斜管中油滴流場(chǎng)數(shù)值模擬分析.pdf

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1、石油和化工設(shè)備-14-論文廣場(chǎng)2016年第19卷斜管中油滴流場(chǎng)數(shù)值模擬分析于同川，范學(xué)君（海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司，天津300452）[摘要]以水中除油設(shè)備斜管組中單根斜管為研究對(duì)象，選取傾角為30°、45°、60°三個(gè)角度的斜管，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)60μm油滴在斜管中的上浮過程進(jìn)行模擬分析，得到了時(shí)間點(diǎn)為88s及116s時(shí)的油滴分布圖，分析得出斜管傾角與油滴分離及操作彈性的關(guān)系。模擬結(jié)果表明，傾角為30°和45°時(shí)均可以達(dá)到60μm的油滴基本從水中分離去除，在實(shí)際工程中傾角45°的斜管組應(yīng)用彈性更大，應(yīng)用更廣泛。[關(guān)鍵詞]斜管；傾角；油滴分離；數(shù)值模擬海洋石

2、油平臺(tái)產(chǎn)生的含油污水主要是開采析，重點(diǎn)研究在一根斜管中直徑為60μm油滴的流原油時(shí)地層中采出的地層水，亦稱生產(chǎn)水或產(chǎn)出動(dòng)情況，選取三種不同斜管角度進(jìn)行研究，討論水。含油生產(chǎn)水的處理有兩條出路：一是處理達(dá)各種情況的優(yōu)異，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。到排放標(biāo)準(zhǔn)后，排海廢棄；二是注入需要注水開1斜管除油原理發(fā)的油藏，將生產(chǎn)水處理達(dá)到注入水質(zhì)量后，注生產(chǎn)水進(jìn)入設(shè)備經(jīng)過布液裝置穩(wěn)定后流經(jīng)斜入到地層。含油污水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)進(jìn)行除管組，在油滴與水的分離過程中，油滴由于浮力油及懸浮物，目前生產(chǎn)水的主要處理方法有自由上升，小油滴在上升過程中會(huì)不斷聚集并形成大沉降、氣浮、水利旋流等幾種。油滴，并在

3、斜管頂部形成流束薄膜，從而實(shí)現(xiàn)油斜管組內(nèi)件生產(chǎn)水除油設(shè)備利用淺池原理和水分離，如圖1所示。粗?；?，通過增加親油疏水材料的表面積，斜管組中斜管一般為正六邊形斷面，含油生使分散的細(xì)小油滴聚集上浮，從而達(dá)到從生產(chǎn)水產(chǎn)水從下部進(jìn)入斜管組，進(jìn)行油水分離。油滴分中分離油和水的目的。斜管組內(nèi)件生產(chǎn)水除油設(shè)離時(shí)間取決于油滴的上浮速度，在層流條件下，備可以作為污水處理系統(tǒng)的前端設(shè)備，處理效果可以應(yīng)用斯托克斯公式來計(jì)算，其表達(dá)式為：對(duì)于整個(gè)水處理流程有著舉足輕重的作用。近年來CFD數(shù)值模擬計(jì)算方法應(yīng)用發(fā)展迅速，重力流場(chǎng)的模擬已在油水處理領(lǐng)域中發(fā)揮了式中，us為油滴上浮速度，m/s；dp為

4、油滴粒2重要作用。本文通過FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分徑，m；g為重力加速度，m/s；ρ水與ρ油分別為3水與油的密度，kg/m；μ為分離條件下水的動(dòng)力黏度，Pa?s。在計(jì)算過程中進(jìn)行如下假設(shè)：①流體處于層流狀態(tài)（可進(jìn)行水力計(jì)算校核）；②油滴為球形，在分離過程中不破碎也不與其他油滴合并；③油滴與油滴、油滴與器壁之間及其他構(gòu)件之間沒有作用力；④油滴在分離過程中沉降速度是穩(wěn)定不變的。基于上述假設(shè)，計(jì)算油滴上浮所需時(shí)間t0：作者簡(jiǎn)介：于同川（1983—），男，遼寧莊河人，碩士，工程圖1油滴在斜管中流動(dòng)示意圖師。主要從事海洋工程成套設(shè)備的總體工藝和機(jī)械設(shè)計(jì)工作。第4期于同川等斜管

5、中油滴流場(chǎng)數(shù)值模擬分析-15-式中，h為斜管等效管徑，m；θ為斜管傾為0.8m，這是由于60o斜管中流體的流速最大；30o角。斜管中油滴分布靠近管上部較多，60o斜管中則最再根據(jù)斜管區(qū)流體流速計(jì)算水力停留時(shí)間t：少，原因是油滴上浮高度為h/cosθ，角度越小，上浮高度越低，上浮需要的時(shí)間就越少；三種角度的斜管中油滴分布狀態(tài)均是沿管線方向凸型分布，管線中心油滴流動(dòng)較快，靠近管壁油滴流動(dòng)式中，L為斜管組長(zhǎng)，m；V為斜管區(qū)流體流較慢，流體的黏度與管壁的摩擦導(dǎo)致此現(xiàn)象的產(chǎn)速，m/s。生。當(dāng)t0≤t時(shí)，認(rèn)為油滴可以從水中分離出來，因此設(shè)計(jì)中可以根據(jù)計(jì)算來選擇合適的斜管組填料尺寸，達(dá)

6、到油滴分離的效果。2模型及邊界條件2.1幾何模型以某項(xiàng)目斜管除油為例，分別選取斜管組總長(zhǎng)相同，高度均為1m，傾角為30o、45o、60o三個(gè)角度的斜管，等效管徑取60mm。流體總流量相同，由于斜管組角度不同，三種斜管組的斜管數(shù)量不同，流經(jīng)每根斜管的流體流速也不同，經(jīng)計(jì)算三種斜管中流體流速分別為0.0114m/s（30o）、0.0081m/s（45o）、0.0066m/s（60o）。選取流體-73中油含量為10kg/s，油滴密度800kg/m，油滴粒徑60μm。圖230°、45°、60°斜管幾何模型2.2數(shù)學(xué)模型及邊界條件選用分散相模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，采用ViscousLam

7、inar模型求解流動(dòng)問題。入口邊界條件選用速度進(jìn)口，出口設(shè)定為壓力出口邊界。管壁采用無滑移邊界條件，認(rèn)為油滴碰到壁面即發(fā)生聚并，因此分散相管壁邊界條件采用escape，計(jì)算收斂標(biāo)-3準(zhǔn)為殘差小于10。3模擬結(jié)果及分析三組模型中，流體均由斜管底部進(jìn)入，時(shí)間從0s開始，油滴均勻分布。88s時(shí)30o、45o、60o油滴在斜管內(nèi)流動(dòng)分布如圖3所示?？梢钥闯?8s時(shí)30o與45o斜管中油滴上升高度均約為0.69m，60o斜管中油滴上升高度均約圖388s時(shí)30°、45°、60°油滴在斜管內(nèi)流動(dòng)分布石油和化工設(shè)備-16-論文廣場(chǎng)2016年第