大处理量紧凑型气浮装置的数值模拟

孔祥功，陈家庆，姬宜朋，王春升，张明，尚超，蔡小垒，刘美丽

（1北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；2中海油研究总院技术研发中心，北京 100027）



大处理量紧凑型气浮装置的数值模拟

孔祥功1，陈家庆1，姬宜朋1，王春升2，张明2，尚超2，蔡小垒1，刘美丽1

（1北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；2中海油研究总院技术研发中心，北京 100027）

摘要：目前鲜有关于大处理量气浮装置结构设计研究方面的报道，气浮装置国产化研究进程缓慢。为了解决这一问题，本文以自主研发的处理量为120m3/h紧凑型气浮装置为计算模型，采用Eulerian模型和RNG k-ε湍流模型，运用Fluent对其三维流场进行了数值模拟研究。分别研究了内筒高度、半径间隙及入口管径等结构参数和含油量、处理量等操作参数的影响，以便考察和优化气浮装置的分离性能。结构参数影响的数值模拟结果表明：随着半径间隙的减小，除油率先增大后减小；随着入口管径的减小，除油率先减小后增大；改变内筒高度对除油率的影响较小。操作参数影响的数值模拟结果表明，装置的操作弹性相对较大，对水质水量一定程度的波动具有良好的适应性。

关键词：紧凑型气浮装置；含油污水；分离效率；数值模拟；工程放大

油田开采、石油炼制、油品储存及运输过程中都会产生大量的含油污水，含油污水成分复杂，若未达标处理排放会对环境造成严重污染，因此含油污水的高效、快速分离处理技术在国内外都受到高度重视。近年来，基于低强度旋流离心场和气浮组合的紧凑型气浮装置（compact flotation unit，CFU）作为一种新型的含油污水处理设备，因其具有结构简单、操作维护方便、占地面积小、除油性能高等优点而受到国内外含油污水处理技术研发人员的高度关注，原挪威M-I SWACO Epcon公司（现被美国Schlumberger公司兼并）、挪威TS-Technology公司（现被美国Cameron公司兼并）、北京石油化工学院多相流高效分离技术与设备研究所、宁波威瑞泰默赛多相流仪器设备有限公司等先后推出了处理能力各异的工程样机或工业化装置[1-4]。虽然各种工程样机的具体结构和工作原理不尽相同，但在设计理论体系尚未完善成熟的情况下，为对紧凑型气浮装置内部核心构件的结构设计提供一定参考依据，采用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟手段进行相关参数影响研究的做法已经得到广泛认可。

2004年，原NATCO Group公司的LEE和FRANKIEWICZ等[5-6]利用CFD软件Fluent，分别对处理量为50m3/h立式气浮罐中气体喷射器的几何形状及位置、注入气体体积分数、污水入口几何形状和内部挡板等因素进行了数值模拟讨论，优化了罐体内部流场，保证气泡能够均匀分布。2015年，美国Schlumberger公司的MAELUM等[7]为在该公司第一代CFU产品（Epcon CFU）的基础上设计研发新一代CFU产品（DUAL CFU）时，采用拉格朗日多相流模型和单向耦合模拟算法，首先进行单一水相的Fluent流动模拟，迭代收敛后再加入不同粒径的气泡，统计达到水体表面气泡所占的比例，以此来估算除油效率；在此基础上分别对内部导流片的圈数、螺旋角进行优化，从而确保了新一代产品样机（处理量5m3/h）除油性能的实质性提升[7]。本文作者课题组[8-12]近十年来密切关注国外CFU的技术发展动态，基于自主建立的工艺尺寸理论设计方法和CFD数值模拟方法，研制开发的BIPTCFU-III-4型（处理量4m3/h）和BIPTCFU-III-20型（处理量20m3/h）工程样机分别在中原油田采油一厂、秦皇岛32-6油田、流花11-1油田和锦州25-1油田成功进行了现场试验，均取得了比较理想的除油效果。但是，纵观国内外已有的研究工作，迄今尚未见到针对大、中处理量下紧凑型气浮装置结构设计研究方面的相关文献，尤其在国内尚缺乏大、中处理量工程样机现场成功应用的案例报道。因此，本文采用CFD数值模拟手段，首次在国内针对处理量为120m3/h的BIPTCFU-III-120型工程样机进行数值模拟研究，分别讨论内筒高度、半径间隙、入口管径等结构参数以及处理量、含油量等操作参数对分离性能的影响，以期为大处理量CFU工程样机的研发提供理论指导，进而为该类产品的国产化、系列化设计奠定坚实基础。

