一种仰角式油水分离器性能研究方法
【专利摘要】本发明公开了一种仰角式油水分离器分离性能测定方法，该仰角式油水分离器分离性能测定方法在Fluent软件中分别对0°-30°不同仰角下的油水分离器进行数值模拟，对不同仰角下模型的油出口水相体积含量、水出口油相体积含量和油水分离效率进行统计。仰角为12°时，油水分离效率达到最佳值，分离效率为90.48％，油出口的水相体积含量为57.50％，水出口的油相体积含量为0.95％；当仰角为0°，即传统的卧式油水分离器时，油水分离效率仅为75.00％，油出口的水相体积含量为82.83％，水出口的油相体积含量为2.50％。由此可见，在同等条件下，与传统的卧式油水分离器相比较，仰角式油水分离器具有较高的分离性能，分离效率提高了20.64％。
【专利说明】一种仰角式油水分离器性能研究方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油与天然气工程领域，尤其涉及一种仰角式油水分离器性能研究方 法。
【背景技术】
[0002] 大庆油田于2006年开展了仰角式油水分离器的研制工作，最终开发出了 W2.〇x20m规格的仰角式油水分离器，所开发的仰角式油水分离器主要由支架、分离罐、 油出口、水出口、进液口、填料部等部分组成。
[0003] 2009年仰角式油水分离器在大庆油田南二联站和北五联站进行了现场应用试验， 现场应用显示仰角式油水分离器比常规卧式油水分离器的处理量提高了 50% -60%，节省 投资43%以上，实现了油水分离工艺技术的高效益。
[0004] 针对常规立式和卧式气液分离器的缺点和不足，西南石油大学也进行了相关的研 究工作，于2008年提出了一种斜板式气液分离器的设计概念，该型分离器也采用将传统卧 式分离器和立式分离器相结合的方式，采用仰角式结构。斜板式气液分离器主要由分布器、 分层室、筒体、出液口、出气口等部件构成，研究表明斜板式气液分离器具有结构简单、分离 效果好、分离时间短等特点。
[0005] 尽管研究人员针对仰角式油水分离器进行了众多的研究工作，但由于影响油水分 离过程的因素众多，且仰角式油水分离器的结构形式多种多样，至今还未形成一套较为完 整的设计理论和方法。仰角式油水分离器的设计或选型还主要依靠经验数据，主观性较强， 所选用的分离器往往达不到最佳的分离效果。因此，为提高油水分离效率，还须对仰角式油 水分离器的内部流场和油滴运动规律进行深入的研究，在此基础上，合理的设计仰角式油 水分离器的结构，为该型分离器的设计和推广应用提供切实可靠的参考依据。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种仰角式油水分离器，旨在解决现有的仰角式油水分离 器的设计或选型还主要依靠经验数据，主观性较强，所选用的分离器往往达不到最佳的分 离效果的问题。
[0007] 本发明是这样实现的，一种仰角式油水分离器分离性能测定方法，具体步骤如 下：
[0008] 步骤一、建立仰角式油水分离器几何模型，包括确定模型几何尺寸、选取模型坐标 和对模型进行网格划分；
[0009] 步骤二、选取数值模拟方法，在模拟过程中，模拟介质为水和原油，油水分离温度 认为是恒温50°C，湍流模型选用Realizable k-ε模型，多相流模型采用混合物模型，在 Fluent软件中选用绝对稳定的二阶迎风格式作为控制方程的离散格式，在数值模拟过程中 选用SMPLE方法；
[0010] 步骤三、分别对0° -30°不同仰角下的油水分离器进行数值模拟，对不同仰角下 模型的油出口水相体积含量、水出口油相体积含量和油水分离效率进行统计；
[0011] 进一步，建立仰角式油水分离器几何模型的具体步骤如下：
[0012] 第一步、仰角式油水分离器几何模型的几何尺寸数据如下：处理量300m3/d，停留 时间6min，含油浓度取为10%，混合物进口直径70mm，水出口直径50mm，油出口直径50mm。
[0013] 第二步、模型坐标的选取；建模过程中选用的坐标系为笛卡尔坐标系，轴向为坐标 轴X，径向为坐标轴y、 z，原点位于分离器左端截面的中心处，坐标轴的选取；
