电磁分离装置内油水两相流流动分离特性

蒋文明，边　江，石念军，刘　杨，王文奇，李琦瑰

（1．中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580；2．中国石化胜利油田分公司孤东采油厂，山东东营257026；3．中国石化胜利油田东胜精攻石油开发集团股份有限公司，山东东营257000）

试验研究

电磁分离装置内油水两相流流动分离特性

蒋文明1，边江1，石念军2，刘杨1，王文奇3，李琦瑰1

（1．中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580；2．中国石化胜利油田分公司孤东采油厂，山东东营257026；3．中国石化胜利油田东胜精攻石油开发集团股份有限公司，山东东营257000）

介绍了油水混合液在电磁场下的分离过程原理，建立了电磁场油水分离物理及数学模型，并进行了油水分离特性模拟研究，重点研究磁场强度、电流密度、入口流速、油滴粒径等关键因素对油水分离过程和流动特性的影响。结果表明：其他条件不变时，随磁场强度或电流密度的增大，分离效果增强，且存在一个临界电磁力值，只有当实际电磁力大于临界电磁力时，才能实现预期的分离效果；随入口流速的增大，油水混合流在电磁场中的分离作用时间减少，分离效果减弱；随油滴粒径的增大，分散油相受到的浮力增大，分离效果增强。

油水混合流；电磁场；油水分离；数值模型；流动特性

随我国胜利、大庆、辽河等几大主力油田应用聚合物进行三次采油以来，产生的污水具有黏度高、油水乳化严重、携带固体悬浮物能力强、油滴和固体颗粒上浮或下沉的阻力大以及对化学处理剂的吸附损耗严重等特点〔1〕，使得污水处理难度不断加大。因此，开发污水处理新技术，对解决油田注聚采油引发的一系列生产问题，保证油田稳定生产，保护油田自然环境等方面具有重要意义。

电磁场油水分离技术是近年来新兴的一种油水分离技术〔2〕。工作原理：当油与水的混合液进入电场与磁场的相互作用区时，水的微团会受到电磁力的作用而向下运动，而油的微团由于不导电，不受电磁力作用，仅受到水微团的反作用力，该力与电磁力大小相等，方向相反，油与水在不同方向受力的作用下实现分离。

截止到目前，国内外对电磁场用于油水分离进行了一些研究工作〔3-4〕。笔者根据电磁场油水分离原理建立了电磁场油水分离数值模型，在前人研究的基础上建立了新型电磁场油水分离装置结构模型〔5〕，据此进行了系统、全面的电磁场油水分离特性模拟研究，分析了磁场强度、电流密度、入口流速、油滴粒径等关键因素对油水两相流流动和分离特性的影响，为电磁场油水分离装备的工业应用与结构优化提供了理论基础。

1　计算模型

1.1控制方程

由于分离过程中内部流动过程较为复杂，数学模型采用k-ε紊流模型，通过求解各相的k和ε输运方程，可以更精确地描述其内部相互作用规律。用p和q分别表示油相和水相，电磁场油水分离模型的控制方程〔5〕如下所示。

q相的连续性方程：

式中：

在油水混合流中由于q相的密度是固定值，不发生变化，故上式第一项为0；且相间不发生质量转移，故第三项也为0，则：

q相的动量方程：

式中：

电磁控制方程：

式中

式中

1.2物理模型

新型电磁场油水分离装置结构模型如图1所示。

图1　　电磁场油水分离模型

由图1可见，通道的前半段为入口整流段，后半段为电磁场有效分离段。在后半段中分别施加X轴正方向的磁场及Y轴正方向的电场。当油水混合液进入有效分离段时，水受到沿Z轴负方向的作用力向下运动，油受到反作用力而向上运动，在有效分离段末端实现油水分层，进而实现油水分离。

流体物性参数如表1所示。

表1　　流体物性参数

1.3边界条件

入口边界：速度入口边界，方向沿X轴正向。有效分离段：通道内施加X方向的磁场和Y方向的外加电压。出口边界：出流边界。

1.4计算方法

在多相流模型中，欧拉模型适用于流动中有相分离或混合的情形，对于电磁场油水混合流动和分离过程，其求解选择欧拉模型。数值计算结合商用软件fluent求解器求解，电磁场油水分离模型采用上面描述的模型，电磁力使用UDF编程表示，调入fluent中求解，实现电磁场与多相流场的耦合过程。

