李 楓 張曉麗 孟慶超 任立俠

(1.東北石油大學(xué)；2渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠)

針對(duì)海上采油平臺(tái)和一些陸上油田的高含油采出液，東北石油大學(xué)以標(biāo)準(zhǔn)Thew式雙錐雙入口結(jié)構(gòu)脫油型旋流器為初始模型，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法，通過(guò)數(shù)值模擬分析，對(duì)旋流腔直徑、底流管長(zhǎng)度、大/小錐段錐角、溢流管直徑、溢流管伸入長(zhǎng)度及入口截面尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以溢流的脫水效果和底流的脫油效果為主要指標(biāo)，設(shè)計(jì)出對(duì)高含油采出液進(jìn)行脫水處理的脫水型旋流器結(jié)構(gòu)。模擬相關(guān)操作參數(shù)對(duì)新型脫水型旋流器的影響，確定了最佳入口流量和最佳分流比。

單級(jí)脫水型旋流器不易實(shí)現(xiàn)底流水相含油量很低的目標(biāo)，為提高分離效率并達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)各種工藝指標(biāo)，本研究采用兩級(jí)旋流器串聯(lián)工藝，通過(guò)第一級(jí)脫水旋流器和第二級(jí)脫油旋流器的聯(lián)合作用，對(duì)含油體積分?jǐn)?shù)約為40%的原油采出液進(jìn)行預(yù)處理[1]?；趯?duì)兩級(jí)旋流器分離效率、壓力場(chǎng)和油相分布的數(shù)值模擬，筆者建立了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝流程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證和分析，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)論進(jìn)行對(duì)比[2]。

1 實(shí)驗(yàn)方案及具體流程

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

在實(shí)驗(yàn)中，依次確定第一級(jí)脫水型旋流器和第二級(jí)脫油型旋流器的最佳入口流量和溢流分流比。確定第一級(jí)入口流量Qi1和溢流分流比F1時(shí)，先在第一級(jí)溢流分流比不變的情況下，依次改變第一級(jí)入口流量，從3.2～6.4m3/h(間隔為0.8m3/h)，確定第一級(jí)最佳入口流量。然后將第一級(jí)入口流量固定在最佳處理量，依次改變第一級(jí)分流比，從35%～55%(間隔為5%)，確定第一級(jí)最佳溢流分流比；確定第二級(jí)入口流量Qi2和第二級(jí)溢流分流比F2時(shí)，在第一級(jí)操作參數(shù)和第二級(jí)溢流分流比不變的情況下，依次改變第二級(jí)入口流量，從3.2～6.4m3/h(間隔為0.8m3/h)，確定第二級(jí)最佳入口流量。接下來(lái)，將第一級(jí)操作參數(shù)和第二級(jí)入口流量固定在最佳，依次改變第二級(jí)溢流分流比，從2%～10%(間隔為2%)，確定第二級(jí)最佳溢流分流比。

第一級(jí)脫水型旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：在標(biāo)準(zhǔn)Thew式雙錐雙入口結(jié)構(gòu)脫油型旋流器的基礎(chǔ)上，旋流腔直徑D1=46mm，底流管長(zhǎng)度L3=0mm，小錐段錐角θ=4.5°，大錐段錐角α=30.0°，溢流管直徑Du=8mm，溢流管伸入長(zhǎng)度Lu=20mm，入口截面A為55.9mm2。與常規(guī)脫油型旋流器的結(jié)構(gòu)區(qū)別很大，它沒(méi)有底流管、旋流腔直徑縮小、大錐段和小錐段的錐角均較大。通過(guò)模擬分析，該脫水型旋流器在最佳操作參數(shù)下，即入口流量Qi1為4m3/h，溢流分流比為50%時(shí)，油相分布及分離效果很好[3]。

