任永良 張國鵬 高 勝 姜民政 張瑞杰 王 妍 何樹威

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，油田采出液中平均含水率已達(dá)80%以上，導(dǎo)致油田污水處理量急劇增加［1，2］。含油污水經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后絕大部分被回注到地層以保證采收率并保持地層壓力，少部分經(jīng)再處理后進(jìn)行外排。不管是對工業(yè)污水還是城市污水的處理，國內(nèi)外都是將沉降工藝作為第一步，經(jīng)過這一道工序的處理，混合液中大部分的固體雜質(zhì)和污油將大幅減少［3～5］。因此，對含油污水的沉降規(guī)律進(jìn)行研究有助于提高分離效率，優(yōu)化沉降裝置結(jié)構(gòu)。

1 污水沉降實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了便于分析研究，設(shè)計(jì)了一套污水沉降實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。該模型依據(jù)油田在用沉降罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括進(jìn)水管、配水結(jié)構(gòu)、集水結(jié)構(gòu)、排水排污結(jié)構(gòu)和集油結(jié)構(gòu)，為立式梅花形拱頂罐，各部分高度如圖2所示，設(shè)備內(nèi)部各部件尺寸如下：

圖1 模擬沉降罐

圖2 模擬沉降罐規(guī)格

罐高 2.21m

罐直徑 0.52m

罐容積 0.47m3

進(jìn)水管管徑 12mm

中心集水筒直徑 120mm

中心集水管管徑 10mm

配水主干管管徑 8mm

配水支管管徑 10mm

集水管管徑 10mm

出油管管徑 10mm

2 多相流模型的選取

油田含油污水是油田采出液經(jīng)油水分離后的介質(zhì)，屬于典型的液-液兩相流問題。該問題的數(shù)值求解主要采用歐拉-歐拉方法與歐拉-拉格朗日方法［6～8］。其中，歐拉-拉格朗日方法適用于研究分散型多相流流體，而歐拉-歐拉方法是將各相均視為連續(xù)介質(zhì)。由于筆者研究的介質(zhì)是油水混合物，在沉降系統(tǒng)中是將各相都看為連續(xù)的介質(zhì)，所以采用歐拉-歐拉方法更為合適［9～12］。歐拉-歐拉方法又分為3種：流體體積模型、混合物模型和歐拉模型。根據(jù)研究問題的性質(zhì)，混合物中油相相對較少，選取油相為分散相，在重力分離和過濾的過程中，油水并沒有完全分離，油相與水相互相有摻雜，并且通常情況下混合物模型比歐拉模型更為穩(wěn)定，因此選取混合物模型來進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算?；旌衔锬Ｐ偷幕究刂品匠倘缦拢?/p>

3 模型簡化

為了分析和研究方便，在不影響工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上做以下簡化：

a.沉降設(shè)備整體結(jié)構(gòu)上完全對稱，速度場和濃度場的分布也呈對稱的形式，那么就可以取其四分之一或八分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，從而減少計(jì)算成本；

b.將罐內(nèi)部的壓強(qiáng)視為常壓，同時(shí)溫度也和室內(nèi)溫度一樣，不考慮溫度變化，即溫度恒定且與實(shí)驗(yàn)室空間的溫度一樣；

c.假設(shè)罐內(nèi)充滿液體，且沒有氣體存在，在整個空間內(nèi)僅有油水兩相進(jìn)行分離；

d.假設(shè)油滴粒徑均勻；

e.考慮水中含油量比較少，那么相對這兩相物質(zhì)的其余雜質(zhì)將更少，可以忽略；

f.假設(shè)各處電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為恒定的轉(zhuǎn)速。

4 初始參數(shù)

根據(jù)實(shí)際采油廠污水成分的組成，實(shí)驗(yàn)?zāi)M可將此作為參照，從而進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和模擬分析。水的性質(zhì)：密度1 000kg/m3；粘度1mPa·s。油的性質(zhì)：密度750kg/m3；粘度3.7mPa·s。原水含油量0.3%，油滴粒徑0.2mm，沉降時(shí)間12h。

湍流強(qiáng)度I的計(jì)算公式如下：

式中 ReDH——按水力直徑計(jì)算得到的雷諾數(shù)；

μ′——湍流脈動速度；

μ——湍流平均速度。

經(jīng)過計(jì)算，湍流強(qiáng)度I=0.06，即6%。

5 兩相流數(shù)值模型

選取RNG k-ε混合物兩相流模型為物理場接口條件，進(jìn)而進(jìn)行模擬分析研究，其表達(dá)式如下：

式中 Cd——分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Dmd——湍流分散相擴(kuò)散，m2/s；

