一种新型导叶式油水分离水力旋流器

舒朝晖，王 畅，袁友为，冯庆伟，杨 帆，张德崇

（1.华中科技大学，武汉 430074；2.中国石化股份有限公司胜利油田分公司现河采油厂，山东东营 257068）

0 引言

油水分离水力旋流器具有结构简单、操作便捷、高效、空间需求小、处理范围广等优点，在各大油田具有十分广阔的应用前景［1］。传统旋流器为切向进口的双锥或单锥形式，由于其径向尺寸较大，在一些狭小空间安装比较困难［2］。轴向入口水力旋流器能较好地适应狭小空间的要求，与切向入口旋流器相比，其径向压降更大，可以更好地实现油水分离。轴向导叶式水力旋流器在入口段安装有导叶结构，可为油水混合物的离心旋转流动提供有利条件，与传统水力旋流器相比，导叶式水力旋流器结构更加紧凑，内部流场更加稳定，具有更好的分离性能。

GONG 等［3］对一种导叶式旋风分离器进行了研究，发现随着粒径的减小，颗粒分离效率减弱。LIN 等［4］研究了导叶式旋风分离器的特性，分析了叶片间距、转角对旋流器压降和切向速度的影响。马艺等［5］对导叶式油水分离水力旋流器进行了数值模拟，发现在流量增大、油相密度差增大和入口油相浓度增大时，油相更易向轴心处聚集而经溢流口排出，分离效果更好。

针对狭长空间的油水分离的问题，根据某油田现场含油污水的特点，设计出一种新型导叶式油水分离水力旋流器，采用FLUENT 软件进行数值模拟研究，研究其压力场、速度场、湍动能及油相体积浓度分布特点，并分析该水力旋流器的分离性能。

1 数学模型

旋流器的分离性能与进料的物性参数有关，由于某油田现场含油污水具有高度乳化、含水量高、油水密度相近的特点，其分离时需要更大的离心力才能获得较好的分离效果。与常规导叶式水力旋流器相比，本旋流器在导叶的基础上增加圆锥导流结构，增强其离心分离效果。

本文设计的水力旋流器是一种轴向导叶式双锥旋流管，如图1 所示。入口段设置有导叶结构，旋流腔部分采用双锥体结构，溢流口设置于旋流器上部，底流口设置于旋流器底部，并在底部设计1 个内锥，底流口采用轴向出口。旋流器结构参数见表1。

表1 旋流器结构尺寸Tab.1 Cyclone structure size mm

图1 水力旋流器结构Fig.1 Hydrocyclone structure

当油水混合液以一定的初速度轴向进入带有导叶的进口后，会沿导叶流道加速并产生旋转流动，进入旋流腔后，由于油水两相的密度不同，其受到的离心力也不同，在离心力的作用下油相和水相逐渐发生分离，密度小的油相慢慢向轴心处聚集，并沿着内旋流从溢流管流出，密度大的水相沿外旋流最终从底流口流出。

2 网格划分及参数设置

2.1 网格划分

导叶式旋流器模型采用非结构化网格的划分方法，对网格进行无关性验证，取旋流器压降为标准，不同网格数下模拟得到的旋流器压降如图2所示。可见，当网格数低于560 774 时，模拟得到的压降随着网格数的增加而增大，当网格数达到560 774 时，压降不再随着网格数的增加而增加，其变化趋势较平稳，故认为继续增加网格数量对计算结果影响不大。综合考虑计算精度与模拟计算所用时间，采用网格数为560 774 的模型进行模拟计算。

图2 网格无关性验证Fig.2 Verification of grid independence

2.2 参数设置与边界条件

根据油田现场含油污水的物性特点，数值模拟的参数设置见表2。

表2 参数设置Tab.2 Parameter settings

采用稳态计算方法，设置重力加速度为9.81 m/s2。采用速度入口（velocity-inlet），溢流口与底流口采用自由出流边界（outflow），湍流模型采用雷诺应力模型（RSM），多相流模型采用混合模型（MIXTURE），采用基于压力的求解器，SIMPLE 算法，QUICK 格式。

