梅洛洛 何利民 許仁辭

中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

復(fù)合T形管稠油-水相分離特性模擬

梅洛洛 何利民 許仁辭

中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

復(fù)合T形管作為一種新型兩相分離器，因其緊湊性、封閉性、簡(jiǎn)潔性特點(diǎn)而日益受到重視。以稠油和水為模擬介質(zhì)，采用mixerκ-ε湍流模型及歐拉多相流模型，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（入口段長(zhǎng)度、分支管間距、高度）下復(fù)合T形管內(nèi)稠油-水兩相流動(dòng)與分離特性。結(jié)果表明：在給定的邊界條件下，合適的入口段長(zhǎng)度對(duì)油水有效分離至關(guān)重要；分支管間隔的增大使得下出口含油率顯著下降，油水分離效率得到提升；分支管高度變化對(duì)油水分離效率影響很小。

復(fù)合T形管；數(shù)值模擬；下出口含油率；分離效率

引言

20世紀(jì)50～60年代，國(guó)際上對(duì)T形管用作預(yù)分離器的可行性進(jìn)行了大量的研究[1]，并已有成功應(yīng)用于化工生產(chǎn)的報(bào)道[2]。近年來(lái)，研究的焦點(diǎn)又轉(zhuǎn)向了利用T形管進(jìn)行油水兩相的分離，有學(xué)者[3]提出利用垂直分支管路內(nèi)的各相重新分配來(lái)實(shí)現(xiàn)油水分離的目的。為此，學(xué)者們?cè)趩蝹€(gè)T形管的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合T形管路，試圖進(jìn)一步改善分離效果。此外，國(guó)外已有利用復(fù)合T形管路在海底油田進(jìn)行多相分離的實(shí)例，體現(xiàn)了緊湊、高效、封閉的特點(diǎn)，減輕了下游設(shè)備的處理負(fù)荷，前景十分廣闊。

Yang等[4]首先對(duì)不同流型下T形管中的液-液兩相流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)流型的變化和水相流速對(duì)油水兩相的相分配存在顯著影響，入口流型為分層波浪流時(shí)，相分離效果最佳。同時(shí)，Yang等也對(duì)主管和分支管水平的T形管內(nèi)的油水兩相流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)分支管水平時(shí)，油水兩相的相分布比較均勻，分離效果很差。王立洋等分別對(duì)主管和分支管水平及垂直的T形管內(nèi)油水兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與Yang等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)油水相分配比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

由于T形管結(jié)構(gòu)變量多樣性及油水流型劃分的復(fù)雜性，目前針對(duì)T形管內(nèi)液-液流動(dòng)與分離特性研究常采用實(shí)驗(yàn)手段，且研究對(duì)象大都為單個(gè)T形管，而對(duì)于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)下，復(fù)合T形管內(nèi)兩相流動(dòng)與分離特性研究甚少。本文借助于CFD商業(yè)軟件Fluent，分析了不同入口段長(zhǎng)度、分支管間距、分支管高度及入口混合流速、入口含油率、分流比對(duì)油相和水相分布的影響，以期為復(fù)合T形管型分離器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立提供研究基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型建立

如圖1所示，油水混合流體從入口1進(jìn)入復(fù)合T形管，通過(guò)主管路2與分支管3進(jìn)行水平與垂直方向的分流，由于密度不同而產(chǎn)生離心力差異，使得富油流體經(jīng)分支管分流進(jìn)入到上方的匯集管4中，并從上部富油相出口5流出。剩余含水較多的油水混合物從下部富水相出口6流出。模擬介質(zhì)物性如表1所示。

圖1 復(fù)合T形管結(jié)構(gòu)

