基于“浅池原理”的斜管组油水分离机理研究

王文武

(长庆油田分公司 机械制造总厂，西安 710201)①



基于“浅池原理”的斜管组油水分离机理研究

王文武

(长庆油田分公司 机械制造总厂，西安 710201)①

研究了基于“浅池原理”的斜管组结构在重力式油水分离装置中的作用机理。利用Stokes公式推导了影响斜管组除油效率的关键参数，为提高油水分离装置的除油效率提供了理论依据。从理论上求出了离散相油滴在斜管组结构中的停留时间，并与流体动力学仿真软件FLUENT求解的仿真结果进行了对比分析。结果表明：基于“浅池原理”的斜管组除油过程实质为斜管组内离散相油滴间的碰撞与聚结，其表象为离散相油滴在水相中的浮升与分离。

油水分离；机理；数值模拟

“高压注水”是目前油田中后期开采的主要手段之一，开采出来的油水混合物的含水量较高，分离难度增大。研究重力式除油池的油水分离机理，优化除油池的结构参数，对提高除油池的分离效率具有重要的现实意义。由“浅池原理”发展形成的斜管组除油池利用油和水的密度差使水中分散悬浮的油滴逐渐浮升而使其分离[1]。生产中采用的斜管组除油池如图1所示。孙治谦等人[2-3]对重力式油水分离设备的液滴终端速度及分离效率进行了研究，陈相[4]对重力式除油设备的应用效果及使用特点进行了研究。本文主要针对“浅池原理”在斜管组除油池中的作用效果及离散相流体在斜管组结构中的停留时间进行定性分析和定量计算研究。

图1　生产中的斜管组除油池

1　流体在斜管组结构中停留时间的定量理论分析

(1)

式中：ust为油滴的终端浮升速度，m/s；ρw和ρo分别为水相和油相流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d0为油滴的粒径，m；μ为水相流体的动力黏度，Pa·s。

由Stokes公式可知，油滴的浮升速度与油水两相的密度差及油滴直径的平方成正比，与水相的动力黏度成反比。根据管道末端的油相浮升速度，就可以对离散相油滴在管道中的停留时间进行计算，流体在管道中的流动状态如图2所示。

混合物流体以速度v从左端流入，右端流出，在管道中的停留时间为

(2)

式中：t1为混合物流体在斜管中的停留时间，s；l为斜管的长度，m；v为混合物流体在斜管中的速度，m/s；d1为斜管的直径，m；Q为混合物流体在斜管中的体积流量，m3/s。

假设油滴从管道底部浮升至顶部，即为油水发生分离，则油滴的浮升时间为

(3)

式中：t2为油滴从管道底部浮升至顶部的时间，s。

2　斜管组结构中流体停留时间的仿真计算分析

根据斜管组除油池的实际尺寸建立的几何模型如图3所示，对应的有限元网格模型如图4所示。

图3　斜管组除油池几何模型

图4　斜管组除油池网格模型

2.1参数设置

利用流体动力学仿真软件FLUENT，选择Mixture混合物模型、Realizable湍流模型、三维稳态、隐式耦合求解器、SIMPLE算法进行数值计算。设置速度入口、压力出口的边界条件，选用的FLUENT材料库中白油和水两相的主要物性参数如表1所示。假设油水混合物中水相作为主相，油相作为次相，油相的体积分数为20%。

表1　模型中流体介质的主要属性参数

2.2计算结果分析

用FLUENT 15.0计算得到斜管组除油池内油相流体的速度矢量图如图5所示。

图5　油相流体速度矢量

由图5可知，油相流体经过装置中的缓冲整流配水板作用后，开始在重力差的作用下发生油水分离。其中部分油相在浮油层完全分离后经油相出口流出，未发生分离及分离不完全的油水混合物流经斜管组结构后，在斜管组结构的二次分离作用下，其中的部分油相向斜管的上壁面运动聚结。这一现象说明基于“浅池原理”的斜管组除油机制实质上为斜管组内离散相油滴的近似同方向运动，从而在距离上为油滴间发生碰撞与聚结提供空间可能性，离散相的油滴经过碰撞、聚结作用后，其油滴的粒径和表面积不断增大，其表象为离散相油滴的体积增大，导致在水相中的浮力增大，从而加速了离散相油滴在水相中的浮升和分离。这种现象正是“浅池原理”及“聚结原理”在斜管组结构油水分离过程中的具体表现形式，也在一定程度上提高了斜管组除油池装置的除油效率。

为了定量分析“浅池原理”在斜管组结构中作用效果[8-10]，本文用流体在斜管中的停留时间来表征这种作用效果。斜管组流体在斜管中的停留时间统计表如表2所示。

表2　流体在斜管中的停留时间统计

3　理论值与计算结果对比

根据仿真过程中的模型参数，取l=90 mm，d1=5 mm，μ=0.001 003 kg/(m·s)，ρw=1 000 kg/m3，ρ0=860 kg/m3，d0=0.1 mm代入式(2)和(3)，计算出流体在斜管中的理论停留时间如表2所示。

流体在斜管中停留时间的理论值与仿真计算结果对比表明，在相同的条件下，t1≥t2，说明油水混合物在斜管中发生不完全分离；流体在斜管中的停留时间模拟值大于理论值，且误差在15%左右，说明针对流体在斜管中停留时间的仿真计算和理论结果基本可靠。

4　结论

1)管道中油水两相分离效率与离散相油滴的粒径、斜管长度、油水两相间密度差、连续相流体黏度及单位时间的体积流量有关，而与管道的高度(直径)无关。

2)在重力式除油池中增设斜管组结构，可减小离散相油滴的浮升高度，增大其浮升面积，从而减少了离散相油滴在斜管组除油池装置中的浮升时间，进而提高了装置的除油效率。

3)基于“浅池原理”的斜管组除油机制实质上为混合物流体流经斜管组结构后，离散相的油滴经过碰撞、聚结作用，其粒径和表面积不断增大，其表象为离散相油滴的体积增大，导致在水相中的浮力增大，从而加速了离散相油滴在水相中的浮升与分离。

[1]王维忠，仝兴华，闫立志，等.斜管组除油池的结构优化研究[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2015，39(1)：122-127.

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Study on Mechanism of Oil and Water Separation in Tube Separator Based on the “Principle of Shallow Pool”

WANG Wenwu

(MachineryManufacturingFactory，ChangqingOilfieldCompany，Xi‘an710201，China)

The mechanism of the inclined tube group structure is studied based on “the principle of shallow pool” in gravity type of oil-water separator in this paper，and the key parameters affecting the efficiency of oil removal of the tube separator based on the Stokes formula is found out.The study conclusion can provide theoretical basis to improve the efficiency of oil removal of the device.And the residence time in the inclined tube group structure is got in theory，and it is compared with the simulation results calculated with the fluid dynamics simulation software FLUENT.The result shows that the oil removal mechanism of the inclined tube group based on “the principle of shallow pool” is essentially the collision and coalescence of the dispersed phase in the inclined tube group，and its representation is the float and separation of the dispersed phase of oil in the water phase.

oil water separation；mechanism；numerical simulation

1001-3482(2016)09-0089-04

2016-03-30

王文武(1968-)，男，甘肃镇原人，高级工程师，博士研究生，1991年毕业于郑州工学院化机专业，主要从事油气田过程装备设计与研发工作，E-mail：www_cq@petrochina.com.cn。

TE931.101

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.021