基于响应曲面法的水力聚结器结构参数优化

针对油水分离中小粒径油滴难以分离的情况，设计了一种水力聚结器，借助析因筛选设计及响应曲面优化设计，结合有限体积法，并以综合考虑油滴粒径尺寸、体积占比及平均粒径等多因素提出的一种聚结效率计算方法作为评判指标，对其进行结构参数显著性分析及结构优化设计。以优化前、后的水力聚结器为模型，在相同工况下开展聚结性能模拟测试。测试结果表明，显著性较高的参数依次为锥段长度L₂、尾管长度L₃以及内心底径d,根据得到的结构参数与聚结效率间的最优回归方程，确定出最佳结构参数值，即锥段长度为678.63 mm,尾管长度为99.89 mm,内心底径为10 mm。优化后的聚结器出口处平均粒径由524.7μm增加至550.9μm,聚结效率由14.26%提高至14.55%,聚结性能得到明显提升，验证了优化结果的准确性及可行性。研究结果可为旋流分离设备设计提供参考。     

PEX聚结板对油水分离性能的影响

通过实验和数值模拟结合的方法,对PERFORMAX聚结板(简称PEX聚结板)油水分离性能展开了研究。对三种不同工况下PEX聚结板油水分离性能进行模拟,得到了油滴粒径、是否考虑液滴聚结和不同壁面设置对聚结板分离性能的影响。结果显示:在一定范围内,PEX聚结板的油水分离效率随油滴粒径增加而增加,当油滴粒径超过此范围时,分离效率增长缓慢或不再增加;在PEX板作用下,小油滴更易于聚结成大油滴,有助于提高油水分离效率,因而数值模拟过程中考虑液滴聚结结果更接近实际;实验和模拟结果的对比可以得到:PEX聚结板数值模拟结果与实验结果基本吻合,验证了数值模拟模型设置的合理性;通过与实验对比可知,考虑液滴聚结并认为油滴只有碰到上壁面才会被捕捉的情况更接近实际。     

PERFORMAX聚结板油水分离性能数值模拟

采用计算流体动力学方法,考虑液滴碰撞时的聚结与破碎过程,对PERFORMAX聚结板进行了数值模拟,研究PERFORMAX聚结板的分离特性,得到了聚结板数量、流速、粒径对聚结板分离效率的影响规律。研究结果表明,增加聚结板数量有利于提高分离效率;当流体处于层流状态时,以重力分离为主,PERFORMAX聚结板分离效率随粒径增加而急剧增加,当粒径大于50μm后,分离效率接近100%;而流体处于湍流状态时,惯性分离占据主导地位,PERFORMAX聚结板分离效率随粒径变化幅值很小;当粒径较小时,湍流分离效率高于层流;当粒径较大时,层流分离效率高于湍流;聚结板分离效率随速度的变化出现两个峰值,第一个峰值的主导作用力为重力,第二个峰值为惯性力;因此,粒径较小时适合采用惯性分离,粒径较大时适合采用重力分离;惯性分离涉及到碰撞,而碰撞过程易产生破碎,导致分离效率下降,当流速进一步增加时,由于液滴破碎,分离效率略有下降,但流速应控制在不使液滴产生破碎的范围内;PERFORMAX聚结板用于污水除油时的分离效率高于油中除水,但油密度对污水除油分离效率的影响并不显著。     

一种管道式油滴聚并装置的性能研究

为了探讨管道式油滴聚并装置的性能特征,采用室内试验和计算流体力学方法,对装置内的流型变化特性进行了研究。试验研究中,为了获得管道式油滴聚并装置的最优油滴聚并方式,加工了3种聚结板结构。研究结果表明:当入口混合流速低于0. 5 m/s时,能够实现流型的转换;当入口混合流速高于0. 5 m/s时,分散相油滴经过管道式油滴聚并装置后能够增大。通过对不同聚结板结构参数、操作参数和物性参数的研究发现:在高入口流速下,平板式聚结板的聚并效果最优;当入口流速增大至将近3 m/s时,管道式油滴聚并装置内的油滴仍然有增大的效果;当聚结板的间距为20 mm时,油滴聚并效果最优;当聚结板的长度在1 m左右时,油滴聚并效果最优。管道式油滴聚并装置具有将小油滴聚并成大油滴的功能,可配套油水分离器使用从而提高分离器的分离性能。     