表1 油水物性參數(shù)（50℃）

采用Fluent專(zhuān)用的前處理軟件Gambit對(duì)復(fù)合T形管分離器進(jìn)行網(wǎng)格離散劃分。首先將之前在Solidworks構(gòu)建好的幾何模型導(dǎo)入到Gambit中，并分區(qū)域劃分網(wǎng)格。由于分支點(diǎn)流動(dòng)復(fù)雜，為了更好地對(duì)流動(dòng)及相分布進(jìn)行捕捉，在分支點(diǎn)及分支管路采用致密的四面體網(wǎng)格，在上、下水平管路段采用Cooper方法生成規(guī)整的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

1.2 邊界條件設(shè)定

入口邊界采用速度入口條件，兩個(gè)出口均采用自由出流條件，并設(shè)定體積分流比。由于復(fù)合T形管分離器入口流型多為分層流和混合分層流，因此從具有廣泛認(rèn)可度的Trallero油水流型圖中選定合適的混合流速。計(jì)算域壁面邊界采用壁面無(wú)滑移條件，多相流模型選用歐拉模型，湍流模型選取mixerκ-ε湍流模型。

2 影響分析

2.1 不同入口段長(zhǎng)度

復(fù)合T形管主管路管徑D=40 mm。選取了6支入口段長(zhǎng)度不同（分別為20D、30D、35D、40D、50D、60D），而其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一致的復(fù)合T形管進(jìn)行模擬研究，混合流速設(shè)定為Vm=0.2 m/s。入口含水率均為20%，體積分流比為0.2。

圖2所示為入口段長(zhǎng)度為40D時(shí)，主管路不同徑向截面處油相分布。從圖2可以明顯看出，距離復(fù)合T形管第一分支管距離為40D處，油水?dāng)_動(dòng)24D、28D，入口段長(zhǎng)度固定為50D。入口混合流速Vm保持為0.2 m/s，入口含水率為20%，體積分流比為0.2。

圖2 入口段長(zhǎng)度為50D下不同徑向截面處相分布云圖

由不同分支管間隔下軸向截面相分布云圖可以看出，分支管間隔為4D時(shí)，由于分支管間距較小，分流時(shí)造成的局部擾動(dòng)對(duì)油水的流動(dòng)影響很大，使得油水的分布變得不穩(wěn)定，油水在進(jìn)入第二、第三分流點(diǎn)之前，主管中的油水處于一種混亂狀態(tài)。在油水沿主管向前流動(dòng)過(guò)程中，油滴無(wú)法形成有效的聚集沉降，重力的作用以及油水動(dòng)量的差異對(duì)相分離的促進(jìn)作用沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致后兩個(gè)劇烈，無(wú)明顯分層現(xiàn)象，底部水相積聚較少；而距離復(fù)合T形管第一分支管距離為10D處，已經(jīng)形成了分離所需要的中間為油水混合層的油水分層流（ST&MI），這對(duì)于保障后續(xù)分離、提高分離效率非常關(guān)鍵。分離效率的定義如下

式中Fo為上部富油相出口油相流量與入口油相流量之比；Fw為上部富油相出口水相流量與混合入口水相流量之比。

由圖3可以看出，入口段長(zhǎng)度為50D時(shí)，分離效率較高，達(dá)到70.3%；而下出口含油率較低，約為8%左右。因此，最佳入口段長(zhǎng)度取為50D。

2.2 不同分支管間距

圖3 不同入口段長(zhǎng)度下復(fù)合T形管分離效率及下出口含油率

選取7支不同分支管間距的T形管，等間距布置，間距分別為4D、8D、12D、16D、20D、分流點(diǎn)的分離效果較差，從而使得復(fù)合T形管分離效率低。當(dāng)間隔為20D時(shí)，由于分支管間距的增大，油水在經(jīng)過(guò)分流點(diǎn)擾動(dòng)以后，在到達(dá)下一個(gè)分流點(diǎn)之前，具有一定的沉降緩沖時(shí)間，這就為下一次分流提供了較好的先決條件；而在分支管中也可以看出油相具有了集中分布的趨勢(shì)，從而整體分離效率較高。

