唐志偉

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院)

0 引 言

氣田采出水因為高含鹽(通常50～250 g/L)等環(huán)保問題無法外排，以及地質(zhì)原因回注困難，主要采用MVR(機械壓縮蒸發(fā))、多效蒸發(fā)等技術(shù)處理，成本較高。隨著氣田開采的進行，排水量持續(xù)增大，急需低成本的高含鹽采出水濃縮減量技術(shù)，以減小后續(xù)MVR、多效蒸發(fā)等高成本技術(shù)的處理量和處理成本，其對于油氣田生產(chǎn)經(jīng)營單位具有重要的現(xiàn)實意義[1-6]。

旋轉(zhuǎn)霧化噴嘴利用機械旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力向外延展并在轉(zhuǎn)盤表面徑向形成液膜，待液膜運動到轉(zhuǎn)盤邊緣，在空氣的阻攔下失穩(wěn)破碎形成液滴顆粒群。該方法可以顯著強化氣液兩相的接觸和混合，提高傳質(zhì)傳熱效率，廣泛應(yīng)用于材料制備、食品干燥等場景[7-10]。液滴霧化效果是蒸發(fā)減量的關(guān)鍵，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)霧化噴嘴結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對于提高蒸發(fā)效率、降低運行成本具有重要意義[11-13]。同時，計算流體動力學(xué)理論的發(fā)展為低成本研發(fā)、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了有效方法[14-19]。筆者以某氣田高含鹽采出水為研究對象，利用有限元方法，對旋轉(zhuǎn)霧化器的主要結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進行模擬研究，從而指導(dǎo)旋轉(zhuǎn)霧化噴嘴的研發(fā)，為霧化蒸發(fā)技術(shù)在油氣田采出水的減量應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 模型建立及數(shù)值模擬方法

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

旋轉(zhuǎn)霧化器部分工作區(qū)域存在轉(zhuǎn)動的流動，整個計算是慣性條件下的非定常流動，采用多重參考系(MRF)模型計算，并建立了如圖1所示的幾何模型。將模型分割成圓臺入口、一級霧化網(wǎng)、一級霧化區(qū)域、二級霧化網(wǎng)、二級霧化區(qū)域等5個區(qū)域。

圖1 旋轉(zhuǎn)霧化器幾何模型圖

圖2是劃分的網(wǎng)格?？紤]不同分區(qū)交界面上的數(shù)據(jù)交換，減小計算誤差；液滴在離心力作用下，主體沿著徑向運動、放射狀分布。采用Map+Cooper結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格，并確保網(wǎng)格沿著徑向分布，進而減小流體沿徑向運動的計算誤差。為了在保證計算精度的基礎(chǔ)上提高計算效率，通過不斷調(diào)整網(wǎng)格大小與劃分方式，得到了12萬～56萬5種數(shù)量的網(wǎng)格，并驗證了網(wǎng)格獨立性，最終確定計算網(wǎng)格數(shù)量為276 920個。

圖2 旋轉(zhuǎn)霧化器網(wǎng)格圖

1.2 基于拉格朗日方法的旋轉(zhuǎn)霧化模型建立

建立相應(yīng)的控制方程，湍流模型采用標準k-ε方程，液滴顆粒運動應(yīng)用DPM模型，通過顆粒云模型跟蹤由統(tǒng)計平均決定的“平均”軌道；假設(shè)顆粒群中的顆粒分布服從高斯概率分布函數(shù)，粒子的發(fā)展變化過程用概率表達。氣動力驅(qū)使液滴變形，而液滴的表面張力和黏性力卻阻礙這一過程的發(fā)生。TAB (Taylor Analogy Breakup)模型是模擬液滴破碎的經(jīng)典方法，將液滴顆粒所受的氣動力、表面張力和黏性力，分別類比為作用在質(zhì)量上的外力、彈簧的彈力和阻尼力。入口進入的連續(xù)水相在空氣和一級、二級霧化網(wǎng)的作用下不斷破碎，覆蓋半徑不斷增大，液滴密集區(qū)域是局部的、少量的，且主要存在于二級霧化網(wǎng)以內(nèi)。隨著液滴繼續(xù)向外運動，霧化過程持續(xù)進行，不影響最后的霧化效果，液滴破碎占據(jù)主導(dǎo)，因此不考慮液滴在局部密集區(qū)域的碰撞、合并行為。強制抑制諧波振蕩的線性差分方程可以表達為：

(1)

(2)

