倒锥注气强化井下油水分离水力旋流器性能研究

为了进一步提高井下油水分离水力旋流器的分离性能,提出一种倒锥注气式井下油水分离水力旋流器结构,开展倒锥注气对油水分离性能影响研究。利用数值模拟和实验研究相结合的方法,对不同注气量、含油浓度、分流比、入口流量等操作参数下的流场分布特性和油水分离效率进行分析。结果表明,随着注气量的增加,分离效率呈现先升高后降低的趋势,当注气量为2.034 m³/d时,分离效率达到最大值98.52%;当水力旋流器的入口含油浓度为0.75%、分流比为40%、入口流量为5.4 m³/h时,可获得水力旋流器的最佳分离效率为99.51%,较注气前提高了1.11%。针对注气后的井下油水分离水力旋流器开展室内分离性能实验研究,数值模拟和实验结果呈现相同的变化趋势,验证了倒锥注气强化分离性能的可行性及数值模拟结果的准确性。     

超重力水力聚结分离器流场分析与性能评估

采用离散相模型以脱油型水力旋流器为研究对象,分析了不同粒径油滴粒子在旋流场内的运移轨迹,得出随着粒径的增大旋流器的粒级效率逐渐升高。基于油滴运移轨迹设计了一种水力聚结旋流分离装置,可在旋流分离前端通过水力聚结使小颗粒油滴聚并成大颗粒油滴,进而增强旋流分离性能。开展室内试验对水力聚结分离器的分离性能和适用性进行验证。结果表明:粒径在100～900μm范围内随着油滴粒径的逐渐增大,旋流分离效率逐渐升高;水力聚结器可在油滴进入旋流分离器前使油滴碰撞聚结致使离散相油滴粒径分布增大,从而提高旋流器分离效率,其最佳入口进液量在4. 12m~3/h左右,最佳分流比为20%。     

含聚浓度对旋流器性能影响的数值模拟与试验

以螺旋导流式旋流器为研究对象,选用幂律流体模型和离散相模型（DPM）计算了不同含聚浓度条件下的分离性能,对旋流器流场（速度场、压力场）及油滴运移特性进行了细致的分析,并采用高速摄像技术（HSV）开展了相应的分离特性试验。研究发现：聚合物浓度为0时,油滴存在明显的乳化效应,实测效率81.7%;浓度增大后,乳化效应减弱,油滴分散在旋流器内,中心油核消失,效率急剧下降,4000mg/L时旋流器基本无分离效果;浓度增大对压降影响较小,底流压降最高增幅5.6%,最大值不超过200kPa。分析表明,效率下降与切向速度衰减、径向压力梯度减小有关;浓度增大后油滴轴向向下运动的距离增加,呈现向旋流器外壁面运动的趋势,分离时间延长。     

大锥段注气对液-液水力旋流器分离性能的影响

针对油田含聚污水处理难度大的问题,利用CFD和多孔介质模型建立了旋流器内部流体的计算模型,数值模拟分析了大锥段注气旋流器内多相流体速度场和压力场的分布规律,结果表明:大锥段注气后,在旋流区和大锥段区的径向速度和流向溢流口的轴向速度明显提高,分离性能有所改善;产生的气浮选效应使混合液的分离难度降低,压力降减小,节约了能源。提出旋流器流场分界区的概念,研究表明在分界区注气能更好地改善分离效果,分界区的位置取决于旋流器的结构参数和操作参数。     

多进口旋流器流场特征及分离性能

为了改善单进口旋流器稳定性差、分级效率低等问题,本文提出了多进口旋流器结构。通过数值模拟方法,在恒定入料工况下,对比分析了单、二、三、四进口旋流器的流场特征和分离性能。研究结果表明：增加旋流器进口数量,会对旋流器流场和分离性能产生积极影响,有利于旋流流场径向压力的增大,且进口数量为偶数时,流场径向静压力增强效果更好;旋流器柱段区域流场切向速度增大,有利于强化旋流器分离能力。同时使用Mixture耦合RSM模型预测了离散相CaCO₃颗粒的分离效率,结果表明多进口旋流器可以在低速度入口条件下完成离散相的高精度分离。入料速度为3m/s的工况条件下,多进口旋流器分离50μm、57.5μm颗粒的底流分配率较单进口旋流器分别提升了10.60%、5.59%,对抑制旋流器溢流产品错配率和提高分级精度有积极的影响。因此,增加旋流器进口数量,可以有效提升旋流分级效率和分离精度。     

