大流量容器式多管轴向旋流分离系统内流量分配特性研究.pdf
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1、收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目().作者简介:彭世昌(),男,硕士研究生,研究方向为多相流高效分离技术与设备,E m a i l:b i p t e d u c n;刘美丽(),女,博士,副教授,研究方向为多相流高效分离技术与设备,通讯联系人,E m a i l:l i u m e i l i b i p t e d u c n.第 卷第期 年月北京石油化工学院学报J o u r n a l o fB e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g yV o l N
2、 o M a r 文章编号:()大流量容器式多管轴向旋流分离系统内流量分配特性研究彭世昌,刘美丽,陈家庆,张耀元,孔畅言,(北京石油化工学院机械工程学院,北京 ;深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室,北京 )摘要:水力旋流分离设备具有结构简单、分离效率高等优点,广泛应用于油水分离领域.在现场大处理量条件下,容器式多管水力旋流分离系统存在流场分布不均、分离效率达不到预期的现象.因此在综述轴向水力旋流器工作原理及设计准则的基础上,针对容器式多管结构设计了种不同的排布方式,利用计算流体力学软件进行全尺寸流场模拟,并分析了该分离系统的流量及压力分配特性.结果表明:在相同处理量下,多管的排布方式对
3、容器式多管水力旋流分离系统的流量分配特性有一定影响,在均布式和三角式种排布方式下,远离旋流分离系统总入口的旋流管中的流量普遍高于总入口附近旋流管中的流量.在保证罐状外壳的前提下,三角式系统在流量分配和低能耗等方面优于均布式系统,且有效地提高了容器内空间的利用率,为自主研发高效、紧凑的水力旋流分离系统奠定了基础.关键词:采油废水;旋流分离;容器式;数值模拟;排布方式中图分类号:T E 文献标志码:AD O I:/j c n k i i s s n 开放科学(资源服务)标识码:F l o wD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i c s i
4、 nL a r g eC a p a c i t yA x i a lC y c l o n eS e p a r a t i o nS y s t e mo fC o n t a i n e r t y p eM u l t i t u b eP E NGS h i c h a n g,L I U M e i l i,CHE NJ i a q i n g,Z HANGY a o y u a n,KONGC h a n g y a n,(C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,B e i j i n gI n s t i
5、 t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a;C h i n aB e i j i n gK e yL a b o r a t o r yo fP i p e l i n eC r i t i c a lT e c h n o l o g ya n dE q u i p m e n t f o rD e e p w a t e rO i l&G a sD e v e l o pm e n t,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:H y
6、 d r o c y c l o n es e p a r a t i o ne q u i p m e n t i sw i d e l yu s e di no i l w a t e rs e p a r a t i o nf i e l db e c a u s eo f i t s s i m p l e s t r u c t u r ea n dh i g hs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y I nv i e wo f t h e s m a l l e r s i z ea n dh i g h e r s e p a r a t i
7、 o np e r f o r m a n c eo f c y c l o n es e p a r a t i o ne q u i p m e n t,t h ec y c l o n em u l t i p i p ep a r a l l e l c o n n e c t i o n i sa d o p t e d i ne n g i n e e r i n g H o w e v e r,u n d e r t h e c o n d i t i o no f l a r g eo n s i t ep r o c e s s i n gc a p a c i t y,u
