孔祥功，陳家慶，姬宜朋，王春升，張明，尚超，蔡小壘，劉美麗

（1北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617；2中海油研究總院技術研發(fā)中心，北京 100027）

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大處理量緊湊型氣浮裝置的數(shù)值模擬

孔祥功1，陳家慶1，姬宜朋1，王春升2，張明2，尚超2，蔡小壘1，劉美麗1

（1北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617；2中海油研究總院技術研發(fā)中心，北京 100027）

摘要：目前鮮有關于大處理量氣浮裝置結構設計研究方面的報道，氣浮裝置國產化研究進程緩慢。為了解決這一問題，本文以自主研發(fā)的處理量為120m3/h緊湊型氣浮裝置為計算模型，采用Eulerian模型和RNG k-ε湍流模型，運用Fluent對其三維流場進行了數(shù)值模擬研究。分別研究了內筒高度、半徑間隙及入口管徑等結構參數(shù)和含油量、處理量等操作參數(shù)的影響，以便考察和優(yōu)化氣浮裝置的分離性能。結構參數(shù)影響的數(shù)值模擬結果表明：隨著半徑間隙的減小，除油率先增大后減??；隨著入口管徑的減小，除油率先減小后增大；改變內筒高度對除油率的影響較小。操作參數(shù)影響的數(shù)值模擬結果表明，裝置的操作彈性相對較大，對水質水量一定程度的波動具有良好的適應性。

關鍵詞：緊湊型氣浮裝置；含油污水；分離效率；數(shù)值模擬；工程放大

油田開采、石油煉制、油品儲存及運輸過程中都會產生大量的含油污水，含油污水成分復雜，若未達標處理排放會對環(huán)境造成嚴重污染，因此含油污水的高效、快速分離處理技術在國內外都受到高度重視。近年來，基于低強度旋流離心場和氣浮組合的緊湊型氣浮裝置（compact flotation unit，CFU）作為一種新型的含油污水處理設備，因其具有結構簡單、操作維護方便、占地面積小、除油性能高等優(yōu)點而受到國內外含油污水處理技術研發(fā)人員的高度關注，原挪威M-I SWACO Epcon公司（現(xiàn)被美國Schlumberger公司兼并）、挪威TS-Technology公司（現(xiàn)被美國Cameron公司兼并）、北京石油化工學院多相流高效分離技術與設備研究所、寧波威瑞泰默賽多相流儀器設備有限公司等先后推出了處理能力各異的工程樣機或工業(yè)化裝置[1-4]。雖然各種工程樣機的具體結構和工作原理不盡相同，但在設計理論體系尚未完善成熟的情況下，為對緊湊型氣浮裝置內部核心構件的結構設計提供一定參考依據(jù)，采用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬手段進行相關參數(shù)影響研究的做法已經得到廣泛認可。

2004年，原NATCO Group公司的LEE和FRANKIEWICZ等[5-6]利用CFD軟件Fluent，分別對處理量為50m3/h立式氣浮罐中氣體噴射器的幾何形狀及位置、注入氣體體積分數(shù)、污水入口幾何形狀和內部擋板等因素進行了數(shù)值模擬討論，優(yōu)化了罐體內部流場，保證氣泡能夠均勻分布。2015年，美國Schlumberger公司的MAELUM等[7]為在該公司第一代CFU產品（Epcon CFU）的基礎上設計研發(fā)新一代CFU產品（DUAL CFU）時，采用拉格朗日多相流模型和單向耦合模擬算法，首先進行單一水相的Fluent流動模擬，迭代收斂后再加入不同粒徑的氣泡，統(tǒng)計達到水體表面氣泡所占的比例，以此來估算除油效率；在此基礎上分別對內部導流片的圈數(shù)、螺旋角進行優(yōu)化，從而確保了新一代產品樣機（處理量5m3/h）除油性能的實質性提升[7]。本文作者課題組[8-12]近十年來密切關注國外CFU的技術發(fā)展動態(tài)，基于自主建立的工藝尺寸理論設計方法和CFD數(shù)值模擬方法，研制開發(fā)的BIPTCFU-III-4型（處理量4m3/h）和BIPTCFU-III-20型（處理量20m3/h）工程樣機分別在中原油田采油一廠、秦皇島32-6油田、流花11-1油田和錦州25-1油田成功進行了現(xiàn)場試驗，均取得了比較理想的除油效果。但是，縱觀國內外已有的研究工作，迄今尚未見到針對大、中處理量下緊湊型氣浮裝置結構設計研究方面的相關文獻，尤其在國內尚缺乏大、中處理量工程樣機現(xiàn)場成功應用的案例報道。因此，本文采用CFD數(shù)值模擬手段，首次在國內針對處理量為120m3/h的BIPTCFU-III-120型工程樣機進行數(shù)值模擬研究，分別討論內筒高度、半徑間隙、入口管徑等結構參數(shù)以及處理量、含油量等操作參數(shù)對分離性能的影響，以期為大處理量CFU工程樣機的研發(fā)提供理論指導，進而為該類產品的國產化、系列化設計奠定堅實基礎。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型和網格劃分