式中：ρg為氣相密度，kg/m3；ρ1為液相的密度，kg/m3；w為顆粒與周圍氣體的相對速度，m/s；rp為顆粒半徑，m；σ為液滴顆粒的表面張力系數(shù)，N/m；μ1為液滴顆粒的黏性系數(shù)，Pa·s；CF、Ck、Cd分別為氣動力、表面張力、阻尼力的試驗常數(shù)，其值分別為、8和5。

進行無量綱化后，液滴變形因子y=ξ/Cbrp，Cb取常數(shù)0.5，于是有：

(3)

式中：U為氣液之間的相對速度，m/s；y為液滴變形因子，無量綱。

式(3)的解為：

(4)

式中：We為韋伯數(shù)；ω為振蕩頻率，Hz；td為黏性阻尼時間，s。

We=ρgU2rp/σ

(5)

(6)

(7)

對于液滴，如果ω2≤0，表示液滴不發(fā)生變形；如果ω2>0，非阻尼振蕩強度A的表達式為：

(8)

當A+We/12≤1.0，不發(fā)生破碎；當A+We/12>1.0，液滴可能發(fā)生破碎，破碎后的液滴半徑為：

(9)

式中：r32為液滴分布的平均半徑，m。

1.3 介質(zhì)物性及邊界條件

1.3.1 介質(zhì)物性

連續(xù)相空氣的密度為1.225 kg/m3，動力黏度為1.789×10-5Pa·s；離散相高含鹽采出水的密度為1 186 kg/m3，動力黏度為1.003×10-3Pa·s，表面張力為0.071 9 N/m。

1.3.2 邊界條件

連續(xù)相入口邊界為速度入口邊界(velocity-inlet)，根據(jù)進液量確定入口速度，并假定入口的流動已經(jīng)充分發(fā)展，流體在入口界面均勻分布，流動為湍流流動；出口為壓力出口(pressure-outlet)，環(huán)境背壓為大氣壓；壁面條件采用標準壁面函數(shù)，壁面采用無滑移邊界進行處理。離散相入口邊界采用速度入口邊界(velocity-inlet)；液滴經(jīng)過兩級破碎，運動到二級霧化區(qū)域外緣時接近環(huán)狀出口，出口為逃逸(escape)離開旋轉(zhuǎn)霧化器；顆粒運動到壁面時，設(shè)置壁面條件為reflect。

1.4 求解方法

選用有限體積法進行離散，對壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，壓力梯度項采用PRESTO！格式。對于空間的離散化，擴散項采用具有二階計算精度的中心差分格式，對流項采用QUICK格式；對于時間項的離散采用一階隱式格式，在保證計算精度的前提下，提高計算效率。由于計算網(wǎng)格數(shù)量大，代數(shù)方程組龐大，采用多重網(wǎng)格方法求解。

1.5 評價指標

通常用液滴的平均直徑表示液滴顆粒群的細度，如質(zhì)量中間直徑(Mass Medium Diameter，MMD)、線性平均直徑D和索特爾平均直徑(Sauter Mean Diameter，SMD)等。SMD是最常用的平均直徑，假設(shè)有一群大小相同的液滴，其總表面積和體積與真實情況下液滴群的總表面積和體積均相同，但液滴數(shù)目可能不同，那么就認為這群真實液滴的SMD等于假定液滴的直徑。在霧化蒸發(fā)過程中，液滴總體積的大小決定其質(zhì)量的大小，繼而反映液滴的吸熱量；而液滴的總表面積越大，說明液滴的蒸發(fā)速度越快，最終反映到霧化蒸發(fā)效率上。SMD同時考慮了液滴總表面積和總體積的等效性，因此能更加真實地反映液滴的蒸發(fā)屬性。這里使用SMD作為評價霧化效果的標準。

2 旋轉(zhuǎn)霧化過程分析

2.1 速度矢量分布

旋轉(zhuǎn)霧化器提供的慣性力使液體克服表面張力，促使霧化行為的發(fā)生。流場特征影響著霧化效果，對于流場的研究有助于認識旋轉(zhuǎn)霧化的機理。以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速3 000 r/min、進液量1 m3/h、轉(zhuǎn)盤直徑300 mm時的霧化效果為例，對連續(xù)相空氣和離散相液滴的速度矢量分布進行研究。連續(xù)相空氣和離散相液滴的速度矢量分布如圖3和圖4所示。