2.3 模型验证

为了验证数值模型的准确性，在某卸油站对水力旋流器性能进行了现场试验，试验设备为2管旋流器，通过选择不同位置的吸水口，进行了不同流量条件下污水旋流分离试验，并取样分析。原油密度为950 kg/m3，污水密度为1 000 kg/m3，水温为50 ℃。

将不同入口流量条件下水力旋流器的压降模拟结果与试验结果进行对比，如图3 所示。

图3 模拟与试验压降对比Fig.3 Comparison of simulated and experimental pressure drop

可以看出，模拟与试验结果的变化趋势基本相同，误差均在10%以内，可见本文所建模型是准确的。

3 计算结果分析

水力旋流器中的流动情况非常复杂，为了分析其流场特征，分别选取水力旋流器的大锥段、小锥段与直管段交界面及直管段3 个不同截面来研究水力旋流器内的流体流动特性。

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3.1 压力场

压降是衡量水力旋流器分离性能的一个重要指标。图4 示出水力旋流器不同截面上的静压径向分布。在不同截面处，水力旋流器的静压沿径向基本均呈对称分布，沿径向从壁面到轴心静压逐渐减小，在轴心处达到最小值。这是因为在旋流器内，径向压力满足p=pR+（ρue2/2n）［1-（R/r）2n］的分布规律（式中pR，ue分别为旋流器壁面处的压力和切向速度，R 为该截面处旋流器的半径，r 为回转半径，n 为常数），即旋流器内的压力随半径的减小而不断降低，而旋流器内的动压与静压相比是很小的，故静压分布呈现壁面高中心低的趋势。在轴心附近压力下降急剧，说明此处压力能迅速转化为动能［6］。

图4 水力旋流器静压径向分布Fig.4 Static pressure radial distribution of hydrocyclone

对比3 个截面图可以看出，旋流器大锥段最大静压为0.26 MPa，最小静压接近于0；小锥底面最大静压为0.083 MPa，最小静压为0.063 MPa；直管段截面最大静压为0.033 2 MPa，最小静压为0.032 5 MPa。可见，旋流器内部静压沿大锥到小锥底部再到直管段依次减小，说明流体离开导叶即开始产生离心运动并有能量损失，从而产生压降。从径向压降变化幅度来看，大锥段的径向压降最大，说明油水旋流分离主要在此阶段产生；小锥段底部的径向压降较小，说明小锥段也有一定的旋流分离过程，此阶段主要完成小粒径油滴的分离；直管段的径向压降很小，几乎可以忽略不计，说明此时油水旋流分离过程已经完成，直管段主要起着稳定流场的作用，流体在此处的流动比较平缓。

3.2 速度场

3.2.1 切向速度分布

旋流器内的旋流分离作用是由离心力场产生的，离心力场由切向速度决定，通过研究水力旋流器的切向速度分布能更好地了解其内部流场特点。

图5 示出水力旋流器切向速度分布云图。从图中可以看出，旋流器的切向速度沿轴向从大椎段到小锥段再到直管段依次降低；在同一轴向位置，切向速度呈中心对称分布。

图5 切向速度云图Fig.5 The contour of tangential velocity

旋流器不同截面的切向速度分布如图6所示。图中表明，旋流器切向速度在一定程度上呈现轴对称分布。在不同截面处，切向速度均有明显的峰值，即从壁面到轴心处切向速度先增大，达到峰值后逐渐减小，在轴心附近达到最小，呈现出明显的强制涡和自由涡特点。在轴心左、右两侧各存在一个使得切向速度最大的位置，这就是旋流器切向速度的双峰特征。切向速度越大，油水混合物所受离心力越大，两相越容易分离。对比3 个截面图可知，大锥段切向速度最大为13.4 m/s，小锥段和直管段交界面最大为5.5 m/s，直管段最大为1.2 m/s。可见，随着油水混合物沿轴向从大锥段到小锥段再到直管段的流动，其切向速度逐渐减小，各段分离作用逐渐减弱，即油水混合物主要在旋流器的大锥段进行分离，在小锥段仍具有一定的分离作用，在直管段分离过程趋于结束。