1 数值模拟方法

1.1 几何模型和网格划分

BIPTCFU系列紧凑型气浮装置在工作过程中，含油污水与气体充分混合后由切向入口管进入立式气浮罐壁与内筒构成的环形空间中并形成弱旋流，一定的旋流强度使得油滴、气泡等轻组分向内筒中心汇聚，并在汇聚过程中接触黏附，所形成的油滴-气泡黏附体浮升至罐内上部液面，依靠罐内顶部气相空间的压力作用从顶部排油口排出，处理后的水通过罐底部的排水口排出。由于目前Fluent软件尚无法完全考虑油滴、气泡以及连续水相之间的相互作用，因此往往将气浮净化处理过程简化为两相流模拟。为不失一般性，保持油相密度不变，将油滴粒径设为300μm，以间接考虑气泡对油滴浮升的积极作用，从而将油-气-水三相数值模拟简化为油-水两相数值模拟。通过在相同收敛条件下对比装置内部的流场分布情况和油水分离效率，即可筛选出相对合理的内部结构方案和相应的结构参数取值。BIPTCFU-III-120型工程样机的设计处理量为120m3/h、水力停留时间为4min，基于自主建立的工艺尺寸理论设计方法可以初步计算确定主要结构尺寸。为了便于在Gambit软件中建立油-水两相流动区域三维实体模型，忽略顶部气相空间和下部回流管路等，最终得到简化后物理模型的结构尺寸和网格划分情况如图1所示。

计算时以下部椭圆封头直边中心作为坐标原点，竖直向上取为z轴正方向，通过Gambit软件采用分块结构化网格对计算区域进行离散。网格划分时，首先把计算区域划分成多个规则的子块，利用Map方式生成四边形面网格，然后利用Hex生成六面体网格，每个子块均可单独控制其疏密程度，所有的网格全部均为六面体网格，以充分保证网格质量。

图1 BIPTCFU-III-120型工程样机的物理模型和CFD数值模拟网格划分示意图

1.2 数值模拟模型与网格独立性验证

1.2.1 有效数值模拟模型的建立

油-水两相流动选用Eulerian模型，湍流模型采用RNG k-ε模型，压力-速度耦合选用Phase Coupled SIMPLE算法，连续相、分散相、体积分数、松弛因子等参考文献[13-14]进行设置。在边界条件设置时，将紧凑型气浮装置的切向入口设置为速度入口，入口速度为7.03m/s，入口含油量设为200mg/L，换算成体积分数为0.02564%；装置顶部出口和底部出口均设置为Outflow条件，其中顶部出口流量设为5%，底部出口流量设为95%。操作条件在x=0m、y=0m、z=2.7m处压力设置为101325Pa，重力加速度设为−9.81m/s2。图2为相应得到的内部速度场分布。从图2(a)的切向速度分布云图可以看出，通过切向入口使罐内液体产生了一定强度的旋流流动，并且液体的切向速度沿径向从中心到边缘逐渐增大；罐壁与内筒之间的环形间隙内切向速度最大，但该区域内液体在下行过程中的切向速度逐渐减小；在内筒内部区域，液体切向速度较小，尤其在内筒轴心区域附近均不超过0.5m/s。正是由于切向速度的这种分布特征，所以油滴在环形间隙区域的离心浮选效应较为明显，而内筒内部则以重力浮选为主。罐壁与内筒之间环形间隙部分的油滴在离心浮选与重力浮选的共同作用下上浮，并在扩张口下缘聚集形成局部高浓度区；未来得及上浮的油滴随液流下行，到达内筒下缘后因流通面积骤然增大，液流速度大幅度减小，接着基于重力浮选机理从内筒区域上浮至罐内液面上部，最终依靠压力从顶部排油口排出。从图2(b)的油相速度矢量分布图可以发现，罐内液体除了主体流动之外，还存在二次涡流，该流动会增大油滴的上浮速度。另外，由于在罐内底部加装了防冲板，极大地减弱了下部排水口的抽吸作用和对上浮油滴的拖曳力，使得排水口上部流场较为稳定，为油滴提供了一个相对平静的浮选环境。