双支T形管内油滴聚结破碎特性分析

现有研究未对T形管内油滴的聚结破碎情况做进一步分析,且采用PBM模型研究双支T形管内油滴聚结破碎特性的研究尚未见报道。为此,采用CFD-PBM耦合方法对双支T形管内油滴聚结破碎行为及分离特性进行数值模拟分析,同时开展室内试验对模拟结果的准确性进行验证。研究结果表明:T形管支管内的油滴粒径大小受湍动能变化影响较大,湍动能由0.64 m~2/s~2减小到0.36 m~2/s~2时,油滴粒径由300μm增加到460μm,呈聚结状态,而湍动能由0.36 m~2/s~2增大到0.60 m~2/s~2时,油滴粒径由480μm降低到360μm,呈破碎状态;随支管高度的增加,其内部湍动能逐渐减弱而油滴粒径却逐渐增大;靠近入口的支管Ⅰ内部油相体积分数明显大于支管Ⅱ,且同一支管内左侧的油相体积分数也高于右侧;双支T形管的分离效率随支管出口分流比的增大呈先升高后降低的趋势,当分流比为50%时,分离效率达到最大值30.2%;最佳分流比条件下,处理量在2～4 m~3/h范围内变化时,T形管的分离效率呈逐渐降低趋势,由32.5%降低到25.0%。研究结果可为T形管结构的优化设计提供一定的理论指导。     

螺旋管聚结机理及数值模拟分析

鉴于水力旋流器在污水处理方面存在的不足,提出采用螺旋管聚结器作为水力旋流器配套设备,简化油田地面工艺,提高油田污水处理能力。通过对油滴在螺旋管流域内进行受力分析及运动分析,推导出螺旋管聚结机理公式。同时为了验证公式的正确性,通过改变螺旋管结构参数及流体入口速度来对粒径为30μm的油滴聚结效果进行模拟。模拟结果表明,油相体积分数随着螺旋管回转半径的增大或圈数的增大而增大,而随着螺旋管管径的增大或流体入口速度的增大而减小。     

混沌脉冲组电场作用下油中液滴的聚结特性

混沌脉冲组(CPG)电场可用于乳化液破乳,但是乳化液滴在油中的聚结特性尚不清楚。通过数值方法研究了油中液滴在混沌脉冲组电场中的聚结特性以及电场参数对液滴聚结过程的影响。结果表明：CPG电场作用下液滴聚结过程可分为6个阶段,各阶段的呈现与电场作用时间和电场休止时间相关,其中第Ⅲ阶段的持续时间对聚结时间影响较大;占空比影响液滴聚结过程的状态以及聚结时间;电场强度的增加对液滴聚结状态无显著影响,但明显缩短聚结时间,当电场强度从500 kV/m增加到700 kV/m,液滴聚结时间从0.400 s减小到0.152 s。研究液滴在CPG电场中的聚结特性能够为CPG电场在工业中的应用提供理论依据。     

含聚采出水纯物理除油技术研究与应用

文章重点介绍了含聚采出水纯物理处理技术——高梯度聚结气浮技术的提出及研究方向,并有针对性地进行了高梯度（旋流）聚结、高梯度聚结气浮的研究,开发了＂材料聚结＋旋流聚结＋溶气气浮＂的纯物理工艺技术,研制的高梯度聚结气浮一体化除油设备、高效微气泡溶气装置和管式溶气释放器成功应用于1万m3/d的采出水处理工程中,在不投加任何处理药剂、来水含聚合物60 mg/L、含油高度乳化、粒径0～6μm的油珠占98%、含油≤500 mg/L的条件下,出水含油保持在50 mg/L以下,达到回注水混凝沉降进水含油指标,且不产生老化油,污泥量少。     

聚结分离器气液分离性能的实验研究

为了研究气相流速和初始雾滴浓度对气液聚结分离器分离效果的影响规律,采用超声波雾化器来造雾,产生极微小的液滴,并通过重量法和湿法等动取样方法对气液聚结分离器含液率进行测量。实验结果表明,随着气流速率的增加,分离效率先显著增大,再保持较高水平。气液聚结分离器的压降也随气流速率增大逐渐增大,相关性接近正相关。初始雾滴浓度并非在所有的气流速率下,会对气液分离效率产生明显的影响。     

开排沉箱内油水两相动力学模型实验研究

通过对开排沉箱内水中含油浓度分布、油滴粒径分布及传热温度垂直分布的实验研究,结合斜板间油水流动及油滴受力情况,分析了油滴碰撞聚结与剪切破碎的机理以及开排沉箱内温度垂直分布情况。结果表明,斜板能够构造静态区,捕集污水中的油滴,但由于斜板的扰流作用在促进油滴碰撞聚结的同时也导致油滴更容易破碎,因此可考虑在斜板折流处增设整流构件以减少油滴的破碎;当油滴聚结作用大于破碎作用时,则宏观表现为分离性能的提高,反之则会乳化返混,且分离过程主要发生在斜板静态区,故在开排沉箱设计时应增设静态空间区域和数量;受斜板扰流的影响,传热在斜板区会受到强湍流场的强化作用,温度梯度比直管段会更大,应增加保温措施来加强防腐。本文研究成果可为开排沉箱内部结构的优化提供参考,为实际生产及水处理工艺提供优化操作参数,同时温度场测定分析还为能应对由恶劣海洋环境下因温差产生的腐蚀提供防腐方案。     

