仝毅杰， 尚雅層， 陳鴻

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

波紋板的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速對(duì)油水分離的效果分析

仝毅杰， 尚雅層， 陳鴻

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

在石油井開采的后期，石油開采量逐漸減少，并且含水率不斷上升，為了在后期開采時(shí)增加石油與水的分離效果，文中主要研究了波紋板的結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)速對(duì)石油分離效果所產(chǎn)生的影響。

波紋板；含水率；分離效果

0 引 言

隨著對(duì)石油的不斷開采，大部分的石油井已經(jīng)逐漸進(jìn)入到資源“枯竭期”，石油中含水率不斷加大，導(dǎo)致出油率降低，這就給石油的處理、檢測(cè)以及運(yùn)輸造成了很大的問題，所以迫切需要開發(fā)一種促進(jìn)石油中油水分離的裝置。目前油水分離器中使用較多的是波紋板聚結(jié)填料[1]。波紋板本身的材料具有親油而又不粘油的良好特性，而且波紋板材料易獲取，成本低廉，是促進(jìn)油水分離很好的材料，同時(shí)也極大地節(jié)約成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

目前常用的分離方法主要有重力沉降分離、離心力分離、化學(xué)破乳、電破乳、升溫破乳、潤(rùn)濕聚結(jié)等[2-7]。超聲波加熱處理中，隨著時(shí)間的推移，油溫度的變化已經(jīng)不是很明顯，并且伴有“沸騰”的現(xiàn)象；化學(xué)破乳劑處理中，破乳劑自身的活性受到溫度的影響，溫度越高活性越強(qiáng)，如果加上攪動(dòng)會(huì)使得受熱均勻，破乳效果顯著。因此文中主要分析波紋板在油水分離中的效果?？紤]到不同的波紋板結(jié)構(gòu)以及波紋板的轉(zhuǎn)速影響油水分離效果，因此對(duì)不同結(jié)構(gòu)的波紋板進(jìn)行綜合分析，再通過仿真判斷不同轉(zhuǎn)速對(duì)分離效果產(chǎn)生的影響。

1 波紋板的結(jié)構(gòu)以及工作原理

波紋板的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，波紋板結(jié)構(gòu)分為三層波紋板和四層波紋板。

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)波紋板的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波紋板上下運(yùn)動(dòng)時(shí)可以促進(jìn)不同高度層面的乳化液分離，當(dāng)波紋板作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)使得介質(zhì)之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，混合液之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度加快，從而分離速度也相對(duì)不斷加快。波紋板本身材料的屬性不粘油，它的運(yùn)動(dòng)也加劇了油滴碰撞融合的速率，如此不斷循環(huán)最終實(shí)現(xiàn)油水分離。另一方面，由于開采出的石油中也含有泥渣等雜質(zhì)，波紋板的不斷運(yùn)動(dòng)使得泥渣等由于自身的重力作用沉降至底部[9-15]。

圖1 波紋板結(jié)構(gòu)

2 模型的理論基礎(chǔ)

三大守恒定律（動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒）是研究流體運(yùn)動(dòng)的重要理論基礎(chǔ)，其中計(jì)算流體力學(xué)就是在三大守恒定律下，對(duì)流體進(jìn)行分析計(jì)算的。

動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式如下[16]：

質(zhì)量守恒定律的表達(dá)式如下：

如果流體不可壓縮，則有：

能量守恒定律的表達(dá)式如下：

圖2 波紋板結(jié)構(gòu)圖

模型采用的是三層波紋板和四層波紋板經(jīng)過卷成型的裝置，如圖2?？紤]到網(wǎng)格的質(zhì)量與最終結(jié)果的收斂性以及精度密切相關(guān)，最終選取網(wǎng)格數(shù)量分別為703 000和690 000，網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格圖

3 模擬參數(shù)的確定

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)速的大小對(duì)流場(chǎng)影響的大小，現(xiàn)主要模擬轉(zhuǎn)速分別在5 rad/s和10 rad/s時(shí)流場(chǎng)的變化大小，初始條件的如何設(shè)定對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，但是對(duì)于迭代的過程會(huì)產(chǎn)生影響，文中設(shè)定在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行求解。將轉(zhuǎn)動(dòng)軸和波紋板定義為動(dòng)邊界，則壁面為靜止邊界。

計(jì)算模型采用的是k－ε，該模型可以模擬流體的具體運(yùn)動(dòng)情況。

4 迭代

迭代求解以前，首先應(yīng)當(dāng)設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)和收斂殘差。通常情況下，時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置不宜過長(zhǎng)，否則會(huì)引起計(jì)算時(shí)間的增加，甚至?xí)?dǎo)致最終結(jié)果不收斂。所以，在設(shè)置一定的時(shí)間步長(zhǎng)后便可以直接計(jì)算迭代，直到得到收斂的結(jié)果。

5 結(jié)果與分析

通過模擬得如圖4、圖5，波紋板在不同的轉(zhuǎn)速下波紋板截面速度。

圖4 轉(zhuǎn)速為10 rad/s時(shí)三層和四層波紋板的截面速度

圖5 轉(zhuǎn)速為5 rad/s時(shí)三層和四層波紋板的截面速度

從圖4和圖5可以看出波紋板中心的速度比較小，通過控制轉(zhuǎn)速達(dá)到5 rad/s、10 rad/s時(shí)，通過分析三層波紋板與四層波紋板對(duì)于流場(chǎng)的影響可以得到，三層波紋板與四層波紋板相比，三層的效果會(huì)更好，同時(shí)速度的衰減相對(duì)較為緩慢，可能的原因是:三層的結(jié)構(gòu)中波紋板與波紋板之間的間距較大，流體的流動(dòng)更為順暢。

殘差曲線如圖6、圖7所示。通過圖6、圖7中的不同波紋板在不同轉(zhuǎn)速下的殘差曲線可知，一段時(shí)間過后，殘差曲線逐漸收斂。兩種速度比較而言，10 rad/s的收斂速度高于5 rad/s，此外轉(zhuǎn)速為5 rad/s時(shí)還產(chǎn)生了小幅度的振蕩。

圖6 三層波紋板在5 rad/s、10 rad/s兩種轉(zhuǎn)速下的殘差曲線

6 結(jié) 論

波紋板在一定的轉(zhuǎn)速下對(duì)于流場(chǎng)的作用效果明顯，三層波紋板的作用效果要好于四層波紋板。此外，波紋板的轉(zhuǎn)速在滿足要求的前提下不宜過快，否則會(huì)產(chǎn)生渦流。由于在仿真過程中，除了文中涉及的變量外，未能確定其他因素對(duì)于分離效果產(chǎn)生的影響，所以只能作為參考，還要根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖7 四層波紋板在5 rad/s、10 rad/s兩種轉(zhuǎn)速下的殘差曲線

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Effect Analysis of Corrugated Board Structure and Rotating Speed on Oil-Water Separation

TONG Yijie,SHANG Yaceng,CHEN Hong
(School ofMechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In the later period of oil wells,oil production is gradually decreasing,and water rate is rising.In order to increase the separation efficiency of oil and water in the later period of mining,this paper mainly studies the structure of corrugated board and the rotating speed of the oil separation effect.

corrugated board;water content;separation effect

TE 624.1

A

1002－2333（2018）01－0057－03

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2014K06-26)

（編輯昊 天）

仝毅杰（1990—）,男，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子；

尚雅層（1966—）,女，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)數(shù)字控制、液壓伺服驅(qū)動(dòng)、控制理論及視頻處理。

2017-05-16