CN107885897B - 一种管式分离器的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对污水处理领域的管式分离器的设计提出了一种管式分离器的优化设计方法，根据分离器主分离管雷诺系数计算管径、水平流速，根据分离颗粒粒径大小确定沉降速率，以此确定分离器管长，然后采用CFD技术模拟分离器内的水力流态，明确其分离规律，确定最佳尺寸及运行参数。管式分离器是近年新发明的分离设备，尚无设计标准及经验参数可循，传统容积式分离器及管道的设计方法不适用于该分离器，本发明提出了适用于该分离器的设计优化方法，具有设计简便、准确、周期短、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域的油水泥分离器，尤其涉及一种管式分离器优化设计方法。
背景技术
国内大部分油田已进入高含水期(含水80％以上)，污水处理已成为各油田地面工程的重要制约因素之一，传统的污水处理工艺常采用大罐沉降法，该技术主要存在污水停留时间长、占地面积大、排泥困难等缺点。针对这些缺点，近年来有人研究发明了管式分离器，如T型管、工型管、网格状管式分离器等。管式分离器具有分离停留时间短、分离效率高、排泥简便等优点。由于管式分离器为新型分离设备，目前尚没有系统的设计优化方法，经验数值缺乏。
传统沉降罐、沉降池等分离器均为容积式分离器，其设计方法是根据表面处理负荷及停留时间的经验值设计反应器体积、深度、长宽(或直径)，计算过程如下：
已知处理量Q，根据经验选取表面处理负荷q、停留时间t及水平流速v，根据V＝Qt计算得出反应器体积；根据
计算得出反应器面积；根据L＝vt算得出反应器长度；根据
计算反应区深度。
但是对于管式分离器来说，不存在表面处理负荷的概念，无法采用传统容积式反应器的设计方法来进行设计。管式分离器内的水平流速、停留时间等重要参数尚无经验数值，若采用水平流速v及停留时间t来设计分离器尺寸，v、t参数的选取没有经验可循，随机性强，科学依据不足，反应器尺寸设计误差大。
传统管道设计的目的是根据舍维列夫等经验公式来计算管线的水头损失，以确定管径及泵的选取，很少考虑管内液体的分离情况。而管式分离器虽具有管道的特征，但是其设计理念完全不同于管道设计，其主要关心的是管内液体的分离效果，因此管线设计方法完全不适用于管式分离器设计。
发明内容
本发明的目的在于提出一种管式分离器的优化设计方法，以实现管式分离器的结构和水力流态的优化设计。
本发明提出的管式分离器的优化设计方法，是根据分离器的污水处理量和分离器中流动状态等计算获得分离器的结构尺寸，然后采用CFD技术模拟分离器内部水力流态，对分离器的结构尺寸及运行参数进行优化，从而实现管式分离器的优化设计。具体步骤如下：
步骤一：根据分离器的污水处理量和分离主管中流动状态等计算获得分离器的结构尺寸，其中，
[1]主分离管管径确定
对于管式分离器，主要依靠流体在管内流动的过程中进行油水泥分离，因此要求管内流体流动扰动越小越好。表征管中水流扰动状态的系数是雷诺系数Re，公式为
Re＝ρvd/μ (1)
其中其中，ρ为流体的密度，v为流体流速，μ为流体黏性系数，
d为主分离管管径
在管式分离器内，设分离油滴或颗粒水平流速为v0，截留速率为u，假设主分离管进口处位于管底的颗粒恰好在主分离管出口处上升至管顶时，该颗粒恰好被去除，小于该颗粒上升速率的颗粒则无法被去除，该颗粒的上升速率称为截留速率，液体流经管内的时间为t，则
管长L＝v0t，管径d＝ut，因此，得出
进一步得出
根据(1)式，得出
vd＝Reμ/ρ (3)
将(3)式代入(2)式得出
因此，在管长一定的情况下，截留速率u与雷诺系数Re成正比。截留速率越小，去除效率越高，即去除效率与雷诺系数成反比。因此，本发明提出用雷诺系数法设计反应器结构尺寸。
雷诺系数越小，分离器去除效率越高。为保证分离器内液体流态尽量为层流状态，选取雷诺数为4000-40000。
由于进入管式分离器的来液油和泥含量不高，油管、泥管出流量小，故近似认为处理量Q即为主分离管的流量，即