电场和剪切场耦合作用下双液滴聚结数值模拟

静电聚结设备中的液滴行为属于电流体动力学研究的重要内容,采用相场(phase-field)法,将电场与剪切场进行双向耦合,建立电场和剪切场协同作用下双液滴运动、聚结数值模型,采用微观实验对数值模型的准确性进行验证,研究双液滴的运动、聚结规律及毛细数、电毛细数、剪切强度和液滴粒径等因素对双液滴聚结速率的影响。研究结果表明,电场和剪切场协同作用下双液滴的动态行为分为不聚结、聚结和聚结后破裂3种类型;电场和剪切场协同作用比单一场作用下的聚结效率提高63% ~94% ;毛细数、电毛细数及雷诺数对双液滴聚结时间的影响规律较好地符合Holliday函数,一定范围内三者的增大均能明显提高双液滴聚结效率。本研究为复杂湍流场中液滴的电聚结和新型静电聚结设备的优化提供了理论基础。     

海洋自升式平台桩靴触底碰撞动力学研究

海洋自升式平台在桩腿下放、拔起以及迁移过程中,桩靴与海底会发生碰撞接触的情况。为此,研究了海洋自升式平台桩靴触底碰撞动力学分析方法,采用ANSYS/LS-DYNA软件建立桩靴-海底有限元模型,研究不同速度和不同碰撞角度下桩靴碰撞海底动力学特性。研究结果表明,刚碰到海底时桩靴顶板、壳体和骨架应力集中在中心区域,隔板应力分布比较均匀;随着碰撞时间的延长,桩靴壳体底部应力逐渐变大,顶板、隔板和骨架应力逐渐变小;随着碰撞速度的增大,桩靴最大应力发生的时间依次提前,速度小于3.0 m/s时桩靴的最大应力均在屈服强度之内;桩靴与海底碰撞角度越大,桩靴的最大应力也会增大,在速度为1.5 m/s、角度为3°时桩靴应力达到屈服强度。相关研究成果可为桩靴的设计校核与作业技术提供参考。     

斜管中油滴流场数值模拟分析

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。     

波纹聚结板表面粗糙效应数值模拟研究

为研究波纹聚结板表面粗糙效应对油水分离的影响及机理,通过在聚结板表面设置不同形状粗糙元组对板进行粗糙化,采用FLUENT对粗糙化前后聚结板板间流域两相流体积分数分布及沿程上下壁面压力变化进行模拟。研究结果表明:聚结板表面设置粗糙元后,油水两相分层更明显,在横截面对称轴处,最高点相对于最低点油相体积分数提高约10%;聚结板表面设置半球形及圆柱形粗糙元的油水分层效果接近,且优于设置圆锥形粗糙元,在横截面对称轴Y=0. 014m处,前者较后者体积分数差最高可达约60%;聚结板设置粗糙元处出现了微小的压力波动,上壁面波峰处及下壁面波谷处压力相对于无粗糙元发生了一定程度的向上偏移,其他部分压力不变,加剧了聚结板沿程上下壁面的压力差,提高了油相在板间流动时上下波动碰撞的压差动力。所得结论可为聚结板的结构优化设计提供参考。     

不同回转形状螺旋管内油水分离数值模拟研究

为优化螺旋管油水分离能力,对不同回转形状下螺旋管的分离效率进行研究。以水和油为混合介质,运用Euler-Euler多相流模型及PBM相群平衡方程对螺旋管内油水两相流动进行数值模拟。研究了圆形螺旋管在混合液入口流速为0.10~0.50 m/s范围内与在同一速度不同回转形状下管内油水分离效果及两相分布规律。对于圆形回转形状的螺旋管,在一定范围内,随着流速加快,其分层明显,油水分离效果增强,可当流速过快,分离时间减短,油水分离效果减弱,研究中的几何模型相对较佳的入口流速为0.30 m/s;在相同的流速及主要的几何参数情况下,三角、四边、五边回转形状的螺旋管,随着其边数的增加,回转碰撞聚结的概率提高,其油水分离效果提升,圆形回转形状相当于拥有无数条边数的多边形,所以分离效率最高,分离效果最好。研究结果可为螺旋管结构形状的优化设计提供参考。     