BIPTCFU系列緊湊型氣浮裝置在工作過程中，含油污水與氣體充分混合后由切向入口管進入立式氣浮罐壁與內筒構成的環(huán)形空間中并形成弱旋流，一定的旋流強度使得油滴、氣泡等輕組分向內筒中心匯聚，并在匯聚過程中接觸黏附，所形成的油滴-氣泡黏附體浮升至罐內上部液面，依靠罐內頂部氣相空間的壓力作用從頂部排油口排出，處理后的水通過罐底部的排水口排出。由于目前Fluent軟件尚無法完全考慮油滴、氣泡以及連續(xù)水相之間的相互作用，因此往往將氣浮凈化處理過程簡化為兩相流模擬。為不失一般性，保持油相密度不變，將油滴粒徑設為300μm，以間接考慮氣泡對油滴浮升的積極作用，從而將油-氣-水三相數(shù)值模擬簡化為油-水兩相數(shù)值模擬。通過在相同收斂條件下對比裝置內部的流場分布情況和油水分離效率，即可篩選出相對合理的內部結構方案和相應的結構參數(shù)取值。BIPTCFU-III-120型工程樣機的設計處理量為120m3/h、水力停留時間為4min，基于自主建立的工藝尺寸理論設計方法可以初步計算確定主要結構尺寸。為了便于在Gambit軟件中建立油-水兩相流動區(qū)域三維實體模型，忽略頂部氣相空間和下部回流管路等，最終得到簡化后物理模型的結構尺寸和網格劃分情況如圖1所示。

計算時以下部橢圓封頭直邊中心作為坐標原點，豎直向上取為z軸正方向，通過Gambit軟件采用分塊結構化網格對計算區(qū)域進行離散。網格劃分時，首先把計算區(qū)域劃分成多個規(guī)則的子塊，利用Map方式生成四邊形面網格，然后利用Hex生成六面體網格，每個子塊均可單獨控制其疏密程度，所有的網格全部均為六面體網格，以充分保證網格質量。

圖1 BIPTCFU-III-120型工程樣機的物理模型和CFD數(shù)值模擬網格劃分示意圖

1.2 數(shù)值模擬模型與網格獨立性驗證

1.2.1 有效數(shù)值模擬模型的建立

油-水兩相流動選用Eulerian模型，湍流模型采用RNG k-ε模型，壓力-速度耦合選用Phase Coupled SIMPLE算法，連續(xù)相、分散相、體積分數(shù)、松弛因子等參考文獻[13-14]進行設置。在邊界條件設置時，將緊湊型氣浮裝置的切向入口設置為速度入口，入口速度為7.03m/s，入口含油量設為200mg/L，換算成體積分數(shù)為0.02564%；裝置頂部出口和底部出口均設置為Outflow條件，其中頂部出口流量設為5%，底部出口流量設為95%。操作條件在x=0m、y=0m、z=2.7m處壓力設置為101325Pa，重力加速度設為?9.81m/s2。圖2為相應得到的內部速度場分布。從圖2(a)的切向速度分布云圖可以看出，通過切向入口使罐內液體產生了一定強度的旋流流動，并且液體的切向速度沿徑向從中心到邊緣逐漸增大；罐壁與內筒之間的環(huán)形間隙內切向速度最大，但該區(qū)域內液體在下行過程中的切向速度逐漸減小；在內筒內部區(qū)域，液體切向速度較小，尤其在內筒軸心區(qū)域附近均不超過0.5m/s。正是由于切向速度的這種分布特征，所以油滴在環(huán)形間隙區(qū)域的離心浮選效應較為明顯，而內筒內部則以重力浮選為主。罐壁與內筒之間環(huán)形間隙部分的油滴在離心浮選與重力浮選的共同作用下上浮，并在擴張口下緣聚集形成局部高濃度區(qū)；未來得及上浮的油滴隨液流下行，到達內筒下緣后因流通面積驟然增大，液流速度大幅度減小，接著基于重力浮選機理從內筒區(qū)域上浮至罐內液面上部，最終依靠壓力從頂部排油口排出。從圖2(b)的油相速度矢量分布圖可以發(fā)現(xiàn)，罐內液體除了主體流動之外，還存在二次渦流，該流動會增大油滴的上浮速度。另外，由于在罐內底部加裝了防沖板，極大地減弱了下部排水口的抽吸作用和對上浮油滴的拖曳力，使得排水口上部流場較為穩(wěn)定，為油滴提供了一個相對平靜的浮選環(huán)境。