dd——液滴直徑，m；

F——體積力，N/m3；

g——重力加速度，m/s2；

j——混合物的速度場，m/s；

jd——分散相通量，m/s；

jslip——滑移通量，m/s；

K——粘性應(yīng)力，N/m2；

Km——擴(kuò)散應(yīng)力張量；

k——湍流動能，m2/s2；

l——長度，m；

mdc——從分散相到連續(xù)相的質(zhì)量傳遞，kg/（m3·s）；

Pk——湍流動能源項(xiàng)，W/m3；

p——壓力面值，Pa；

Rep——粒子雷諾數(shù)；

T——總應(yīng)力，N/m2；

ud——速度場分散相，m/s；

uslip——滑移速度場，m/s；

ε——湍流耗散率；

μ——動力粘度，Pa·s；

μc——連續(xù)相動力粘度，Pa·s；

μd——分散相動力粘度，Pa·s；

ρ——濃度，kg/m3；

ρc——連續(xù)相（水相）濃度，kg/m3；

ρd——分散相（油相）濃度，kg/m3；

φd——分散相的體積分?jǐn)?shù)；

φmax——最大填充濃度。

其中，湍流模型參數(shù)Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σT=0.35，σk=1，σε=1.3。

6 沉降罐內(nèi)部速度場與濃度場分析

6.1 沉降罐內(nèi)流動狀態(tài)分析

由于沉降罐大體呈現(xiàn)前后和左右對稱的結(jié)構(gòu)，所以選取其四分之一部分作為分析模擬的對象，從而簡化了計(jì)算的成本，簡化模型如圖3a所示。以此模型為基礎(chǔ)，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3b），設(shè)定好相應(yīng)的邊界條件后，得出混合物在沉降罐中由于重力作用所產(chǎn)生的分離效果。

圖3 沉降罐四分之一簡化模型

如圖4a、b所示，不同顏色代表了不同的速度大小，流線代表了內(nèi)部混合物整體的流動情況，流線上的箭頭代表流體的流動方向。為了觀察進(jìn)水管和配水管中的流體流速分布情況，選取可同時(shí)截取進(jìn)水管和配水管的截面，以此平面為基礎(chǔ)，得到一個數(shù)據(jù)集，處理后速度切向流線如圖4b所示，得到了進(jìn)水管和配水管處的流體速度大小和方向的分布情況。從圖4可以看出，流體由進(jìn)水管先進(jìn)入到中心集水管，隨著液柱的升高達(dá)到裝置頂部，從配水管中噴出，由于進(jìn)水管和配水管尺寸相對罐體來講是比較小的，所以內(nèi)部的流體速度相比其余地方大。由罐內(nèi)部的流線圖可以看到，配水管出口附近流體的狀態(tài)非常混亂，周圍出現(xiàn)渦流和回流現(xiàn)象，分析可知，此處渦流的產(chǎn)生主要受兩方面因素的影響：一方面每個配水管主干管的末端都分為3個小的配水支管，雖然增加了配水面積，但每個出口之間會相互影響，從而增加了在配水管出口附近產(chǎn)生渦流的可能性；另一方面，也是產(chǎn)生回流的主要原因，是由于混合物中含有一部分油，這部分油在流體整體向下流動時(shí)，因密度較小，會向罐的頂部上升，也就是向相反的方向運(yùn)動，從而在距離配水管出口不遠(yuǎn)處產(chǎn)生回流現(xiàn)象。

圖4 混合物速度場分布

根據(jù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析結(jié)果來選取合適的、能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)最佳效果的觀測點(diǎn)。在前后對稱面內(nèi)選取3條豎直的空間三維直線，由罐頂部一直到罐底部，這3條直線從靠近中心集水筒到罐壁依次分布。其中第1條靠近中心集水筒，第2條在配水管出口中部，第3條靠近罐壁。這3條采集線的分布如圖5所示。

圖5 3條采集線的分布

由圖6沉降罐內(nèi)部速度曲線可知，在忽略突變的情況下，圖中4條線分布規(guī)律整體相似，由于紅色實(shí)線和藍(lán)色虛線對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集線都穿過進(jìn)水管和配水主干管，所以可以清楚地看到，這兩條線明顯區(qū)別于其他兩條線，而圖中這兩條線出現(xiàn)兩個較為突出的峰值，由高度可知，第1個波峰出現(xiàn)在200mm處，即進(jìn)水管的水平位置，另一個波峰出現(xiàn)在2 000mm的位置，配水主干管正好位于此水平高度，所以此兩處峰值分別對應(yīng)進(jìn)水管內(nèi)和配水主干管內(nèi)的流體速度。第3條綠色的點(diǎn)劃線對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集線沒有穿過進(jìn)水管和配水主干管，僅在罐的內(nèi)部從上至下，速度沒有出現(xiàn)較大的峰值波動；黃色的實(shí)線代表實(shí)際沉降罐在相同條件下內(nèi)部的速度隨高度變化的曲線。