第二級(jí)旋流器是通過(guò)對(duì)常規(guī)雙錐雙入口脫油型旋流器的溢流管直徑進(jìn)行優(yōu)化，得到尺寸：主直徑D=28mm，溢流管伸入長(zhǎng)度Lu=20mm，旋流腔長(zhǎng)度L1=56mm，底流管長(zhǎng)度L3=500mm，溢流管直徑Du=6mm，入口截面為55.9mm2，大錐段錐角α=20.0°，小錐段錐角θ=1.5°。模擬分析得到第二級(jí)旋流器的最佳入口流量Qi2為4m3/h，最佳溢流分流比F2為6%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要由來(lái)液緩沖罐、增壓泵、計(jì)量單元、實(shí)驗(yàn)設(shè)備單元及化驗(yàn)分析單元等部分組成。兩級(jí)串聯(lián)式旋流器實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要分兩級(jí)，各級(jí)裝置均采用容器式組合旋流器方式，即旋流器單體均固定在壓力容器的殼體內(nèi)，第一級(jí)由12個(gè)相同的脫水型旋流器單體組成，第二級(jí)由6個(gè)常規(guī)脫油型旋流器單體組成。實(shí)驗(yàn)用介質(zhì)為原油處理廠海管原油，含油體積分?jǐn)?shù)為40%±1%，溫度為68～70℃，動(dòng)力粘度約為100mPa·s。

圖1為容器式組合旋流器裝置，它是將所有水力旋流器單體安裝在一個(gè)壓力容器內(nèi)，工作中，所有水力旋流器均沉浸于混合介質(zhì)中。入口混合介質(zhì)進(jìn)入容器后自動(dòng)由各單體水力旋流器的入口進(jìn)入旋流器而進(jìn)行分離，分離后的輕質(zhì)相介質(zhì)和重質(zhì)相介質(zhì)分別匯集到一起，由各自出口匯管排出。

圖1 容器式組合旋流器裝置

采用了721型可見(jiàn)分光光度儀測(cè)量旋流器的入口和出口樣品的含油濃度。為減少隨機(jī)誤差產(chǎn)生的不良影響并保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取多個(gè)樣品。根據(jù)分光光度計(jì)的示數(shù)通過(guò)公式換算成含油體積分?jǐn)?shù)，再計(jì)算出分離效率。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為兩級(jí)，各級(jí)裝置均采用容器式組合旋流器裝置，實(shí)驗(yàn)用原油來(lái)自渤海原油處理廠海管原油支路，來(lái)液首先進(jìn)入緩沖罐進(jìn)行緩沖、攪拌，然后經(jīng)增壓泵增壓進(jìn)入第一級(jí)旋流器進(jìn)行脫水處理，第一級(jí)底流進(jìn)入第二級(jí)旋流器進(jìn)行深度處理，處理后的第二級(jí)溢流出液與第一級(jí)溢流的低含水油匯合進(jìn)入電脫水處理裝置，第二級(jí)底流的含油污水經(jīng)回收罐進(jìn)入污水處理站。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 第一級(jí)脫水型旋流器數(shù)據(jù)分析

2.1.1入口流量和分離效率的關(guān)系

從圖3可以看出，在分流比固定時(shí)，隨著入口流量的增加，脫水率和脫油率都有先增大后減小的趨勢(shì)。綜合考慮溢流脫水率和底流脫油率，分離效率在入口流量為4.0m3/h時(shí)達(dá)到最高。入口流量對(duì)脫水率的影響不是很大，相比之下，脫油率的變化梯度較大。由此推斷，流量的過(guò)分增加使液流產(chǎn)生了較大速度，湍流強(qiáng)度加大，同時(shí)伴隨著液滴破碎增多，使脫水率和脫油率均下降，脫油率下降較快，說(shuō)明較多的油相從底流排出。

圖3 變?nèi)肟诹髁繒r(shí)分離效率曲線

2.1.2溢流分流比和分離效率的關(guān)系

從圖4可知，在入口流量固定時(shí)，隨著溢流分流比的增加，在一定范圍內(nèi)，脫水率逐漸減小，脫油率則逐漸增加。綜合考慮，在溢流分流比為50%時(shí)，分離效率最高；還可發(fā)現(xiàn)，分流比繼續(xù)增加時(shí)，脫油率增加的幅度較小，同時(shí)脫水率開(kāi)始快速下降。說(shuō)明脫水率和脫油率要想同時(shí)達(dá)到較好的效果，分流比一定要控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