8、n r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t o f t h e c y c l o n e t u b e c a n l e a d t on o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no f f l o wa n dp r e s s u r ed r o pa m o n ge a c hs i n g l e t u b e T h a tw i l l c a u s es h o r t a g e so f i n d e p e n d e n t s w i r l i n t e n s i t
9、 y,a n du l t i m a t e l ya f f e c t t h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo f c y c l o n es e p a r a t i o ns y s t e m,m a k i n g i td i f f i c u l t t oa c h i e v et h ed e s i r e de f f e c t F o r i n d e p t hu n d e r s t a n d i n go f t h e i n f l u e n c eo f d i f f e r e n t a
10、 r r a n g e m e n tm o d e so nf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n f e a t u r e s,t h e f u l l s i z e f l o wf i e l ds i m u l a t i o n i s c a r r i e do u t b yu s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s s o f t w a r e,a n d t h ep r e s s u r e a n d f l o wd i s t r i
11、b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f t h em u l t i t u b eh y d r o c y c l o n e s e p a r a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d R e s u l t s s h o wt h a tu n d e r t h e s a m ep r o c e s s i n g,t h ea r r a n g e m e n to f t h em u l t i p l e t u b eh a v ee f f e c t so nt h e
12、f l o wd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s I nt w ok i n d so f a r r a n g e m e n t,t h eu n i f o r mt y p ea n dt h e t r i a n g l e t y p e,t h e f l o wi nt h ec y c l o n e t u b ea w a yf r o mt h es y s t e me n t r y i sg e n e r a l l yh i g h e r t h a nt h a t o f t h
13、e c y c l o n e t u b en e a r t h e s y s t e me n t r y I nt h ec o n t a i n e r o f t a n ks h e l l,t h e t r i a n g u l a r a r r a n g e m e n t d e s i g n e d i n t h i sp a p e r i sb e t t e r t h a n t h eu n i f o r mo n e i nt e r m so f e v e nf l o wd i s t r i b u t i o na n d l o
14、we n e r g yc o n s u m p t i o n M o r e o v e r,t h e t r i a n g u l a ra r r a n g e m e n tc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f s p a c e i nt h ec o n t a i n e r T h er e s e a r c hl a y sa f o u n d a t i o n f o r i n d e p e n d e n t r e s e a r c ha n dd
15、 e v e l o p m e n t o f e f f i c i e n t a n dc o m p a c t h y d r o c y c l o n es e p a r a t i o ns y s t e mK e yw o r d s:p r o d u c e dw a t e r;c y c l o n es e p a r a t i o n;c o n t a i n e r;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n;a r r a n g e m e n tm o d e 随着油田开发年限的不断延长和水驱强化采油技术的普遍应用,