1.2.2 数值模拟网格独立性验证

实验室现有2台HPZ820服务器（32个Intel Xeon @2.90GHz处理器、64Gb内存），所有模拟计算工作均在这两台服务器上进行。为了在确保数值模拟结果可靠性的同时，尽可能缩短计算时间，首先需要进行网格无关性验证。为此对BIPTCFU-III-120型工程样机采用相同的网格划分方式，仅在其径向、轴向、周向改变其网格尺寸大小，尤其是在切向入口和环形间隙等流动变化剧烈的区域划分3种不同疏密程度的网格，网格划分及计算耗时情况如表1所示。在参数设置相同的条件下进行运算，达到相同的收敛条件，图3为z=1.5m截面上的油相速度分布。从图中可以看出，不同网格数目对应截面处的油相速度变化很小，3种网格数目对计算结果的影响很小，可认为139万的网格已经达到网格无关，因此最终选用网格数目为139万。

图2 BIPTCFU-III-120型工程样机立式气浮罐体内的速度场分布

2 结果与分析

2.1 结构参数对内部流场和分离性能的影响

本文作者课题组前期针对实验室小型样机（BIPTCFU-III-4）进行数值模拟和实验研究时已采用正交试验方法考察了多个参数对装置分离性能的影响，分析了各因素的影响权重，得出主要影响因素有半径间隙、入口管径和内筒高度。因此本文中主要考察某一参量对CFU性能的影响规律，暂不考虑各因素之间的交互影响。通过单一改变H （600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm）、d1（50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、140mm、150mm）、d（60mm、66.1mm、70mm、75mm、77.7mm）分别来调整气浮装置的内筒高度、半径间隙和入口管径等结构参数，以讨论不同结构参数对其流场和分离性能的影响。

表1 网格划分情况汇总

图3 z=1.5m截面上不同网格单元数目下的油相速度分布

2.1.1 内筒高度的影响

图4 不同内筒高度下的油相切向速度和离心加速度分布

图4为保持其他参数不变，仅改变内筒高度时，气浮罐内的油相切向速度和离心加速度的分布，其中，z=1.4m截面位于内筒中部区域，z=0.9m截面位于内筒下部区域（下同）。从图4(a)中可以看出，不同内筒高度下罐内的流场分布相同，内、外筒间隙区域内的油相切向速度远大于内筒内部区域的切向速度，且在内、外筒间隙区域切向速度的径向梯度较大，内筒内部区域切向速度的径向梯度较小。与此对应，离心加速度在内外筒间隙区域最大，并且沿径向向内迅速衰减，如图4(b)所示。

图5为不同内筒高度对应的除油率的变化。从图5中可以看出，不同内筒高度对应的除油效率差别很小，说明随着处理量的增大，内筒高度对除油性能的影响程度越来越弱，因此在设计时内筒高度可以不作为主要影响因素来考虑，本文将内筒高度H取为900mm。

图5 不同内筒高度对应的除油率的变化

2.1.2 半径间隙的影响

保持其他参数不变，通过改变内筒圆柱段外径进而调整内、外筒之间的半径间隙d1，得到内部油相的切向速度和离心加速度分布如图6所示。图7为相应油相轴向速度分布和除油效率的变化情况。

从图6中可以看出，不同半径间隙下罐内的油相切向速度分布态势相同，仅具体量值大小有所变化。随着半径间隙从150mm逐渐减小至50mm，切向速度呈现先增大后减小的变化趋势，当半径间隙在70～80mm之间时，内、外筒之间的切向速度明显较大，内筒内部区域切向速度的径向梯度较小。相应地，离心加速度亦呈先增后减的变化趋势，最大可达6m/s2，因此旋流场在罐内仅起使油滴向中心汇聚的作用，分离则主要依靠重力浮选作用。当半径间隙较大时，污水以一定速度切向进入罐内，在环形空间内流动紊乱而无法形成有效旋流，导致主体液流快速下降；随着半径间隙逐步减小，来流逐渐开始形成旋流，直至形成稳定的旋流场；由于入口管径为77.7mm，流速为7.03m/s，随着间隙的进一步减小，部分来流进入罐内时会直接撞击内筒，导致动能损失，切向速度和离心加速度迅速下降。