圖3 連續(xù)相(空氣)速度矢量分布

圖4 離散相(液滴)速度矢量分布

由圖3和圖4可知，在高速旋轉(zhuǎn)下，霧化器中的水流被甩向外緣，產(chǎn)生徑向運動，與霧化器中的空氣充分的接觸，發(fā)生相互作用，整體上空氣和液滴產(chǎn)生了比較一致的旋流，速度矢量呈現(xiàn)同心圓式旋轉(zhuǎn)。圖中紅色圖示代表速度較高、藍色圖示代表速度較低?？諝夂鸵旱蔚乃俣日w上從入口區(qū)域、一級霧化區(qū)域、二級霧化區(qū)域向外呈現(xiàn)減小的趨勢，說明入口區(qū)域和一級霧化網(wǎng)附近是空氣和液滴接觸、作用力變化最大的地方。從速度矢量的疏密程度可知，空氣作為連續(xù)主相其速度矢量線的密度高于作為離散相的液滴；徑向距離增加，空氣和液滴的速度矢量密度逐漸增大，說明液滴沿著徑向不斷破碎，分布密度逐漸增大，在二級霧化區(qū)域中的分布遠多于一級霧化區(qū)域。這是因為霧化網(wǎng)是多個微孔結(jié)構(gòu)，液滴只能將旋流流動瞬間變?yōu)閺较蛄鲃硬拍芡ㄟ^霧化網(wǎng)。因此，在一級、二級霧化網(wǎng)處產(chǎn)生了強烈的機械剪切，加劇了液滴的破碎。在液滴離開二級霧化區(qū)域外緣，空氣和液滴的最小速度相同，說明空氣和液滴的速度整體相同，液滴在空氣中呈現(xiàn)很好的流化狀態(tài)，已經(jīng)完成破碎過程。

2.2 旋轉(zhuǎn)霧化過程描述

在掌握流場特征的基礎(chǔ)上，分析不同時刻的液滴直徑分布，進一步揭示旋轉(zhuǎn)霧化器內(nèi)液流的破碎過程，進而掌握霧化現(xiàn)象的原理，同時也是對采用常規(guī)試驗手段無法采集到的霧化過程的復(fù)現(xiàn)。

通過離心力、霧化網(wǎng)剪切力、空氣動力、液體表面張力和黏性力的綜合作用實現(xiàn)液體的霧化。圖5展示了高含鹽采出水進入旋轉(zhuǎn)霧化器開始破碎到穩(wěn)定不同時刻的粒徑分布。

圖5 旋轉(zhuǎn)霧化液滴破碎過程

高含鹽采出水進入旋轉(zhuǎn)霧化器后，在氣動力的作用下開始破碎，經(jīng)過一級霧化網(wǎng)的機械剪切變小，同時被離心力甩到一級霧化區(qū)域，液滴直徑不斷變小，液滴分布更加分散，這個過程歷時6 ms，液滴到達二級霧化網(wǎng)。液滴在離心力的作用下穿過二級霧化網(wǎng)，此時離心轉(zhuǎn)動突然轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蜻\動穿過二級霧化網(wǎng)的微細孔道，霧化網(wǎng)為液滴破碎提供了很好的剪切力，可以看到絕大部分的大粒徑液滴發(fā)生了破碎，破碎后的粒徑減小了若干個數(shù)量級，在二級霧化網(wǎng)外側(cè)形成了更加密集分布、粒徑更小的液滴。

隨著液滴繼續(xù)向外運動，氣液兩相的速度差更大，由此產(chǎn)生的氣動力對液滴的擾動破碎作用更強，隨著旋轉(zhuǎn)霧化過程的持續(xù)進行，液滴在空氣的擾動下進一步破碎、變小，在11 ms時達到穩(wěn)定，此時液滴最小粒徑達到384 μm。

3 旋轉(zhuǎn)霧化效果影響因素研究

3.1 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)盤直徑為300 mm、進液量為1.5 m3/h時，不同轉(zhuǎn)速下的液滴直徑分布如圖6所示。由圖6a可以看出，液流在一級霧化網(wǎng)和一級霧化區(qū)域破碎，并向外擴散。通過二級霧化網(wǎng)后，只有小部分的液滴發(fā)生破碎，變成粒徑更小的藍色液滴。隨著液滴進一步的徑向運動，同時受到空氣的擾動，又有一部分大粒徑的液滴破碎成更小的藍色液滴，但是整體上二級霧化區(qū)域中仍然是大粒徑的紅色液滴占據(jù)主體，較小粒徑的藍色交錯分布在其中。霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為3 523 μm，最小粒徑為3 310 μm。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的液滴直徑分布

