不同流速下螺旋管內(nèi)油水分離的數(shù)值模擬.docx

1、第32卷第1期遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報Vol.32No.12012年3月JOURNALOFLIAONINGSHIHUAUNIVERSITYMar.2012文章編號：1672-6952（2012）01-0032-04不同流速下螺旋管內(nèi)油水分離的數(shù)值模擬李朝陽馬貴陽】，徐柳3,李強4（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順H3001；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610017；3.雙流縣華陽二中，四川成都610200；4.錦州石化公司計最處，遼寧錦州121001）摘要：油田升采的原油含有一定量的水，所以需要對金水原油進(jìn)行油水分離使含水率達(dá)到要求才能投放市場。在目茴使

2、用的油水分離方法中，由于其他方法存在一定的缺陷，物理分離法得到了廣泛應(yīng)用。螺族曾分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點，成為目前最常見的一種高心分離器。采用計算洗體力學(xué)中的VOF模型，利用商業(yè)仿真軟件對具有不同入口速度的螺荻管內(nèi)油水分離進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了油水分離規(guī)律：高軸線越遠(yuǎn)，速度越小，速度較小時速度分布比較均勻；水相分布最大區(qū)域出現(xiàn)在每國近入口的外倒；沿螺族管軸向方向油水呈周期性的分離，當(dāng)速度變大時高含水區(qū)向入口端靠近，分離效果好。該規(guī)律可為螺旋管分離器的改進(jìn)和提高分離效率提供理論支持。關(guān)鍵詞：流速；螺旋管；油水分離；數(shù)值模擬中圖分類號：TE89文獻(xiàn)標(biāo)識瑪：Adoi：10.3696/j.is

3、sn.1672-6952.2012.01.009NumericalSimulationonOilWaterSeparationinSpiralPipeAfterDifferentFlowVelocityLIZhaoyang1,2,MAGuiyang1,XULiu3»LIQiang4(1.CollegeofPetroleumEngineering%LiaoningShihuaUniversity.FushunLiaoning113001»P.R.ChinajChinaPetroleumEngineeringCo.Ltd.SouthwestCompanyChengduSichu

4、an610017,P.R.China;2. TheSecondSchoolofShuangliuHuayang,ChengduSichuan610200,P.R.Chinaj3. JinzhouPetrochemicalCompanyGageControlPlaceJinzhouLiaoning121001P.R.China)Received7September2011»revised10October20111accepted28October2011Abstract:CrudeoilfromOilfieldminedcontainingcertainamountofwater,s

5、oitneedtobedoneoilwaterseparationthatitsmoisturecontentreachrequirementsandwillbeonthemarket.Duetoothermethodshavingsomeshortcomings,physicalseparationiswidelyused.Spiralpipeseparatorhasthecharacterofsimplerstructureandlighterweight,becomingoneofthemostcommoncentrifugalseparationmethods.Adaptingcomp

6、utationalfluiddynamicsofVOFmodelusingthesimulationsoftware,oilwaterseparationofdifferentinletvelocityinspiralpipewassimulated,andtheoilwaterseparationrulewasobtained.Thefartherfromtheaxis*thespeedissmallerandthelesservelocitytheevenerdistribution.Themostregionalofwaterandphasedistributionappearedine

7、achlapnearlyentryoutside.Oilwaterseparationisinacyclicalalongwiththeaxial.Itsuppliesspiralpipeseparationandimprovementprovideswithatheoretical.Keywords：Flowvelocity；Spiralpipe；Oil-waterseparationNumericalsimulationCorrespondingauthor.Tel.：+8613898315510：email田開采的原油含有一定量的水，必須經(jīng)分離使含水率達(dá)到要求后

8、才能投放市場。目前使用的油水分離方法主要有物理、化學(xué)、電浮法等?；瘜W(xué)及電浮分離法存在污染大、能耗高等缺點，所以物理分離收稿日期：2011-09-07作者簡介：李朝陽（1984），男，安徽亳州市，在讀碩士?；痦椖浚哼|寧省自然科學(xué)基金資助項目（20082186）。法得到了廣泛應(yīng)用。物理分離法一般采用基于密度差的重力分離法和基于離心力的離心分離法螺旋管分離器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、分離效果好等特點，成為目前最常用的一種離心分離器雖然對螺旋管的研究十分活躍5F,但利用數(shù)值模擬方法研究流速對螺旋管內(nèi)油水分離流動的影響尚不多見。因此，基于前人的研究成果，采用計算流體力學(xué)中的VOF模型，利用仿真軟件對具有不