从图7(a)可以看出，内、外筒的环形区域内的轴向速度明显大于内筒区域的轴向速度，且径向梯度较大，内筒壁面附近油滴具有的上行速度相对较大，内筒中心区域次之，内筒壁面和中心区域之间存在一个环形区域，此区域内油滴上浮速度较慢，甚至部分油滴的轴向速度为负值，这是由于罐内底部安装有防冲板，能够为其上部的内筒中心区域提供一个较为安定的浮选环境，而在防冲板周边附近因排水口的抽吸作用使得该部分油滴具有一定的下行速度，对浮油滴的曳力增大导致油滴上浮速度很慢，甚至出现油滴向下运动。另外，在半径间隙较大时，油滴轴向速度的下降幅度明显偏大，有效停留时间减少；在半径间隙较小时，油滴的轴向速度及径向梯度均比较小，油滴浮升较慢。因此，随着半径间隙的减小，除油率先增大后减小。综合衡量，最终将半径间隙d1取为80mm。

2.1.3 入口管径的影响

保持其他参数不变，仅通过改变入口管径d来调整入口流速，d分别取为77.7mm、75mm、70mm、66.1mm和60mm，对应的入口流速分别为7.030m/s、7.545m/s、8.661m/s、9.714m/s和11.789m/s，得到罐内油相切向速度、离心加速度分布如图8所示，同时得到油相轴向速度和除油率的变化如图9所示。从图8中可以看出，不同入口管径对应的油相切向速度变化趋势一致，仅当入口管径d=77.7mm时，对应的油相切向速度和离心加速度比较高。入口管流速越大，引起的管路冲击振动和阻力损失也相应增大，所以并不是入口流速越大越好。从图9(a)亦可看出，当入口管径较小时，内、外筒之间的油滴轴向速度比较大，主流下降较快，内筒内部油滴向下的轴向速度较大，除油率并非最高。综合衡量，选取入口管径d为77.7mm。

2.2 操作参数对内部流场和分离性能的影响

工程实际中，处理设备所面临的水质水量往往会发生一定程度的波动，对设备的除油效果也会产生一定的影响。为此需要围绕污水处理量和含油量这两个主要运行参数进行模拟与讨论，以考察设备的操作弹性和适应能力。

2.2.1 污水处理量的影响

图6 不同半径间隙对应的油相切向速度和离心加速度分布

图7 不同半径间隙对应的油相轴向速度和除油率的变化

图8 不同入口管径对应的油相切向速度和离心加速度分布

图9 不同入口管径对应的轴向速度和除油率

图10 不同处理量下油相速度分布和除油率的变化

保持入口含油量（200mg/L）不变，通过改变入口流量Q（分别为80m3/h、100m3/h、120m3/h、 150m3/h、200m3/h、250m3/h）来考察处理量对分离性能的影响。图10为不同处理量下对应的气浮罐内油相的速度和除油率分布。从图10(a)、(b)中可以看出，随着处理量的增大，气浮罐内的油相切向速度明显增大，内筒内部径向梯度增大，离心沉降加速度也相应增大，有利于油滴向中心汇聚，增强油滴的离心沉降作用，增加气泡和油滴之间的碰撞黏附概率；但从图10(c)能够看出，随着处理量的增大，气浮罐内的有效停留时间减小，下行液流对油滴的携带作用增强，致使油滴向下的速度增大，这均不利于油滴的浮选过程。由图10(d)可知，随着处理量的增加，除油率呈先略微上升后逐渐下降的变化趋势，在额定处理量附近的分离效果总体较高。另外，处理量在80～150m3/h变化时，设备能够正常稳定运行，除油率改变量仅在−10%～12%。