2　计算结果与分析

2.1网格无关性验证

在数值模拟计算中，通过改变网格的疏密程度，对比计算结果来评估网格划分的质量是否对模拟效果造成了影响。在电流密度为440 A/m2，磁场强度为5 T，入口速度为0.1 m/s，入口含油率为10%，油滴粒径为0.1 mm的计算条件下，指定网格数为99 360、161 865、577 252、1 080 411个，分别计算得出有效段出口截面（X=133 mm）竖直中心线上油滴体积分数分布，对比相同位置的数值解，结果表明，网格数99 360个与161 865个相比最大偏差为7.43%，网格数 161 865个与 577 252个相比最大偏差为1.13%，网格数577 252个与1 080 411个相比最大偏差为0.95%，可见，当网格数在161 865个以上时，可获得相对精确的数值解，为提高计算效率，模拟采用总数为161 865个的网格进行相关计算。

2.2模型验证

当电流密度为440 A/m2，磁场强度为5 T，入口速度为0.1 m/s，入口含油率为 10%，油滴粒径为0.1 mm时，稳态计算得出的数值结果表明：在分离装置的前半段，由于油水相均不受电磁力作用，仅受边界层影响，因此，油相速度分布仅表现为从壁面到流道中心呈现一定的梯度变化。进入有效分离段以后，水相受到向下的电磁力作用，油相受到向上的反作用力作用，在有效段的前半部分油相流场开始发生畸变，并在有效段后半部分的上部形成漩涡，延伸至分离通道出口处。有关流动规律与相关文献结果一致〔5〕。

3　油水分离特性影响规律研究

3.1磁场强度对分离特性的影响

计算条件：保持电流密度为440 A/m2，含油率为10%，入口速度为0.1 m/s，油滴粒径为0.1 mm不变，不同磁场强度条件下，分离通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心线上的油相体积分数分布如图2所示。

图2　　不同磁场条件下油相体积分数分布曲线

由图2可见，在油水分离通道上部，随着磁场强度从1 T增大到10 T，相同位置的油相体积分数极值从20%增大到92%；在油水分离通道下部，随着磁场强度从1 T增大到10 T，相同位置的油相体积分数极值从7%减少到1%。这主要是因为在油水分离过程中，随着电场强度的增大，水相受到的电磁力不断增大，离散油相受到向上的反作用力也不断增大，导致更多的油相集中在分离通道的上层，水相集中在分离通道的下层。这说明，其他条件不变时，随着磁场强度的增大，油水分离通道内的油水分离效果不断增强。

3.2电流密度对分离特性的影响

保持磁场强度为5 T，含油率为10%，入口速度为0.1 m/s，油滴粒径为0.1 mm不变，不同电流密度条件下，分离通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心线上的油相体积分数分布如图3所示。

由图3可见，在油水分离通道上部，随着电流密度从220 A/m2增大到1 320 A/m2，相同位置的油相体积分数极值从58%增大到96%；在油水分离通道下部，随着电流密度从220 A/m2增大到1 320 A/m2，相同位置的油相体积分数极值从4%减少到1%。增大电流密度对油水分离效果的作用机理和影响规律与增大磁场强度类似，都是通过增大水相电磁力来实现的。由图2、图3还可知，电流密度为440 A/m2，磁场强度为2.5 T与电流密度为220 A/m2，磁场强度为5 T时，分离通道最上层含油率均能达到58%，这说明采用电磁场实现油水分离时，在特定的处理条件下，存在一个临界电磁力值，只有当实际电磁力大于临界电磁力时，才能实现有效的油水分离。

图3　　不同电流条件下油相体积分数分布曲线

3.3入口速度对分离特性的影响

磁场强度为5 T，电流密度为440 A/m2，含油率为10%，油滴粒径为0.1 mm不变，不同入口速度条件下分离通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心线上的油相体积分数分布如图4所示。

图4　　不同入口速度条件下油相体积分数分布曲线

由图4可见，在油水分离通道上部，随着入口速度从0.05 m/s增大到0.3 m/s，相同位置的油相体积分数极值从92%减少到60%；在油水分离通道下部，随着入口速度从0.05 m/s增大到0.3 m/s，相同位置的油相体积分数极值从1%增大到7%。这主要是因为在油水分离过程中，随着入口速度的增大，电磁场区域对油水混合流的作用时间减少，水相受到的电磁力不断减小，离散油相受到向上的反作用力也随之减小，导致油水分离不够充分。

