气浮选对含油污水沉降分离流场特性的影响

张 菁，庞艳萍，黎志敏，王志华

（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司 石油工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室/黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室，黑龙江大庆163318）

含油污水处理是油田地面工艺系统一项庞大而复杂的工程，特别是随着油田开发进入高含水期，以及各种提高原油采收率技术的相继应用，使地面产出含油污水的规模逐年增长，性质日趋复杂，处理难度不断增大，地面工艺系统面临运行负荷保障与处理效果提升的多重挑战，同时在绿色环保要求背景下，还需应对处理设施污染、健康环保与经济效益的系列问题和矛盾，这也使油田含油污水处理工艺技术从传统的定型化向个性化发展成为一种必然[1⁃3]。重力沉降是基于含油污水中相间密度差异取得污水净化分离的一种传统物理方法，重力沉降罐是该方法的基本设备，主要由配水系统、收油系统、集水系统、排泥系统等构成[1，4]。在其基础上，发展了能够发挥协同作用的聚结、离心、气浮选等工艺，其中，气浮选是在采出污水中通入大量微小气泡，利用这些气泡作为载体，与采出污水中的油珠、悬浮絮粒等杂质相互黏附，形成整体密度低于水相的浮体而上浮至水面，使采出污水中的油珠和悬浮物与污水有效分离，达到净化污水的目的[5⁃6]。以溶气气浮为例，通常是在普通重力沉降罐中增设布气单元，沉降罐内的水以一定流量被吸入外置多相溶气泵，在溶气泵中与空气混合形成溶气水后，回流至沉降罐，通过布气单元实现气体释放，继而污水中的油珠、絮体等附着在气体释放后所产生的小气泡上被携带至液面[7]。尽管矿场应用实践反映出气浮选工艺能有效地与重力沉降工艺衔接和配合，促进油珠、悬浮物颗粒浮升，改善水质处理效果，但对运行参数的笼统化调节及处理后水质存在的波动均反映出对该工艺的分离特性仍缺乏充分理解和认识[6，8⁃10]。因此，本文针对含油污水溶气气浮沉降工艺，借助数值模拟方法揭示气浮选对含油污水沉降分离流场特性的影响，基于多相流混合模型数值模拟描述含油污水气浮选沉降分离过程中的压力场分布、粒子运动迹线特征及除油、除悬浮物效果，并与普通重力沉降分离特性进行对比，旨在为考虑含油污水特性变化下的气浮选工艺适配性构建及含油污水处理提供参考。

1 模型建立

1.1 物理模型

以罐容均为1 200 m3规格的普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐为原型，二者内部结构的唯一区别是后者在罐体上部增设有环形布气单元，结构参数见表1。考虑沉降罐发挥污水分离功能的区域主要是在其中心柱管和罐壁之间，在此区域内实现来水配水、沉降分离、气浮选、分离后集水、分离过程中收油等功能。因此对普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐均按以下方式做合理简化，并分别建立如图1所示的简化物理模型。

①省去沉降罐内的集油系统等辅助部件及加强结构。

②省去中心反应筒，来水从沉降罐中心柱管依次流入配水干管和配水支管，再由配水口分布于沉降罐内，经分离后的水相则从集水口依次进入集水支管、集水干管。

表1 模型几何参数Table 1 Geometrical parameters of physical models

图1 简化物理模型Fig.1 Schematic illustration of simplified physical models

1.2 数学模型

针对沉降罐沉降分离区域的基本特征（如离散相在计算域分布较广）及含油污水呈湍流流态的沉降分离过程，对于前述模型的数值计算，其湍流模型选择适用于高应变率及流线弯曲较大流场的RNGk⁃ε方程[11⁃12]，选用考虑了相间扩散作用与脉冲作用，并允许各相以不同速度运动的多相流混合模型（Mixture Model）[13]，控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程[13⁃14]。