其中v为流体流速，d为主分离管管径
结合公式(1)和公式(5)
得出管径计算公式
根据公式(6)，在设定雷诺数Re的情况下，可以计算出主分离管大概管径数值，根据常用管材管径就近选择主分离管的管径。
[2]富集油管或浓缩泥管管径确定
设富集油管流速为分离主管流速的β倍，油量占总液量的体积分数为n，富集油管直径为d0。
主分离管流量近似认为
富集油管流量则为nQ，
根据式(5)及(7)，得出
式(8)中α为管径放大系数，实际应用中取1.5-2.0。
浓缩泥管的管径确定与富集油管的管径确定方式相同。
[3]管长确定，富集油管和浓缩泥管的管长与主分离管管长相同，
根据：
计算得到分离器管内液体流速。
油滴上浮及悬浮颗粒下沉遵从纳维·斯托克斯公式
其中
u——液滴上浮或沉降速率，m/s
ds——油滴直径，m
g——重力加速度，N/kg
ρw——水的密度，kg/m3
ρs——油滴或悬浮固体颗粒的密度，kg/m3
μw——水的动力黏度，Pa·s
根据公式(10)，可以计算出不同粒径的颗粒的下沉速度。
根据：
计算出所需管长。其中，α为安全系数，实际应用中选取1.2-2。
步骤二：采用CFD技术进行分离器内流态数值模拟，进一步优化分离器设计尺寸参数。
根据步骤一计算得到的几何尺寸，利用建模软件，对需要进行模拟的分离器建立几何模型，由于管式分离器主要结构特征为分离管的组合，因此可将三维问题简化为二维问题来考察其分离效果及流动规律。
几何模型建立后，将模型进行网格化处理，采用非结构式三角形网格，根据分离器结构尺寸选择网格大小，一般可采用边部网格尺寸10mm，面上网格尺寸20mm，在进水口、出水口、出油口、出泥口等速度梯度较大的位置适当进行网格加密。
模型网格化后，对分离器进水口、出水口、出油口、出泥口进行边界条件设置，反应器进水口设置为速度入口，油相速度设定为水相速度的0.8倍。由于泥相主要为絮体，且浓度不高，黏度可认为约等于水相黏度，故泥相速度设定为同水相速度。出水口、出油口、出泥口均设置为压力出口。壁面边界采用无滑移壁面边界。
对分离器模型进行数值模拟计算，首先建立模拟计算模型，确定控制方程。
多相流计算控制方程为：
连续方程：
其中
是质量平均速度，ρm是混合密度，αk是第k相的体积分数。
动量方程：
式中n是相数，
是体积力，μm是混合粘性，
是第二相k的飘移速度。
能量方程：
式中keff是有效热传导率。
湍流模型采用k-ε模型，其控制方程为：
及
相间相对速度：
漂移速度：
其中，
采用CFD计算软件进行迭代计算，残差满足要求后计算结束，观察数值模拟结果。
设定不同的雷诺系数，按照步骤一，计算得到不同的分离器主分离管管径、富集油管管径、浓缩泥管管径、管长，按照步骤二进行数值模拟。
根据观察的数值模拟结果，选取最佳分离器尺寸，实现分离器的设计优化。
步骤三：采用CFD技术优化分离器运行参数。
设定不同的含油量、含泥量，按照步骤二进行数值模拟，观察数值模拟结果，确定分离器能够处理的最大含油量及含泥量。
设定不同的油滴直径，按照步骤二进行数值模拟，观察数值模拟结果，确定分离器能够处理的油滴粒径范围。
本发明的有益效果：本发明提出的管式分离器的优化设计方法，设计精度高，科学性强，在计算得到粗略尺寸的基础上，采用CFD技术对分离器进行模拟，明确各管之间、油水泥三相之间的流动规律，获取最佳设计尺寸及运行参数，使其处理效果达到最优，同时，本发明的优化设计方法为管式分离器的研发制造提供依据，避免因设计欠佳而造成的投资损失，该优化设计方法弥补了管式分离器设计方法的空白，具有简便、准确、周期短、成本低的特点。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为网格状管式油水泥分离器；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程进行充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施例已经各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在本实施例中，采用网格状油水泥管式分离器，图1为该管式分离器的示意图，图中包含进液口1、出油口2、出水口3、出泥口4、上分隔管5、富集油管6、主分离管7、浓缩泥管8和下分隔管9，其中富集油管6位于主分离管7的正上方，浓缩泥管8位于主分离管7的正下方，来液经过进液口1进入主分离管7中，在液体流动过程中，由于油的密度比水小，所以油逐渐通过上分隔管5向富集油管6聚集，最终在出油口2定期排出；悬浮物逐渐通过下分隔管9向浓缩泥管8聚集，最终在出泥口4定期排出，去除油和悬浮物的水最终从出水口3排出。