圖4 變溢流分流比時(shí)分離效率曲線

2.1.3入口流量和壓力降的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著入口流量的增加底流壓力降也逐漸增加。由于實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的粘度較大，需要較大的壓力降使其產(chǎn)生強(qiáng)旋流，所以，要達(dá)到理想的旋流分離效果，在一定范圍內(nèi)，較大的壓力降是允許且必需的。

圖5 變?nèi)肟诹髁繒r(shí)底流壓力降曲線

2.1.4溢流分流比和壓力降的關(guān)系

從圖6可以看出，隨著溢流分流比的增加底流壓力降增加。在結(jié)構(gòu)參數(shù)和入口流量均已確定的情況下，壓力降為底流最終壓力降。從前面可知溢流分流比為50%時(shí)，綜合分離效率最高，而底流壓力降約為0.33MPa，完全可以滿足二級(jí)旋流器工作的要求。

圖6 變溢流分流比時(shí)底流壓力降曲線

2.1.5模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1.5.1分離效率

圖7、8分別為分離效率隨入口流量和溢流分流比變化的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線。模擬值比實(shí)驗(yàn)值要略高一些，但兩者的變化趨勢(shì)是基本一致的，說(shuō)明模擬工作對(duì)課題研究具有一定的指導(dǎo)作用，最佳入口流量和溢流分流比較吻合。

圖7 分離效率隨入口流量變化曲線

圖8 分離效率隨溢流分流比變化曲線

2.1.5.2壓力降

圖9、10分別為壓力降隨溢流分流比、入口流量變化的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線，曲線變化趨勢(shì)基本一致，可以反映出各個(gè)參數(shù)值的優(yōu)劣。壓力降的實(shí)際測(cè)量值普遍要比模擬值高一些，產(chǎn)生這種誤差的原因主要有設(shè)備的密封性問(wèn)題、人為的操作誤差因素，此外，模擬計(jì)算時(shí)忽略了閥門管線對(duì)壓力損失的影響也是很主要的原因。

圖9 壓力降隨入口流量變化曲線

圖10 壓力降隨溢流分流比變化曲線

2.2 第二級(jí)脫油型旋流器數(shù)據(jù)分析

在分析第二級(jí)脫油型旋流器操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響時(shí)，將第一級(jí)脫水型旋流器的操作參數(shù)固定在最佳點(diǎn)，即入口流量Qi1為4.0m3/h，溢流分流比F1為50%[4]。

2.2.1入口流量和分離效率的關(guān)系

圖11為分離效率隨入口流量變化曲線?？梢钥闯觯是€變化趨勢(shì)與模擬結(jié)果基本吻合，隨著入口流量的增加，脫水率和脫油率均先增大后減小。當(dāng)入口流量為4.0m3/h時(shí)，兩者均達(dá)到最高值。以4.0m3/h為分界點(diǎn)，入口流量減小時(shí)，脫水率及脫油率都急劇下降，原因?yàn)榇藭r(shí)旋流器內(nèi)的液流速度較小，油水分離所需的離心力得不到滿足，分離效率降低；當(dāng)入口流量增加到一定程度，脫水率和脫油率均急速下降，此時(shí)雖然有足夠分離所需的離心力，但剪切速度過(guò)大造成油滴破碎嚴(yán)重，分離效率同樣會(huì)降低。

圖11 變?nèi)肟诹髁繒r(shí)分離效率曲線

圖12為第二級(jí)底流壓力降隨入口流量的變化曲線?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)壓力降與模擬曲線的趨勢(shì)一致，但實(shí)驗(yàn)值比模擬值要高出一些，且實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的曲線比較平緩。無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是模擬，隨著入口流量的增加，底流壓力降都隨之增加。

