鉆井碟式分離機(jī)油-水-固三相分離模擬與實(shí)驗(yàn)

張羽臣, 王昆劍, 劉 陽, 石大磊, 張 毅

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 100027,E-mail:dream5568@126.com;2.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300451;3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500,)

鉆井用油基泥漿經(jīng)過振動(dòng)篩和臥螺離心機(jī)離心處理后,液相含油量達(dá)10%左右。此時(shí)物料固相1-3%,含油10-20%,為了滿足海洋環(huán)保的要求,還需要對(duì)油-水-固三相做進(jìn)一步分離處理[1]。碟式分離機(jī)作為一種高效的分離機(jī)械廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[2],國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其流場進(jìn)行了大量研究。袁惠新等[3]推導(dǎo)出了離心機(jī)轉(zhuǎn)速、處理量和碟片數(shù)量等參數(shù)與分離效率之間的關(guān)系式,并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了定性驗(yàn)證;張澤幫等[4]借助液面徑向平衡方程推導(dǎo)出了兩相流體分界面半徑的表達(dá)公式,重點(diǎn)研究了兩相之間密度比及出口半徑與分界面的關(guān)系;孫步功等[5]研究設(shè)計(jì)了專用于黃河水泥沙的碟式分離機(jī),研究各個(gè)參數(shù)對(duì)分離效果的影響;Zhiguo Zhao[6]對(duì)碟式分離機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬,對(duì)進(jìn)出口位置和碟片進(jìn)行了優(yōu)化。

因此,雖然學(xué)者在離心機(jī)內(nèi)流場領(lǐng)域取得了一些成果,但各自的研究都是針對(duì)某一型混合溶液或者具體某一設(shè)備,基本都是針對(duì)固-液或者液-液兩相進(jìn)行處理,很少有針對(duì)液-液-固三相的分離效果進(jìn)行研究。

根據(jù)現(xiàn)場的泥漿處理使用需求選擇了RPDB309SJ-03D型碟式分離機(jī),應(yīng)用效果表明,該分離機(jī)的轉(zhuǎn)速和入口處理量對(duì)分離效果影響較大,為了進(jìn)一步優(yōu)化碟式分離機(jī)的結(jié)構(gòu),本文利用Fluent軟件對(duì)碟式分離機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,以探究碟式分離機(jī)內(nèi)流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分離效率。

1 碟式分離機(jī)工作原理

碟式分離機(jī)是利用轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力場,從而達(dá)到固-液、液-液以及液-液-固分離的機(jī)械。其分離因數(shù)通常大于3 500,轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速一般為3 000 r/min～14 000 r/min[7]。如果碟式分離機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作參數(shù)比較合適,則該分離機(jī)可以連續(xù)工作,分離效率也比較高,因此研究離心機(jī)的分離模型與不同類型流體下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)于優(yōu)化碟式分離機(jī)得結(jié)構(gòu)和分離效率有重要的意義。

▲圖1 碟式分離機(jī)模型

碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)轂部分由轉(zhuǎn)轂殼、碟片組、排渣裝置等組件構(gòu)成。如圖1所示,物料由進(jìn)料口進(jìn)入轉(zhuǎn)轂區(qū)域,從底層碟片逐層向上分離,在碟片組區(qū)域完成分離[8]。其中,重液相及固相由于密度較大導(dǎo)致離心力較大,從而聚集在轉(zhuǎn)轂壁面區(qū)域,經(jīng)由排渣裝置排出。重液經(jīng)頂端碟片從重相出口排出。輕液由于密度較小,聚集在轉(zhuǎn)軸附近,從輕相出口排出。

2 內(nèi)部流場數(shù)值計(jì)算

在碟式分離機(jī)內(nèi),由于不考慮熱效應(yīng),可將多相混合液視為等溫、不可壓縮流體,故只需質(zhì)量守恒方程以及動(dòng)量守恒方程[9]。

(1)

式中:ρ是流體密度;t為時(shí)間;u、v、w分別為速度矢量在x、y、z方向分量。

在本次數(shù)值模擬的條件下,流體介質(zhì)密度可視為常數(shù),式(1)可簡化為:

(2)

(3)

2.1 分離效果因數(shù)Fr

分離因數(shù)Fr是指物料在分離機(jī)內(nèi)所受的離心力與其重力的比值,也可認(rèn)為是離心加速度與重力加速度的比值。故碟式分離機(jī)的分離性能可以用分離因數(shù)Fr來表征。

(4)

式中:w為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速,g為重力加速度。分離因數(shù)Fr可用于衡量分離機(jī)的分離性能。一般而言,Fr越大,分離性能就越好。但w、r取決于結(jié)構(gòu)特性,過高的角速度會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)轂半徑減小,因此單靠增大分離因數(shù)Fr來提高分離效率并不合適,應(yīng)綜合考慮輕相出口處的流出量及含固率來評(píng)價(jià)分離效率。

2.2 流域及網(wǎng)格劃分

▲圖2 流體域網(wǎng)格模型

利用Fluent軟件對(duì)分離機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,以探究分離機(jī)內(nèi)流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律及分離效率。分離機(jī)計(jì)算流域如圖2所示。

考慮到分離機(jī)內(nèi)流場模型比較復(fù)雜,故采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)565 371。多相流模型選擇混合模型,此模型可用于模擬具有不同流速的多相混合問題,通過求解混合相的控制方程來獲得數(shù)值解。選擇Realizable k-ε模型作為湍流計(jì)算模型。采用速度入口與自由流出口組合,輕、重相出口比例為7∶3,由于探究的是分離機(jī)的分離效率,故進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算即可。