对称进口水力旋流器多相流场及分离性能的数值模拟

选用混合模型对对称进口旋流器的流场及分离效率进行数值模拟,同时在分离效率、切割尺寸、生产能力几个方面与普通的单进口旋流器进行比较。研究结果为旋流器的改进提供更多的参考。     

Y型管式油水分离结构分离特性仿真分析

管式油水分离技术具有占地面积小、分离效率高、成本低等优点,基于管式油水分离原理,设计一种Y型管式油水分离结构,利用Fluent数值模拟软件,采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型,对Y型管内部流场特性以及外部参数对分离效率的影响进行了研究。结果表明,Y型管对流体扰动小,内部流场特性稳定不易产生涡流,能够实现油水分离,支管与主管交汇处存在油水分离现象;油水分离效率随着油滴粒径的增大而逐渐提高,油滴粒径越大越利于油相上浮聚集在Y型管上层,能有效提高油水分离效率;入口速度对油水分离效果的影响很大,速度越大,油相上浮时间越短,Y型管的分离效率越低;分离效率随支管分流比的增大而增大,当入口速度为0.5 m/s时,分流比超过0.4后,分离效率不再增加。研究结果为油水分离提供了新思路,可为Y型管的设计提供理论参考。     

液-液旋流分离器内流场的数值模拟研究

用计算流体动力学(CFD)的数值方法,采用RSM模型对油水分离用液一液水力旋流器的流场进行了数值模拟。单相流场的模拟结果表明,旋流器内的流场结构是强旋转和非对称的三维结构,因而对旋流器的研究(无论是数值模拟还是实验测量)必须是基于三维的;旋流器上游区内流体紊流现象严重,两侧有循环流存在,这都对两相分离不利,应改进结构以改变这种流动形式;其模拟结果与他人实验结果吻合较好,说明该湍流模型和算法是可靠的。另外还对油一水两相流场进行了研究,初步揭示了液一液两相分离的现象,这都为进一步研究旋流器特性参数对分离效率的影响和旋流器的结构优化提供了参考。     

液液水力旋流器流场数值模拟技术研究

深入研究了液液水力旋流器的流动机理 ,用流体力学原理和方法建立了液液水力旋流器的物理模型并给出了修正的 k- ε模型 ,即 RNG k- ε模型。根据该模型 ,以 SIMPLER算法为基础 ,研究了数值计算方法并对具体实例作了计算。通过数值计算得到了液液水力旋流器内流体流动的速度矢量图和流线图。计算结果与理论分析一致 ,证明了模型和算法的正确性 ,为进一步研究旋流器的结构优化、粒子跟踪和旋流器特性参数对分离效率的影响等打下了基础。     

新型α旋流器的流场模拟

根据集成膜法海水软化技术及装置对海水纳滤前分离粒度及效率的要求,开发出了内置导流板和曲线长锥体的新型α旋流器,并对其流场特性进行了数值模拟研究.以CFD模拟软件Fluent 6.2提供的雷诺应力模型(RSM)为基础,分析了速度矢量、切向速度、轴向速度等参数的分布规律,研究了内部导流板和曲线长锥体结构对其分离性能的影响.切向速度、轴向速度的模拟表明:与常规旋流器相比,新型α旋流器以内构件对流体进行导流和整流后,不仅流场稳定,而且能耗小、压降低;由于导流和整流作用,具有螺旋导流板及曲线长锥体结构的新型α旋流器,有效延长了流体在旋流器内的流动时间,从而延长细颗粒的停留时间,有利于细颗粒的分离.     

