重力式除油罐除油效果影响因素数值模拟研究

张 煜，刘 鹏，李星雨，王 力



重力式除油罐除油效果影响因素数值模拟研究

张 煜，刘 鹏，李星雨，王 力

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

不同物性参数的待处理水质会对除油罐的除油效果造成不同程度的影响。针对此问题，采用CFD的专业分析软件Fluent模拟了除油罐内部不同的油水性质流体的流场分布。把除油罐的集水口处油相浓度与进水口处油相浓度的比值作为除油率，来衡量除油罐除油效果的优劣。通过比较不同油滴粒径、水相粘度、油相粘度、沉降时间下油水混合物的水相浓度曲线和除油率来衡量除油罐对油水混合物的分离效果，得出在一定范围内，油水混合物的油滴粒径越大、水相粘度越低、沉降时间越长，除油罐的除油率越高。

重力沉降；流场；除油率；影响因素

在油田地面工程中,重力式除油罐是应用最多、最基本的工艺设备之一，其除油效果对油田的污水处理能力有很大影响。参考前人所做的重力式除油罐的数值模拟研究结论，发现其中大部分人将出口边界条件定义为自由出流，实际上除油罐的流体出口处的压力应当与大气压相等，在模拟中，自由出流边界条件容易在出口处产生负压与实际工作情况不符，本文在数值模拟时将出口边界条件定为压力出口，模拟除油罐内流场分布，得出不同油水性质下除油罐的除油效果。

1 物理结构简化及网格划分

文中所要研究的是针对于罐内流体的浓度分布及改变除油率的影响因素，几何模型的局部细微之处对整个除油罐内流场的影响可以忽略不计，在明确主要的研究问题后对几何模型进行必要的简化，然后得到正确的模拟结果。对除油罐主要进行以下几点简化：（1）简化进水管和出水管，认为油水混合物从进水口进罐之后从集水口排出；（2）忽略内部辅助结构，只保留进水口和集水口；（3）不考虑集油槽对内部速度场的影响，认为分离的油直接从集油槽排出；（4）忽略底部排泥管和来液携带的泥沙等杂质，认为罐底均为液体；（5）不考虑油水界面变化[1]。

简化后的除油罐内部结构如图1所示，根据罐体结构轴对称的特点，同时为了减小计算工作量，可以选择四分之一模型进行模拟，作出的三维网格如图2所示。

图1 简化后重力式除油罐结构

图2 简化后的网格划分情况

2 数学模型及初始参数条件

考虑到除油罐内部流场特性，流体的多相流模型选择混合物模型，湍流模型选择RNG-ε湍流模型，但是计算油水两相流时，要将单相流的RNG-ε模型扩展至两相湍流模型。基于混合两相流模型的RNG-ε模型表达式如下：

流体湍动能方程：

流体耗散率ε方程：

其中：

文中模拟的油水两相混合物在40 ℃恒温下的物性参数为：油滴密度866 kg/m3，油相粘度0.022 52 Pa·s，水相密度988 kg/m3，水相粘度0.001 5 Pa·s。另外，重力式除油罐作为常压罐，将集油槽和集水口的边界条件设置为压力出口可以保证其压力恒等于外界大气压，与实际情况相符，故将进水口设置为速度入口，集水口和集油槽为压力出口。同时在迭代计算中，发现压力出口可以缓解模拟中集水口和集油槽处的回流现象和整体迭代不收敛的问题[2]。

3 结果分析

在除油罐竖直方向上等间距选取20个点监控罐内不同高度处的水相浓度值，绘制出从罐底至罐顶不同高度处的水相浓度曲线；把除油罐的集水口处油相浓度与进水口处油相浓度的比值作为除油率，来衡量除油罐除油效果的优劣。

3.1 油滴粒径对分离特性的影响

分别对除油罐内油滴粒径为0.037 5 mm、0.05 mm、0.062 5 mm、0.07 5 mm下的油水混合物进行数值模拟，以除油率作为判断依据，分析油滴粒径对油水分离效果的影响，不同油滴粒径相对应除油罐的除油率如图3-图7所示。

分别模拟不同油滴粒径下的除油罐内油水分离情况，得到不同粒径得到的除油罐内的水相浓度分布如图3-图6所示。

由图3-图6可以看出不同粒径条件下除油罐内的水相浓度分布相差很大，在局部结构处有油水堆积，结合图7和图8可以看出，油水混合物中的油滴粒径越大，罐顶附近的含水浓度越低，除油罐除油率也随之上升。这是因为粒径大的油滴更容易与其他小油滴聚集成更大的油滴并集中在表层液面，上浮时质量大的惯性也相应更大，容易从水中脱离。反之，粒径越小的油滴在除油罐内越分散，难以聚集成大油滴，很容易随着水流从集水口排出[3]。

图3 油滴粒径0.037 5 mm

图4 油滴粒径0.05 mm

图5 油滴粒径0.062 5 mm

图6 油滴粒径0.075 mm

图7 不同油滴粒径的含水浓度变化曲线

图8 除油率随油滴粒径变化曲线

3.2 油相粘度对分离特性的影响

分别对除油罐内油相粘度为0.009 47 Pa·s、0.013 58 Pa·s、0.022 52 Pa·s、0.054 31 Pa·s下的油水混合物进行数值模拟，以除油率作为判断依据，分析油相粘度对油水分离效果的影响，不同油相粘度相对应的除油罐除油率如图9所示。

