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油/水分離液 - 液圓柱CYCLONE*
劉海飛，徐鏡宇著
朱盼譯
[摘要]：在這篇文章油/水分離液 - 液旋流器的實(shí)驗(yàn)研究中，確定了分流比和流量對(duì)油/水分離性能的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出：分流比增加，油/水分離效率提高。首先，我們需要找出最佳的分流比。超出最佳的分流比，在含水量保持恒定的情況下，溢出的油含量會(huì)降低。旋流器內(nèi)的油芯結(jié)構(gòu)的形成和相位分布的過程是由數(shù)值模擬完成的。此外，對(duì)分離效率的雷洛數(shù)和分流比基于量綱分析，比較之間的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能得出很好的印證。
[關(guān)鍵詞]：圓柱旋風(fēng)，油/水分離，分流比，流量，含水率
介紹：
????隨著陸上油田的老化和海洋石油領(lǐng)域的大規(guī)模開采，多相分離技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)。據(jù)調(diào)查，在國內(nèi)幾大油田的油氣水分離裝置，多相分離器仍主要是基于對(duì)這些傳統(tǒng)的分離技術(shù)，如重力沉降和電解分離。由于到深海的平臺(tái)安裝受設(shè)備的空間和重量的限制，重要的是要開發(fā)緊湊和高效的油/水分離器。
?將數(shù)種分離器的使用分離方法合并并利用其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高效的分離。最近，他們已經(jīng)吸引了石油行業(yè)的濃厚興趣。力學(xué)研究所，中國科學(xué)學(xué)院按照組合共同使用的原則，重力，膨脹和離心分離器，并已成功應(yīng)用于幾個(gè)陸上油田。最近提出了一種新型的管道線式油/水分離器。這種新的分離系統(tǒng)享有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：緊湊型的幾何形狀，分離效率高，維修方便。圓柱氣旋是一個(gè)新穎的管道式的油/水分離器的主要組成部分。
?圓筒形旋流器是一個(gè)垂直的切向入口管和兩個(gè)出口，使用離心分離技術(shù)，它是一個(gè)簡單的，緊湊的，低重量和低成本的分離器。圖1是圓筒形旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖。兩種不混溶液體形成的混合物通過切向入口流動(dòng)到筒狀的旋流器一個(gè)強(qiáng)有力的回旋流場中。由于密度差的密度越大,分量傾向于積聚壁附近的和螺旋的底部出口（下溢），而較輕的成分流入的圓筒形旋流器，以形成反向流動(dòng)的纖芯區(qū)域，從頂部出口溢出。圓筒形旋流器的機(jī)理是很象傳統(tǒng)的水力旋流器，但用的圓筒形旋流器的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如更穩(wěn)定的油芯，更大的容量和更低的壓力損失。最初，圓筒形氣旋分離，用的氣 - 液混合物，氣 - 液的圓筒形旋流器。他們成功地投入使用，在石油工業(yè)中。在近十年中，液 - 液圓柱氣旋分開油/水mixture.Most的相關(guān)研究，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在圓柱氣旋預(yù)測多相流特性，流場以及分離機(jī)構(gòu)的性能，研究主要集中在圓柱氣旋。在本文中，提出了一種高效的液 - 液圓筒形旋流器，揭示了分流比和流速對(duì)油/水在液 - 液的圓筒形旋流器的分離性能的影響。為了進(jìn)一步了解在旋風(fēng)油/水分離和相位分布的詳細(xì)過程，進(jìn)行數(shù)值模擬out.Finally，通過三維分析，一個(gè)簡單的模型是建立在預(yù)測的分離效率上的。
1實(shí)驗(yàn)裝置和程序
