一种管式分离器的优化设计方法技术

本发明专利技术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专利技术的分离设备，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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种管式分离器的优化设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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，近年来有人研究专利技术了管式分离器，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。专利
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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/sds——油滴直径，mg——重力加速度，N/kgρw——水的密度，kg/m3ρs——油滴或悬浮固体颗粒的密度，kg/m3μw——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。本专利技术的有益效果：本专利技术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，本专利技术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专利技术进行更详细的描述。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专利技术的实施方式，借此对本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉莉，党伟，黄辉，胡长朝，唐志伟，谭文捷，毕彩霞，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11