9、同入口速度的螺旋管內(nèi)汕水分離流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。1油水兩相流的控制方程螺旋管內(nèi)油水兩相分離流動比較復(fù)雜，很難進(jìn)行精確模擬?；诮鉀Q主要矛盾、滿足實際生產(chǎn)需求的考慮，采用油水不相容的VOF模型。體積分?jǐn)?shù)方程：率+%V%=m+§支(刀內(nèi)一m妙)3'PgPqp-1式中，m閃為p相到q相的輸送質(zhì)量，kg；mq”為q相到P相的輸送質(zhì)量，kg;z/為流體的速度，m/s；、為第q相的質(zhì)量流通面積。9每一單元中的流體密度為：pazpz+(1S)pi式中，p為密度,kg/n?口為體積分?jǐn)?shù)。動量方程：g(pz/)+V(prup)ot=Vp+V(V.+VpT)+pg+加式中表示速度，m/s；E表示

10、重力加速度,m/s2；F表示體積力，N也為流體動力粘度，Pas。對于密度比接近于1的兩相流，采用k-e模型。(屏)j3(q切a/+&dtdidXj_vGbfxYMa(Q&)+3(pe“,)=3/dtdxj|_v2G,j©+cq)-C2,p亍湍流粘度：的其中，£=f(§t)(fe)'g»=B，衍能G*=妃奪+獸)筍；dTjdXi/dr,Vm=2©M，式中，e為表面耗散率，n?/s3以為湍動能,m2/s2；為速度，m/s；儀為湍流粘度，Pa-s；z,、曰為空間坐標(biāo);G.為由于平均速度梯度引起的湍動能為的產(chǎn)生項;(九為浮力引起

11、的湍動能龍的產(chǎn)生項；Pr表示湍動普朗特數(shù)，取0.85；Y.m為可壓縮湍流脈動對總的耗散率的影響；G,、C2,、C3,、C“表示經(jīng)驗常數(shù)，分別取1.44、L92、0.09、0.09；g,為重力加速度在第，方向的分量，m/s2；B為熱膨脹系數(shù)，m/K；M,為湍動馬赫數(shù);a表示聲速，m/s。2模擬區(qū)域螺旋管半徑0.03m,螺問距0.30m,B轉(zhuǎn)半徑0.15m,回旋50圈。采用四面體與六面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃法對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。原油的含水率為20%,沿z軸負(fù)方向進(jìn)入，進(jìn)口流速分別為4、6、8m/s；出口為自由出流，重力沿丁軸負(fù)方向。(a)螺城管模型(b)計算區(qū)域局部網(wǎng)格圖1螺旋管內(nèi)油水分

12、離模擬區(qū)域3模擬結(jié)果與分析3.1速度分布油品的進(jìn)口速度分別為4、6、8m/s時，平行于螺旋管中軸線的三條直線(z=0.105.0.110.0.115m)上的速度分布如圖2所示。由圖2可知：在流速相同的情況下，離中軸線越遠(yuǎn)，最大速度及平均速度越小；速度較小時速度分布比較均勻，不同情況下同一位置的速度幾乎相等；當(dāng)速度增加到一定程度時，速度分布的規(guī)律性減小。這是因為：速度較小時，管內(nèi)湍流強度比較小，為層流流動；隨著速度的增加，逐漸變?yōu)橥牧髁鲃樱鼐€上速度變化較大，速度的規(guī)律性降低。3.2水相分布圖3(a)為從不同視角觀察時管道內(nèi)水相體積分布圖。由圖3(a)可知：油水混合物進(jìn)入管道第10圈時，在離心力

