重力分离器聚结构件数值模拟及优化研究

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第3 5卷

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重力分离器聚结构件数值模拟及优化研究张黎明 何利民王涛(中国海洋石油研究中心 )

吕宇玲

何兆洋

(国石油大学 )中

(国石油大学 )中

摘要使用 Fu n数值模拟软件，用标准 ke湍流模型和多项混合算法对不同入口分散相粒径和 l t e采 -不同构造聚结板的分离器内部流场进行了三维数值模拟，比通过聚结板前后油水浓度分布以确定分对

离器有效处理分散相颗粒的粒径范围；同时在尺寸为 d 8 m× 0 m×18 0 m的分离器上更换 4种 p 4 m 2r 3 a 0 r a不同材料与流道形状的聚结板进行了分离特性研究，出了影响聚结板分离特性的因素和处理分散相得粒径的范围，出适于本分离器的聚结板；过对比实验数据评价不同聚结板下分离器的聚结分离效选通

率，出了不同工况下选取聚结构件的依据。提 关键词重力分离器聚结板中图分类号 T 08 2 Q 2 . 3数值模拟分离特性文献标识码 A 文章编号 0 5￣ 9 ( 0 8 O -0 70 2 4 0 4 2 0 ) 1 1 -5 0

随着油田开发进入后期以及聚合物驱采油的广泛应用，出原油含水量大幅上升的同时含水采原油物性也变得更为复杂，成油水分离愈加困造

—+ a— a一一

= J, l+r n:a[+ )J l一 P ,一 ~ ( I] .一 ~

z

,

() 1

难。重力分离器是油田使用最为普遍的分离设备，但仅靠流体间的密度差进行重力沉降已经无法满足实际生产的要求…。6 0年代金属丝网波纹板填料和 7 0年代金属孔板、波纹板填料出现，

a a毒 +一 z+生G k+=,

az. …2cI

C 2 P

() 2

促使聚结板在油气水分离领域开始得到广泛应用。Fu n数值模拟软件是现有应用最为常见 le t和成熟的流型模拟软件，准确有效地显示分离可器内部流动特性以及流场分布情况，定分离器确的聚结分离效果。1数值模拟

式中为湍流粘性系数， G是平均梯

度湍流

动能， L u d r的推荐值以及后来的实验验经 ane等证，型常数 c C 及的取值为：模 :、C . 4 C: . 2 l=14 2 1 9=1 0 .=13 ( ) . 3

混合模型是一种简化的多相流模型，可用来求解以不同速度运动的多相流动。它假设在非常小的空间尺度上是平衡的，之间的偶合非常强相烈，因此可用于均相流和有相间滑移的多相流动。

1 1模型选取 .

分离器内部的构件和流道一般比较复杂，流体在分离器内的流动通常属紊流，大量的紊流计算表明 k6模型具有较好的计算稳定性、济 -经性和计算结构的准确性。

1 2条件设定 .轴向筒长为 18 0 m(包括左右两个球形 0m不的堵头 )直径为 3 4 m;口直径为 3 I水出， 8m入 2n m,口直径为 2 m油出口直径为 1 m 0 m, 5 m。

数值模拟采用标准 k6模型， -此模型由湍动能 k的方程和湍动耗散率的方程组成，其表达式为：

为了准确地采用三维结构对重力分离器进行数值模拟，需作以下的简化：

本课题为国家 83计划资助项目 (0 6 A 9 3 2。 6 20 A O Z 0 )张黎明，,9 2年 3月生，士研究生。山东省东营市，5 0 1女 18博 276。

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a .因分离器是对称的，将整个分离器的故

a .入口条件——设为速度边界条件，据根停留时间计算入口流量； b出口条件——油出口和水出口设为 ot . u—

数值模拟变为对半个分离器的数值模拟；b .在油水分离中分散相没有相互聚结和破碎作用； c .分散相油滴的直径是均匀一致的。 模拟采用的介质为水和白油，物性 ( 0其 2℃时)别为：分 水的密度 9 82 gm 9 . k/ 1 0 3X1 . 0 0~P s a 水的动力粘度

l f w出口，出口的质量流量占 2%,出口的 o油 0水质量流量占 8%; 0

c .压力条件——操作压力为 1 1 3 5 P。 0 .2 k a 1 3模拟结果 .当分散相粒径不同时会对分离器的聚结效果有很大影响，以下各图是通过 Fun软件

进行计 let算，然后使用 t pol. e l O 0后处理软件对分离器入口 e t分散相颗粒粒径为别为 1、0、0 l0 m时聚结 0 3 5、O￣

白油的密度

8 0k/ 7 g m0 1P s .5 a

白油的动力粘度

分离器模拟的边界条件为：

板前后浓度场进行处理得到的浓度场等值线图。

图 1分散相颗粒粒径不同时对称面的浓度等高线

比较上图可以看出，着入口分散相颗粒粒随

为 7%。通过分析对比可发现，于大于 5 m 8对 0

径的增大，离器内上层油浓度逐渐变大。在入分口分散相颗粒粒径为 1 m时， 0聚结板后的最大油相体积分数为 2%, 4当入口分散相颗粒粒径增大为 l0 m时， O￣聚结板后的最大油相体积分数变

的液滴分离器可有效使其油水分离。为了对比不同聚结板构件对液滴的聚结效果选择了6种构造的聚结板，对其在分散相粒径为 1 tn 5 x 0r时分离器内的浓度进行数值模拟，结果如图 2所示。

a蛇形板相向平行板组

b蛇形板背向平行板组

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c田字板平行板组 .

d斜板交错搭接平行板组 .

e平行板组 .

f斜板平行板组 .

