劉 濤，樊玉光，袁淑霞，余曉月

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

目前我國(guó)大多數(shù)油田已進(jìn)入了開采的中后期，需要通過注水的方法提高開采率，必然導(dǎo)致含油污水量增加，如何對(duì)污水進(jìn)行有效處理已成為了熱點(diǎn)問題[1-4]。PEX板是一種新型聚結(jié)元件，其內(nèi)部交叉狀的波紋能使水流方向不斷變化，混合液體中的油滴通過改變流向來適應(yīng)PEX板的輪廓，進(jìn)而增加油滴的碰撞幾率，縮小了聚結(jié)時(shí)間，使水中油滴粒徑增大，提高分離效率。

在含油污水的聚結(jié)處理方面，蔣昊琳等[5]對(duì)已有研究進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望。中國(guó)石油大學(xué)陳文征[6]從分離器的入口構(gòu)件、聚結(jié)構(gòu)件和整流構(gòu)件的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)出發(fā)分析了油水分離器內(nèi)構(gòu)件對(duì)分離效率的影響并對(duì)聚結(jié)板表面材質(zhì)進(jìn)行改性處理，從而加快了油水分離速率；張喜家[7]從對(duì)各內(nèi)部構(gòu)件的工作機(jī)理及作用出發(fā)研究了分離器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律；趙建峰[8]研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)聚結(jié)板油水分離器內(nèi)部流場(chǎng)和流動(dòng)特性的影響。在聚結(jié)板材料的選擇上已有的研究成果主要從不銹鋼、陶瓷、聚丙烯、PVC等材料展開研究[9-14]；關(guān)于聚結(jié)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，科研工作者們從聚結(jié)板的傾角、排列方式、版間距和材料的表面特性等因素進(jìn)行了研究[8,15-16]。Husveg等[17]研制了一種新型的提高采出水中油滴尺寸的離心泵，為后續(xù)油水分離提供了基礎(chǔ)。Kopylova等[18]利用聚結(jié)過濾對(duì)水包油乳液進(jìn)行了研究。

從上述研究的結(jié)果可以看出，目前對(duì)聚結(jié)板影響分離效率的研究主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部構(gòu)件、操作條件和聚結(jié)填料的選擇等方面，而對(duì)于液滴聚結(jié)如何影響分離效率以及數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置對(duì)研究結(jié)果的影響研究很少。本文采用Ansys Fluent軟件中的離散相模型對(duì)PEX板油水分離進(jìn)行數(shù)值模擬，得到粒徑、流速及邊界條件設(shè)置與分離效率的關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，給出適合PEX板的液滴-壁面邊界條件。

1 PEX聚結(jié)板的數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬模型的選取

為簡(jiǎn)化求解過程，假設(shè)在分離過程中流體的溫度不發(fā)生改變，沒有能量傳遞，因此不考慮能量守恒。PEX板用于液-液分離，因此認(rèn)為流體為不可壓縮。

本文所研究的油水混合液中以水為連續(xù)相、油為分散相且油相體積占總體積很小（5%），為了能夠準(zhǔn)確描繪離散相油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用歐拉-拉格朗日方法進(jìn)行模擬（在Ansys Fluent軟件中采用DPM模型）。選用非穩(wěn)態(tài)的追蹤方式對(duì)離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤，通過計(jì)算，本文研究的最大雷諾數(shù)Re＜2300為層流狀態(tài)，故無需考慮湍流方程。連續(xù)相的質(zhì)量方程選用連續(xù)性方程，動(dòng)量方程選用N-S方程。

直角坐標(biāo)系中離散相油滴的受力平衡方程在x軸方向上的表達(dá)式為：

其中FD(u-up)為油滴單位質(zhì)量的曳力，F(xiàn)D由式(2)確定：

式中：u、up分別為連續(xù)相和離散相的速度，m/s；ρ、ρp分別為流體和顆粒的密度，kg/m3；dp是油滴直徑，m；CD是曳力系數(shù)；Re為相對(duì)雷諾數(shù)；gx是重力加速度在x軸上的分量，m/s2；Fx是x軸方向上的其他附加力，包含視質(zhì)量力、升力、布朗力等，N。

考慮到在實(shí)際流動(dòng)中油滴與油滴間以及油滴與聚結(jié)板間可能會(huì)發(fā)生的隨機(jī)碰撞，由此產(chǎn)生聚結(jié)和破碎現(xiàn)象，因此數(shù)值模擬中選擇隨機(jī)碰撞以及液滴聚結(jié)與破碎模型。