1.2.2 數(shù)值模擬網格獨立性驗證

實驗室現(xiàn)有2臺HPZ820服務器（32個Intel Xeon @2.90GHz處理器、64Gb內存），所有模擬計算工作均在這兩臺服務器上進行。為了在確保數(shù)值模擬結果可靠性的同時，盡可能縮短計算時間，首先需要進行網格無關性驗證。為此對BIPTCFU-III-120型工程樣機采用相同的網格劃分方式，僅在其徑向、軸向、周向改變其網格尺寸大小，尤其是在切向入口和環(huán)形間隙等流動變化劇烈的區(qū)域劃分3種不同疏密程度的網格，網格劃分及計算耗時情況如表1所示。在參數(shù)設置相同的條件下進行運算，達到相同的收斂條件，圖3為z=1.5m截面上的油相速度分布。從圖中可以看出，不同網格數(shù)目對應截面處的油相速度變化很小，3種網格數(shù)目對計算結果的影響很小，可認為139萬的網格已經達到網格無關，因此最終選用網格數(shù)目為139萬。

圖2 BIPTCFU-III-120型工程樣機立式氣浮罐體內的速度場分布

2 結果與分析

2.1 結構參數(shù)對內部流場和分離性能的影響

本文作者課題組前期針對實驗室小型樣機（BIPTCFU-III-4）進行數(shù)值模擬和實驗研究時已采用正交試驗方法考察了多個參數(shù)對裝置分離性能的影響，分析了各因素的影響權重，得出主要影響因素有半徑間隙、入口管徑和內筒高度。因此本文中主要考察某一參量對CFU性能的影響規(guī)律，暫不考慮各因素之間的交互影響。通過單一改變H （600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm）、d1（50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、140mm、150mm）、d（60mm、66.1mm、70mm、75mm、77.7mm）分別來調整氣浮裝置的內筒高度、半徑間隙和入口管徑等結構參數(shù)，以討論不同結構參數(shù)對其流場和分離性能的影響。

表1 網格劃分情況匯總

圖3 z=1.5m截面上不同網格單元數(shù)目下的油相速度分布

2.1.1 內筒高度的影響

圖4 不同內筒高度下的油相切向速度和離心加速度分布

圖4為保持其他參數(shù)不變，僅改變內筒高度時，氣浮罐內的油相切向速度和離心加速度的分布，其中，z=1.4m截面位于內筒中部區(qū)域，z=0.9m截面位于內筒下部區(qū)域（下同）。從圖4(a)中可以看出，不同內筒高度下罐內的流場分布相同，內、外筒間隙區(qū)域內的油相切向速度遠大于內筒內部區(qū)域的切向速度，且在內、外筒間隙區(qū)域切向速度的徑向梯度較大，內筒內部區(qū)域切向速度的徑向梯度較小。與此對應，離心加速度在內外筒間隙區(qū)域最大，并且沿徑向向內迅速衰減，如圖4(b)所示。

圖5為不同內筒高度對應的除油率的變化。從圖5中可以看出，不同內筒高度對應的除油效率差別很小，說明隨著處理量的增大，內筒高度對除油性能的影響程度越來越弱，因此在設計時內筒高度可以不作為主要影響因素來考慮，本文將內筒高度H取為900mm。

圖5 不同內筒高度對應的除油率的變化

2.1.2 半徑間隙的影響

保持其他參數(shù)不變，通過改變內筒圓柱段外徑進而調整內、外筒之間的半徑間隙d1，得到內部油相的切向速度和離心加速度分布如圖6所示。圖7為相應油相軸向速度分布和除油效率的變化情況。

