斜管中油滴流场数值模拟分析.pdf

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1、石油和化工设备-14-论文广场2016年第19卷斜管中油滴流场数值模拟分析于同川，范学君（海洋石油工程股份有限公司特种设备公司，天津300452）[摘要]以水中除油设备斜管组中单根斜管为研究对象，选取倾角为30°、45°、60°三个角度的斜管，采用数值模拟软件对60μm油滴在斜管中的上浮过程进行模拟分析，得到了时间点为88s及116s时的油滴分布图，分析得出斜管倾角与油滴分离及操作弹性的关系。模拟结果表明，倾角为30°和45°时均可以达到60μm的油滴基本从水中分离去除，在实际工程中倾角45°的斜管组应用弹性更大，应用更广泛。[关键词]斜管；倾角；油滴分离；数值模拟海洋石

2、油平台产生的含油污水主要是开采析，重点研究在一根斜管中直径为60μm油滴的流原油时地层中采出的地层水，亦称生产水或产出动情况，选取三种不同斜管角度进行研究，讨论水。含油生产水的处理有两条出路：一是处理达各种情况的优异，提出优化设计方案。到排放标准后，排海废弃；二是注入需要注水开1斜管除油原理发的油藏，将生产水处理达到注入水质量后，注生产水进入设备经过布液装置稳定后流经斜入到地层。含油污水进入生产水处理系统进行除管组，在油滴与水的分离过程中，油滴由于浮力油及悬浮物，目前生产水的主要处理方法有自由上升，小油滴在上升过程中会不断聚集并形成大沉降、气浮、水利旋流等几种。油滴，并在

3、斜管顶部形成流束薄膜，从而实现油斜管组内件生产水除油设备利用浅池原理和水分离，如图1所示。粗粒化原理，通过增加亲油疏水材料的表面积，斜管组中斜管一般为正六边形断面，含油生使分散的细小油滴聚集上浮，从而达到从生产水产水从下部进入斜管组，进行油水分离。油滴分中分离油和水的目的。斜管组内件生产水除油设离时间取决于油滴的上浮速度，在层流条件下，备可以作为污水处理系统的前端设备，处理效果可以应用斯托克斯公式来计算，其表达式为：对于整个水处理流程有着举足轻重的作用。近年来CFD数值模拟计算方法应用发展迅速，重力流场的模拟已在油水处理领域中发挥了式中，us为油滴上浮速度，m/s；dp为

4、油滴粒2重要作用。本文通过FLUENT软件进行数值模拟分径，m；g为重力加速度，m/s；ρ水与ρ油分别为3水与油的密度，kg/m；μ为分离条件下水的动力黏度，Pa•s。在计算过程中进行如下假设：①流体处于层流状态（可进行水力计算校核）；②油滴为球形，在分离过程中不破碎也不与其他油滴合并；③油滴与油滴、油滴与器壁之间及其他构件之间没有作用力；④油滴在分离过程中沉降速度是稳定不变的。基于上述假设，计算油滴上浮所需时间t0：作者简介：于同川（1983—），男，辽宁庄河人，硕士，工程图1油滴在斜管中流动示意图师。主要从事海洋工程成套设备的总体工艺和机械设计工作。第4期于同川等斜管

5、中油滴流场数值模拟分析-15-式中，h为斜管等效管径，m；θ为斜管倾为0.8m，这是由于60º斜管中流体的流速最大；30º角。斜管中油滴分布靠近管上部较多，60º斜管中则最再根据斜管区流体流速计算水力停留时间t：少，原因是油滴上浮高度为h/cosθ，角度越小，上浮高度越低，上浮需要的时间就越少；三种角度的斜管中油滴分布状态均是沿管线方向凸型分布，管线中心油滴流动较快，靠近管壁油滴流动式中，L为斜管组长，m；V为斜管区流体流较慢，流体的黏度与管壁的摩擦导致此现象的产速，m/s。生。当t0≤t时，认为油滴可以从水中分离出来，因此设计中可以根据计算来选择合适的斜管组填料尺寸，达

6、到油滴分离的效果。2模型及边界条件2.1几何模型以某项目斜管除油为例，分别选取斜管组总长相同，高度均为1m，倾角为30º、45º、60º三个角度的斜管，等效管径取60mm。流体总流量相同，由于斜管组角度不同，三种斜管组的斜管数量不同，流经每根斜管的流体流速也不同，经计算三种斜管中流体流速分别为0.0114m/s（30º）、0.0081m/s（45º）、0.0066m/s（60º）。选取流体-73中油含量为10kg/s，油滴密度800kg/m，油滴粒径60μm。图230°、45°、60°斜管几何模型2.2数学模型及边界条件选用分散相模型进行数学建模，采用ViscousLam

7、inar模型求解流动问题。入口边界条件选用速度进口，出口设定为压力出口边界。管壁采用无滑移边界条件，认为油滴碰到壁面即发生聚并，因此分散相管壁边界条件采用escape，计算收敛标-3准为残差小于10。3模拟结果及分析三组模型中，流体均由斜管底部进入，时间从0s开始，油滴均匀分布。88s时30º、45º、60º油滴在斜管内流动分布如图3所示。可以看出88s时30º与45º斜管中油滴上升高度均约为0.69m，60º斜管中油滴上升高度均约图388s时30°、45°、60°油滴在斜管内流动分布石油和化工设备-16-论文广场2016年第