13、的作用下，由于油水密度差，油水發(fā)生明顯的分肉現(xiàn)象。根據(jù)不同視角判斷的結(jié)果可知，水相分布最大區(qū)域出現(xiàn)在每圈近入口的外側(cè)；離軸向越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離入口側(cè)的水相分布越小。圖3(b)及圖3(c)給出了管內(nèi)z=0和丁=0截面的含水率，從圖3(b)及圖3(c)可以明顯地看出在每圈的近入口外側(cè)存在高含水區(qū)。由圖3(a)、4(a)、5(a)可以看出：由于離心力與速度度的方呈正比，隨著管內(nèi)速度的增加管內(nèi)最大油水分離區(qū)有仙近入II端的的勢。山圖3(h)及圖3(c)、圖4(b)及圖4(c)、圖5(b)及圖5(c)可以看出圈數(shù)相同時z=0和.y=0ft面的含水同，可知隨著速度的增加分離變得明顯。3.3平行于軸線的三條直線上的

14、水相體積分布油品的進(jìn)口速度分別為1、6、8m/s時，平行于軸向的三條直線(w=0.105>0.110.0.115m)上的水相分布如圖6所示。山圖6(a)可以看出:在01、68及10m處存ft分離不明顯IX：.II油水H周期性的分肉。由圖6(1)可以看出:速度為6m/s時.在中間段存在高含水區(qū)，且比較密集。圖6(c)為速度為8m/s時的z向水相分布與圖6(a)Jb)進(jìn)行對比可知高含水區(qū)向入口墻靠近，且分腐效果好。0246«101214軸向長度/m(a)4m/s02468101214輸向長度/m(b)6m/s圖2平行于軸線的直線上的速度分布g().r=0.105x=0.1!0.r=

15、0.in戶0.110JF0.II502468101214釉向長度/m(c)8m/s俯視仰視偶視傭視3)管內(nèi)含水率(b)x=。的截面含水率(c)=0的我面含水率圖3進(jìn)口速度為Im/、時的水相分布后，5。節(jié)45。后左45。后右45。俯視仰說側(cè)說(a)f內(nèi)含水率(b)x=O的枚面念水率圖I進(jìn)口速度為6m/s時的水相分布(c)y=o的裁面含水率后45。祎45。后左45。后右45。俯說仰說側(cè)視例說4(m(a)t內(nèi)含水率(b)x=0的費的含水率圖5進(jìn)口速度為8m/s時的水相分布(c).y=()的我面舍水率軸向長度/m(a)4m/sx=(».1O5x=O.HO»x=0.115棉余早W里&

16、#165;軸向長度/m(c)«m/i1.63.432J0.0.().0.0.().0.岑氽堅好?¥02468101214軸向長度/m(b)6m/$平行于軸線的直線上的水相體積分布4結(jié)束語(1) 離中軸線越遠(yuǎn).速度越小；速度較小時速度分布比較均勻；當(dāng)速度增加到一定程度時速度分布的燃律性減小。(2) 水相分布最大區(qū)域出現(xiàn)在每圈近入口的外側(cè)；離軸向越遠(yuǎn).遠(yuǎn)離人口側(cè)的水相分布越小。(3) 沿軸向油水呈周期性的分離.速度增大時尚含水向入口端靠近分離效果好。本文利用數(shù)值模擬的方法模擬r不同流速下螺旋管內(nèi)的油水分離,并對結(jié)果做r定性分析,本研究結(jié)果nJ為螺旋管分離效果的改進(jìn)和提高提供理論支持。參考文獻(xiàn).1郭烈鐘.李廣軍.陳學(xué)俊，等.臥或螺就管內(nèi)油一氣兩相流沆型的妍完J.工程熱物理學(xué).1996,11(4):472-476.2高暉.郭烈錦.張西民.螺廢管分虜器中液固兩相流顆粒相分布研究J.工程熱物理學(xué)報.2002,23(Sl)：205-208.3周永.吳應(yīng)湘.鄭之初，等.油水分離技術(shù)研究之一一直管和螺該管的數(shù)值模擬J.水動力學(xué)研完與進(jìn)展，2004,19(4)：541546.4類道童.吳應(yīng)湘.鄭之初.等.變質(zhì)量流量嫌詵管內(nèi)兩相流數(shù)值模叔J