钻井碟式分离机油-水-固三相分离模拟与实验

2023-07-25张羽臣王昆剑石大磊

机械设计与研究 2023年2期

张羽臣, 王昆剑, 刘阳, 石大磊, 张毅

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 100027,E-mail:dream5568@126.com;2.中海油田服务股份有限公司,天津 300451;3.西南石油大学机电工程学院,成都 610500,)

钻井用油基泥浆经过振动筛和卧螺离心机离心处理后,液相含油量达10%左右。此时物料固相1-3%,含油10-20%,为了满足海洋环保的要求,还需要对油-水-固三相做进一步分离处理[1]。碟式分离机作为一种高效的分离机械广泛应用于各个领域[2],国内外学者对其流场进行了大量研究。袁惠新等[3]推导出了离心机转速、处理量和碟片数量等参数与分离效率之间的关系式,并设计试验对其进行了定性验证;张泽帮等[4]借助液面径向平衡方程推导出了两相流体分界面半径的表达公式,重点研究了两相之间密度比及出口半径与分界面的关系;孙步功等[5]研究设计了专用于黄河水泥沙的碟式分离机,研究各个参数对分离效果的影响;Zhiguo Zhao[6]对碟式分离机内部流场进行了模拟,对进出口位置和碟片进行了优化。

因此,虽然学者在离心机内流场领域取得了一些成果,但各自的研究都是针对某一型混合溶液或者具体某一设备,基本都是针对固-液或者液-液两相进行处理,很少有针对液-液-固三相的分离效果进行研究。

根据现场的泥浆处理使用需求选择了RPDB309SJ-03D型碟式分离机,应用效果表明,该分离机的转速和入口处理量对分离效果影响较大,为了进一步优化碟式分离机的结构,本文利用Fluent软件对碟式分离机内流场进行数值模拟,以探究碟式分离机内流场运动规律及分离效率。

1 碟式分离机工作原理

碟式分离机是利用转鼓高速旋转带动流体旋转产生离心力场,从而达到固-液、液-液以及液-液-固分离的机械。其分离因数通常大于3 500,转鼓的转速一般为3 000 r/min～14 000 r/min[7]。如果碟式分离机的结构设计与工作参数比较合适,则该分离机可以连续工作,分离效率也比较高,因此研究离心机的分离模型与不同类型流体下的运动状态对于优化碟式分离机得结构和分离效率有重要的意义。

▲图1 碟式分离机模型

碟式分离机转毂部分由转毂壳、碟片组、排渣装置等组件构成。如图1所示,物料由进料口进入转毂区域,从底层碟片逐层向上分离,在碟片组区域完成分离[8]。其中,重液相及固相由于密度较大导致离心力较大,从而聚集在转毂壁面区域,经由排渣装置排出。重液经顶端碟片从重相出口排出。轻液由于密度较小,聚集在转轴附近,从轻相出口排出。

2 内部流场数值计算

在碟式分离机内,由于不考虑热效应,可将多相混合液视为等温、不可压缩流体,故只需质量守恒方程以及动量守恒方程[9]。

(1)

式中:ρ是流体密度;t为时间;u、v、w分别为速度矢量在x、y、z方向分量。

在本次数值模拟的条件下,流体介质密度可视为常数,式(1)可简化为:

(2)

(3)

2.1 分离效果因数Fr

分离因数Fr是指物料在分离机内所受的离心力与其重力的比值,也可认为是离心加速度与重力加速度的比值。故碟式分离机的分离性能可以用分离因数Fr来表征。

(4)

式中:w为转鼓转速,g为重力加速度。分离因数Fr可用于衡量分离机的分离性能。一般而言,Fr越大,分离性能就越好。但w、r取决于结构特性,过高的角速度会导致转毂半径减小,因此单靠增大分离因数Fr来提高分离效率并不合适,应综合考虑轻相出口处的流出量及含固率来评价分离效率。

2.2 流域及网格划分

▲图2 流体域网格模型

利用Fluent软件对分离机内流场进行数值模拟,以探究分离机内流场运动规律及分离效率。分离机计算流域如图2所示。

考虑到分离机内流场模型比较复杂,故采用非结构四面体网格划分,网格数565 371。多相流模型选择混合模型,此模型可用于模拟具有不同流速的多相混合问题,通过求解混合相的控制方程来获得数值解。选择Realizable k-ε模型作为湍流计算模型。采用速度入口与自由流出口组合,轻、重相出口比例为7∶3,由于探究的是分离机的分离效率,故进行稳态计算即可。

2.3 初始模型分析结果

初始数值模拟[10]工况条件为水、油及细小固相比例为15∶4∶1,其中油相密度为6 00 kg/m3,细小固相密度为265 0 kg/m3。转速为7 000 r/min,入口速度为8 m/s。

x=0截面处压力分布云图如图3所示。转毂中心与转毂壁面之间压力差约为3.6 MPa,转毂中心压力最小,向外逐渐增大。轻、重相出口之间压力差约为3.9 MPa,轻相出口处压力最低。根据离心压力的公式:

(5)

可知,压力随着角速度及半径的增大而提高,压力分布与理论趋势相一致。

▲图3 中间截面处压力分布云图

碟式分离机内流场各相分布情况如图4所示,可以看出重液水相基本聚集在碟式分离机碟片外围,经由出水口排出。轻液油相分布在碟片中心区域,经由出油口排出。固相则沉积在转毂壁面。这是因为在离心力场的作用下,各相流体由于密度的差异,密度较大的流体分布在外侧,密度较小的流体在旋转中心处聚集。

▲图4 泥浆三相分布情况

3 碟式分离机参数影响分析

多相混合液的各相比例、各相之间的密度差、油液粒径以及碟式分离机的入口速度、转速、轻重相出口流量比等参数都会影响分离机的分离效率[11-12]。为了探究这些因素对分离效率的具体影响效果,在不改变其他因素的前提下,单独改变某一因素的大小,分析对分离效果的影响。

3.1 入口速度

分别取入口速度为2 m/s、5 m/s,8 m/s,11 m/s,进行稳态数值模拟。入口速度对分离效率的影响如图所示。

▲图5 入口速度对分离效率的影响

可以看出,入口速度在2 m/s～5 m/s时,出油口的含油率基本不变。入口速度继续增加会导致含油率显著下降;入口速度达到11 m/s时,其油相出口处的含油率只有42%,因此油水分离的效果很差。此外,随着入口速度的增加,分离机的处理量相应增大,因此,碟式分离机的分离效率在某一处理量范围内比较高,超出这一范围则会迅速降低。

3.2 油液粒径

分别设置油液粒径为0.04 mm、0.06 mm、0.08 mm、0.1 mm,进行稳态数值模拟。如图6所示,油相粒径为0.04 mm时,油相出口含油率较低,仅为32.93%。随着油液粒径增大,碟式分离机的分离效果提髙,当油液粒径达到0.1 mm时,分离效率达到63.05%。同时水出口的含水率也随着油液粒径的增大而增加,表明该碟式分离机在处理较大的油液粒径的物料时效果更好。

3.3 转毂转速

保持其他参数不变,改变转鼓转速,进行稳态数值模拟。

▲图6 油相粒径对分离效率的影响

转速对分离效率的影响如图7所示。4 000 r/min时油相出口的含油率只有33.80%,碟式分离机分离效率很差。转速由4 000 r/min提升到7 000 r/min过程中,出油口的含油率迅速提高,在7 000 r/min时含油率达到53.27%,由此看出分离机在较大的转速下运行时分离效率更好。然而值得注意的是,转速的增加还会对转鼓壁造成更多的应力,工作中的转毂转速应合理取值。