3.4油滴粒径对分离特性的影响

磁场强度为5 T，电流密度为440 A/m2，含油率为10%，入口速度为0.1 m/s不变，不同油滴粒径条件下分离通道有效段出口截面（X=133 mm）上沿垂直中心线上的油相体积分数分布如图5所示。

图5　　不同油滴粒径条件下油相体积分数分布曲线

由图5可见，在油水分离通道上部，随着油滴粒径从0.05 mm增大到0.3 mm，相同位置的油相体积分数极值从23%增大到100%；在油水分离通道下部，随着油滴粒径从0.05 mm增大到0.3 mm，相同位置的油相体积分数极值从6%减少到0。这主要是因为在油水分离过程中，随着油滴粒径的增大，油滴所受浮力增大，油滴上浮速度增加，导致更多的油相集中在分离通道的上层。

通过上述数值模拟研究可以得出：其他条件不变时，随着电流密度、磁场强度和油滴粒径的增大，油水分离效果增强；随着入口流速的增加，分离效果变差。

4　结论

（1）在油水电磁分离通道内，水相受到向下的电磁力作用，油相受到向上的反作用力作用，在有效段的前半部分油相流场开始发生畸变，随着油水的流动，离散油滴逐步向通道顶部集中，并在有效段末端实现油水分层。

（2）随磁场强度或电流密度的增大，油水混合流中水相受到的电磁力增大，油相受到的反作用力增大，分离通道内油水分离效果增强，且存在一个临界电磁力值，只有当实际电磁力大于临界电磁力时，才能实现预期的分离效果。随入口速度的增大，油水混合流在电磁场中的分离作用时间减少，分离通道内的油水分离效果减弱。随油滴粒径的增大，分散油相受到的浮力增大，进一步增强了油水分离效果。

［1］周卫东，佟德水，李罗鹏.油田采出水处理方法研究进展［J］.工业水处理，2009，28（12）：5-8.

［2］Kolesnikov Y B，Tsinober A B.Experimental investigation of twodimensional turbulence behind a grid［J］.Fluid Dynamics，1974，9 （4）：621-624.

［3］Takeda M，Tanase Y，Kubozono T，et al.Separation characteristics obtained from electrode partitioning MHD method for separating oil fromcontaminatedseawaterusinghigh-fieldsuperconducting magnet［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22（3）：1543-1546.

［4］张国艳，彭燕，赵凌志，等.磁流体（MHD）浮油回收装置中通道内部流动特性的仿真分析［J］.海洋环境科学，2007，26（1）：33-37.

［5］张国艳.磁流体油污海水分离回收装置中流动过程的数值模拟［D］.中国科学院研究生院（电工研究所），2006.

The flow and separation characteristics of two-phase flow in the oil-water separation device under electromagnetic field

Jiang Wenming1，Bian Jiang1，Shi Nianjun2，Liu Yang1，Wang Wenqi3，Li Qigui1
（1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Gudong Oil Production Plant，Sinopec Shengli Oilfield，Dongying 257026，China；3.Dongsheng Jinggong Petroleum Development Group Co.，Ltd.，Sinopec Shengli Oilfield，Dongying 257000，China）

The separation process principles of oil-water mixed liquid under the interaction of the electric and magnetic fields are introduced.A mathematical and physical model of electro-magnetic fields oil-water separation device has been established and the simulated research on the characteristics of oil-water separation is carried out.The influences of key factors，such as magnetic field intensity，current density，entrance velocity，oil-drop diameter，etc.on the oil-water separation process and flow characteristics are studied emphatically.The results show that when the other conditions are the same，with the increase of the magnetic field intensity and current density，the separation effect is enhanced，and there exists a critical value of electro-magnetic force.The expected separation effectiveness can be achieved，only when the actual electro-magnetic force is stronger than the critical electro-magnetic force.With the increase of entrance velocity，the separation time of oil-water mixed flow in the electro-magnetic field is shortened and separation effect weakened.With the increase of the oil-drop diameter，the buoyancy of dispersed oil phase is increased and separation effect enhanced.

oil-water mixture flow；electromagnetic field；oil-water separation；numerical model；flow characteristics

X703.1

A

1005-829X（2016）01-0021-05

国家自然科学基金项目（51406240）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（12CX04070A）；青年骨干建设工程项目（14CX02211A）

蒋文明（1982—），博士，副教授，硕士生导师。E-mail：jwm7390265@163.com。

2015-11-17（修改稿）