2.2.2 污水含油浓度的影响

保持入口流量（120m3/h）不变，通过改变入口含油量φ（分别为100mg/L、200mg/L、300mg/L、500mg/L、1000mg/L、1500mg/L）来考察水质对除油率的影响。图11为不同入口含油量对应的切向速度和油水分离效率的变化。从图11(a)可知，入口含油浓度对气浮罐内的流场分布影响极小。由图11(b)可看出，在处理低含油浓度（100mg/L）时，除油效率接近60%，且随着入口含油量的增大，除油效率呈缓慢增大的变化趋势，含油量从100mg/L变化到1500mg/L，除油率变化量仅为−1.66%～2.6%，入口含油浓度对设备的分离性能影响很小。综上所述，BIPTCFU-Ⅲ-120型工程样机的操作弹性比较大，对污水处理现场水质水量一定程度的波动情况具有良好的适应性和分离性能。

图11 不同入口含油量下切向速度和油水分离效率的变化

3 结 论

借助Fluent软件对自主设计的BIPTCFU-III-120型工程样机进行数值模拟，对比分析了不同结构参数下装置内的流场及油水分离情况，并讨论了处理量和入口含油量对装置除油性能的影响，得出以下结论。

（1）利用CFD数值模拟可以有效地获取气浮罐内的流场分布情况，并可通过对比改变结构参数前后设备内部流场和分离效率的变化，进而对BIPTCFU-III-120型工程样机进行结构优化，使装置的分离性能得到大幅提升，大大缩短了设备研发周期，降低了研发成本和设计风险。

（2）半径间隙对分离性能的影响最大，其次是入口管径，内筒高度对分离性能的影响最小。随着半径间隙的减小，分离效率先增大后减小，当半径间隙d1为80mm时，分离效率相对较好；随着入口管径的增加，分离效率先减后增，当入口管径d为77.7mm时，装置的除油效率可达到62%。

（3）在给定流量工况下，除油率随入口含油量增加而缓慢增大；在给定入口含油量工况下，除油率随处理量的增加而逐渐降低，处理量在80～150m3/h波动时，设备均能稳定运行，除油率改变量仅在−10%～12%；同时表明气浮装置对现场一定程度的水质水量波动情况具有良好的适应性。

参 考 文 献

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研究开发

Numerical simulation of flow field and structural and operational parameters in a large capacity compact flotation unit(CFU)

KONG Xianggong1，CHEN Jiaqing1，JI Yipeng1，WANG Chunsheng2，ZHANG Ming2，SHANG Chao2，
CAI Xiaolei1，LIU Meili1
（1School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2CNOOC Research Center，Beijing 100027，China）

Abstract：There were few reports about the structure design of large capacity floating device at present. The pace for domestication of flotation units was slow. In this paper，the self-developed compact flotation unit(CFU) with 120m3/h capacity was chosen as a simulation model. 3D flow fields were analyzed using Eulerian model and RNG k-ε turbulence model. The structural parameters such as inner cylinder height，radial clearance，inlet tube diameter were examined，as well as the influences of operational parameters including oil wastewater treatment capacity and inlet oil content，in order to investigate and optimize de-oiling performance of the unit. Results of structural parameters analysis showed that the inner cylinder height has less influence on separation efficiency. As radial clearance decreases，oil-water separation efficiency raises then declines. As the inlet tube diameter decreases，de-oil efficiency decreases first then increases. Results of operational parameters simulations indicated that CFU has a relatively large operational flexibility and good adaptability to a certain degree of fluctuations on water quality and quantity.

Key words：compact flotation unit；oily water；separation efficiency；numerical simulation；engineering scale-up

基金项目：国家自然科学基金（51079006）及北京市属高等学校“长城学者”培养计划（CIT&TCD20150317）项目。

收稿日期：2015-09-11；修改稿日期：2015-10-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.013

中图分类号：X 74

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）03–0733–08

第一作者：孔祥功（1989—），男，硕士研究生，主要从事多相流高效分离技术与设备研究工作。E-mail kongxianggong@bipt.edu.cn 。联系人：陈家庆，教授，博士生导师。E-mail Jiaqing@bipt.edu.cn。