含聚浓度对旋流器流场分布和分离性能的影响

郑国兴 蒋明虎 王凤山

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院；3.黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室）

目前，针对含聚采出液黏度对旋流器流场特性和分离特性的影响，国内外众多学者大多是基于连续相为牛顿流体的假设来研究的［1～3］，即服从牛顿内摩擦定律。 但是聚丙烯酰胺的水溶液呈现明显的非牛顿流体特性， 即温度不变的条件下，黏度值随着速度梯度的变化而变化，所以将它假设为牛顿流体时没有考虑到非牛顿流体的流变性对旋流器内部流场和分离效率的影响。 为此，笔者研究了含聚浓度变化对螺旋导流式旋流器黏度场和分离效率的影响。 将任意粒径下高黏度流体与分离效率进行拟合，利用拟合方程计算任一粒径低黏度下旋流器的分离效率计算值并与模拟值进行对比，从而对工程实际进行一定的指导。

1 计算模型

1.1 物理模型的选取

螺旋导流式旋流器几何结构与坐标约束如图1所示［4］。 旋流器工作时，混合液流经螺旋流道后加速旋转，形成强烈的涡旋，受油水两相密度差的影响， 油滴不断向中心运移从溢流口流出，水相则被甩向边壁从底流口排出，最终实现两相分离。 其中，截面S1为入口截面位置，截面S2距离入口170mm，截面S3距离入口230mm，截面S4距离入口460mm。

图1 螺旋导流式旋流器几何结构与坐标约束简图

1.2 模拟参数设置

采用ANSYS Fluent软件进行数值求解， 模拟介质为油和水， 设置油相密度881kg/m3， 黏度21.3mPa·s；根据含聚采出液流变特性，选取水相黏度值范围为1～35mPa·s。 数值模拟过程中，采用黏度模型对连续长流场进行修正。 压力-速度耦合选用SIMPLE算法，湍流计算模型选择雷诺应力模型［5～7］，选择离散相模型对油滴运移轨迹进行求解。 选用速度入口 （Velocity-inlet） 和自由出流（Outflow）出口边界条件，设置入口油相体积分数2%，溢流分流比20%，壁面边界条件设置为无滑移、无渗漏。

2 连续相结果分析

数值模拟分析了5种含聚浓度C（0、500、1 500、2 500、3 500mg/L）下的旋流器内黏度场变化规律， 计算中除含聚浓度之外均采用相同的参数设置。

图2为纵剖面、 截面S1～S4处不同含聚浓度下的表观黏度分布云图。 当含聚浓度为0mg/L时，即清水状态下，流体表现为牛顿流体特性，黏度值始终为1.003mPa·s；当在清水中添加聚合物后，流体表现为非牛顿流体特性。 观察同一含聚浓度（例如C=1500mg/L）下纵剖面可以发现，流体位于入口段位置时，由于速度较小，表观黏度较大；经过螺旋流道加速， 表观黏度较入口段大幅下降。观察同一含聚浓度（例如C=1500mg/L）下S1=0mm、S2=170mm、S3=230mm、S4=460mm这4个截面中的任一截面可以发现，当流体处于旋流器中心位置和壁面位置时，黏度最小，这与流体在壁面和旋流器中心位置速度梯度较大、 剪切作用较强有关。 对同一含聚浓度 （例如C=1500mg/L） 下S2=170mm、S3=230mm两个截面进行对比观察，其中S2=170mm位于旋流器的旋流腔段，S3=230mm位于旋流器的圆锥段， 可以发现随着纵向位置增大，表观黏度逐渐降低，这可能与锥段是旋流器主要的分离部位，该部位中流体速度较大，致使表观黏度降低有关。

图2 纵剖面、截面S1～S4处不同含聚浓度下的表观黏度分布云图

图3为截面S3处不同含聚浓度下的表观黏度分布曲线，可以看出，表观黏度随径向位置变化对称分布，呈M形，且随着含聚浓度的增大曲线斜率增加，这说明随着含聚浓度的增加，表观黏度受剪切速度影响越大，流体所呈现的非牛顿特性越强。

图3 截面S3处不同含聚浓度下的表观黏度分布曲线

3 分离效率验证

为计算旋流分离器分级效率，首先利用Rosin-Rammler方法对入口颗粒尺寸进行分布拟合。

假定油滴颗粒粒径服从表1的分布。 可以看出，小粒径和大粒径的颗粒占比较小，大部分颗粒粒径处于中间，分布形式完全符合自然界规律，由公式计算得当平均粒径d估计值约0.342 3mm、传播系数n为2.56后即可进行数值模拟。

表1 油滴颗粒粒径分布

分级效率不仅能全面反映旋流器分离效率，同时也可以直观地观察出旋流器系统内颗粒分离情况，为了分析颗粒的分级效率，通常采用等粒径颗粒。 选取几种不同粒径颗粒， 均匀地从入口喷射， 颗粒的分离效率为溢流口捕集到的颗粒数与入口颗粒总数的比值，即分级效率。 设从入口进入旋流器系统内的粒径为di的颗粒数目为nif，被颗粒底流出口捕集的粒径为di的颗粒数目为nie，则分级效率η（di）和总分离效率η计算式如下：

其中，nic为被颗粒溢流出口捕集的粒径为di的颗粒数目。

图4为不同含聚浓度和粒径下旋流器的分离效率。 表2为任一粒径下含聚浓度与旋流器的分离效率拟合方程。 油田实际含聚浓度集中在0～1 000mg/L范围内，浓度较低，利用拟合方程计算任一粒径低黏度下旋流器的分离效率计算值并与模拟值（以粒径0.31mm为例）进行对比。 图5为粒径0.31mm时不同含聚浓度下的旋流器分离效率，可以看出计算值与模拟值较接近，最大差值为2.91%， 说明两种方法得出的分离效率值相差较小，且粒径越大，高黏度呈现的含聚浓度与分离效率规律在低黏度范围内应用的越好，即高黏度下的拟合方程可作为同一粒径下不同含聚浓度的经验公式，减少了模拟计算量，并可以将理论规律应用到工程实际中。

图4 不同含聚浓度和粒径下旋流器的分离效率

表2 任一粒径下含聚浓度与旋流器分离效率的拟合方程

图5 粒径0.31mm时不同含聚浓度下的旋流器分离效率

4 结论

4.1 水中溶入聚合物后，其表观黏度随径向位置变化呈对称分布（M形），且随着含聚浓度的增加，流体所呈现的非牛顿特性越强。

4.2 利用Rosin-Rammler分布定义油滴粒径，针对同一含聚浓度，随着粒径的增大，旋流器的分离效率明显增大，且分离效率受含聚浓度影响程度越小。 针对同一粒径，随着含聚浓度的增大，旋流器分离效率呈明显的下降趋势。

4.3 将高浓度含聚水溶液呈现的不同粒径的分离效率的规律应用于低浓度范围时发现，粒径越大，高浓度含聚水溶液呈现的规律在低浓度范围内应用得越好，即高黏度下的拟合方程可作为同一粒径下不同含聚浓度的经验公式，该结论极大地减少了模拟计算量，并可以将理论规律应用到工程实际中。