高效沉降分离池分离特性的数值模拟

第10卷第3期2014年9月新疆石油天然气XinjiangOil＆GasVol．10No．3Sep．2014文章编号:1673—2677(2014)03—0114－05收稿日期:2014－01－09作者简介:张青松，男，工程师。2007年毕业于常州大学油气储运专业，获硕士学位。现从事石油化工工艺设计工作。高效沉降分离池分离特性的数值模拟张青松(江苏省瑞吉格泰油气工程有限公司，江苏无锡214125)摘要:针对某油田的含油污水，选用ＲNGk－ε模型，基于ANSYS14．0平台的FLUENT软件对高效沉降分离设备的内部构件、不同入口速度、停留时间进行模拟分析，进而研究其分离特性和流动规律。模拟结果表明:①无内部构件的高效沉降分离池中会存在严重的涡流和动力不足的问题，须设置平板和斜板改善分离设备内部流场，促进油滴聚结合并，从而提高油水分离效率;②不同入口速度下，进口速度越小，涡流区长度相对较小，所需的停留时间越长，但油水分离效果相对较好;③当沉降分离设备高度Y=0．5m处的油相体积平均分数超过0．95，即为油水分离最佳界面。关键词:油水分离;高效沉降;数值模拟;分离效率中图分类号:TH138．8文献标识码:A油水分离是油田地面工程最基本、最重要的工艺过程之一，目前油水分离方法主要是重力沉降和旋流分离技术，旋流分离器虽具有占地面积少、设备小巧、分离效率高等优点，但设备运行过程中会出现高流速产生的紊流将部分分散油剪碎，使之成为更细的分散物，从而降低分离效率。液－液分离为主的高效沉降分离设备以其结构简单、操作方便且不使用化学药剂、无二次污染等特点成为研究热点，油田多采用重力法进行原油脱水及污水处理［1］。由于油水分离过程的复杂性和多样性，难以通过实验分析给出较为精确的结论。工程中所用的分离沉降设备存在短路流现象且部分设备未能有效利用，甚至有些设备存在返混现象，易使部分流体未经处理就排放。为了更好的研究高效沉降分离设备的分离特性，依托Fluent软件分析内部构件、不同入口速度及停留时间对含油污水分离效果的影响，此结果可为后期的油水分离室内实验提供理论参考［2－5］。1高效沉降分离池的数值模拟1．1计算模型本文所模拟的高效沉降分离池由入口构件和平板、斜板、出油槽等组成。其几何模型如图1所示，实验所用模型由有机玻璃制成，整体呈长方体状，顶部为敞开式，长0．81m(不包括两端的入口和出口)，宽0．22m，高0．5m，左端上侧的油水入口din=20mm，右端上侧为出油口dout－oil=20mm，右端下侧底部为排水阀。图1高效沉降分离池几何模型411第10卷第3期张青松:高效沉降分离池分离特性的数值模拟1．2理论模型(1)重力分离原理由于油水存在密度差，来液处于层流状态时，较重组分的液滴根据斯托克斯公式的运动规律沉降，因此用Stocks公式来表征油水分离特征更为准确。ηi=ρw－ρ()ogdo2Ar18μQ(1)式中:ρw—水的密度，kg/m3;ρo—油的密度，kg/m3;do—油滴粒径，μm;Ar—浮升面积，m2;μ—含油污水的粘度，Pa·s;Q—含油污水处理量，m3/h。由公式可知，重力法处理含油污水时，其分离效率与油滴的上浮速度和上浮面积成正比，与分离设备的处理量成反比，而与油水分离设备的高度及油滴的上浮时间无关，即为“浅池理论”［6］。(2)湍流模型本文采用改进的ＲNGk－ε两方程模型，此模型在湍动能k方程的基础上，引入一个湍动耗散率ε的方程组成双方程模型，此模型能够提高计算精度并正确处理近壁区域紊流漩涡，其表达式为:ρ()kt+ρku()ixi=xjαkμ()effkx[]j+Gk－ρε(2)()ρεt+ρεu()ixi=xjαεμ()effεx[]j+C1εεkGk－C2ερε2k(3)其中:μeff=μ+μtμt=ρCμk2{ε(4)式中:Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生的，μt为湍流粘性系数，模型常数取值为C1ε=1．44，C2ε=1．92，C3ε=0．09，σk=1．0，σε=1．3［7］。1．3边界条件高效沉降分离池的进口设为速度进口边界，拟定不同的进口速度，停留时间控制在t=10min，进口含油污水的油相体积分数为0．05，油水混合溶液中油滴的平均直径为50μm，油相密度和粘度分别为880kg/m3、0．000723kg/m·s，水相密度和粘度分别为998．2kg/m3、0．00103kg/m·s。高效沉降分离池除进、出口以外设为壁面边界，在对分离设备模拟计算时，操作环境定义为在重力场中进行，操作的环境压力为101325Pa。高效沉降分离设备的结构模型由结构网格和非结构网格组成，总网格数为106795