油水分离用复合式水力旋流器的数值模拟分析

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1、第1章绪论1．1课题研究背景为了满足人类日益增长的能源需求，石油资源不断得到开发，我国的大多数油田现在都已经进入了中、高含水期的开采阶段，尤其是我国东部的大部分主力油田含水率普遍在80％以上，有的甚至高至90％⋯。含水量的上升导致原油开采成本不断提高，因此油田开采领域正面临越来越严峻的挑战。一是污水处理成本增加，当老油田进入特高含水后期时，开发效益较差，为降低地面处理费用，保证油田的整体效益，必然需要简化污水处理工艺；二是注水水质的标准提高，导致油田注水中深度处理水的使用比重提高；三是随着人们日益重视保护环境，要求合理调配

2、水量，保证污水的采注平衡，防止污水外排。目前大约70％的油田采出水被用作油田注入水，并且这个比例还在增大。很多传统水处理设备是基于重力沉降原理，已经无法满足新的生产要求，现在急切需要既能高效处理大量采出液，又可以节能降耗、降低地面工程改造投入的新技术新方法，这样就应运而生了以旋流分离原理为特点的液液旋流分离技术。水力旋流器的应用已经有一百多年的历史，只是起初它一直被用于固液分离。直N-十世纪六十年代末，英国Southampton大学的学者MartinThew[2J等人开始研究其对油水混合物的分离效果，最后通过大约十年的努力

3、，终于将分离效率从20％提高至80％左右，并且设计出了样机。1980年他们的研究成果在BHRA组织的国际旋流器学术会议中首次公布，使得人们逐渐关注液液水力旋流器的研究。目前，在很多国家的油田中，水力旋流器已经被大量用于生产用水和原油脱水，特别是在空间狭小的海洋平台上，水力旋流器的应用更为广泛。为了互相交流水力旋流器的最新进展，国际上围绕水力旋流器为主题，先后在剑桥(1980年和1996年)、巴斯(1984年)、牛津(1987年)、南安普顿(1992年)、约克(2000年)以及韩国(2005年)召开了多次大型会议【3j。学者

4、们就水力旋流器的机理研究和工业应用进行了广泛探讨，这些会议对水力旋流器的发展起到了极大促进作用。我国对液液水力旋流器的研究工作开展较晚，但近年来已越来越得到国内学者的重视。江汉石油机械研究所、四川大学、西南石油大学、东北石油大学第1章绪论以及中国石油大学等科研机构对水力旋流器的分离机理和工程应用进行了大量研究，取得了很多的成果，但是同国外先进国家相比，还存在着较大差距。1．2水力旋流器的分类及结构水力旋流器可以分离非均相的液体混合物，它能利用两相或者多相间介质密度的不同，在离心力的驱动下实现两相或者多相的分离。因为离心力场

5、比重力场大很多，所以水力旋流器的分离效率比基于重力分离原理的装置大得多【4]。水力旋流器有多种结构形式，按照结构特点分类，水力旋流器可简单分成静态、动态和复合式水力旋流器三种结构形式。1．2．1静态水力旋流器静态水力旋流器没有运动部件，它包括单锥型和双锥型两类结构形式。其中，单锥型旋流器主要由入口、溢流口、圆柱段、锥段、平尾段和底流口构成，它的典型结构尺寸由Amoco采油公司的Yang等人【5】提出，如图1．1所示；双锥型旋流器比单锥型旋流器多一个锥段结构，主要由入口、溢流口、圆柱段、大锥段、小锥段、平尾段和底流ISl构成

6、，其典型结构尺寸由英国Southampton大学的Thew等人【6J提出，如图1．2所示。惹流麓穗图1．1单锥型旋流器示意图图1．2双锥型旋流器示意图2底流口魏藏潦口貔第1章绪论静态水力旋流器的工作原理如图1．3所示，当油水混合液沿着切向进口流入旋流器时，在壁面的限制下，切向直线运动会转变为高速旋转的涡旋运动；接着当它们从圆柱段旋流腔流进锥段结构后，由于受到逐渐收缩的锥段作用，涡旋流强度得到加强；因为液体的高速转动会产生强大的离心力，所以密度较大的水相将被甩向壁面，通过底流口流出，而密度较小的油相会逐渐迁移到轴心，最后从溢

7、流口排出，从而实现了油水两相的分离【，J。域鄢mI¨l璇燃技；曦黼趣ll图1．3静态水力旋流器工作原理示意图1．2．2动态水力旋流器同静态水力旋流器相比，动态水力旋流器的最大区别是含有运动部件。它带有一个旋转的外壳，一段很长的圆柱转筒是其主要分离部位。它在结构上主要由入液口、旋流腔、出水口及出油口等构成，油水混合液采用轴向进口布局，其结构如图1．4所示。入液口_∈—一图1．4动态水力旋流器结构图动态水力旋流器的工作原理是：油水混合液从入液口沿轴向方向低速流入3第1章绪论旋流腔，在转动的外壳驱动下，转为做高速旋转运动，产生与

8、静态水力旋流器类似的涡速度场分布，从而在离心力的作用下实现油水分离【81。1．2．3复合式水力旋流器复合式水力旋流器是一种新兴的旋流器结构形式，它有机结合了静态和动态水力旋流器的特点，其结构由两部分组成：一是静态水力旋流器单体部分，主要包括圆柱段旋流腔、大锥段、小锥段和底流尾管段；二是动力部分，主要包括