旋流场内离散相油滴聚结机理及分离特性研究

发布时间：2020-08-12 08:43

【摘要】：随着油田不断开发,油田采出液含水率逐年升高,随之而来的地面含油污水处理难度及成本逐渐增大。如何经济高效的实现油水分离,成为国内外石油工业亟需解决的一大难题。传统的聚结分离技术具有处理成本高、不连续等问题,而旋流分离技术很难保证对小粒径油滴的高效分离。研究旋流场内的油滴剪切及碰撞形变、聚结的过程与形式以及影响聚结的因素,进而掌握油滴聚结对油水分离特性的影响,对揭示旋流场内水力聚结及分离机理,指导设计出高效可行的聚结增强型旋流分离装置具有重要意义。本文运用高速摄像技术,以磁性转子驱动的旋流场内离散油滴为研究对象,构建了观测旋流场内油滴运动特性及变形特征的实验系统。采用索贝尔梯度算子对旋流场内油滴轮廓图像进行卷积计算,完成油滴运动、变形及聚结过程的轮廓识别。对旋流场内油滴间、油滴与油核间的碰撞聚结、碰撞反弹、挤压变形、抽丝分离等多种碰撞后续发展行为及过程进行表征及分析。建立了油滴在碰撞过程中的非仿射变形数学模型,分析了油滴变形过程中的静力平衡,并对油滴因变形产生的惯性力及韦伯数进行了计算及分析。分别以变形量及韦伯数为评判指标,对旋流场内油滴聚结的临界条件进行了定量描述。采用粒子成像测速技术对目标流场磁性转子转速与流体介质实际转动速度进行了测量与标定,获得了流体转速与流场半径间的关系公式。设计了液液分散体系内离散相粒度无剪切测量方法,得出了流场转速、油相浓度、剪切时间对油滴粒度分布的影响规律。采用理论分析与实验研究相结合的方法对旋流场内不同粒径油滴的径向沉降时间及沉降速度进行了对比分析,掌握了油滴粒径对径向沉降速度及时间的影响规律。以轴向及切向两种不同进液形式的旋流器结构为研究对象,采用欧拉-拉格朗日方法,分析了不同油滴粒径在两种结构旋流器内的运移轨迹及粒级效率,掌握了油滴粒径对油滴运动轨迹及旋流分离性能的影响规律。基于水力聚结机理及旋流分离理论,设计出一种由水力聚结器与旋流分离器组成的聚结增强型旋流分离装置。采用群体平衡模型对设计的聚结器以及旋流分离器内部油滴聚结破碎特性进行了数值模拟分析,获得了聚结器内速度场、浓度场、油滴粒度以及油滴运动特性的分布规律。掌握了旋流器内油滴聚结及破碎的发生位置以及处理量、分流比等操作参数对油滴粒度分布的影响规律。构建了水力聚结器聚结效率评价模型,并以聚结效率为输出指标,采用Plackett-Burman试验设计筛选出影响聚结器聚结效率的结构参数显著因子,运用正交试验设计与最陡爬坡相结合的方法确定出响应面优化的显著因子中心点。基于响应面优化方法分别建立了结构参数显著因子与聚结效率及出口压降的二阶响应模型,基于响应关系模型确定出最佳的聚结器结构参数及匹配方案。基于回归正交方法,以响应面优化后的聚结器结构为研究对象,对不同含油浓度、油水界面张力、进液速度、水相黏度等影响油滴聚结性能的参数进行了数值模拟分析,构建了多参数对聚结效率影响的回归方程。通过对回归方程的显著性分析及失拟性检验,得出所构建的回归方程符合检验标准,满足显著性及精度要求。建立聚结分离器流体域模型,对聚结分离器内部速度场、浓度场、粒度分布及油滴运动特性进行数值模拟分析。确定出了分流比及入口进液量对聚结分离器分离效率的影响规律。构建聚结性能及分离性能测试实验系统,采用高速摄像及显微分析定性的观察并描述了聚结器内油滴粒径的变化过程;运用粒度分析仪定量的分析了入口进液量、含油浓度等参数对聚结器聚结性能的影响规律。通过开展分离性能测试对比了旋流器单体样机与聚结分离器的分离效率,实验结果表明聚结分离器在不同分流比及处理量时的分离效率均高于旋流器单体。验证了聚结分离器设计的合理性以及数值模拟结果的准确性。同时开展亲油疏水涂层对聚结分离器分离性能影响的实验研究,结果显示亲油疏水涂层可使更多的油相依附在聚结内芯表面形成明显的油层凸起,增大离散油滴与油层的碰撞几率,从而进一步增强聚结分离器的分离性能。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X741
【图文】：

示意图,聚结,油滴,示意图

聚结除油的机理研究仍处于探讨阶段，聚结分离技术的应用对象液体系，无论在何种体系内聚结均是使离散相介质由小变大的过而言，按照聚结机理的不同可以将其分为湿润聚结和碰撞聚结[1聚结理论是建立在材料聚结技术的基础上，是发生在液体与固体水中除油而言湿润聚结发生在亲油疏水材料上，其分离机理为：疏水材料时，水相通过材料而油滴则会附着在材料上，后续的油油滴不断发生碰撞聚结，致使材料表面吸附的油滴粒径逐渐增大界值时，流体曳力作用大于材料对油滴的附着力致使油滴脱离附、碰撞、聚结、脱离使得连续相与离散相介质分层，从而达到聚结过程中要求油滴与固体材料分子间的作用力大于油滴与油滴除油效果取决于聚结材料的表面性质。碰撞聚结主要建立在材料，是指在亲水疏油材料孔道内或连续相介质带动下，两油滴或多速度差致使相互碰撞，当流场内致使油滴间发生聚结的合力大于张力时两油滴发生聚结。

示意图,旋流,聚结,示意图

第一章绪论并不常见，更多的是采用旋流设备完成非均相介质间的分早对旋流聚结技术进行了探索，分析了油、气、水三相混如图 1.2 所示。提出了在旋流场内油滴与油滴间由于存在撞，进而实现旋流聚结。但油滴聚结的前提是离心加速度速度以内，气液保持稳定的分层流动。同时开展了旋流聚结内设置旋流聚结元件使油水两相经聚结后再进行沉降分离效提高重力沉降分离器的油水分离速率。

聚结器,旋流

图 1.2 旋流聚结原理示意图Fig.1.2 Sketch of principle cyclone coalescence（华东）多相流分离实验室设计出了如图 1.3 所示的流分离器及二级丝网聚结器两部分组成，并针对组行的系统的数值模拟分析及分离性能实验，结果表明好的分离了效果，但受液滴粒径分布影响较大[77]。实结相结合，并非采用旋流方法完成液滴聚结。

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