基于CFD⁃PBM模拟水力旋流器油水分离特性研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2021.04.010

石油化工高等学校学报 ›› 2021, Vol. 34 ›› Issue (4): 58-65.DOI: 10.3969/j.issn.1006-396X.2021.04.010

基于CFD⁃PBM模拟水力旋流器油水分离特性研究

贾朋¹(), 陈家庆¹(), 蔡小垒¹, 孔令真¹, 王春升², 尚超², 张明², 石熠¹

^1.北京石油化工学院机械工程学院/深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617
^2.中海油研究总院工程研究设计院，北京 100028

收稿日期:2019-12-01 修回日期:2020-07-07 出版日期:2021-08-25 发布日期:2021-09-18
通讯作者: 陈家庆
作者简介:贾朋（1994⁃），男，硕士研究生，从事环保多相流高效分离技术与设备方面研究；E⁃mail：bhjiapeng@163.com。
基金资助:
“十三五”国家科技重大专项子课题(2017ZX05032005?002);北京市高水平创新团队建设计划项目(HT20170507)

Study on Oil⁃Water Separation Characteristics of Hydrocyclone Based on CFD⁃PBM Numerical Simulation

Peng Jia¹(), Jiaqing Chen¹(), Xiaolei Cai¹, Lingzhen Kong¹, Chunsheng Wang², Chao Shang², Ming Zhang², Yi Shi¹

^1.School of Mechanical Engineering/ Beijing Key Laboratory of Pipeline Critical Technology and Equipment for Deepwater Oil & Gas Development，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China
^2.Engineering Research & Design Center，CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China

Received:2019-12-01 Revised:2020-07-07 Published:2021-08-25 Online:2021-09-18
Contact: Jiaqing Chen

摘要/Abstract

摘要：

分析讨论了常规欧拉模型和耦合PBM下水力旋流器的静压力、切向速度及湍流耗散率等流场信息分布规律，结果表明在流场预测方面二者基本一致。在此基础上，采用基于PBM模型的CFD数值模拟方法，对水力旋流器的分离特性进行研究，并探究了不同入口流量、溢流分流比、油相黏度及密度等因素对油滴粒径分布以及油水分离特性的影响。结果表明，随着入口流量的增加，水力旋流器的分离效率呈先增大后减小的趋势，在处理量为4 m³/h时达到98%的最高分离效率；溢流分流比的增大有利于提升分离效率；随着油相黏度的增大，油滴受到的径向力减小，不易发生聚结，使分离效率明显降低；油相密度的增大导致尾管段平均油滴粒径的增加，使分离效率明显降低。总体而言，利用CFD?PBM数值模拟方法可以获得水力旋流器内部油滴粒径分布及变化特性，有利于从不同尺度揭示水力旋流器的分离机理。

关键词: 水力旋流器, 数值模拟, 群落平衡模型, 粒径分布, 分离效率

Abstract:

The flow field datributions of the hydrocyclone such as static pressure, tangential velocity and turbulent dissipation rate by loading PBM model and the conventional model, respectively. The results show that the two methods are approximately the same in the prediction of flow field characterics. Therefore, the CFD numerical simulation method based on the PBM model was used to simulate the separation characteristics of the hydrocyclone numerically. And the effects of the factors such as inlet flow rate, overflow split ratio, oil phase viscosity and density on the oil droplet size distribution and oil?water separation characteristics are explored. The results indicate that the separation efficiency of hydrocyclone increases firstly and then decreases with the rising of the inlet flow rate, and reaches a maximum efficiency of 98% as the processing capacity is 4 m³/h; the increase of the overflow split ratio is beneficial to improve separation efficiency; the radial force on the oil droplets decreases with the increasing of the viscosity of the oil phase, preventing aggregation and significantly reducing the separation efficiency as well; the higher density of the oil phase leads to larger the average oil droplet diameter of the tail pipe section and a reduced separation efficiency. Above all, the CFD?PBM numerical simulation method can be used to investigate the particle size distribution and variation characteristics of oil droplets in hydrocyclone, in order to reveal the separation mechanism of the hydrocyclone from different scales.

Key words: Hydrocyclone, Numerical simulation, Population balance model, Size distribution, Separation efficiency

中图分类号:

TE964

贾朋, 陈家庆, 蔡小垒, 孔令真, 王春升, 尚超, 张明, 石熠. 基于CFD⁃PBM模拟水力旋流器油水分离特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(4): 58-65.

Peng Jia, Jiaqing Chen, Xiaolei Cai, Lingzhen Kong, Chunsheng Wang, Chao Shang, Ming Zhang, Yi Shi. Study on Oil⁃Water Separation Characteristics of Hydrocyclone Based on CFD⁃PBM Numerical Simulation[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2021, 34(4): 58-65.