16、国内外很多油田目前已进入高含水开采阶段 .为保持原油产量,不得不增大提液量,增加了采油废水对环境污染的潜在风险 .以旋流分离器为代表的油水超重力分离技术具有高效紧凑、便于撬装等优点,成为油井采出液预分水及采油废水处理设备的重要技术选择方案.鉴于旋流分离设备尺寸越小、分离性能越高的特点,工程中多采用旋流器多管并联方式.常见的多管并联方式有压力容器式、直线式、辐射蛛网式、径向分布式、垂直排列式等,如果旋流管的排布方式不合理,会引起各单管水力旋流器间流量和压降分配不均匀、涡旋流动增多,进而导致部分单体旋流强度不足等问题,最终影响旋流分离系统整体性能,使其难以达到预期的处理效果.许多学者对不同并联方式
17、的水力旋流分离系统开展研究.汪华林等研究了固液微旋流器直线式排列系统在不同流动环境和几何尺寸条件下的压降与流量 分 布 特 性,并 构 建 了 歧 管 分 支 流 的 计 算 模型 .K e i t hJ G i r d l e 针对容器式多管并联系统提出旋流管入口彼此错开排列,可以使容器内流场分布更加均匀,减少流体流入旋流管时的相互干扰,进而提高分离精度及效率,但这种错开排布方式需要逐一布置每根旋流管,加工制造难度大.蒋明虎等 提出了一种内设有挡流板组件的容器式水力旋流系统,总体上采用压力容器结构,将多根旋流管按一定的方案进行组合,固定在压力容器内部,入口腔位于容器中间,底流腔和溢流腔分别位
18、于容器两侧,且在入口腔位置处设有挡流板组件,使油水混合液在挡流板的作用下进行一定的聚结,从而提高分离效率.陈家庆等 提出了一种聚结与旋流分离一体化的采油废水处理设备,主体为容器式,内含个腔室,入口腔设置装有聚结材料的聚结圆筒,横向密集排布多根水力旋流器单体,由于聚结材料会使得分散油滴粒径增大,从而使得油水分离效率较常规技术和设备大幅度提高.相比于其他并联方式,压力容器式具有结构紧凑、外部管汇少等优势,在工业生产实践尤其在油水分离处理中成为常见的单体组合方式 .但对于压力容器式多管并联系统内部的流场分布以及单管的流量分配等研究较少.因此,笔者采用计算流体力学方法,对比分析了均布式和三角式种排布系
19、统下,容器式多管旋流分离系统内的流场和压力分布特性,以期为容器式多管旋流分离系统的设计和工程化应用提供理论指导.多管旋流分离系统结构及排布方式 系统结构及排布方式容器式多管旋流分离系统由旋流管、封头、壳体组成,如图所示.壳体外径为 mm,壳体高度为 mm,旋流管入口直径为 mm.其工作原理如下:油水混合液自容器入口进入旋流分离系统后,在一定压力作用下从轴向进入单管水力旋流器,形成高速旋转的涡流,经过旋流分离后油相从溢流口排出,水相则从底流口排出.根据现场需求设计流量为 m/h,按照单管处理量 m/h设计,水力旋流分离系统由 根单管水力旋流器构成,采用均布式和三角式种布置方式.多管旋流分离系统的
20、模拟计算对容器式多管旋流分离系统的内部流场和压力特性开展实验研究,不仅需要花费大量时间及成本,而且难以获得内部流场和压力的分布特性.随着C F D技术的快速发展,采用数值模拟方法研究水力北京石油化工学院学报 年第 卷图旋流分离系统结构及排布方式F i g S t r u c t u r ea n da r r a n g e m e n to f c y c l o n es e p a r a t i o ns y s t e m旋流器内部流场特性变得越来越成熟.因此,采用数值模拟方法对设备进行了研究及分析.几何建模与网格划分将多管旋流分离系统的整体流道作为研究对象,采用G a m b i
21、t软件建模,为了保证网格质量及计算精度,采用六面体结构化网格进行几何离散,并对多管旋流分离系统中单管水力旋流器内部流场变化较为剧烈的区域进行网格局部加密,以得到更加准确的计算结果.均布式和三角式系统的网格划分如图所示.求解控制以纯水为介质进行单相流场模拟计算,采用瞬态计算,计算时间步长设置为 s;湍流封闭模型选择R NGk 模型,该模型对瞬变流有较强的预报能力;模型入口设置为速度入口(v e l o c i t y i n l e t),给定入口水力直径为 mm,设定进口速度为m/s,水力旋流器的溢流口(出油口)和底流口(出水口)假设为充分发展的流动,设为自由出流(o u t f l o w)
22、,给定溢流分流比为 .容器和管道壁面设置为无滑移壁面边界,通过标准壁面函数近似计算壁面附近的流动.计算时采用QU I C K格式离散方程对流项以减少扩散误差;采用S I MP L E方法耦合压力与速度,压力插补格式采用P R E S TO!;以残差达到 且监测点处的物理量无明显波动作为收敛标准.图种排布系统的网格划分F i g T h em e s h i n go f t w oa r r a n g e m e n t s y s t e m s 结果与分析 网格无关性验证由于种排布方式的几何模型尺寸相差不大且流动过程相似,网格尺寸对流场计算结果的影响相近,因此以其中一种系统进行网格无关性
23、验证即可.第期彭世昌等大流量容器式多管轴向旋流分离系统内流量分配特性研究采用不同网格单元数计算得到的均布式系统内部S位置截面的切向速度及轴向速度分布曲线如图所示.从图中可以看出,不同网格数量计算得到的速度分布形态基本一致,尤其是单管水力旋流器内部速度曲线几乎重合.但从切向速度和轴向速度分布曲线可以看出,网格数量较少时,模拟计算得到的截面速度较高,且速度分布有一定的偏移,其主要原因为网格数量较少时,网格尺寸偏大,导致数值传递过程中的截断误差较大;而网格数量较多时,模拟计算得到的截面上中心区域速度明显高于网格数较少时的结果,且当网格数量超过 万时,增加网格数量对流场计算结果不再发生明显变化,说明网
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