质量守恒方程：

式中，ρ为含油污水来水的密度，kg/m3；u为含油污水来水在x方向上的速度，m/s；v为含油污水来水在y方向上的速度，m/s；w为含油污水来水在z方向上的速度，m/s。

动量守恒方程：

式中，p为含油污水流体微元上的压力，Pa；τxx、τyy和τzz为作用于含油污水流体微元上的正应力，Pa；τij为作用于含油污水流体微元上的切应力，Pa；Fx、Fy和Fz为作用于含油污水流体微元上的质量力，N。

2 网格划分及数值计算

2.1 网格划分

高质量的网格划分有利于保证数值计算求解的收敛性和计算精度，相比于结构化网格，非结构化网格对复杂模型具有更强的适应性[14⁃15]。因此，利用Gambit生成普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐简化物理模型的非结构化网格，对于普通重力沉降罐，对配水口附近布水区域、沉降罐中部自由沉降区域和集水口附近集水区域3个空间以不同网格密度进行网格划分；对于溶气气浮沉降罐，则对配水口附近布水区域、布气区域、沉降罐中部自由沉降区域和集水口附近集水区域4个空间以不同网格密度进行网格剖分，以充分地再现沉降分离流场的分布与演变特征，如图2所示。

图2 模型网格划分Fig.2 Mesh of models

2.2 边界条件

在含油污水沉降分离三维数值模拟研究中，对于普通重力沉降罐、溶气气浮沉降罐物理模型壁面边界考虑黏性的影响，壁面为静止状态；来水给定入口速度，出口边界采用自由出口。

2.3 基本假设

数值计算中做如下假设：

①视含油污水来水为油、悬浮固体、水三相混合物。

②认为沉降分离过程中沉降罐内油水界面始终保持在同一高度。

③沉降分离过程中含油污水密度变化不大，视其为不可压缩流体。

④沉降分离过程中含油污水的水温恒定。⑤认为回流溶气水中的溶气量达到饱和状态。⑥给定回流比的溶气水回流到布气单元后，溶气得以在对应释放压差下的最完全释放。

2.4 计算参数

根据1 200 m3罐容规格重力式沉降罐的设计规范与生产运行实践选择处理量、回流比，根据常规含油污水水质特性进行含油量、悬浮物含量取值[16⁃17]，普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐保持一致的计算参数，具体模拟计算参数见表2。

3 气浮选对流场压力分布的影响

3.1 压力场分布

3.1.1 配水单元 沉降罐配水单元布水的均匀性对沉降分离流场的稳定性及其分离效果有着直接的影响[13]。为了描述配水单元的压力场分布，取沉降罐上部配水支管位置的横截面，分析稳定工况下配水单元压力场的分布，如图3、4所示。由图3、4可以看出，在含油污水普通重力沉降及溶气气浮沉降分离过程中，从中心柱管口位置延伸至配水干管区域，均保持有较高的压力分布，进入配水支管后压力则明显降低，至配水口时压力降到最低，但在相同来水水质、相同处理量及相同的配水结构下，当沉降罐上部增设环形布气单元，也就是在溶气气浮沉降中，截面流场的压力整体降低，特别在配水支管至配水口区域，压力场分布相对更为均衡，有益于改善来水的布水均匀性。当处理量增加时，普通重力沉降及溶气气浮沉降配水单元流场的压力整体增大，但前者的增幅及区域压力场分布的不均衡性更加明显，相比于普通重力沉降工艺，溶气气浮沉降工艺能够更好地适应于含油污水沉降罐在较高负荷运行时的配水。

