟 室内实验以及现场实验研究基 本掌握了气携式液 液水力旋流器的分离机理以及流场特性 这将对旋流分离技术继续深 入的研究和应用起到积极的促进作用 气携式液一液水力旋流器若能研制成功 将为油田提供一种新型高效污水处理设备 对于新建站可以取代两次沉降工艺 迸一步简化污水处理工艺 提高出水水质 同时对于 油田地面工艺管理维护和降低工人劳动强度都具有非常重要的意义 另外 气携式液 液 水力旋流器的高处理能力 可以解决聚驱产出污水处理中存在的困难 并为聚驱上返后聚 驱 水驱采出液处理 提供技术储备 因此 气携式液 液水力旋流器对于油田降低污水 处理成本 保证污水达标排放都具有较好的促进作用 具有广阔的推广应用前景 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 1 6 本章小结 l 介绍了本文课题研究的来源和工业背景 2 简单阐述了旋流分离技术的原理及水力旋流器的发展历史 3 对气携式液 液水力旋流器的结构组成 工作原理以及国内外气携式液 液水力旋流 器研究情况作了简要的介绍 4 介绍了计算流体动力学 c f d 的概念 来源及发展历史 对计算流体动力学的特 点 应用范围及工作步骤都作了阐述 同时详细阐述了计算流体动力学 c f d 在 水力旋流器流场分析中的应用问题 9 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章气携式液 液水力旋流器分离机理研究 2 1 水力旋流器分离理论 水力旋流器的基本分离原理为离心分离 即将液流的高速切向直线运动在其几何结构 的约束下转变成强旋转运动 在离心力的作用下 重相介质沿外旋流向下运移至底流口排 出 轻相介质顺内旋流沿溢流口排出 尽管其分离原理并不复杂 但其内部的流场属于复 杂的强旋湍流流场 因此分散相粒子的受力与运动也极为复杂 因此水力旋流器的分离机 理研究是旋流分离技术的一个难点 其中的液滴的受力分析是研究水力旋流器的分离机理 的基础 a 外旋流b 内旋流 图2 1 内 外旋流场的粒子轨迹图 f i g 2 1p a n i c l et r a c kc h a r ti n s i d eh y d r o c y c l o n i cf l o wf i e l d 在液滴的所有受力中 对分离起关键作用的是径向力 液滴在旋流器的离心力场中 z f 个力 惯性离心力 向心浮力和流体介质阻力 此外还受到一些附加力 的作用 如m a g n u s 力和s a f f m a n 力 这些力都将影响液滴在旋流器内的流动 2 1 1 径向受力分析 气携式液一液水力旋流器内的液滴在径向上所受的离心力及向心浮力的表达式分别为 c 孚b 国2 2 1 只 警印2 弦z 式中 t 为离心力 f 为向心浮力 d 为液滴直径 见 户分别代表液滴及介质密度 功 为回转角速度 r 为回转半径 液滴在径向上运动时还受流体阻力的作用 其表达式为 第二章气携式液 液水力旋流器分离机理韧究 f 竿 2 3 z 式中 为液滴在其径向运动方向上的投影面积 也称为液滴的帆面面积 对于直径为d 的球形的液滴 a 蒯2 4 y 为液滴与流体介质之间的径向相对速度 善为径向阻力 系数 矿是液滴在流体介质中的雷诺数 r 却 为介质黏度 的函数 若分散相 液滴与连续相介质之间的径向相对流动为湍流状态 则善 o 4 4 由上所述 可知分散相液滴在径向方向运动时所受的总合力为 f fc 七f b 七fd 其中 若c 圪 则凡的方向同于e 反之 若e c 则瓦的方向同于e 可得径向合力的大小为 c 鼍6 篡鬟耄 三 p 尸7 w 8 广5 一 2 1 2 轴向受力分析 气携式水力旋流器内的分散相液滴在轴向上分别受重力只 乃的作用 分别描述如下 啥等瞄 圪 譬昭 凡 善华 2 4 于是 2 5 则一的方向同于圪的 向上浮力r 和流体阻力 2 6 2 7 2 8 式中 f 为轴向阻力系数 其大小确定方法同径向阻力系数 为液滴与介质之间在轴向上 的相对速度 故而可以得到液滴在轴向方向上所受的总合力大小为 2 2 气携式液一液水力旋流器注气分离机理 气携式液 液水力旋流器是把水力旋流器内的流体流动特征与泡沫浮选巧妙地结合于 一体 其内部流场为复杂的三相流动 相应地 其内分散相液滴的分离过程行为也相当复 杂 虽然前人在注气水力旋流器的应用研究方面已做了一些工作 但对其内液滴的分离过 程行为方面的研究还显得欠缺 尤其是对其内液滴受力与运动行为的分析与研究迄今尚属 空白 为了更深入地认识气携式水力旋流器内液滴的分离过程 以及更好地进行气携式液 液水力旋流器的迸一步应用研究 下面将对气携式液 液水力旋流器内液滴的受力分析及 运动行为进行研究u 竿华 力 纠 巨 t 大庆石油学院硕士研究生学位论文 以气携式液 液水力旋流器对油水分离为例 油滴属于疏水性液滴 当油滴被泵入气 携式水力旋流器后 随流体作旋转运动 并与在多孔边壁处形成的气泡发生碰撞并粘附 形成液滴与气泡的复合体 所以大部分疏水性液滴的运动实质上是随着液滴与气泡的复合 体 以下简称 复合体 一起运动 也就是说 复合体的运动即是这些疏水性液滴的运 动 显然 复合体的密度尸 比疏水性液滴本身的密度要小得多 而其粒度d 则要大得多 当复合体的密度p 小到比介质密度p 还小时 即p 9 时 由式 2 1 和式 2 2 可 知 它所受到的向心浮力会大于离心力 同样 其向上浮力会大于重力 这时复合体在径 向和轴向方向上的运动末速的速度方向分别是径向向内和轴向向上的 可得出复合体的径 向运动末速v 和轴向运动末速u v o 丛甓出 o 挈 复合体在径向和轴向上的绝对运动速度矢量式分别为 哥 厅 可 哥 厅 露 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 同样 由于薄流层区内流体的径向速度基本为零 故有i 可 即说明只要复合体 的密度小于介质密度 p 2 时 性能与一阶迎风格式相同 指数格式绝对稳定主要适用于无源项的对流 扩散问题 对有 非常数源项的场合 当见数较高时有较大 误差 乘方格式 q u i c k 格式 条件稳定p 8 3 可以减少假扩散误差 精度较高 应用较广 泛 但主要用于六面体或四边形网格 改进的绝对稳定 性能同标准q u i c k 格式 只是不存在稳定 q u i c k 格式 性问题 因此 本文采用有限体积法的q u i c k 格式对控制方程进行离散 3 3 3s i m p l e 算法 s i m p l e 是s e m i i m p l i c i t m e t h o d f o r p r e s s u r e l i n k e d e q u a t i o