從圖6中可以看出，不同半徑間隙下罐內的油相切向速度分布態(tài)勢相同，僅具體量值大小有所變化。隨著半徑間隙從150mm逐漸減小至50mm，切向速度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當半徑間隙在70～80mm之間時，內、外筒之間的切向速度明顯較大，內筒內部區(qū)域切向速度的徑向梯度較小。相應地，離心加速度亦呈先增后減的變化趨勢，最大可達6m/s2，因此旋流場在罐內僅起使油滴向中心匯聚的作用，分離則主要依靠重力浮選作用。當半徑間隙較大時，污水以一定速度切向進入罐內，在環(huán)形空間內流動紊亂而無法形成有效旋流，導致主體液流快速下降；隨著半徑間隙逐步減小，來流逐漸開始形成旋流，直至形成穩(wěn)定的旋流場；由于入口管徑為77.7mm，流速為7.03m/s，隨著間隙的進一步減小，部分來流進入罐內時會直接撞擊內筒，導致動能損失，切向速度和離心加速度迅速下降。

從圖7(a)可以看出，內、外筒的環(huán)形區(qū)域內的軸向速度明顯大于內筒區(qū)域的軸向速度，且徑向梯度較大，內筒壁面附近油滴具有的上行速度相對較大，內筒中心區(qū)域次之，內筒壁面和中心區(qū)域之間存在一個環(huán)形區(qū)域，此區(qū)域內油滴上浮速度較慢，甚至部分油滴的軸向速度為負值，這是由于罐內底部安裝有防沖板，能夠為其上部的內筒中心區(qū)域提供一個較為安定的浮選環(huán)境，而在防沖板周邊附近因排水口的抽吸作用使得該部分油滴具有一定的下行速度，對浮油滴的曳力增大導致油滴上浮速度很慢，甚至出現(xiàn)油滴向下運動。另外，在半徑間隙較大時，油滴軸向速度的下降幅度明顯偏大，有效停留時間減少；在半徑間隙較小時，油滴的軸向速度及徑向梯度均比較小，油滴浮升較慢。因此，隨著半徑間隙的減小，除油率先增大后減小。綜合衡量，最終將半徑間隙d1取為80mm。

2.1.3 入口管徑的影響

保持其他參數(shù)不變，僅通過改變入口管徑d來調整入口流速，d分別取為77.7mm、75mm、70mm、66.1mm和60mm，對應的入口流速分別為7.030m/s、7.545m/s、8.661m/s、9.714m/s和11.789m/s，得到罐內油相切向速度、離心加速度分布如圖8所示，同時得到油相軸向速度和除油率的變化如圖9所示。從圖8中可以看出，不同入口管徑對應的油相切向速度變化趨勢一致，僅當入口管徑d=77.7mm時，對應的油相切向速度和離心加速度比較高。入口管流速越大，引起的管路沖擊振動和阻力損失也相應增大，所以并不是入口流速越大越好。從圖9(a)亦可看出，當入口管徑較小時，內、外筒之間的油滴軸向速度比較大，主流下降較快，內筒內部油滴向下的軸向速度較大，除油率并非最高。綜合衡量，選取入口管徑d為77.7mm。

2.2 操作參數(shù)對內部流場和分離性能的影響

工程實際中，處理設備所面臨的水質水量往往會發(fā)生一定程度的波動，對設備的除油效果也會產生一定的影響。為此需要圍繞污水處理量和含油量這兩個主要運行參數(shù)進行模擬與討論，以考察設備的操作彈性和適應能力。

2.2.1 污水處理量的影響

圖6 不同半徑間隙對應的油相切向速度和離心加速度分布

圖7 不同半徑間隙對應的油相軸向速度和除油率的變化

圖8 不同入口管徑對應的油相切向速度和離心加速度分布

圖9 不同入口管徑對應的軸向速度和除油率

圖10 不同處理量下油相速度分布和除油率的變化

保持入口含油量（200mg/L）不變，通過改變入口流量Q（分別為80m3/h、100m3/h、120m3/h、 150m3/h、200m3/h、250m3/h）來考察處理量對分離性能的影響。圖10為不同處理量下對應的氣浮罐內油相的速度和除油率分布。從圖10(a)、(b)中可以看出，隨著處理量的增大，氣浮罐內的油相切向速度明顯增大，內筒內部徑向梯度增大，離心沉降加速度也相應增大，有利于油滴向中心匯聚，增強油滴的離心沉降作用，增加氣泡和油滴之間的碰撞黏附概率；但從圖10(c)能夠看出，隨著處理量的增大，氣浮罐內的有效停留時間減小，下行液流對油滴的攜帶作用增強，致使油滴向下的速度增大，這均不利于油滴的浮選過程。由圖10(d)可知，隨著處理量的增加，除油率呈先略微上升后逐漸下降的變化趨勢，在額定處理量附近的分離效果總體較高。另外，處理量在80～150m3/h變化時，設備能夠正常穩(wěn)定運行，除油率改變量僅在?10%～12%。