表2 计算参数设置Table 2 Parameters of calculation

3.1.2 沉降罐内部 为了清晰反映含油污水在不同沉降分离工艺中的压力场分布，在普通重力沉降罐三维模型和溶气气浮沉降罐三维模型中均选取z=0的 纵 剖 面，自 上 而 下 取y=14.35、13.85、13.35、12.35、11.35、9.35、7.35、4.35、1.35的9个横截面，对比分析稳定工况下沉降罐内部压力场的分布，如图5、6所示。由图5、6可以看出，在含油污水沉降分离过程中，普通重力沉降罐内部和溶气气浮沉降罐内部的压力场分布规律一致，自上而下压力不断减小，至集水口位置时压力最低，但在相同来水水质及处理量下，溶气气浮沉降分离流场的压力整体较低，压力场分布较为均衡，揭示出较普通重力沉降分离过程更加稳定的流场。当处理量从50 m3/h上升到100 m3/h后，普通重力沉降罐内部自上而下各截面的压力均明显增大，但溶气气浮沉降罐内部自上而下各截面的压力基本不变，进一步反映出溶气气浮沉降工艺较普通重力沉降工艺更为稳定的流场特性，以及该工艺对沉降罐运行负荷发生改变时的较强适应性。

图3 50 m3/h处理量下配水单元压力场分布Fig.3 Pressure field distribution in water distribution system at the flow rate of 50 m3/h

图4 100 m3/h处理量下配水单元压力场分布Fig.4 Pressure field distribution in water distribution system at the flow rate of 100 m3/h

图5 50 m3/h处理量下沉降罐内部压力场分布Fig.5 Pressure field distribution in settlement tank at the flow rate of 50 m3/h

图6 100 m3/h处理量下沉降罐内部压力场分布Fig.6 Pressure field distribution in settlement tank at the flow rate of 100 m3/h

3.2 流场压降特征

为了进一步定量描述气浮选对沉降分离过程中压力场分布的影响，分别提取平行于普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐纵轴线、x=±1的左右两条对称线L、R上的压降特征值，并进行对比，得到如图7所示不同处理量下沉降罐内对称线L、R上的压降分布，可以看出，同样的含油污水来水水质，在50 m3/h处理量的工况下，普通重力沉降罐内和溶气气浮沉降罐内对称线上的压降均沿布水区域、沉降区域、集水区域不断降低，至高度为1.35～4.35 m的空间，也就是集水口附近的集水区域，两种沉降分离方式下相同对称线上的压降均趋于稳定，但普通重力沉降罐内对称线的压降均高于溶气气浮沉降罐内相同位置的压降，且对于溶气气浮沉降，其罐内两条对称线L、R上的压降变化特征基本完全重合，而普通重力沉降罐两条对称线L、R上的压降变化则表现出差异性特征，尤其在高度为7.35～14.35 m的空间，也就是罐内沉降区域和布水区域，两条对称线L、R上的压降差异性明显，这表明两种沉降分离方式下，尽管罐内集水区域均能取得稳定的流场特征，但在发挥含油污水沉降分离功能的主要区域，溶气气浮选沉降过程则更为稳定，对分离效果的提高也更有保证。

在处理量增加到100 m3/h时，沉降罐内对称线L、R上的压降变化特征与处理量为50 m3/h时相似，但相比于溶气气浮选沉降在处理量增加时压降变化不大的特征，普通重力沉降则呈现出随处理量增加，压降显著增大的特征，且沉降罐左右两条对称线L、R上的压降波动更为明显，这种在布水区域、沉降区域具有较大的压降及在沉降罐对称区域不对称的压降特征，影响到布水的均匀性和分离流场的局部与整体稳定性。相反，溶气气浮选沉降则有益于在不同处理量下构建平稳的局部和整体分离流场，促进分离效果的改善。

