斜板沉降池油水分离特性研究

李方涛，徐美香，田洪波，张 进，吴娟斌

(冀东油田公司南堡作业区)

沉降罐是油田最为普遍的油水分离设备，在其应用的过程中，科研人员依据浅层理论研究出了斜板沉降池。即通过在常规的沉降池内加装一组或多组相互平行的倾斜板，油水混合液流经斜板间的间隙时，增强分离性能。每两个斜板间的间隙都是一组独立的沉降单元，轻质油相流经斜板间隙向顶部移动，重质水相经斜板间隙向沉降罐底部移动。当油相在进入溢流液之前能够沉降到斜板上表面，就认为油相可以被分离出来［1－3］。由于斜板的存在，致使斜板沉降池内的水力半径有所减小，最终导致雷诺系数变小。故此，斜板沉降池在工作运行的时候，要保证来液的稳定性降低湍流作用即满足层流的条件，方能达到较好的处理效果［4］。在以往的研究中，大量学者针对常规沉降罐在结构设计、参数优化、流场分析及实验研究等方面开展了大量工作［5－7］。同时也有部分学者通过对斜板式沉降的理论推导发现，在给定的斜板倾角下，沉积物层的最大体积浓度不能超过临界浓度，否则沉积物层就不能流动［8－9］。关于斜板式沉降罐内部流场特性及油水分离性能的研究相对较少。实际上斜板沉降池的流场特性及分离效率对工况的选取十分重要，鉴于此本文以斜板沉降池为研究对象，利用CFD方法对其内部流场及分离性能进行数值模拟分析，这对揭示斜板沉降机理及指导新型斜板形式的设计具有一定的指导意义。

一、模型建立

本文针对斜板式沉降池进行模型简化，并创建了三维流体域模型。为展示斜板沉降池的结构，对沉降池的三维模型进行了二维表述，如图1所示。

图1流体域模型简图

其中斜板的倾斜程度会直接影响分离效果，对于油水分离而言本文斜板倾角参照文献［2］得出的最佳角度选取60°，斜板间距油水混合液由入口进入，经斜板沉降后油相由顶部油相出口排出，水相由底部的水相出口排出。以处理量为100 m3/h的斜板沉降池为研究对象，其基本尺寸为6．25 m×2 m×2 m。斜板底部左边距池边距离为0．1 m，斜板底部右边距池边距0．5 m，出水口距离地面0．5 m，斜板距离油相出口0．3 m，两相邻斜板间距为75 mm。

二、网格划分

对于模拟对象而言，由于组合斜板结构相对复杂，为了方便网格划分的同时提高网格划分质量，网格划分时对流体域模型进行几何分割。即以斜板为分割界限，将斜板沉降池划分为沉降池上部区域、斜板区域、斜板底部三个区域。指定流体域外层界面为固壁面，由于六面体网格在数值计算过程中具有较高的精度，对三个区域都将用六面体网格进行划分。并采用斜板附近网格加密的方法，整个流体域模型生成网格总数约为25×104，网格划分情况如图2所示。

三、参数设置

在对斜板沉降池进行数值模拟时，选取合适的湍流模型对计算精度的影响十分重要。由于在斜板沉降池内，混合介质的流动是相对较为稳定的黏性层流。本文选取雷诺应力模型作为斜板沉降器数值模拟的两相流模型。同时设置入口条件为速度入口，速度值为1 m/s，油相及水相出口均为自由出口，含油浓度为20%。

图2流体域模型网格划分

四、结果分析

1．流体迹线

数值模拟得斜板沉降池内不同时刻的流体质点迹线如图3所示。通过图3所示的迹线图可以发现在沉降刚刚开始时，流场内迹线分布无明显规律，且无明显的涡流现象，但随着沉降时间的不断增加，在斜板附件的上方及下区域内均逐渐形成了明显的涡流线形，该区域的涡流存在对分离有两方面的影响。

图3不同时刻斜板沉降池流体质点流动迹线图

2．速度场分布

数值模拟得出不同时刻斜板沉降池内的油相速度矢量图，如图4所示。由图4看出沉降池内油相介质运动速度的大小及运动方向，当油相经斜板后向沉降池顶部运动时呈逐渐增大的向上运动。充分说明斜板可加快油水两相的分离速度。

图4斜板沉降池内不同时刻油相速度矢量图

数值模拟得出斜板沉降池内不同时刻的油相介质的速度分布云图，如图5所示。分析图5知分离时间小于3 h时，油相在沉降池的顶部区域及底部驱油运动速度较大。这是由于在入口位置的油水混合液由在斜板的作用下直接运动导流沉降池的顶部及底部，未经斜板分离，此时沉降池内暂没有形成稳定的分离环境。但随着分离时间的逐渐增大，轻相油相介质集中分布在沉降池顶部，同时由于油相出口的存在，致使油相在顶部区域始终保持着一定的运动速度。

图5斜板沉降池速度云图

3．浓度场分布

数值模拟得出图6所示的不同沉降时间时斜板沉降池内部油相体积分数分布云图。分析图6可看出斜板沉降池内油相浓度分布随时间的变化规律。可以得出在沉降池内油相在池顶区域浓度最大，重质水相沉积在沉降池底部，且随着沉降时间的逐渐增加，油相在顶部区域浓度逐渐升高，在分离初始时，部分油相分布于斜板间隙及沉降池其他位置，随着时间在增加油相逐渐向沉降池顶部运移。

数值模拟得出沉降池不同高度位置油相体积分分数分布随分离时间的变化情况如图7所示。分析图7可知，随着沉降时间的不断增加，油相在顶部区域分布的浓度逐渐增大，在超过4 h后油相在沉降池顶部的浓度分布情况基本不发生变化。在进水口附近油相浓度分布较小，即该区域水相分布较大，这是因为由于受沉降池来液的影响，其附近水相浓度变化梯度较大。结果表明，研究范围内沉降池的分离所需时间为4 h。

图6沉降池内不同时刻油相体积分数分布云图

图7斜板沉降池不同高度轻相介质含量曲线

4．分离效率

为评价沉降池的分离性能，通过统计不同时刻沉降池的分离效率，得出图8所示分离效率随时间的变化规律。由图8可以看出，随着分离时间的增加分离效率呈明显的升高趋势，分离初期分离效率增高速度明显，当分离时间达到4 h后分离效率基本不随时间的增加而发生明显变化。

图8斜板沉降池效率关系图

五、结论

(1)由于斜板式沉降池自身结构的缺陷其内部流场存在大量涡流区，改变了油水两相的运动轨迹，对分离效率产生较大的影响。

(2)分析了沉降效果主要受沉降时间的影响，在沉降初期随着沉降时间的增加沉降效果逐渐增强，到沉降后期较小颗粒难发生聚并不在人为干涉的情况下沉降效率将不再发生变化。

(3)斜板沉降池有固定的分离时间，超出该分离时间后场内油水两相分布变化微弱且分离效率无明显变化，所以对于本文研究的斜板式沉降池而言其最佳分离时间为4 h。