图6 水力旋流器切向速度Fig.6 Tangential velocity of hydrocyclone

3.2.2 轴向速度分布

图7 轴向速度云图Fig.7 The contour of axial velocity

旋流器不同截面上的轴向速度分布如图8 所示，图中速度为正值时表示流体沿轴向向溢流口方向流动，速度为负值时表示流体沿轴向向底流口方向流动。可以看出，旋流器壁面处的轴向速度为零，沿壁面向中心位置逐渐由零到负，再过渡到正值，在距离壁面较近的某个位置通过零点。不同截面处轴向速度为零的点连接起来就形成了“零轴速包络面”［7］，该面内部的液体向上流动，形成内旋流；而在其外部的液体则向下往底流口方向流动，形成外旋流。对比3 个截面图可以看出，大锥段截面正方向和负方向的轴向速度均较大，说明此阶段待分离流体（向底流口方向流动的流体）和已分离流体（向溢流口方向流动的流体）流动特征明显，进一步说明了旋流器的大锥段是发生两相分离的主要部位；而小锥段和直管段交界面处正、负两个方向轴向速度的绝对值都较小，而且除旋流器中心较小范围外，其余位置轴向速度均为负值，靠近直管段，外旋流比内旋流更显著。直管段截面处正方向轴向速度的大小和区域逐渐增大，负方向轴向速度的绝对值很小，说明此阶段两相分离过程基本结束，在直管段内呈现出明显的内旋流。

图8 水力旋流器轴向速度Fig.8 Axial velocity of hydrocyclone

由于外旋流和内旋流相互作用的影响，加之旋流器内较强的离心湍流作用，轴向速度分布没有表现出严格的径向对称，但从速度变化的趋势来看，仍然可以认为大体满足径向对称分布规律。

3.2.3 径向速度分布

径向速度影响旋流器的相分离程度［8］。图9示出水力旋流器径向速度分布云图。可以明显地看出，旋流器的径向速度沿轴向从大锥段到小锥段有明显的降低，到直管段后又迅速增大到最大值；在同一轴向位置，径向速度呈明显的中心对称分布。

图9 径向速度云图Fig.9 The contour of radial velocity

图10 示出模拟得到的旋流器内不同截面流场径向速度分布。图中速度为正值时表示流体沿径向向旋流器中心流动，速度为负值时表示流体沿径向向旋流器边壁方向流动。从图中可以看出，径向速度呈轴对称分布。在大锥段，轴心附近的径向速度为正，壁面附近径向速度为负，说明此时轴心附近流体向中心聚集，壁面附近流体则向边壁方向流动。在小锥段，轴心附近的流体径向速度逐渐变为负值且不断增大，流体整体呈往边壁流动的趋势。在小锥段底部，径向速度出现波动，随后流体进入直管段并且径向速度逐渐稳定，此时流体径向速度为正，流体朝轴心处流动。对比不同截面可以看出，从大锥段到直管段，径向速度最大值和平均值均依次增大，根据旋流器的双锥螺旋模型，越往直管段径向速度越大，说明其内旋流朝中心的流动速度越大，体现了油相向轴心聚集的特征。在靠近壁面处径向速度由大锥段的负值到直管段接近于零，说明大锥段发生了明显的两相分离，有相当部分流体向旋流器边壁方向运动，而在直管段分离过程已经结束，此时的径向速度主要表现为向旋流器中心的流动。径向速度最高的位置一般在轴心处，故越靠近轴心，径向运动越明显，增加了流体在轴心处的聚集。