图7 沉降分离流场沿程压降变化Fig.7 Pressure drop in the flow field of settlement separation

4 气浮选对油珠及悬浮物粒子迹线特征的影响

图8 、9分别为50 m3/h和100 m3/h处理量下沉降分离流场中的粒子迹线特征。对比同一时刻普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐内的粒子迹线可以发现，由于来水水质相同，两种沉降方式下油珠粒子和悬浮物粒子在罐内分布的规模相似，但在普通重力沉降中，粒子迹线呈混乱无序，不能布满罐体空间，且在沉降罐布水区域和沉降区域有严重的涡流形成，再现不稳定的流场特征（见图8（a）、（c），图9（a）、（c））；在溶气气浮沉降中，粒子运动轨迹稳定有序，粒子布满罐体空间，吻合于压力场分布描述，再现稳定而均匀的流场特征，且有大量粒子，尤其是油珠粒子，在布气区域及以上呈抛物线型轨迹向上运动（见图8（b）、（d），图9（b）、（d）），反映出气浮选的作用机制[7⁃9]。随着处理量增大，溶气气浮沉降中粒子的迹线特征变化不大，仍然呈现粒子布满罐体空间、运动轨迹稳定有序及浮升的特征（见图9（b）、（d）），这与压力场分布描述中关于溶气气浮沉降工艺对沉降罐运行负荷变化具有较强适应性的认识相一致，但普通重力沉降中粒子的迹线更为不规则，涡流现象更为显著（见图9（a）、（c）），反映出分离流场的不均匀和不稳定性。

图8 50 m3/h处理量下沉降分离流场粒子迹线Fig.8 Particles trace in flow fields of settlement separation at the flow rate of 50 m3/h

5 气浮选对沉降分离效果的影响

根据数值计算结果定量气浮选对沉降分离效果的影响，在运行稳定后，分别在普通重力沉降罐和溶气气浮沉降罐的集水口高度处（距离罐底1 400 mm）取横截面，追踪提取截面上的油珠粒子和悬浮物粒子分布体积分数[17⁃19]，据式（1）求得此截面上水质的含油量、悬浮物含量，并将其平均值作为沉降分离出水水质的特性参数：

式中，cp为沉降分离流场中任一区域位置处水质的含油质量浓度（或悬浮物质量浓度），mg/L；ρ为水质中油珠粒子（或悬浮物粒子）的密度，kg/m3；Vf为沉降分离流场中任一区域位置处油珠粒子（或悬浮物粒子）的体积分数。

基于所求得出水水质的特性参数及已知来水水质的含油质量浓度、悬浮物质量浓度，计算两种沉降分离方式对相同性质含油污水、不同处理量下的除油率和悬浮物去除率，结果见表3。由表3可以看出，含油污水溶气气浮沉降分离的效果明显好于普通重力沉降分离，除油率和悬浮物去除率提高8%～11%，尽管处理量从50 m3/h增大到100 m3/h时，两种沉降分离方式下的除油率和悬浮物去除率均有下降，但溶气气浮沉降方式下的降幅小，除油率和悬浮物去除率降低幅度分别从普通重力沉降分离的8.22%和24.01%减小到4.10%和16.45%，表明溶气气浮可以改善含油污水的沉降分离效果，并能够有效应对处理量波动工况下对沉降分离效果的不利影响。

图9 100 m3/h处理量下沉降分离流场粒子迹线Fig.9 Particles trace in flow fields of settlement separation at the flow rate of 100 m3/h

表3 含油污水沉降分离效果Table 3 Oil and suspended solids removal rates in settlement separation process

6 结论

（1）基于多相流混合模型（Mixture Model）数值模拟描述了含油污水沉降分离流场特性，相比于普通重力沉降分离，溶气气浮沉降能够使沉降罐内部及其配水单元均获得更为稳定的压力场分布，使沉降分离流场获得沿程更低的压降，使油珠和悬浮物粒子有效浮升，并获得更为均匀而稳定有序的运动轨迹，同时适应处理量变化下平稳分离流场的构建。

（2）含油污水溶气气浮沉降分离的除油率和悬浮物去除率较普通重力沉降分离提高8%～11%，即使随着处理量的增大，不同沉降分离方式下的除油率和悬浮物去除率均下降，但在处理量50 m3/h增大到100 m3/h时，溶气气浮沉降分离的除油率和悬浮物去除率降低幅度分别从普通重力沉降分离降幅的8.22%和24.01%减小到4.10%和16.45%，有效改善含油污水沉降分离效果。