2.2.2 污水含油濃度的影響

保持入口流量（120m3/h）不變，通過改變入口含油量φ（分別為100mg/L、200mg/L、300mg/L、500mg/L、1000mg/L、1500mg/L）來考察水質對除油率的影響。圖11為不同入口含油量對應的切向速度和油水分離效率的變化。從圖11(a)可知，入口含油濃度對氣浮罐內的流場分布影響極小。由圖11(b)可看出，在處理低含油濃度（100mg/L）時，除油效率接近60%，且隨著入口含油量的增大，除油效率呈緩慢增大的變化趨勢，含油量從100mg/L變化到1500mg/L，除油率變化量僅為?1.66%～2.6%，入口含油濃度對設備的分離性能影響很小。綜上所述，BIPTCFU-Ⅲ-120型工程樣機的操作彈性比較大，對污水處理現(xiàn)場水質水量一定程度的波動情況具有良好的適應性和分離性能。

圖11 不同入口含油量下切向速度和油水分離效率的變化

3 結 論

借助Fluent軟件對自主設計的BIPTCFU-III-120型工程樣機進行數(shù)值模擬，對比分析了不同結構參數(shù)下裝置內的流場及油水分離情況，并討論了處理量和入口含油量對裝置除油性能的影響，得出以下結論。

（1）利用CFD數(shù)值模擬可以有效地獲取氣浮罐內的流場分布情況，并可通過對比改變結構參數(shù)前后設備內部流場和分離效率的變化，進而對BIPTCFU-III-120型工程樣機進行結構優(yōu)化，使裝置的分離性能得到大幅提升，大大縮短了設備研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本和設計風險。

（2）半徑間隙對分離性能的影響最大，其次是入口管徑，內筒高度對分離性能的影響最小。隨著半徑間隙的減小，分離效率先增大后減小，當半徑間隙d1為80mm時，分離效率相對較好；隨著入口管徑的增加，分離效率先減后增，當入口管徑d為77.7mm時，裝置的除油效率可達到62%。

（3）在給定流量工況下，除油率隨入口含油量增加而緩慢增大；在給定入口含油量工況下，除油率隨處理量的增加而逐漸降低，處理量在80～150m3/h波動時，設備均能穩(wěn)定運行，除油率改變量僅在?10%～12%；同時表明氣浮裝置對現(xiàn)場一定程度的水質水量波動情況具有良好的適應性。

參 考 文 獻

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研究開發(fā)

Numerical simulation of flow field and structural and operational parameters in a large capacity compact flotation unit(CFU)

KONG Xianggong1，CHEN Jiaqing1，JI Yipeng1，WANG Chunsheng2，ZHANG Ming2，SHANG Chao2，
CAI Xiaolei1，LIU Meili1
（1School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2CNOOC Research Center，Beijing 100027，China）

Abstract：There were few reports about the structure design of large capacity floating device at present. The pace for domestication of flotation units was slow. In this paper，the self-developed compact flotation unit(CFU) with 120m3/h capacity was chosen as a simulation model. 3D flow fields were analyzed using Eulerian model and RNG k-ε turbulence model. The structural parameters such as inner cylinder height，radial clearance，inlet tube diameter were examined，as well as the influences of operational parameters including oil wastewater treatment capacity and inlet oil content，in order to investigate and optimize de-oiling performance of the unit. Results of structural parameters analysis showed that the inner cylinder height has less influence on separation efficiency. As radial clearance decreases，oil-water separation efficiency raises then declines. As the inlet tube diameter decreases，de-oil efficiency decreases first then increases. Results of operational parameters simulations indicated that CFU has a relatively large operational flexibility and good adaptability to a certain degree of fluctuations on water quality and quantity.

Key words：compact flotation unit；oily water；separation efficiency；numerical simulation；engineering scale-up

基金項目：國家自然科學基金（51079006）及北京市屬高等學?！伴L城學者”培養(yǎng)計劃（CIT&TCD20150317）項目。

收稿日期：2015-09-11；修改稿日期：2015-10-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.013

中圖分類號：X 74

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0733–08

第一作者：孔祥功（1989—），男，碩士研究生，主要從事多相流高效分離技術與設備研究工作。E-mail kongxianggong@bipt.edu.cn 。聯(lián)系人：陳家慶，教授，博士生導師。E-mail Jiaqing@bipt.edu.cn。