图 2聚结板纽对称面浓度等高线 比较图 2所列的聚结板组，蛇形板相向平行2实验

板组和斜板交错搭接平行板组具有很好的油水分离特性。油水乳状液经过聚结构件进入水相沉降部分后油层中的水滴和水层中的油滴几乎完全得到了分离。

2 1实验装置及流程 .

实验流程如图 3所示，开旁通阀 8开启搅打，拌机和齿轮泵 2搅拌一定时间至混合液中分散；相粒径相对稳定不变后，关闭旁通阀 8开启主循，

图 3实验流程示意图 l—搅拌机；— 2——齿轮泵； 3—液体流量计； 4—止回阀；— — 5—三通；— 6—气体流量计； 7———压缩机； 8—旁通阀；— 9——重力式分离器；①~⑤——取样口

图 4重力分离器

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环系统；拌机 1中自油和水的混合液经过齿轮搅泵 2进入液体流量计 3空气

经过涡轮流量计 6; 计量后和油水混合物在三通 5处混合，后进入然重力分离器 9图 4的预分离筒。通过分离器分 ( )

不同内部聚结构件的分离特性。 本试验采用的聚结板有 4种：聚结板 A的材料是厚度为 1 m左右的不锈钢薄板， m其结构为交错搭接波纹板；聚结板 B是厚度为 1 m的聚乙烯 m塑料波纹板，构为蛇形背向平行板；结聚结板 C 的材料是厚度为 1 m的聚乙烯塑料，构与聚结 m结板 A相同，区别在于流道稍大；结板 D材料是聚不锈钢，厚度为 15 m, . m结构为平行波形板。2 3实验结果 .

离出来的水相和油相排人搅拌池循环使用。对油出口处取出的样品进行含水分析；水出口处取对出的样品进行含油浓度分析。 2 2实验内容 .为了优选出适用于不同油水状况的重力分离器内部结构，择不同制作材料和构造的极板进选行试验研究，析构件材料与油水之间的亲和特分性与分离效率的关系，以油出口含水量、出口含水油量和取样口的含水 ( )油量作为评价指标，析分

在进口含油率为 1%和 2%时， 0 0调节分离器进口流量，分别在通过聚结板前、出口以及水出后口处取样，量不同停留时间下的含油率，测分析不同聚结板以及整个分离器的分离性能。

●

jI I l{

胬是缸

进口流量/ s L a

进口流量/ s L b

●

j{ l I I胬景缸

进口流量/ s L C

进口流量/ s L d

图 5各出口含油率之差与分离器进口流量关系

由图 5可知，聚结板 A与聚结板 C在分离器进口流量不大且含油率较低的情况下具有更好的聚结分离特性，主要表现在这两块聚结板对颗这

有所下降。由此可见，道复杂的聚结板适于在流含油率不大 (于 2% )分离器进口流量较小小 0且的工况下工作。

粒处理的粒径范围广，作性能相对稳定。随着工

由于 B聚结板内的流体流道为直筒六边形

分离器进口流量的增大以及进口含油率提高， c聚结板工作性能急剧下降， A聚结板聚结性能也

流道，散相颗粒在其流道内只能单一地通过分“池理论”浮聚结，不能

通过不同流道内颗浅上而

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粒的碰撞产生更为容易的聚结。另一方面在流道内产生聚结的颗粒不能有效地上浮到连续的油

值模拟，出结论蛇形板相向平行板组和斜板交得错搭接平行板组具有很好的油水分离特性。

相，而使聚结产生的油滴从流道的另一端被携从带出去，这样一来就大大的降低了 B聚结板的分

3 2在分离器中安装 4种不同聚结板检验各工 .况下的聚结效果，据试验总结评价各种聚结板根的优劣并对不同工况下所应选取的分离器聚结构件进行分析，详细研究了影响聚结板分离特性的因素，实际生产提供了依据。对参考文献1冯叔初，揆常， 郭王学敏 .油气集输 .东营：国石油中大学出版社，2 0 .2 0~2 5 02 2 32 Ze e m l B. Re i n e Ti s rb i n i a iy Oi— a sde c me Di ti ut n Gr v t l W— o