1.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

PEX板為一組垂直安裝的聚結(jié)板，板上有30°走向的波紋，間隔板上的波紋彼此平行，相鄰板上的波紋彼此交叉，因?yàn)镻EX板組具有周期性，只需建立一個(gè)通道進(jìn)行研究。PEX板間流道曲折，來流方向與流道成一定夾角，混合物在流經(jīng)PEX板組時(shí)，速度的大小和方向因流道的改變產(chǎn)生周期性的變化，從而使液滴之間互相碰撞的概率增加，有利于水中油滴的聚結(jié)。因?yàn)镻EX板間油水混合物的運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，所以利用三維模型對(duì)聚結(jié)板的分離特性進(jìn)行研究。

因PEX聚結(jié)板有復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)，而四面體網(wǎng)格能更快地生成與壁面貼近程度較高的網(wǎng)格，并能夠使模型的細(xì)節(jié)更清楚的表達(dá)出來，因此選取“Tet/Hybrid”四面體結(jié)構(gòu)對(duì)聚結(jié)板的三維模型實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，圖1（a）和（b）分別為PEX板及其網(wǎng)格劃分示意圖，（c）和（d）為兩個(gè)截面的示意圖。

圖1 PEX聚結(jié)板及網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 邊界條件及流場(chǎng)計(jì)算方法

認(rèn)為連續(xù)相的聚結(jié)板壁面光滑且無熱量交換，水流速度均勻分布于進(jìn)口截面，離散相是初始體積含量為5%的油相，進(jìn)口速度與水相相同。聚結(jié)板出口定義為壓力邊界。液滴與PEX板壁面的作用也會(huì)對(duì)油水分離造成影響。為準(zhǔn)確表達(dá)液滴與PEX板壁面間的作用，考慮兩種壁面邊界條件。第一種未考慮反彈，認(rèn)為油滴只要碰到壁面就會(huì)被捕捉；第二種則認(rèn)為只有在油滴碰到PEX板的上壁面才會(huì)被捕捉，其余壁面均反彈。通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析兩種邊界條件的合理性。認(rèn)為液滴到達(dá)PEX板出口時(shí)為逃逸，出口中離散相的含量即為沒有被分離的液滴量。本文選用耦合計(jì)算方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 分離效率

認(rèn)為分離效率是已經(jīng)分離出來的油相質(zhì)量濃度占入口油相質(zhì)量濃度的比例。

式中：η為分離效率，%；ρin、ρout分別是入口和出口的含油質(zhì)量濃度，mg/L。

2 PEX聚結(jié)板對(duì)分離性能的影響

從以下三種工況模擬PEX聚結(jié)板對(duì)油水分離效率的影響：1）不考慮液滴聚結(jié)，并認(rèn)為油滴碰到上壁面被捕獲；2）考慮液滴聚結(jié)，并認(rèn)為油滴只要碰到壁面就會(huì)被捕捉；3）考慮液滴聚結(jié)，并認(rèn)為油滴只有碰到上壁面才會(huì)被捕捉，PEX板只起聚結(jié)作用。

2.1 工況一的油水分離效果

圖2 工況一分離效率與流速的關(guān)系

圖3 工況二分離效率與流速的關(guān)系

不考慮液滴聚結(jié)，并認(rèn)為液滴碰到上壁面會(huì)被捕獲。模擬同一粒徑液滴在不同流速流體中的分離，繪制如圖2所示的流速與分離效率圖。由圖2可以看出，不考慮液滴聚結(jié)時(shí)，不同粒徑下油水分離效率因混合物流速的增加而降低。因?yàn)榱魉俚脑黾訉?dǎo)致油滴還未上升至聚結(jié)板壁面便已被水流帶走，因而增大流速導(dǎo)致分離效率降低；在同一流速下分離效率隨粒徑的增大而增加，依據(jù)斯托克斯方程可知，油滴上浮速度與粒徑的2次方成正比，因此粒徑越大油滴越易從水中分離，分離效率也就越高。

2.2 工況二的油水分離效果

此工況考慮液滴聚結(jié)并認(rèn)為油滴只要碰到壁面就會(huì)被捕獲，模擬同一粒徑液滴在不同流速流體中的分離，繪制了如圖3所示的流速與分離效率圖。從圖3可以看出，隨流速增大不同粒徑液滴的分離效率減小，與工況一相比分離效率有顯著的提升，在粒徑較小時(shí)，由于液滴聚結(jié)導(dǎo)致油滴在混合物中受到擾動(dòng)較多，因此曲線波動(dòng)較大。

2.3 工況三的油水分離效果

工況三考慮油滴只有碰到聚結(jié)板的上壁面才能被捕捉且考慮液滴聚結(jié)，模擬了同一粒徑液滴在不同流速時(shí)的停留時(shí)間和不同截面濃度的變化。對(duì)濃度變化的模擬選取了聚結(jié)板的表面、中部高200mm處和底部三個(gè)截面進(jìn)行，圖4為停留時(shí)間；圖中流速?gòu)淖笾劣乙来螢?.005m/s、0.01m/s、0.02m/s。圖5為不同截面質(zhì)量濃度的變化，僅給出了流速為0.005m/s、0.0167m/s下的濃度圖。