假设处理量Q为11m3/h，水的密度为1000kg/m3，黏性系数为0.9mPa·s，原油密度ρ为870kg/m3，黏性系数μ为0.04Pa·s，含油量0.1％，含泥量1％，去除的大部分油滴及污泥颗粒粒径设定为0.2mm。
(1)分离器主管管径和管长的优化设计
Re设定为15000-20000，根据公式(6)计算得到分离主管管径为d＝220mm～290mm，分别取DN200、DN300；
假定分离的大部分油滴及污泥粒径为0.2mm，根据公式(9)～(11)，取α为1.2，分离主管管径为DN200时，根据公式(9)，计算得到水平流速0.1m/s，管长L＝8.4m，取管长为10m；分离主管管径为DN300时，根据公式(9)，计算得到水平流速0.05m/s，管长L＝5.6m，取管长为6m。
以上计算得到的分离主管管径在实际应用中均可以接受，为制造方便，设定富集油管管径和浓缩泥管管径均为200mm，据此，设定以下两种参数的网格状管式分离器，如表1，
表1两种网格状管式分离器尺寸参数
设定在主管DN200和主管DN300时，进液口1处的含油量相等均为1000mg/L，按照步骤二，采用Fluent软件(CFD软件的一种)，分别对表1中的两种网格状管式分离器进行效果模拟，得到分离器分离主管进出口含油量数据如表2所示。
表2两种分离器分离主管进出油口数值模拟结果
从表2中可以看出，分离主管管径为DN300，水平流速为0.05m/s时，分离主管出口处的油量去除率达到88％，分离主管管径为DN200，水平流速为0.1m/s时，分离主管出口处的油量去除率达到90％，从数据中可以得出，当进液口含油量相等时，主管管径DN300和主管管径DN200的分离器的油量去除效果基本相同，分离主管管径为DN300对应的雷诺数Re＝15000，分离主管管径为DN200对应的雷诺数Re＝20000。
为了进一步优化分离主管管径，将进液口含油量设定为不同的数值，以便得到最优的分离主管管径，进液口含油量设定如表3，
针对如表1所示的两种分离器，当进液口含油量设定如表3所示时，按照步骤二，采用Fluent软件分别模拟两种分离器含油量效果，得到数据如表3所示。
表3两种分离器不同进液口含油量时的除油效果
从表3可以得出，分离主管为DN300、管长6m的分离器，进口含油1000mg/L及200000mg/L时，6m管长均可实现出水口含油量小于120mg/L；分离主管为DN200、管长10m的分离器，进口含油1000mg/L及10000mg/L时，10m管长可实现出水口含油量小于160mg/L，当进液口含油量增加到200000mg/L时，DN300的出水口含油量为110mg/L，而DN200的出水口含油量高达6500mg/L。
通过以上分析可知，随着进液口含油量的增加，分离主管管径DN300的油量去除效果更佳显著。
因此，优化得出分离主管管径为300mm，管长6m。
(2)富集油管管径和浓缩泥管管径的优化设计
在(1)中得到优化的分离主管管径为300mm，管长6m，进一步优化富集油管管径和浓缩泥管管径。
根据经验，取α取1.5，β取0.1，
根据公式(8)
含油量0.1％，计算得到富集油管管径为30-43mm，分别取DN32、DN40；
根据公式(8)
含泥量1％，计算得到浓缩泥管直径为102-137mm，分别取DN100、DN150。