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了力學(xué)研究所，中國科學(xué)院學(xué)報(bào)上的多相流設(shè)施。油/水分離系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）供給模塊，包括相儲(chǔ)罐，液相泵，流體流量計(jì)和混合物分離器，（2）液 - 液圓筒形旋流器，由透明的有機(jī)玻璃管，用來目視觀察的油/水分配，這是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件，如圖3中所示，（3）數(shù)據(jù)采集模塊，包括控制臺(tái)，相體積分?jǐn)?shù)檢測裝置，泵的壓力換能器和camera.In實(shí)驗(yàn)中，將水和油從它們各自的儲(chǔ)罐，進(jìn)入管道通過一個(gè)丁字路口。在混合之前，水的流速由橢圓齒輪流量計(jì)測量流速的電磁流量計(jì)和油計(jì)量。將混合物沿著一根4米長的水平管，然后通過一個(gè)噴嘴，再讓大的橫截面面積的20％的截面位于旋流器入口切向引入到筒狀氣旋的樣品的移動(dòng)設(shè)備和一個(gè)壓力傳感器位于上面的入口和每個(gè)插座。上溢和下溢管中的閥門，允許流率離開的圓筒形旋流器的控制。放置一個(gè)攝像頭記錄下油/水分離過程。在分離流溢出和下溢流進(jìn)入分離器后進(jìn)一步根據(jù)重力分離。最后，油和水會(huì)流回到油箱和水箱。
所有實(shí)驗(yàn)均在室溫溫度和大氣的出口壓力。圓柱氣旋在這項(xiàng)研究中所使用的主要幾何尺寸如下：D = 0.05米，Di = 0.05 米 Do= 0.05米，Du= 0.04 米，L = 0.9米，H = 0.1米，所示如圖3所示。水和白油作為試驗(yàn)液體。主相是水,密度為998公斤/米和0.001千克/立方米·秒的粘度值。第二階段油的密度和粘度是840千克/立方米和0.215千克/米·秒，分別對(duì)水流量率變化為2.5米/小時(shí)，油8.75米/小時(shí)，從4％到30％的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。我們總共有195個(gè)實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)。
2結(jié)果和分析
2.1油/水分離分流比的影響
?分流比，定義為溢出的液體流速和入口的液體流速之間的比率，其中一個(gè)最重要的操作para-m。在下面將要討論分流比對(duì)油/水分離效果上的影響。
??2.1.1含水率
?在給定的進(jìn)氣條件下，指定的分流比例是通過調(diào)節(jié)球閥出水管調(diào)節(jié)的。圖4示出的圖片序列中的分流比對(duì)油芯形狀的影響。在進(jìn)氣口的表面的水和油的流速，0.743米/秒和0.182米/秒，進(jìn)油餾分為19.7％。油/水混合物在離心力的作用被分離后，切向引入到氣旋，但油芯的形狀是不明確的，并且大部分油與水由下溢管溢出。當(dāng)分流比增加至24.2％，可以看出，在底流中有少量石油。在流分流比為27.4％或31.4％，在旋流器中的油芯的形狀是很清楚的，只有干凈的水，觀察中的下溢。然后，當(dāng)分流比達(dá)到35.6％，油進(jìn)入氣旋直接排放從溢流管，并在旋流器中無油芯形成。
??分流比對(duì)中的下溢的含水率的影響，如圖5所示為水的分流比的函數(shù)作圖。在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)水的流量是固定的，入口的燃油流量逐漸增大。水的速度的研究被認(rèn)為是在輸入油的體積分?jǐn)?shù)為4％至30％不等。在圖5中，表面的水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒。可以看出，與上面水切下溢的分流比的影響是類似的。以水流速為0.743米/ s為例子，表面油速度0.037米/秒，0.072米/秒，0.182米/秒，0.282米/秒和0.315米/秒，其中產(chǎn)量的油量分?jǐn)?shù)為4.7％ ，8.8％，分別為19.7％，27.5％和29.8％。目標(biāo)分流比下獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn) ，而輸入柴油餾分是固定的，隨著分流比下溢的增加，水切割，表示增加分流比，可以提高在旋流器中的油/水分離。它也可以被觀察到，存在一個(gè)最優(yōu)的分流比在旋流器中，當(dāng)僅干凈的水，觀察中的下溢和盡快的分流比是大于該值的，實(shí)驗(yàn)為油/水分離進(jìn)一步改善。對(duì)于不同的輸入油的體積分?jǐn)?shù)，這些最佳分流比也發(fā)生了變化。在這些條件下，最佳的分流比是15.3％，22.5％，27.4％，37.1％和38.5％，分別。在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過分離在CYC，底流中的油的體積分?jǐn)?shù)可以被減少到百萬分之一以下的值。