圖4 粒徑為60μm液滴在不同速度下的停留時(shí)間

圖5 粒徑為60μm，流速為0.005m/s和0.0167m/s時(shí)的質(zhì)量濃度圖

由圖4可以看出，聚結(jié)板中油滴停留的時(shí)間隨流速的增加而變短，而最終聚結(jié)板中還剩有粒徑過小的油滴無法分離，流速的增加縮短了停留時(shí)間，大流速的沖刷作用導(dǎo)致部分小油滴沒有發(fā)生聚結(jié)或到達(dá)到聚結(jié)板上就被帶出了通道，致使分離效率減小。從圖5能得到，由于油滴上浮，聚結(jié)板底部油相濃度較低，中上層依次增加，符合油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；隨流速的增加聚結(jié)板各截面中油相濃度也在不斷增加，因流速的增加增大了水流的沖刷作用，導(dǎo)致流道中的流場(chǎng)混亂，可推斷流速增加對(duì)油水分離不利。

3 結(jié)果與討論

3.1 油滴粒徑對(duì)分離效率的影響

圖6為考慮液滴聚結(jié)并認(rèn)為液滴碰撞上壁面被捕捉條件下油滴粒徑與分離效率的關(guān)系?？梢钥闯?，PEX聚結(jié)板的分離效率因油滴粒徑的增加而增加，在油滴粒徑超過一定范圍后，分離效率緩慢增長(zhǎng)或不再增加；粒徑大小不同的油滴受流速的影響不同，粒徑較小的油滴更易受流速影響，而在流速較大的情況下，大油滴的分離效率也會(huì)超過70%。

圖6 油滴粒徑與分離效率的關(guān)系

圖7 不同粒徑下是否考慮液滴聚結(jié)對(duì)分離效率的影響

3.2 液滴聚結(jié)對(duì)分離效果的影響

圖7為不同流速下不同粒徑液滴考慮聚結(jié)與不考慮聚結(jié)時(shí)分離效率對(duì)比。從圖可知，考慮聚結(jié)比未考慮時(shí)的分離效率要高，小油滴更易聚結(jié)成大油滴，提高了油滴上浮速度，油水分離效率增加；粒徑越大，兩者間的差距越大，且隨流速的增加差距先增后減，這是因?yàn)樾×魉傧麓笮∮偷尉谐渥愕臅r(shí)間聚結(jié)，而流速的增加，大油滴受是否考慮液滴聚結(jié)的影響較大，當(dāng)流速過大時(shí)，聚結(jié)對(duì)分離效率的影響減小，因此呈現(xiàn)圖中趨勢(shì)。

3.3 邊界條件設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

邊界條件設(shè)置的不同也將對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響，本文采用與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法驗(yàn)證邊界條件設(shè)置的合理性。由于實(shí)驗(yàn)過程液滴不可能為單一粒徑，為對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用R-R（Rosin-Rammler）分布[18-19]對(duì)三種工況的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，R-R分布是描述粒徑分布的方法，實(shí)驗(yàn)證明大多數(shù)粉體粒徑均符合R-R分布。通過對(duì)離散相油滴粒子群分布情況的研究，分析了R-R分布下流速對(duì)分離效率的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同流量下PEX聚結(jié)板分離效率的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比

從圖8可知，不同流速下PEX板分離效率均隨流速的增大而降低，工況三更接近實(shí)際流動(dòng)情況，即考慮液滴聚結(jié)且假設(shè)當(dāng)油滴只有碰到上壁面才會(huì)被捕獲。但兩者存在一定偏差，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，一方面由于實(shí)驗(yàn)過程不可避免會(huì)地出現(xiàn)誤差；另一方面在數(shù)值模擬時(shí)對(duì)部分問題進(jìn)行了一定的假設(shè)，導(dǎo)致其與實(shí)際情況存在差異。

4 結(jié)論

（1）PEX聚結(jié)板的加入可大大提升分離器的分離效率。

（2）在不同的流速下，油水分離效率均隨油滴粒徑的增加而增加；不同的油滴粒徑下，流動(dòng)速度升高分離效率降低。

（3）在考慮液滴聚結(jié)的情況下，小油滴更容易聚結(jié)成大油滴有助于提高油水分離效率。

（4）實(shí)驗(yàn)值和模擬結(jié)果的對(duì)比可以得到：PEX聚結(jié)板的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果分離效率的趨勢(shì)大致相同，驗(yàn)證了模擬過程中所選擇的方法和模型的合理性、可靠性；同時(shí)可以看出，考慮液滴聚結(jié)并認(rèn)為油滴只有碰到上壁面才會(huì)被捕捉的情況更接近實(shí)際的流動(dòng)情況。