由圖6b可知，轉(zhuǎn)速提升到2 000 r/min，離心作用更強，液滴的動能更大，與一級霧化區(qū)域中的空氣作用更加強烈，有一部分液滴在一級霧化區(qū)域就發(fā)生了破碎。隨著液滴徑向甩出二級霧化網(wǎng)后，相比于轉(zhuǎn)速1 000 r/min的工況有更多的液滴發(fā)生了破碎，圖中明顯可以看出大粒徑的紅色液滴較少，中小粒徑的藍色液滴分布更多，霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為2 310 μm，最小粒徑為2 715 μm。由圖6c可知，轉(zhuǎn)速進一步提升到3 000 r/min，一級霧化區(qū)域有了更多明顯的藍色中小粒徑液滴分布；在二級霧化網(wǎng)的外側(cè)，只有臨近霧化網(wǎng)的區(qū)域有少部分大粒徑紅色液滴，隨著液滴向外擴散，液滴幾乎全部破碎成藍色的中小粒徑液滴，霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為567 μm，最小粒徑為498 μm。

3.2 轉(zhuǎn)盤直徑

不同轉(zhuǎn)盤直徑將為液滴提供不同的離心力和運動速度，從而影響液滴的破碎效果。圖7是在轉(zhuǎn)速3 000 r/min、進液量1.5 m3/h時，不同轉(zhuǎn)盤直徑下的液滴直徑分布。由圖7a可知，當轉(zhuǎn)盤直徑較小時，破碎后的液滴粒徑較大，圖中呈紅色，破碎效果一般。隨著液滴徑向運動的進行，僅在二級霧化區(qū)域的邊緣有極少量藍色的小液滴，這部分液滴是在空氣的擾動下發(fā)生的破碎。由于轉(zhuǎn)盤直徑較小，提供的離心力有限，無法較好地配合二級霧化篩網(wǎng)實現(xiàn)大規(guī)模的破碎。霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為8 103 μm。由圖7b可知，轉(zhuǎn)盤直徑增加，提供了更大的離心力，配合二級霧化網(wǎng)對液滴實現(xiàn)較好地破碎，只有少量大液滴穿過二級霧化網(wǎng)，并在空氣的摩擦和擾動下破碎，霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為567 μm，最小粒徑為498 μm。由圖7c可知，當轉(zhuǎn)盤直徑增大到400 mm時，在離心力和空氣摩擦擾動的綜合作用下，液滴的表面張力和黏性力難以承受，在一級霧化區(qū)域內(nèi)就破碎成了較小的液滴，伴隨著二級霧化網(wǎng)的進一步機械剪切和空氣的進一步作用，霧化效果更好。霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為109 μm，最小粒徑為45 μm。

圖7 不同轉(zhuǎn)盤直徑下的液滴直徑分布

3.3 進液量

圖8是轉(zhuǎn)速3 000 r/min、轉(zhuǎn)盤直徑300 mm時，不同進液量下液滴的直徑分布。

圖8 不同進液量下的液滴直徑分布

旋轉(zhuǎn)霧化器的霧化效果與進液量有較大的關(guān)聯(lián)。0.5 m3/h時的進液量較少，對于旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤的霧化負荷較小，液滴的含量在一級霧化區(qū)域和二級霧化區(qū)域中的占比都比較小，空氣的摩擦和擾動作用更加強烈，霧化效果更好。霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為121 μm，最小粒徑為69 μm。綜合對比進液量1.5～3.5 m3/h的3種工況，在具有相同霧化過程的基礎(chǔ)上，隨著進液量的進一步增加，有一部分大粒徑紅色液滴分布在二級霧化區(qū)域，說明進液量越大霧化器的負荷越大，有一部分液滴無法有效破碎。進液量1.5～3.5 m3/h的3種工況在霧化邊緣最終產(chǎn)生的液滴SMD為567、891、1 179 μm，最小粒徑為498、806、937 μm。

4 結(jié) 論

(1)通過耦合氣液兩相湍流理論、離散相模型、TAB模型，建立了基于拉格朗日方法的旋轉(zhuǎn)霧化模型；應(yīng)用多重參考系(MRF)方法，建立旋轉(zhuǎn)霧化器幾何模型、摸索網(wǎng)格劃分方法，形成了一套旋轉(zhuǎn)式霧化數(shù)值模擬方法。

(2)探索了霧化數(shù)值模擬方法在氣田高含鹽采出水處理領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)式霧化過程的數(shù)值模擬，復(fù)現(xiàn)了常規(guī)試驗難以得到的不同時刻液滴破碎過程。

(3)研究了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤直徑及進液量對霧化效果的影響規(guī)律，轉(zhuǎn)速越快、轉(zhuǎn)盤直徑越大、進液量越少，霧化效果越好。