离性能，因此 B聚结板在分离器进口流量较大且含油率较高的工况下分离性能很不稳定，分离效

果在 4块聚结板中最差。D聚结板虽然聚结分离性能不是很好，但是其在各种工况下都能稳定地工作，当分离器进口流量越大含油率越高时其且分离性能越明显，明了在处理不同含油率的油说水乳状液时应根据含油率的大小选用具有不同流道大小的聚结板。含油率越高、体经过聚结板流流道时流速越快，选的聚结板的流道也应该相所应地增大，聚结板的流道更容易使分散相在流且道内聚结的大颗粒上浮到上层。反之，要处理在

tr S p r t ns o r lo toe e e a ai .J u na fPer lum c n l g o Te h o o y, 1 78, 92:2 5—2 2 7 8

3 W ikns n D, W a de li o l i B. CFD n p rme tl tdis a d Ex e i n a Su e o ui nd a tce Flw n fFl d a P ril o i Hoio a Prma y Se a a rz ntl i r p r—

的油水乳状液含油率不高、经聚结板流道的流流体流速较低的情况

下，了提高聚结分离性能，为应选用流道相对较小的聚结板。3结论

tr.T a sIC e E,1 9 7 1 os rn h m 9 4,2( ):1 9~1 6 8 9

4陆耀军 .油水重力分离技术及其进展 .油田地面工程，1 9 1 5 9 7,8( ):6~7

5陶文铨 .数值传热学 .二版 .西安：安交通大学出 第西版社，2 0 . 7 0 1 1 5~1 5 8

3 1通过 Fun软件对含不同分散相颗粒粒径 . let

的乳状液进入分离器后的浓度场进行了数值模拟；通过比较数值模拟得出的分离器内部的浓度场，出了试验中分离器能有效处理的粒径范围得

6王福军 .计算流体动力学分析 .北京：清华大学出版社 .2 0 .1 0—1 4 04 2 2

(于 5 p。对 6种聚结板的分离性能进行数大 0￣ m)

(收稿日期：0 70—1修回日期：0 7 1— ) 20— 1, 7 2 0—02 2

Re e r h s o h me ia mua in a d Op i m ft e s a c e n t e Nu r l c Si lt n t o mu o h Co ls ig Co ae cn mp n n s o r vt p r t r o e t fG i Se a a o s a yZHANG i n L mi g’ HE i i L m n’ W ANG o Ta,LU l g’ HE Zh ya Yui n ao ng’,,,

( C i n e i e o u D n yn, 5 0 1 h n o g h a hn U i r t o P t l m, o g ig 2 7 6,S a d n,C i; a v sy f r e nR sac e tr NOOC,B in ee rhC ne,C e ig,1 0 2 j 0 7,C ia ) 0 hn Abs r t Th h e— i e so a u rc lsmu a in wa o d t d o he i tr a o fed o e a ao tac e t r e d m n in ln me ia i l t sc n uce ft n e n lf w l fa s p r t r o l iwi h s e s h s a tce sz so i e e ti lt n h i e e tsr cu eo o ls i g p ae sn h t t e dip re p a e p ril ie fdf r n n esa d t e

df r n tu t r fc a e cn lt su i gt e h f f Fl e u rc lsmu ai n s fwa e,sa d r - ur u e tmo e,a d mu t l x d ag rt m . A o a— u ntn me i a i lto ot r tn a d k 6 t b l n d l n li e mi e lo i p h c mp r io s p ro me ft e c n e ta in d srb to fo la d wa e fr nd a e h i a sn hru h t e s n wa e fr d o h o c n r t itiu in o i n trbeo e a f rt erp si g t o g h o t c ae c n o o e tt ee mi her ng fsz so h a il si s e s h s h tt e s p r trc u d o l s ig c mp n n o d tr ne t a e o ie ft e p r ce n dip re p a e t a h e a ao o l t e f in l r a .a d te s p r to h r c e itc fa￣3 4m m×2 f c e ty te t n h e a ain c a a trsis o b 8 i 0mm× 1 0 am e a ao r t d e y 8 0r s p r trwe e su i d b r p a i g t e c a e c n lt swi o r dfe e tm ae il n h p s t a tr faf ci g t e s p r t n e l cn h o ls i g p ae t fu i r n t ras a d s a e, he fc o so fe tn h e a ai h f o c a a trsiso he c ae cn l ts a d t e rng fte t g p ril ie n dip re p a e we e d rv d, h r c eitc ft o l s i g p a e n h a e o r a i a t e sz s i s e s h s r e ie n c t e c a e cn lt ss i b e f rt e a a o r ee t d,t o l s i g a d s p r t g e iin is o h h o ls ig p ae u t l o he s p r trwe e s l ce a he c ae c n n e a a i f c e c e ft e n s p r trwi a iu

o l s i g p a e r si ae t o a ai e a d e p rm e tl d t t e b ss o e a a o t v ro s c ae c n l ts wee e t t d wi c mp rtv n x ei n a aa, h a i f h m h

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