辛醇废碱液除油工艺研究

介绍了聚结除油工艺机理及研究进展,通过酸化破乳试验及聚结填料的优选试验,确定了聚结除油的最佳条件,即以聚丙烯球为填料,pH为3～5,聚结反应器进料线速度为2 m/h。在此基础上,考察了辛醇废碱液的聚结除油效果,结果表明,辛醇废碱液中C₈₊有机相的去除率≥80%,COD去除率约50%,说明该工艺适用于辛醇废碱液中C₈₊有机相的去除。     

滨海环境颗粒物对分散溢油表面性质的影响

用室内实验模拟海洋环境的方法,研究了在不同颗粒物浓度和粒径、海水盐度以及pH值条件下,加入不同种类的颗粒物对胜利原油表面性质的影响;同时制备石油 悬浮颗粒物凝聚体(OSAs),并测定凝聚体中油滴平均粒径的大小。结果表明:随着悬浮颗粒物浓度的增加和颗粒物粒径的减小,油 水界面张力和Zeta电位逐渐减小;在加入不同颗粒物条件下油 水界面张力、Zeta电位和油滴粒径均随着海水盐度的增加而减小,加入高岭土时达到最小,分别为02 mN/m、-347 mV和86 μm;油 水界面张力随pH值的增加先减小后增大,Zeta电位随pH值的增加先增大后减小,油 水界面张力最低值和Zeta电位最高值均在pH值为7~8时达到;消油剂和颗粒物共同作用条件下,油 水界面张力、Zeta电位和油滴粒径可分别降低至01 mN/m、-191 mV和19 μm。     

管汇材料35CrMo钢冲蚀磨损性能研究

35CrMo材料作为常用的管汇材料,研究其冲蚀磨损性能对于保证钻井作业安全十分重要。采用自主研发的冲蚀磨损试验机在压力105 MPa、介质冲击速率30 m/s的条件下,对35CrMo材料制作的试样进行了冲击磨损试验,分析了冲击角度、冲蚀介质和冲击时间对冲蚀磨损量的影响。分析结果表明:35CrMo合金钢的最大冲蚀量出现在冲击角度为30°~45°时,冲击角度较小时,微切削起主要作用,随着角度的增大,锻造作用造成的塑性变形机制引起磨损加重;陶粒支撑剂对材料的冲蚀磨损远大于覆膜砂,并且随着冲蚀介质支撑剂粒径的增大,材料的磨损量也增加;在试验设定的时间段内,随着冲蚀时间的延长,冲蚀磨损量几乎呈线性增加。所得结论对预估材料的冲蚀磨损剩余寿命有一定的参考作用。     

聚合物和破乳剂对W/O型乳状液电脱水效果的影响

为揭示聚合物经地层剪切后对油田产出液的影响,通过室内静电聚结快速评价系统研究了破乳剂YFPC-792和降解非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)对巴西Peregrino油田W/O型乳状液静电分离效果的影响。结果表明,YFPC-792可提高W/O型乳状液的静电脱水效果,在150 Hz、294.44 k V/m的电场作用下,乳状液最佳电场停留时间为100 min;随NPAM浓度增加,乳状液分离效率和液滴平均粒径降低,NPAM溶液黏度增加;由于NPAM分子间的"架桥絮凝"效应,未降解的NPAM加量为200 mg/L时乳状液的静电聚结效果最好,电分离效率达81%;含降解NPAM的乳状液电分离效率随聚合物浓度增加而减小;含水率20%乳状液静电分离效率为49%,聚结效果最差,而含水率30%乳状液静电分离效率为81%,聚结效果最好。含YFPC-792和降解NPAM的乳状液脱水开始后的5数15 min,重力沉降的分离效果优于电脱水效果,而后电脱水效果优于重力沉降。     

新型静电聚结器中水滴粒径的分布特性

传统电脱水器采用裸电极,乳化液含水率较高时高强电场作用下容易发生击穿现象,设计了包覆绝缘层的高压电极并加工了新型静电聚结器,采用水/原油乳状液为实验介质,并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术,考察了电场强度,乳化液流量、含水率对液滴滴粒径分布特性的影响。结果表明,现场与室内实验的液滴粒径分布与Rosin-Rammler分布均吻合较好;包覆绝缘层的高压电极可有效防止电击穿现象的发生;增加电场强度有助于油、水分离,但高于临界电场强度后,容易导致液滴破碎,并且含水率越高,最优电场强度越低;随着乳化液流量的增加,电场作用降低,但高强电场在高流量下依然使液滴粒径明显增大。