图9 除油率随油相粘度变化曲线

由图9可以看出，油相粘度对除油率的影响不大，变化范围在44%~45%，因为油水混合物中油相所占10%的比例相对于水所占混合物的比例很小，油相粘度变化对油滴间的相互作用产生的影响很有限，只有在局部地区出现微小波动。

3.3 水相粘度对分离特性的影响

分别对除油罐内水相粘度为0.000 8 Pa·s、0.0015 Pa·s、0.003 5 Pa·s、0.005 Pa·s下的油水混合物进行数值模拟，以除油率作为判断依据，分析油相粘度对油水分离效果的影响，不同水相粘度相对应的除油罐除油率如图11所示。

图10 不同水相粘度的水相浓度变化曲线

图11 除油率随水相粘度变化曲线

由图10和图11可以看出，油水混合物的水相粘度越高，罐顶附近的含水浓度越高，除油罐的除油率越低。在水相粘度从0.001 5 Pa·s增加到0.003 5 Pa·s时，除油率从45%迅速下降到32%，而在其他水相浓度增加的区间，对应的除油率下降幅度都偏平缓。这是因为当水相粘度高的时候，水会阻碍油滴相互碰撞聚结，迫使油滴保持粒径较小的状态，更易于随着粘度高的水一起下沉，导致除油率降低；而对于粘度过高的时候，只会让油滴保持现有的大小，油滴间聚结的能力不会受到更大的影响，除油率变化不大[4]。

3.4 沉降时间对分离特性的影响

除油罐的入口流速会对沉降时间产生直接影响，除油罐的沉降时间和入口流速的关系式如下：

=···

其中：—重力式除油罐的体积，m3；

—除油罐内进水口的个数，个；

—进水口的有效面积，m3；

—入口流速，m/s；

—除油罐的沉降时间，s。

为了更直观的表征沉降时间的长短，将沉降时间等价的换算成入口流速，这样可以更直观的对比不同沉降时间下除油罐内的油相浓度分布情况。在油滴粒径为0.05 mm，水相粘度为0.022 52 Pa·s的条件下，考察沉降时间为4 h（入口流速0.113 m/s），6 h（入口流速0.075 m/s），8 h（入口流速0.056 m/s），10 h（入口流速0.045 m/s）的罐内水相浓度分布和除油率如图12、图13所示。

图12 不同入口流速的水相浓度变化曲线

图13 除油率随入口流速变化曲线

由图12和图13可以看出，不同沉降时间下，罐顶附近的油水浓度分布情况无太大差别，大小在66%左右，图12显示除油罐内其他区域的水相浓度分布在数值上几乎相同。从图13可以看出沉降时间10 h，即流速为0.045 m/s时的除油率最高，因为增加油水混合物在除油罐内的停留时间，同时也增加了油滴在除油罐内的聚集和与水分离的时间，使罐内流体的相间分离更加充分，其内部流场也相对更加稳定。图13显示入口流速在高于0.045 m/s，即沉降时间低于10 h除油罐的除油率随沉降时间的变化幅度很小，这表示在生产实际中，通过延长沉降时间来提高除油罐的除油率是可行的，但是要找准有效的沉降时间范围才能大幅提升除油率[5]。

4 结 论

本文以研究重力式除油罐除油效果的影响因素为目的，基于目前广泛使用的CFD方法，通过模拟不同油滴粒径、油水物性、沉降时间下的的重力式除油罐内水相浓度分布。分析其不同的油水分离特性可以得出，在进水口和集水口附近的浓度变化较大，而在除油罐中部的水相浓度很稳定。当其它参数一定的前提下，油水混合物在一定范围内的油滴粒径越大、水相粘度越小、沉降时间越长，除油罐的除油率就越高，油水分离的效果越好，而不同的油相粘度对于除油罐除油率的影响不大。

［1］孙九州.基于Fluent的板塔重力分离器的结构优化[D].东北石油大学,2014.

［2］韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT——流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社,2010.

［3］徐磊.油田采出液气—液—固三相旋流分离流场特性研究[D].大庆石油学院,2010.

［4］万楚筠,黄凤洪,廖李,等. 重力油水分离技术研究进展[J].工业水处理,2008（7）:13-16.

［5］陆耀军,潘玉琦,薛敦松. 重力式油水分离设备中影响液滴运动的因素[J]. 油田地面工程,1993（3）:1-5+4.

Study on Numerical Simulation ofInfluence Factors of Oil Removal Effect of Gravity Oil Removing Tank

,,,

（College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

The quality of oil-water mixturewith different physical parameters can affect the oil removal effect in different degree. In order to solve this problem, the professional CFD software Fluent was used to simulate the flow field distribution of fluid with different oil and water properties inside the tank. Regarding the ratio of oilconcentrations around water outlet and water inlet as oil removal rate, the oil removal effect of oil removing tank was measured. By comparing aqueous phase concentrationcurves of oil-water mixture and oil removal rates under different oil droplet size, water phase viscosity, oil phase viscosity and sedimentation time, the separation effect of oil-water mixture in the tank was investigated. The results show that, in a certain range, the bigger the oil droplet size, the lower the water phase viscosity and the longer the settling time, the higher the oil removal rate is.

gravity sedimentation; flow field; oil removal rate; influence factor

TE 624

A

1004-0935（2017）03-0217-04

2017-02-15

张煜（1994-）男，在读研究生，黑龙江省齐齐哈尔人，研究方向：复杂流体力学。