[0014] 第三步、模型的网格划分；在Gambit中采用自适应网格，为了保证网格划分的精 度和适应性，网格的密度设置为2. 5mmX 2. 5mm，整个计算区域包括483612个网格单元，其 中分液管部分包括5149个网格单元。
[0015] 进一步，油水分离过程的控制方程如下：
[0016] (1)流动控制方程
[0017] 油水分离流动的控制方程包括连续性方程和动量方程，对于湍流的不可压缩流 体，其时均方程的张量形式如下：
[0018] 连续性方程：
[0019]
【权利要求】
1. 一种仰角式油水分离器分离性能测定方法，其特征在于，所述的仰角式油水分离器 分离性能测定方法具体步骤如下： 步骤一、建立仰角式油水分离器几何模型，包括确定模型几何尺寸、选取模型坐标和对 模型进行网格划分； 步骤二、选取数值模拟方法，在模拟过程中，模拟介质为水和原油，油水分离温度认为 是恒温5(TC，湍流模型选用Realizable k- ε模型，多相流模型采用混合物模型，在Fluent 软件中选用绝对稳定的二阶迎风格式作为控制方程的离散格式，在数值模拟过程中选用 SMPLE方法； 步骤三、分别对0° -30°不同仰角下的油水分离器进行数值模拟，对不同仰角下模型 的油出口水相体积含量、水出口油相体积含量和油水分尚效率进行统计。
2. 如权利要求1所述的仰角式油水分离器分离性能测定方法，其特征在于，建立仰角 式油水分离器几何模型的具体步骤如下： 第一步、仰角式油水分离器几何模型的几何尺寸数据如下：处理量300m3/d，停留时间 6min，含油浓度取为10 %，混合物进口直径70mm，水出口直径50mm，油出口直径50mm。 第二步、模型坐标的选取；建模过程中选用的坐标系为笛卡尔坐标系，轴向为坐标轴 X，径向为坐标轴y、z，原点位于分离器左端截面的中心处，坐标轴的选取； 第三步、模型的网格划分；在Gambit中采用自适应网格，为了保证网格划分的精度和 适应性，网格的密度设置为2. 5mmX 2. 5mm，整个计算区域包括483612个网格单元，其中分 液管部分包括5149个网格单元。
3. 如权利要求1所述的仰角式油水分离器分离性能测定方法，其特征在于，油水分离 过程的控制方程如下： (1)流动控制方程 油水分离流动的控制方程包括连续性方程和动量方程，对于湍流的不可压缩流体，其 时均方程的张量形式如下： 连续性方程：
动量方程：
式中 Su、Sv、Sw--广义源项，Su = Fx+sx、Sv = Fy+sy、Sw = Fz+sz ; Fx、Fy、Fz-质量力； Sjj、Sy、Sz 如下所 7]^ I
式中μ -动力粘度（Pa· s); λ--第二相动力粘度，通常取值为-2/3 (Pa · s); 对于不可压缩流体，若其粘度为常数，sx = sy = sz = 0,动量方程可以化简为：
(2)混合物模型基本控制方程 仰角式油水分离器内流体为油水混合物的两相流，在模拟计算时采用Realizable k-ε混合湍流模型，其控制方程包括： 混合物模型的连续性方程：
式中i--混合物的质量变化率； P m--混合密度； /--质量平均速度； a k-第k相的体积分数。 混合物模型的动量方程：
式中η--相数； F-体积力； μ m-混合物粘性； V dr,k -第二相k的漂移速度。 相对速度的形式：
式中=--第二相粒子的加速度； τ qp-粒子的弛豫时间： τ qp的形式如下：
式中dp--第二相颗粒（或液滴或气泡）的直径； fdrag--曳力系数，其表达式如下：
加速度?的形式为：
由第二相Ρ的连续性方程可得到第二相Ρ的体积分数方程如下：
4.如权利要求1所述的仰角式油水分离器分离性能测定方法，其特征在于，在数值模 拟中入口边界条件设置为速度进口，入口流速根据分离器的处理量和入口管径进行确定， 对油出口和水出口选用自由出流边界条件，油出口的体积流量分数控制在10 %，水出口的 体积流量分数控制在90%，分离器内部所有壁面均采用无滑移边界，壁面粗糙度设置为 0. 15mm〇
【文档编号】G06F19/00GK104156620SQ201410424410
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月24日 优先权日:2014年8月24日
【发明者】黄坤, 陈利琼, 卢泓方, 吴世娟, 李霞, 李新战 申请人:西南石油大学