Mathematical modelling of a hydrocyclone for the down-hole oil–water separation (DOWS)

In this study, a mathematical model is developed to predict the efficiency of a down-hole oil–water separation hydrocyclone. In the proposed model, the separation efficiency is determined based on droplet trajectory of a single oil droplet through the continuous-phase. The droplet trajectory model is developed using a Lagrangian approach in which single droplets are traced in the continuous-phase. The droplet trajectory model uses the swirling flow of the continuous-phase to trace the oil droplets. By applying the droplet trajectory, a trial and error approach is used to determine the size of the oil droplet that reaches the reverse flow region, where they can be separated. The required input for the proposed model is hydrocyclone geometry, fluid properties, inlet droplet size distribution and operational conditions at the down hole. The model is capable of predicting the hydrocyclone hydrodynamic flow field, namely, the axial, tangential and radial velocity distributions of the continuous-phase. The model was then applied for some case studies from the field tested DOWS systems which exist in the literature. The results show that the proposed model can predict well the split ratio and separation efficiency of the hydrocyclone. Moreover, the results of the proposed model can be used as a preliminary evaluation for installing a down-hole oil–water separation hydrocyclone system in a producing well.     

溢流管结构对天然气水合物用旋流器分离性能的影响

建立了主直径100 mm的旋流器模型,采用计算流体力学(CFD)方法研究了溢流管内径、插入深度及壁厚对旋流器分离天然气水合物性能的影响规律。结果表明,入口流速为9 m/s时,随溢流管内径增大,水合物分离效率增大,砂的分离效率降低,旋流器的压力降逐渐减小;随溢流管壁厚增大,水合物和砂的分离效率稍有增大,旋流器的压力降先增大后减小;随溢流管插入深度增大,水合物分离效率先减小后增大,砂的分离效率先增大后减小,旋流器的压力降波动较小。溢流管内径对旋流器分离天然气水合物性能的影响最大,插入深度次之,壁厚的影响最小。     

优选结构液-液旋流管分离特性

利用库尔特粒径检测技术,对一种优选结构液-液旋流分离管的分离特性进行了较为系统的实验研究。实验测得该旋流管的临界分离粒径为30μm,而相同条件下国外典型产品,即F型旋流管的临界分离粒径为60μm,表明这种优选结构旋流管的分离特性较F型旋流管显著改善;实验结果还表明该旋流管的分离特性随处理量的增加而提高,当处理量为10m~3·h~（-1）时最好;随溢流比的加大而改善,其最佳溢流比为4％～5％;此外,还考察了为含油浓度与粒径分布之间的关系。有关结果为科学严格地评价液-液旋流分离管的分离性能提供了科学依据。     

脱气除油旋流系统流场分布及分离特性

目前我国大部分油田已进入高含水阶段，且采出液中常带有大量伴生气，采用旋流分离法实现采出液高效分离对于简化陆上油田地面处理工艺及提升海上平台经济环保的采出液处理技术具有重要意义。脱气除油旋流系统由GLCC型气液分离器和油滴重构旋流器串联组成，设计的目的是在保证高效脱气的同时进一步改善对小油滴的去除效果，实现油气水三相高效分离。本文基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法，利用种群平衡模型（population balance model，PBM）模拟油滴破碎与聚结，对脱气除油旋流系统内部流场特性及粒度分布进行模拟分析，并采用数值模拟与试验相结合的研究方法，对比分析不同含气体积分数和气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离性能的影响规律。结果表明：含气体积分数与气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离效率的交互作用较显著，在研究范围内综合脱气效率和除油效率可以得到，含气10%、20%、30%的最佳分流比分别为25%、30%、35%，数值模拟结果与试验结果吻合良好，验证了数值模拟方法的可靠性。另外，含气体积分数越大，油滴重构旋流器的油滴分层重构现象越明显，油滴重构旋流器可以在一定程度上改善含气情况下油水分离效果差的现象，脱气除油旋流系统对油气水三相分离的适用性较好。     

