重力式油水分离器斜板填料的数值模拟研究

2019-05-13李朋浩刘博文李奎琛申利波

山东化工 2019年8期

李朋浩，刘博文，李奎琛，田渊，申利波

(中国石油大学胜利学院化学工程学院，山东东营 257061)

常见的油水分离器主要是通过重力沉降的方式进行油水分离，其具有结构简单、处理量大等特点，被广泛应用于石油石化等领域[1]。油水分离器常见的内构件有斜板填料、波纹板填料、TP板填料等，根据不同的使用场景，各类填料有着不同的用处，斜板填料作为最常见的内构件之一，具有不易阻塞，分离效果好等优点，在重力式油水分离器中得到较为广泛的使用[2]。

本文在考察工业中常见的油水分离器后，通过设定合理的停留时间进而对油水分离器进行设计，油水分离器内部只存在斜板填料，未对分离器的出入口结构进行设计，为更好的对其结构参数进行优化，究其内部流体的流动特性，本文通过Fluent模拟软件对分离器内部的流场分布及油相浓度进行数值分析，考察不同结构参数对其的影响，进而完成对斜板填料的优化，通过改变流场分布可有效提高油水分离器的分离效果，使得重力式油水分离器的结构更加紧凑，有利于减小其体积及占地面积。

1 模型建立及参数设定

1.1 模型结构参数

图1 油水分离器结构及参数

油水分离器结构如图1所示，油水分离器左侧中部开设直径为30mm的入口，在分离器后端上部及下部分别开设直径为20mm的油相及水相出口，筒体直径为400mm，筒体长度为1200mm，两侧采用标准椭圆形封头，斜板填料距离左侧封头焊缝距离为250mm，斜板填料后面空间为广阔的重力沉降区。

1.2 数值模拟参数设定

结合相关实验及数值模拟研究可知，为使得模拟结果与真实值接近，多相流模型选取mixture模型，湍流模型采用标准k-ε模型[3-4]，为使得油水分离器停留时间为30min，入口流速经计算可得为0.12m/s，边界条件采用速度入口条件，油相及水相出口采用自由出流边界条件，其余的容器壁采用壁面边界条件。油相的设定密度为905 kg/m3，该油品粘度为241mPa·s，油滴的粒径为200μm，入口处油相的体积分数为20%。

2 模拟结果及分析

2.1 内部流场及油相浓度分布

图2 油相体积分数云图

为初步得到油水分离器内部流体的流动特性，探究流体流动与分离效果的关系，设定斜板填料的初始结构参数：倾斜角为30°、板间距为50mm，板长为250mm，通过数值模拟可得到分离器内部的油相体积分数云图如图2所示，分离器的上部油相浓度较高，积聚成一定浓度的油层，下部水相浓度较高，油相出口处油相的体积分数为66.56%，水相出口处油相的体积分数为9.05%，流体流经斜板填料，使得油水分离器实现了较好的油水分离。

为进一步研究其油相分布原因，分析其内部流场得到速度矢量图，如图3所示。流体在入口处以很大的速度流入分离器，由于未设有相应入口结构，流体直接冲击斜板上部，造成局部回流，回流向下流动影响下部流体正常流入斜板板间，造成一定的冲击，影响斜板的分离效果。斜板下部产生了一定死区，造成分离器流体区域的浪费，降低分离空间。流经斜板填料的流体在其后部产生一定的涡流，流体的局部扰动需要较大的沉降区进行缓解。由于未设置相应出口结构，流体在各出口有局部涡流，也会在一定程度上降低分离效果。

图3 分离器内部速度矢量图

2.2 结构参数影响及分析

油水分离器油出口的油相体积分数，可有效反映出油水分离器的分离效果，通过改变斜板填料的结构参数，分别建模并进行数值模拟研究，进而考察不同参数对油水分离器分离效果的影响。

图4 板倾斜角对分离效果影响

如图4可知，通过增大板的倾斜角，油出口油相体积分数呈现先增大后减小的趋势，并于倾斜角为15°时，油相体积分数取得最大值70.35%，此时油水分离器分离效果最好。随着板倾斜角的增大，板后的涡流情况加剧，在一定程度上影响油水的重力沉降，进而降低了分离器的分离效果。

图5 板间距对分离效果影响

如图5可知，通过增大板间距，油出口油相体积分数呈现先增大后减小的趋势，并于板间距为30mm时，油相体积分数取得最大值71.29%，此时油水分离器分离效果最好。随着板间距增大，相同体积斜板数少，油相聚结的几率减小可降低分离效果，另外当板间距过小时，阻碍了板间流体的流动，进而也会影响分离器的分离效果。

图6 板长对分离效果影响

如图6可知，通过减小斜板长度，油出口油相体积分数呈现逐渐增大的趋势，并于斜板长度为150mm时，油相体积分数取得最大值74.63%，此时油水分离器分离效果最好。当板长较小时，不但可以起到油相聚结和油滴浮升的目的，而且在其后续的重力沉降区产生的涡流较小，进而降低对重力沉降区的影响，使得分离器的油水分离效果提升。