图/表 10

图1 常规切向入口双锥型水力旋流器结构示意

Fig.1 The schematic diagram of conventional tangential inlet hydrocyclone

表1 常规切向入口双锥型水力旋流器模型尺寸

Table 1 The model size of conventional tangential inlet hydrocyclone

D	D₁	D₀	D_u	a	b	D_m
40	80	4	20	14	14	14
L₁	L₂	L₃	L_u	L₀	α	β
80	114	764	800	50	20°	1.5°

图2 常规切向入口双锥型水力旋流器网格划分示意

Fig.2 The meshing diagram of conventional tangentialinlet hydrocyclone

图3 流场信息分布对比

Fig.3 The comparison of turbulent dissipation rate distribution

图4 油滴的索特尔平均直径分布

Fig.4 The sotel average diameter distribution of oil droplets

图5 不同流量下的流场信息分布曲线

Fig.5 Distribution curve of flow field informationunder different flow rates

图6 流量对平均粒径与分离效率的影响曲线

Fig.6 The influence of flow rate on average particle size and oil removal efficiency

图7 溢流分流比对平均粒径与分离效率的影响曲线

Fig.7 The influence curve of overflow split ratio on average particle size and oil removal efficiency

图8 油相黏度对平均粒径与分离效率的影响曲线

Fig.8 The influence curve of oil phase viscosity on average particle size and oil removal efficiency

图9 油相密度对平均粒径与分离效率的影响曲线

Fig.9 The influence curve of oil phase density on average particle size and oil removal efficiency

参考文献 21

1	Young G A，Wakley W D，Taggart D L，et al.Oil⁃water separation using hydrocyclones： An experimental search for optimum dimensions［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，1994，11（1）：37⁃50.
2	Judd S，Qiblawey H，Al⁃Marri M，et al.The size and performance of offshore produced water oil⁃removal technologies for reinjection［J］.Separation and Purification Technology，2014，134（1）：241⁃246.
3	Colman D A， Thew M T， Corney D R. Hydrocyclones for oil water separation［C］//Internaltional Conferernce on Hydrocyclones，Cambridge：BHRA Fluid Engineering，1980.
4	孔惠，陈家庆，桑义敏.含油废水旋流分离技术研究进展［J］.北京石油化工学院学报，2004，12（4）：6⁃11.
	Kong H，Chen J Q，Sang Y M.State of the art of hydrocyclone separation technology for oily water［J］.Journal of Beijing Institute of Petro⁃chemical Technology，2004，12（4）：6⁃11.
5	俞接成，陈家庆，王波.液⁃液分离用水力旋流器内部流场的三维数值模拟［J］.石油矿场机械，2007，36（5）：9⁃14.
	Yu J C，Chen J Q，Wang B.Three dimensional numerical simulation on the internal flow field of liquid liquid hydrocyclone（LLHC）［J］.Oil Field Equipment，2007，36（5）：9⁃14.
6	方相九，陈家庆，刘美丽，等.气泡增强型水力旋流器的数值模拟研究［J］.石油化工高等学校学报，2016，29（2）：82⁃88.
	Fang X J，Chen J Q，Liu M L，et al.Numerical simulation research of bubble enhanced hydrocyclone［J］.Journal of Petrochemical Universities， 2016， 29（2）： 82⁃88.
7	贺杰，蒋明虎，宋华.新型油水分离装置——水力旋流器试验［J］.石油机械，1993，21（12）：26⁃30.
	He J，Jiang M H，Song H.Test of hydrocyclone for oil⁃water separation［J］.China Petroleum Machinery，1993，21（12）：26⁃30.
8	舒朝辉，陈文梅，肖新才，等.除油型旋流器分流比与基本性能的关系探讨［J］.流体机械，2001，29（5）：12⁃15.
	Shu Z H，Chen W M，Xiao X C，et al.Discussion on the relationship between split ratio and basic performance of deoiling cyclone［J］.Fluid Machinery，2001，29（5）：12⁃15.
9	舒朝辉，刘根凡，陈文梅，等.除油旋流器中油滴粒径分布及其影响因素［J］.流体机械，2002，30（8）：8⁃11.
	Shu Z H，Liu G F，Chen W M，et al.Distribution of oil droplet size and its influence factor on de⁃oiling hydrocyclone［J］.Fluid Machinery，2002，30（8）：8⁃11.
10	Slack M D，Prasad R O，Bakker A F，et al.Advances in cyclone modelling using unstructured grids［J］.Chemical Engineering Research & Design，2000，78（8）：1098⁃1104.
11	杨琳，梁政，田家林.双锥型油水分离旋流器内部流场数值模拟［J］.流体机械，2008，36（5）：30⁃34.
	Yang L， Liang Z， Tian J L.Numerical simulation of interior flow flied in biconical hydrocyclone for oil⁃water［J］.Fluid Machinery，2008，36（5）：30⁃34.
12	杨琳，梁政，田家林，等.黏度对液⁃液旋流器内部流场及分离效率影响的仿真分析［J］.流体机械，2010，38（3）：28⁃32.
	Yang L，Liang Z，Tian J L，et al.Simulation study on viscosity impacting on the internal flow field and separation efficiency of liquid⁃liquid cyclone［J］.Fluid Machinery，2010，38（3）：28⁃32.
13	Mohanty M K， Honaker R Q. A comparative evaluation of the leading advanced flotation technologies［J］. Minerals Engineering， 1999， 12（1）： 1⁃13.
14	马艺，金有海，王振波.不同参数下旋流器内油滴运动的模拟研究［J］.石油机械，2010，38（4）：12⁃15.
	Ma Y，Jin Y H，Wang Z B.Simulation study on oil droplet movement in cyclone under different parameters［J］.China Petroleum Machinery，2010，38（4）：12⁃15.
15	王振波，马艺，金有海. 导叶式旋流器内油滴的聚结破碎及影响因素［J］.化工学报，2011，62（2）：399⁃406.
	Wang Z B，Ma Y，Jin Y H.Droplet coalescence and breakup and its influence factors in vane⁃guided hydrocyclone［J］.CIESC Journal，2011，62（2）：399⁃406.
16	王振波，马艺，金有海.流量对导叶式旋流管内油滴聚结破碎影响的数值模拟［J］.环境工程学报，2010，4（9）：2156⁃2160.
	Wang Z B，Ma Y，Jin Y H.Simulation of effects of flow rate on coalescence and breakup in vane⁃guided hydrocyclone［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering， 2010， 4（9）： 2156⁃2160.
17	Motin A，Walsh J，Benard A.Modeling droplets shearing and coalescence using a population balance method in produced water treatment systems［C］//International Mechanical Engineering Congress & Exposition.Houston，Texas：［s.n.］，2016.
18	袁惠新，张新周.旋流场中聚结过程研究［J］.化学工程，2005，33（5）：30⁃33.
	Yuan H X，Zhang X Z.Investigation into mechanism of coalescence in vortex field［J］.Chemical Engineering，2005，33（5）： 30⁃33.
19	吕凤霞，杨贺，袁惠新，等.液⁃液分离水力旋流器油滴破碎与聚并的数值模拟［J］.石油机械，2017，45（11）：71⁃76.
	Lü F X，Yang H，Yuan H X，et al.Numerical simulation of droplet breakup and coalescence in liquid⁃liquid separation hydrocylone［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（11）：71⁃76.
20	梁楚楚.油滴在油水两相强旋流场中的聚并性能研究［D］.北京：中国科学院大学，2018.
21	李枫，熊峰，刘彩玉，等.油滴聚并破碎行为对水力旋流器分离性能的影响［J］.石油机械，2019，47（6）：73⁃76.
	Li F，Xiong F，Liu C Y，et al.Effect of oil droplet coalescence and breakuo behavior on separation performance of hydrocyclone［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（6）：73⁃76.