2.1.2溢出的含油量
??圓筒形旋流器的溢流含有大量的油。通過油/水分離，我們不僅應(yīng)該有干凈的水溢，但我們也應(yīng)該有純油溢出或至少有一個(gè)油價(jià)高體積分?jǐn)?shù)盡可能高。圖6顯示了在溢出的油分含量的分流比的影響。圖6（a）和6（b）表示的情況下，地表水的速度分別為0.743米/秒和0.991米/秒?？梢杂^察到，在溢出的油分含量的分流比的影響是類似的。根據(jù)目標(biāo)輸入油的體積分?jǐn)?shù)，與分流比的增加，在溢出的油含量先增大然后減小。這是因?yàn)樵诘土髁糠指畋戎挥猩倭康囊后w彈出從溢流出口和油芯的中心形成的旋風(fēng)不能成功被夾帶在溢流流體中。雖然分流比例適當(dāng)增加了更多的液體會(huì)從溢流口流出。但是，如果分流比要高得多，油芯不能與溢流排出，和一定量的水混合成的油芯，并在溢出流夾帶，導(dǎo)致增加的油含量。從圖6還可以看出，存在一個(gè)最優(yōu)的分流比的溢出。與流過下溢，為低輸入油的體積分?jǐn)?shù)，例如4.7％，8.8％和19.7％，在實(shí)驗(yàn)中的情況下，這兩個(gè)最佳分流比的最佳分流比比較類似的，但油體積分?jǐn)?shù)高達(dá)27.5％和29.8％時(shí)，溢出的最佳分流比是遠(yuǎn)低于該下溢的。????
2.2流速對(duì)油/水分離的影響
相同的入口油體積分?jǐn)?shù)下的含水率和相同的分流比的混合物的流速與在圖7中示出。在實(shí)驗(yàn)過程中，油體積分?jǐn)?shù)和分流比分別為10％和20％。隨著流量的增加，離心力增大，因而在旋流器中分離的油/水的流量的不斷增加，在該點(diǎn)后，使含水急劇下降。這些現(xiàn)象可以解釋如下：在旋流器中的油/水分離過程中，入口流率的顯著增加可以使油滴打破了由于過度的剪切力和紊流，在高流速低的壓力（通常為圓筒形旋流器軸線），在該混合物中溶解的氣體將被釋放，并阻礙了分離。
2.3數(shù)值模擬
? 到目前為止，我們已經(jīng)討論了圓柱形旋風(fēng)的油/水分離性能，從宏觀的角度來看，由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的限制，這是很難很好地模擬在旋流器中的多相流動(dòng)特性。為了進(jìn)一步了解油/水的詳細(xì)分離過程，在圓筒形旋流器的相位分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。圓柱氣旋的數(shù)值模擬是基于商業(yè)CFD代碼“Fluent6.3.26”，采用有限體積法離散微分方程描述的多相流。強(qiáng)大的漩流旋風(fēng)，旋風(fēng)采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）捕捉到湍流的各向異性。被施加到模擬的油/水的二相流的Euler多相流模型。給出如下的數(shù)學(xué)模型。
2.3.2邊界條件
在數(shù)值模擬中的圓筒形旋流器的幾何尺寸如圖1所示。共使用3.5×10?網(wǎng)格單元。將水和油是用來作為測試液體。在入口處，一個(gè)速度入口條件被指定。正確指定的湍流參數(shù)和正常速度及各相的相體積分?jǐn)?shù)。定義下溢和溢出的邊界條件基礎(chǔ)上的流量和出口壓力。簡單的算法是用于壓力速度耦合和二階迎風(fēng)計(jì)劃，被應(yīng)用到插入字段變量控制量的面孔。迭代過程繼續(xù)進(jìn)行，直到連續(xù)性殘余被減少到1.0×10-6，對(duì)兩個(gè)出口相流率進(jìn)行監(jiān)視，以判斷圓筒形旋流器的流動(dòng)穩(wěn)定與否。
?2.3.3數(shù)值結(jié)果
圖中顯示了圓筒形旋流器數(shù)值模擬的油芯結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)發(fā)展。入口的水和油的表面速度為0.5米/秒和0.1米/秒，下溢和溢流出口之間的壓力差為0.75千帕，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測量，可以觀察到圓筒形氣旋初始填充，水與油/水的混合物被引入到氣旋，由于離心力的存在，水相流向旋流器的壁，而油相被積累在中心。經(jīng)過大約26 s的計(jì)算，相分布在圓柱氣旋變得相當(dāng)穩(wěn)定，油分芯變形非常小。
