一种旋流除砂装置的数值模拟研究.pdf

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1、３３４化工机械２０１７年一种旋流除砂装置的数值模拟研究王月文赵立新徐保蕊蒋明虎王圆（东北石油大学机械科学与工程学院）摘要介绍了油田采出液成分，阐明了采出液除砂的必要性，结合旋流分离技术与重力沉降技术，设计了一种底流封闭的单出口旋流除砂结构。利用计算流体动力学软件Ｆｌｕｅｎｔ，计算旋流除砂器的内部流场，得到了相应的压力损失分布云图和砂相分布云图，通过对旋流除砂装置内部的旋流分离和重力沉降的模拟分析，为旋流器和储砂箱的结构优选提供了设计依据。关键词旋流分离重力沉降除砂数值模拟中图分类号ＴＱ０５１８文献标识码Ａ文章编号０２５４６０９４（２０１７）０３

2、０３３４０６原油开采过程中，采出的原油、油田含油污１工作原理水、冶金和机械加工制造业含油废水成分复笔者设计的旋流除砂结构由两部分组成，上［１］杂，且各不相同，但一般含有原油、悬浮固体颗半部分为常规固液水力旋流器，下半部分为一个粒（砂、粘土等）、盐类及气体（甲烷、氧及二氧化储砂箱。固液水力旋流器由柱段和锥段两部分组［２～４］碳等）等。原油开采时，相当大一部分砂砾随成，混合液经入口管沿切向进入柱段，向下做螺旋着采出液带出地面，给整个集输系统带来一系列运动，密度相对较大的固相颗粒在离心力的作用的问题，主要表现在：砂砾在管道和设备中沉积，下具有向旋流器壁旋

3、转的趋势，密度较小的油、水降低其处理能力，甚至堵塞管道和工艺设备；采出和气的混合液向中心移动，固相颗粒由于受到较液携砂引起输油泵磨损，加剧管道、阀门及容器的大的离心力作用，向旋流器壁面运动并随外旋流［５］腐蚀等。因此，开展原油的除砂工艺技术研究从旋流器底部排出形成底流，密度最小的气相则［６～８］对生产现场具有重要意义。向中心移动，大部分的油水气混合液从溢流口排旋流分离技术是指在离心力的作用下对密度出，而余下的大部分固相和一部分液相会进入储［９］不同的介质进行分离。水力旋流器因具有结砂箱内进行重力沉降，沉降后的固相由排砂口定构简单、分离效率高、经济适用

4、及易于维护等多方期排放，较轻的液相和少量的气体则从排液口排［１０］面的优点，在石油工业中应用极为广泛，几乎出，进入下一级工序。涉及所有分离领域，特别是在固液分离过程中显２数值模拟［１１～１３］得尤为重要。重力沉降是利用固液两相的２．１结构尺寸及网格划分［１４］密度差在重力场中进行固液分离的过程。重图１为旋流除砂装置的结构示意图。旋流器力沉降由于操作管理方便、对处理液要求不高等主直径８０ｍｍ，旋流腔长１００ｍｍ，锥段长７００ｍｍ，［１５］原因，是目前应用最广泛的分离方法之一。沉切向入口为４ｍｍ×１２ｍｍ的矩形截面，溢流管直降技术应用的范围较广，这是因为

5、它用较少的金径２０ｍｍ，砂相主直径１２０ｍｍ，高度为６００ｍｍ，排属构件，就能处理高水流速率，而且溢流能达到较液口为１０ｍｍ×１５ｍｍ的矩形截面，排砂口为［１６～１９］高的澄清度。１６ｍｍ圆管。排砂口和排液口定期开闭，故在数基金项目：国家“８６３”计划课题（２０１２ＡＡ０６１３０３）。作者简介：王月文（１９９１），硕士研究生，从事旋流分离技术研究。联系人：赵立新（１９７２），教授，从事旋流分离技术、流体机械和工程技术研究，ｌｘ＿ｚｈａｏ＠１２６．ｃｏｍ。第４４卷第３期化工机械３３５值模拟过程中是封闭的。在Ｆｌｕｅｎｔ模拟计算中初始边界条件设置如

6、下：ａ．旋流器采用速度入口，入口速度为１０ｍ／ｓ３（处理量为４ｍ／ｈ）；ｂ．入口气相体积分数为３０％，油相体积分数６％，砂相体积分数５％；ｃ．此装置为双入口单出口形式，溢流出口为自由出口；ｄ．侧壁面取无滑移条件，采用壁面函数方法处理近壁网格节点处的未知量。２．３湍流模型的选取及相关设置旋流除砂器的主要分离原理包括旋流分离和沉降分离，但主分离部分仍是旋流分离。在旋流分离段为强旋湍流流动，因此针对除砂器整体需建立湍流的数值计算模型。对于湍流流动，需采用平均的方法对湍流控制方程进行处理，目前常［２２～２４］用的湍流处理方法为Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均法。笔者采用

7、ＲＳＭ模型对雷诺应力进行处理，该模型充分考虑了流体旋转和流线弯曲所带来的应力张量图１旋流除砂装置的结构示意图的急剧变化，非常适合模拟类似旋流除砂器之类［２５，２６］网格质量对计算结果的稳定性和精确性具有带有高速旋转流动的复杂流场。相关设置［２０，２１］绝对的影响。按高质量网格的要求，对旋流如下：除砂器进行了网格划分，得到如图２所示的网格壁面边界条件无滑移示意图，共分３９８５３２个节点，３９６１６８个网格。压力速度耦合算法ＳＩＭＰＬＥ压力插值方法ＰＲＥＳＴＯ！离散化方法ｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒｕｐｗｉｎｄ３模拟结果分析３．１流场压力损失对比分析压力降是衡量

8、分离设备能量消耗大小的重要［２７］指标，如图３所示，在溢流口打开的条件下，依次为只开排砂口、开排砂口和侧向排