圖4 不同分支管間距下復(fù)合T形管分離效率及下出口含油率

以上幾種間距下復(fù)合T形管油水分離效率及下出口含油率如圖4所示。從圖4可以看出，隨著分支管間距的增大，其分離效率也在不斷增大，下出口含油率也呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；但當(dāng)分支管間隔增大到一定程度（圖中所示結(jié)構(gòu)編號(hào)為5），由于油水兩相在水平管中的分布趨于穩(wěn)定，所以分離效率及下出口含油率的變化均趨于緩慢。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到占地空間影響，優(yōu)選復(fù)合T形管分支管間距為16D。

2.3 不同分支管高度

選定入口段長(zhǎng)度為50D、分支管間距為20D，分支管高度依次為4D、5D、6D、7D、8D、9D、10D、11D。入口混合流速Vm仍保持為0.2 m/s，入口含水率為20%，體積分流比為0.2。

由不同分支管高度下軸向截面相分布云圖可看出，當(dāng)分支管高度為4D工況下，油水混合物向上進(jìn)行分流，分支管仍體現(xiàn)出很好的分離作用；當(dāng)分支管高度進(jìn)一步增大時(shí)，主管路中油相濃度增大，而上部匯管中原來(lái)穩(wěn)定的油相分布開(kāi)始變得分散，這導(dǎo)致油水整體分離效率降低。隨著分支管高度的增加，在分支管的上部，油相的分布由于遠(yuǎn)離下分支點(diǎn)擾動(dòng)的影響，且由于密度差的影響存在重力滑脫，在分支管中的截面分布更趨于均勻沿分支軸線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)分布，越靠近分支管的上部，油相濃度越大，并逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5所示為不同分支管高度下復(fù)合T形管分離效率。從圖5可以看出：分支管高度為4D、5D、6D工況下，復(fù)合T形管分離效率基本在72%～80%之間，當(dāng)分支管高度增大至7D時(shí)，分離效率急劇下降。這表明，在油水混合流速Vm=0.2 m/s的工況下，初始動(dòng)能不足以克服分支管高度所具有的重力勢(shì)能，油相無(wú)法有效進(jìn)入上部匯管，導(dǎo)致油水分離效率下降。

3 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)確定的復(fù)合T形管分離器，在給定進(jìn)出口邊界條件之后，便確定了唯一的水力平衡系統(tǒng)，流體所具有的能量在管路中自由分配直至達(dá)到平衡，流體的分流促進(jìn)了具有密度差異且不相溶多相流體的分離過(guò)程。

圖5 不同分支管高度下復(fù)合T形管分離效率

（2）在模擬研究工況范圍內(nèi)，隨著分支管間隔的增大，油水的分離效率會(huì)增大，分支管間隔的增大起到了使油水充分沉降穩(wěn)定以及改變分支管中流量配比的作用，而使分離效率增大；分支管高度的變化沒(méi)有給分離效率帶來(lái)太大影響。

（3）通過(guò)模擬研究，確定了在給定工況下，復(fù)合T形管分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合，為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

[1]Azzopardi B J．Phase separation at T-junctions[J]．Multiphase SciTechnol，l999（11）：223-329.

[2]Azzopardi B J，Colman D A，Nicholson D．Plant application of a T-junction as a partial phase separator[J]．Chem.Eng.Res Design，2002，80（1）：87-96.

[3]Azzopardi B J．T-junctions as phase separators for gas-liquid flows：possibilitiesandproblems[J]．ChemicalEngineering Research&Design，1993（71）：273-281.

[4]Yang L M，Azzopardi B J，Belghazi A，et a1．Phase separation of liquid-liquid two-phase flow at a T-junction[J]．AIChE Journal，2006（52）：l4l-l49.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.014

2015-02-04

基金論文：海洋工程公司“稠油處理工藝攻關(guān)課題研究”（Z14SJENG0004）資助。