2.3 初始模型分析結(jié)果

初始數(shù)值模擬[10]工況條件為水、油及細(xì)小固相比例為15∶4∶1,其中油相密度為6 00 kg/m3,細(xì)小固相密度為265 0 kg/m3。轉(zhuǎn)速為7 000 r/min,入口速度為8 m/s。

x=0截面處壓力分布云圖如圖3所示。轉(zhuǎn)轂中心與轉(zhuǎn)轂壁面之間壓力差約為3.6 MPa,轉(zhuǎn)轂中心壓力最小,向外逐漸增大。輕、重相出口之間壓力差約為3.9 MPa,輕相出口處壓力最低。根據(jù)離心壓力的公式:

(5)

可知,壓力隨著角速度及半徑的增大而提高,壓力分布與理論趨勢相一致。

▲圖3 中間截面處壓力分布云圖

碟式分離機(jī)內(nèi)流場各相分布情況如圖4所示,可以看出重液水相基本聚集在碟式分離機(jī)碟片外圍,經(jīng)由出水口排出。輕液油相分布在碟片中心區(qū)域,經(jīng)由出油口排出。固相則沉積在轉(zhuǎn)轂壁面。這是因?yàn)樵陔x心力場的作用下,各相流體由于密度的差異,密度較大的流體分布在外側(cè),密度較小的流體在旋轉(zhuǎn)中心處聚集。

▲圖4 泥漿三相分布情況

3 碟式分離機(jī)參數(shù)影響分析

多相混合液的各相比例、各相之間的密度差、油液粒徑以及碟式分離機(jī)的入口速度、轉(zhuǎn)速、輕重相出口流量比等參數(shù)都會(huì)影響分離機(jī)的分離效率[11-12]。為了探究這些因素對(duì)分離效率的具體影響效果,在不改變其他因素的前提下,單獨(dú)改變某一因素的大小,分析對(duì)分離效果的影響。

3.1 入口速度

分別取入口速度為2 m/s、5 m/s,8 m/s,11 m/s,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。入口速度對(duì)分離效率的影響如圖所示。

▲圖5 入口速度對(duì)分離效率的影響

可以看出,入口速度在2 m/s～5 m/s時(shí),出油口的含油率基本不變。入口速度繼續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致含油率顯著下降;入口速度達(dá)到11 m/s時(shí),其油相出口處的含油率只有42%,因此油水分離的效果很差。此外,隨著入口速度的增加,分離機(jī)的處理量相應(yīng)增大,因此,碟式分離機(jī)的分離效率在某一處理量范圍內(nèi)比較高,超出這一范圍則會(huì)迅速降低。

3.2 油液粒徑

分別設(shè)置油液粒徑為0.04 mm、0.06 mm、0.08 mm、0.1 mm,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。如圖6所示,油相粒徑為0.04 mm時(shí),油相出口含油率較低,僅為32.93%。隨著油液粒徑增大,碟式分離機(jī)的分離效果提髙,當(dāng)油液粒徑達(dá)到0.1 mm時(shí),分離效率達(dá)到63.05%。同時(shí)水出口的含水率也隨著油液粒徑的增大而增加,表明該碟式分離機(jī)在處理較大的油液粒徑的物料時(shí)效果更好。

3.3 轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速

保持其他參數(shù)不變,改變轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。

▲圖6 油相粒徑對(duì)分離效率的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響如圖7所示。4 000 r/min時(shí)油相出口的含油率只有33.80%,碟式分離機(jī)分離效率很差。轉(zhuǎn)速由4 000 r/min提升到7 000 r/min過程中,出油口的含油率迅速提高,在7 000 r/min時(shí)含油率達(dá)到53.27%,由此看出分離機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)分離效率更好。然而值得注意的是,轉(zhuǎn)速的增加還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)鼓壁造成更多的應(yīng)力,工作中的轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速應(yīng)合理取值。

▲圖7 轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率的影響

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

▲圖8 碟式分離機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

本實(shí)驗(yàn)通過預(yù)先配置的油水混合液進(jìn)行試驗(yàn),將油水混合物送入碟式分離機(jī),在碟片的高速旋轉(zhuǎn)下實(shí)現(xiàn)油水分離,使用壓力表和流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)進(jìn)出口液體壓力及流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,如圖8所示。試驗(yàn)過程中,碟式分離機(jī)初始轉(zhuǎn)速為4 000 r/min,入口油水混合物中油相相體積分?jǐn)?shù)為25%。

待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后,同時(shí)在碟式分離機(jī)的出水口和出油口進(jìn)行采樣,出水口和出油口分離液如圖9所示。

本實(shí)驗(yàn)中碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析的對(duì)比結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?轉(zhuǎn)速的增加對(duì)碟式分離機(jī)分離效率的提高有明顯的促進(jìn)作用,但是轉(zhuǎn)速提高到一定程度后對(duì)分離效率的提高并不明顯。

▲圖9 出水口和出油口分離液

▲圖10 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

5 結(jié)論

(1) 對(duì)于油-水-固三相物料,重液水相聚集在碟式分油機(jī)碟片組的周圍,由出水口排出,油相分布在碟片中心區(qū)域,經(jīng)由出油口排出,固相沉渣則沉積在轉(zhuǎn)轂壁面;

(2) 隨著入口速度的增加,分離機(jī)的處理量相應(yīng)增大,分離效率在其合適的處理量范圍內(nèi)較高,超出這一范圍則會(huì)迅速降低。

(3) 隨著油液粒徑增大,碟式分離機(jī)的分離效果提髙,同時(shí)水出口的含水率也隨著油液粒徑的增大而增加;

(4) 碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)速由4 000 r/min提升到7 000 r/min過程中,分離效率迅速提高,分離機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)分離效率更好,考慮到轉(zhuǎn)速的增加對(duì)轉(zhuǎn)鼓壁應(yīng)力的影響,因此轉(zhuǎn)轂的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)合理取值。