[1]	李悦欣, 赵春立, 张玉柱, 何跃, 杨双春. 随动式动态混合器掺稀混合性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(4): 66-71.
[2]	杨文武. B区块主力油层聚驱后变流线井网调整研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(2): 54-59.
[3]	张继成，闫志明，范佳乐，包智魁. 分段平移相渗曲线方法校准网格粗化效果[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(1): 50-57.
[4]	张菁，庞艳萍，黎志敏，王志华. 气浮选对含油污水沉降分离流场特性的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(1): 72-79.
[5]	田洋阳，张春影，牛振宇，何利民. 高含水旋转湍流场中油滴分散特性的数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 56-63.
[6]	王博，陈一鸣，杜胜男，王卫强. 基于CFD方法的无限大平板热扩散数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 79-84.
[7]	吴传昌，范飞，周晴晴，孔凡胜，申玲，管峰. 旋流筛板式流化床流化特性的数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 85-90.
[8]	杜明俊, 杨子宁, 滕彧, 马克迪, 焦亚东, 徐乙. 保温型井下隔热油管的实验及数值模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(4): 75-79.
[9]	宋文玲, 刘凯新, 周朝辉, 韩伟宁. 水包油型乳状液粒度分布影响因素研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 43-47.
[10]	苏崭, 李玮, 黄红亮, 王旭东, 郑智冬. 储层岩石的三维逾渗模型研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 60-66.
[11]	刘人玮, 杨天宇, 万宇飞, 蒋曙鸿, 黄喆. 海上平台热采放喷气扩散数值模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 74-79.
[12]	吴晓, 王兆婷, 史瑶. 水平管气液段塞流流动特征模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 80-85.
[13]	杨永超，吕昕倩，尚庆华，郭茂雷，白艳伟. 空气泡沫驱油藏含水及产气特征规律研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(2): 29-36.
[14]	罗寒秋，姜婷婷. 适合三类油层的弱碱三元复合体系配方优选[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(2): 37-41.
[15]	张继成, 张军, 吕冰玉, 范佳乐. 钻关区生产动态变化规律——以B3区块为例[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(1): 23-29.

基于CFD⁃PBM模拟水力旋流器油水分离特性研究

Study on Oil⁃Water Separation Characteristics of Hydrocyclone Based on CFD⁃PBM Numerical Simulation

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