??在旋流器中的油相的橫截面的分布，圖9中給出。圖9（a）示出的油芯結(jié)構(gòu)和其他三個(gè)數(shù)字（B，C和D）示出的油相的輪廓線的距離為2，6和10相差的水平入口管直徑，與相差的進(jìn)樣口的距離的增加，油芯變成更修長，并最終消失。油體積分?jǐn)?shù)在中心和旋流器壁附近的低得多。在旋流器中的相位分布是不對(duì)稱的，因?yàn)閱蝹€(gè)入口安排MENT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證上述模型。圖10顯示了比較的水切割之間的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而實(shí)線表示模擬的解決方案。對(duì)于那些低流量分割比例，最大相對(duì)通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差不超過2.7％，這表明，上述模型可以預(yù)測油/水二相流在圓筒形旋流器分離相當(dāng)不錯(cuò)。
3分離效率預(yù)測
圓筒形旋流器的分離效率取決于許多參數(shù)，主要包括結(jié)?構(gòu)參數(shù)，操作參數(shù)和物理參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)是主要的圓筒形旋流器的幾何尺寸，如旋流器直徑D，氣缸的高度H?？梢杂^察到，從圖11（一），對(duì)于不同的雷諾數(shù)，分流比和下溢的含水的功能之間的關(guān)系是相同的。實(shí)曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖嵌合。此外，所有的曲線遵循相同的玻爾茲曼分布。比較實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算的。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)值是±2％的偏差區(qū)域內(nèi)。之間找到一個(gè)合理的合適的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值。圖12（b）表示溢出的油分含量的實(shí)驗(yàn)值與從方程（14）獲得計(jì)算出的值進(jìn)行比較，可以看出，式（14）描述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大部分在±10％之內(nèi)。
?4。結(jié)論
進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中的液 - 液圓筒形旋流器來模擬油/水分離的分流比和流速對(duì)分離效率的影響,也進(jìn)行了數(shù)值模擬，以進(jìn)一步了解油芯結(jié)構(gòu)的形成過程中的相位分布的圓柱氣旋。從結(jié)果來看，可以得出的主要結(jié)論如下：（1）分流比是一個(gè)影響油/水液 - 液的圓筒形旋流器分離效率的關(guān)鍵參數(shù)。分離效率隨著分流比的增加而增加。但也有一定的入口條件下的最佳分割比例。分割比率高于最佳則被認(rèn)為是干凈的水溢流和含水保持恒定，而在溢出的油含量因分割比進(jìn)一步增加開始減小。（2）適當(dāng)增加入口流量可以提高油/水分離效率。然而，一個(gè)極端的高流率可能會(huì)妨礙由于油/水乳化和溶解的氣體的分離。（3）圓筒形旋流器被引入到油相后，由于離心力的存在下，蓄積在中心。相位分布往往是相當(dāng)穩(wěn)定的，大約幾秒鐘后，含水量數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，表明該數(shù)值模型來預(yù)測油/水兩相流的圓柱氣旋相當(dāng)不錯(cuò)。（4）通過一維分析，分離效率的雷諾數(shù)和分流比的函數(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出相同的趨勢，之間得到良好的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是對(duì)下溢，含水的偏差在±2％之內(nèi)。
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