圖12 變?nèi)肟诹髁繒r(shí)底流壓力降曲線

2.2.2溢流分流比和分離效率的關(guān)系

圖13為分離效率隨溢流分流比變化曲線。從圖中可以看到，在一定范圍內(nèi)，隨著溢流分流比的增加，脫水率下降，脫油率有升高趨勢(shì)，而隨著分流比繼續(xù)增加，脫油率增速放緩，脫水率則快速下降。說(shuō)明較大的分流比使溢流口排出的油相中水的比例增加。同時(shí)可以看到分離效率實(shí)驗(yàn)曲線與模擬曲線的變化趨勢(shì)基本一致，且實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最佳分流比與模擬結(jié)果吻合，分流比為6%時(shí)分離效率最高。

圖13 變溢流分流比時(shí)分離效率曲線

圖14為第二級(jí)底流壓力降隨溢流分流比的變化曲線。從圖中可知，隨著溢流分流比的增加，壓力降逐漸升高，由于分流比的變化范圍不是很大(2%～10%)，所以壓力降曲線的變化梯度也不大。

圖14 變溢流分流比時(shí)底流壓力降曲線

2.2.3模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.2.3.1分離效率

圖15、16分別為分離效率隨入口流量、溢流分流比變化的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線，可以看出，模擬與實(shí)驗(yàn)曲線有一定的偏差，但兩者的變化趨勢(shì)是基本一致的，最佳入口流量和溢流分流比比較吻合。在一定范圍內(nèi)，隨著入口流量的增加，脫水率和脫油率均有先增大后減小的趨勢(shì)；隨著溢流分流比的增加，脫水率下降，脫油率有升高趨勢(shì)。

圖15 分離效率隨入口流量變化曲線

圖16 分離效率隨溢流分流比變化曲線

2.2.3.2壓力降

圖17、18分別為底流壓力降隨入口流量、溢流分流比變化的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線，可以看出，隨著入口流量的增加，底流壓力降增加；隨著溢流分流比的增加，壓力降也逐漸升高。模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在數(shù)值上有一定差距，但兩者的變化趨勢(shì)基本一致，可以反應(yīng)出各個(gè)參數(shù)值的優(yōu)劣。

圖17 底流壓力降隨入口流量變化曲線

圖18 底流壓力降隨溢流分流比變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了脫水型旋流器兩級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的組成。對(duì)數(shù)值模擬得到的脫水型旋流器的兩級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)入口流量和溢流分流比對(duì)分離效率的影響，最終得到：旋流器串聯(lián)系統(tǒng)的第一級(jí)最佳處理量Qi1為4.0m3/h，最佳溢流分流比F1為50%，此時(shí)溢流脫水率為83.1%，底流脫油率為93.8%，溢流含水率和底流含油率分別為10.2%和2.5%；第二級(jí)旋流器的最佳入口流量Qi2為4.0m3/h，最佳溢流分流比F2為6%，此時(shí)溢流脫水率為87.1%，底流脫油率為91.6%，則溢流含水率和底流含油率分別為12.6%和0.21%。整體上看，兩溢流匯合液的含水率為11.4%，完全滿足電脫水工藝的指標(biāo)要求；第二級(jí)底流排出液的含油體積分?jǐn)?shù)為0.21%(即約為1 890mg/L，該油不含聚合物)，其含油濃度降至污水站處理的指標(biāo)要求。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者雖有一定的偏差，但總體變化趨勢(shì)是一致的，對(duì)造成偏差的原因進(jìn)行了總結(jié)分析。

[1] 矯學(xué)成，王貴林，張勇，等.液體旋流分離器分離效率的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1(5)：139～144．

[2] 金向紅，金有海，王建軍，等.氣液旋流分離技術(shù)的研究[J].新技術(shù)新工藝，2007，(8)：85～88．

[3] Martin Thew.Hydrocyclone Redesign for Liquid-liquid Separation[J].The Chemical Engineering，1986，(7/8)：17～23.

[4] 陳磊，金有海，王振波．液-液型水力旋流器應(yīng)用研究[J].過(guò)濾與分離，2007，17(3)：18～20．