圖6 沉降罐內(nèi)部速度曲線

6.2 沉降罐內(nèi)部濃度場分析

沉降罐的主要作用是對污水中的油、水和懸浮顆粒進(jìn)行分離，由于各相物質(zhì)的密度不盡相同，在重力作用下經(jīng)過長時(shí)間的靜置會產(chǎn)生分層，密度小的在上，密度大的在下，為了準(zhǔn)確描述其分層過程和濃度的分布情況，需要對沉降罐進(jìn)行濃度場分析。同樣，取實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃姆种贿M(jìn)行模擬分析研究。

圖7所示為應(yīng)用COMSOL軟件得到的沉降罐內(nèi)部包含集水管和配水管截面的濃度分布。由圖7可以清楚地看到，位于罐的上方油的濃度較大，隨著高度的降低，油的濃度逐漸減小，水的濃度增大。由于內(nèi)部流體產(chǎn)生回流漩渦，導(dǎo)致沉降罐內(nèi)集水管附近和配水管附近濃度變化相對復(fù)雜，但從整體結(jié)果來看，經(jīng)過結(jié)構(gòu)和模擬條件簡化后的沉降罐模擬仿真結(jié)果和實(shí)際的污水沉降設(shè)備內(nèi)部的混合物沉降規(guī)律相同。

圖7 沉降罐內(nèi)部濃度分布

采用分析速度場時(shí)相同的空間直線，分析濃度隨高度的變化。油相濃度隨高度的變化曲線如圖8所示。

圖8 油相濃度隨高度變化的曲線

圖8中紅色實(shí)線和藍(lán)色虛線對應(yīng)的油相濃度隨高度變化時(shí)有兩個突變的峰值，第3條綠色點(diǎn)劃線顯示濃度沒有大的突變，最后一條黃色的實(shí)線是實(shí)際沉降罐中油相濃度隨高度的變化曲線，前兩條曲線出現(xiàn)峰值的原因是局部油相堆積造成的，從總體來看，罐頂部的油相濃度最大，體積分?jǐn)?shù)能達(dá)到0.006；配水管以下，集水管以上區(qū)域，濃度較均勻，此區(qū)域的油相體積分?jǐn)?shù)為0.003；集水管以下到罐底部，此區(qū)域的油相濃度最低，體積分?jǐn)?shù)為0.002；圖中出現(xiàn)峰值的地方相比整個罐體來講可以忽略不計(jì)，經(jīng)過與實(shí)際值的比較，罐內(nèi)部的油相體積分?jǐn)?shù)整體上來看是隨高度的增加而變大的，與實(shí)際污水處理的效果相吻合。

從油液去除率柱狀圖（圖9）可以看出，經(jīng)過長時(shí)間的沉降后，混合物中的油與水進(jìn)行了初步的分離，最終達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，完成了油水分離過程。通過仿真計(jì)算，在初始油相體積分?jǐn)?shù)為0.006的條件下，除油率達(dá)到了66.70%，達(dá)到了實(shí)際工況中的除油率，仿真誤差在±6%以內(nèi)。

圖9 油液去除率柱狀圖

觀察油相濃度隨高度變化的曲線，結(jié)合圖7中的油相濃度分布，可以看出有少部分區(qū)域顏色較深，這些小的區(qū)域與沉降罐的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，在配水管的中間位置會有少部分高亮區(qū)域，由于此處有個分流室，相比配水支管來說，此處的橫截面積較大，那么在混合物進(jìn)行分離的時(shí)候，會有少部分密度較輕的油在這個下表面聚集，從而造成密度增加；在集水管段也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因與配水管處的相同，但總體來講不影響沉降罐內(nèi)部的濃度場分布規(guī)律。

7 結(jié)束語

沉降除油是油田處理含油污水的重要環(huán)節(jié)，由于實(shí)際工況比較復(fù)雜，難以進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，為了方便研究分析，基于實(shí)際的沉降設(shè)備設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)沉降模型?；诖四Ｐ停梅抡媾c實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對模型內(nèi)油水兩相混合物的分布規(guī)律進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)。通過數(shù)值分析方法，建立了數(shù)學(xué)與物理模型，利用有限元分析軟件（COMSOL）對油水兩相物質(zhì)在罐內(nèi)的流動情況進(jìn)行了分析，由分析結(jié)果可以看出，沉降罐內(nèi)油水兩相混合物起初從配水管出來時(shí)是比較混亂的，經(jīng)過一定時(shí)間后，混合物在罐體中部位置流速較為穩(wěn)定，這一高度空間是油水分離的主要區(qū)域，最終罐頂部聚結(jié)了較多的油相，形成了一定厚度的油層，整個罐內(nèi)的油相濃度隨著高度的減小而減??；而在罐內(nèi)某些局部位置處由于橫截面積相比其他地方較大，也出現(xiàn)了油相濃度較高的情況。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差不大，符合實(shí)際沉降結(jié)果，因而可以將此分析結(jié)果作為實(shí)際生產(chǎn)的參考依據(jù)。