压载水旋流器结构因素对分离性能影响分析

随着全球贸易和船舶运输的发展,压载水对环境的影响越来越大。水力旋流分离设备是压载水净化的重要固液分离设备。本文使用计算流体力学,建立数学模型模拟压载水旋流分离过程,模型包括多相湍流雷诺应力模型RSM、处理气液界面的自由表面多相流动模型VOF、处理固体颗粒运动规律的离散相模型DPM。通过数值模拟计算柱段长度、底流口直径和溢流口直径这几个关键因素对旋流器内部流场和分离效率的影响,获得了各个因素对分离效率的影响规律：柱段长度变化对旋流器分离效率的影响不大;底流口直径对旋流器压力降的影响不明显,但对分流比的作用比较大;溢流管直径的增大有助于降低能耗和增大溢流口流量,但随着溢流管直径的增大,分级粒度变大。这些规律为高效旋流分离净化压载水奠定了基础。     

液-液水力旋流器分离效率深度提升技术探讨

为解决微小粒径分散相分离效率不高,制约水力旋流器分离效率深度提升的问题,本文以液-液水力旋流器为分析对象,在总结已有理论及研究成果基础上,分别从影响旋流分离效率的关键物理因素,包括分散相在旋流场内的停留时间、分散相粒径、分散相距轴心旋转半径、分散相切向旋转速度以及旋流分离工艺系统五个方面出发,首先对已有提升旋流分离效率的水力旋流器串联工艺、分散相粒径聚结器、小直径旋流分离器及增强切向速度的动态水力旋流器等技术措施进行分析总结,并在此基础上提出了促进旋流分离效率深度提升的新型技术方案,为液-液两相以及固-液、气-液、气-液-固等多相混合介质的高效旋流分离器设计及系统优化提供一定理论及技术支撑。     

锥体开缝对水力旋流器固液分离性能的影响

设计了一种新型锥体切向开缝结构的水力旋流器，并针对锥体开缝长度、位置、数量以及开缝型式对水力旋流器分离性能的影响开展了实验研究。研究结果表明：锥体开缝会使水力旋流器的压降大幅降低；开缝长度由10 mm增大到50 mm的过程中，分离效率呈现先增大后减小的趋势，开缝长度为20 mm时最佳；第二条缝隙的开缝位置由锥体底部向上移动的过程中，分离效率也呈现出先增大后减小的趋势，距底部缝隙80 mm时分离效率最高；保持出口截面积不变，在底部开6 mm长的缝隙，另外在最佳开缝位置处开一条长缝隙时的分离效率最高，且与底部缝隙呈反方向分布是最优的开缝型式，与常规水力旋流器对比，在高流量下其分离效率仅降低了1.48%，但压降降低可达36.84%，节能效果显著，具有重要的应用价值。     

锥角对水力旋流器压力场和速度场的影响

针对所建立的静态水力旋流器结构模型进行了简要的分析,采用CFD软件中基于各相异性的雷诺应力湍流模型,应用PC-SIMPLEC算法,对双锥水力旋流器内部流场进行了的三维数值模拟,得到了旋流器内部流场的压力分布特性和速度分布特性.结合流体力学及旋流器理论分析验证模拟结果的正确性.研究发现:在一定范围内,水力旋流器内部压力降...     

基于旋转分相单元的电容式气液两相流含液率测量

为提高电容器对含水率测量的能力,设计与其相匹配的旋转分相单元,以实现气液两相流含水率的起旋分相式电容测量。在电容传感器的测量单元基础上,增加旋转分相单元,利用气液两相流体力学理论对其结构进行设计优化,并根据实际应用条件确定分离圈数,保证气液分相效率。旋转分相单元克服了气液两相流流动形态的多样性,将体积含水率信息转换成液膜厚度信息及截面含水率信息进行测量。经实验验证,Lockhart-Martinelli截面含气率模型与实验中电容器测量截面含气率具有良好的一致性,其能够实现对体积含水率20%以内的气液两相流有效测量,体积含水率的绝对误差在±2%以内。