图10 水力旋流器径向速度Fig.10 Radial velocity of hydrocyclone

3.3 湍动能

湍动能是衡量湍流发展或者衰退的重要指标，分析旋流器内部流场的湍动能变化可以分析其内部流动是否平稳，有助于研究旋流器内部流场的流动特征。旋流器不同截面上的湍动能分布如图11 所示。从图可看出，旋流器内部流场各个截面的湍动能基本呈对称分布，在旋流器壁面附近流体具有较大的湍动能，沿着径向方向从壁面到轴心湍动能迅速减小，在轴心附近湍动能的变化较为平缓，呈现出典型的“浴盆结构”。对比3个截面图可知，大锥段的湍动能最大，小锥段和直管段交界面次之，直管段截面的湍动能最小，3 个截面的“盆底”范围则逐渐增大，说明从大锥段到小锥段再到直管段，旋流器的流场越来越稳定。

图11 水力旋流器湍动能分布Fig.11 Turbulence energy distribution of hydrocyclone

3.4 油相体积浓度分布

图12 示出旋流器内部流场油相体积分数分布云图。油相浓度整体呈轴对称分布，浓度最高的位置在溢流管入口处，在本模拟工况下，最大浓度可达47 500 mg/L。油水两相分离主要在大锥段内完成，然后顺溢流管从溢流口流出，可以看到溢流管中油相体积分数明显高于其他部分，且溢流管中油相体积分数分布较为稳定，说明油水混合物通过该导叶式水力旋流器产生了持续稳定的分离。

图12 水力旋流器油相体积分数分布Fig.12 Oil phase volume fraction distribution of hydrocyclone

3.5 旋流器的分离性能

分离效率和压降是油水分离水力旋流器分离性能的主要考核指标，将模拟得到的不同入口流量条件下的分离效率和压降与前人的研究结果进行对比分析［9］，分别如图13，14 所示。

图13 分离效率对比Fig.13 Comparison of separation efficiency

从图13 可以看出，设计的导叶式油水分离水力旋流器与前人的研究结果非常接近，在低入口浓度条件下仍然具有较高的分离效率。在本油田现场工况条件下，当旋流器的入口流量为5 m3/h时，其分离效率为80.51%。

从图14 可看出，本导叶式水力旋流器的压降比前人得到的结果更低，而且在流量越高时，降低的幅度越大。在本油田现场工况条件下，当旋流器的入口流量为5 m3/h 时，其压降为0.35 MPa。可见，本文设计的导叶式水力旋流器可以明显降低压降，具有较好的分离性能。

图14 压降对比Fig.14 Comparison of pressure drop

4 结论

（1）旋流器不同截面上的静压呈轴对称分布，并沿壁面向轴心方向不断减小。径向压降沿大锥段到小锥底部再到直管段不断减小，油水旋流分离过程主要发生在大锥段，小锥段也有一定的分离作用，直管段则主要起着稳定流场的作用。旋流器湍动能呈典型的“浴盆结构”，从大锥段到小锥段再到直管段，旋流器的流场越来越稳定。

（2）旋流器内部切向速度呈明显的“双峰结构”，最大切向速度沿轴向从大锥段到小锥段再到直管段逐渐降低，分别为13.4，5.5，1.2 m/s。对于轴向速度，大锥段内显示出明显的内旋流和外旋流，小锥段底部大部分流体处于外旋流，直管段内内旋流的速度值较大，外旋流的速度值较小。径向速度呈轴对称分布，直管段内旋流朝中心的流动速度较大，体现了油相在直管段向轴心聚集的特征。

（3）溢流管中油相体积浓度分布均匀，最大浓度可达47 500 mg/L。在本油田现场工况条件下，当旋流器的入口流量为5 m3/h 时，压降为0.35 MPa，分离效率为80.51%。本导叶式水力旋流器不仅具有较高的分离效率，还具有压降更低的特点。