由于计算得出的富集油管管径DN32和DN40与(1)中的分隔管管径DN200相差较大，增加了生产制造的难度，由于油管管径扩大不会影响分离效果，只是对分离装置的制造成本稍有影响，但是减小了生产制造的难度，所以此处选取富集油管管径与浓缩泥管管径相同，同时选取上分隔管管径、下分隔管管径均与浓缩泥管管径相同，因此得到优化后主管管径300mm的两种不同的分离器，两种分离器尺寸参数如表4，
表4两种网格状管式分离器尺寸参数
仿照表3，设定不同的进液口含油量，按照步骤二中的(1)～(4)，采用Fluent软件分别模拟表4中两种分离器含油量效果，得出数据，对数据进行分析，得出最优的富集油管、浓缩泥管管径，由于数据可以经模拟得出，在此，不再对模拟数据进行赘述。
(3)采用CFD技术优化分离器运行参数。
设定不同的含油量、含泥量，按照步骤二进行数值模拟，观察数值模拟结果，确定在上述优选条件下分离器能够处理的最大含油量及含泥量。
设定不同的油滴粒径，按照步骤二进行数值模拟，观察数值模拟结果，确定分离器能够处理的油滴粒径范围。
虽然上述实施例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动，不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种管式分离器的优化设计方法，其特征在于：至少根据分离器的污水处理量和分离器中流动状态计算获得分离器的结构尺寸，然后采用CFD技术模拟分离器内部水力流态，对分离器的结构尺寸及运行参数进行优化，从而实现管式分离器的优化设计；
所述管式分离器的优化设计包括以下步骤，
步骤一：至少根据分离器的污水处理量和分离主管中流动状态计算获得分离器的结构尺寸，其中，
[1]主分离管管径确定
其中，d为主分离管管径，Q为主分离管的流量，ρ为流体的密度，Re为雷诺系数，μ为流体黏性系数；
[2]富集油管管径确定
其中，d0为富集油管管径，α为管径安全系数，d为主分离管管径，n为油量占总液量的体积分数，β为富集油管中液体流速与主分离管中液体流速的比率；
浓缩泥管的管径与富集油管管径相等；
[3]主分离管管长确定，富集油管和浓缩泥管的管长与主分离管管长相同，
其中，L为管长，α为安全系数，d为主分离管管径，u为液滴上浮或沉降速率，v为主分离管中液体流速；
步骤二：采用CFD技术进行分离器内流态数值模拟，优化分离器设计尺寸参数：
根据步骤一计算得到的几何尺寸，利用建模软件，对分离器建立几何模型，将三维问题简化为二维问题考察其分离效果及流动规律；
几何模型建立后，将模型进行非结构式网格化处理，模型网格化处理后对分离器进水口、出水口、出油口、出泥口进行边界条件设置；对分离器模型进行数值模拟计算，建立模拟计算模型，确定控制方程；湍流模型采用k-ε模型，采用CFD计算软件进行迭代计算，残差满足要求后计算结束，观察数值模拟结果；
设定不同的雷诺系数，按照步骤一，计算得到不同的雷诺系数对应的分离器几何尺寸，按照步骤二进行数值模拟；
根据观察到的数值模拟结果，选取最佳分离器尺寸，实现分离器的设计优化；
步骤三：采用CFD技术优化分离器运行参数；
设定不同的含油量、含泥量，按照步骤二进行数值模拟，观察数值模拟结果，确定分离器的优化设计条件下，分离器能够处理的最大含油量及含泥量；
设定不同的油滴粒径，按照步骤二进行数值模拟，观察数值模拟结果，确定分离器的优化设计条件下，确定分离器能够处理的油滴粒径范围。
2.根据权利要求1所述的管式分离器的优化设计方法，其特征在于：在所述步骤2中，采用非结构式三角形网格对模型进行网格化处理，采用边部网格尺寸10mm，面上网格尺寸20mm，在进水口、出水口、出油口、出泥口速度梯度大的位置进行网格加密；
对分离器进水口、出水口、出油口、出泥口进行边界条件设置时，反应器进水口设置为速度入口，油相速度设定为水相速度的0.8倍，泥相速度设定为同水相速度，出水口、出油口、出泥口均设置为压力出口，壁面边界采用无滑移壁面边界。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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