目前，我國大部分油田已進入高含水階段。此前，油田采出液一般采用電脫水法處理，而電脫水器容易穿越電場，處理后的油水含量超標，不能滿足逾期的處理要求。臥螺離心機更適合油泥資源化處理的工業(yè)化應用。但它的局限性是在三相分離中分離出的固相不夠純凈，會混入較多的油相，分離效率也需要進一步提升。

朱桂華等對離心機內(nèi)部物料進行三維模型的建立，結(jié)合Fluent軟件選用RNG k-ε湍流模型與多重參考系模型，對流場內(nèi)固、液兩相進行模擬仿真，得到不同轉(zhuǎn)速差下三相臥螺離心機流道的速度和壓力云圖，以及出砂口固相的干燥程度與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線。鄭勝飛等采用Fluent軟件中的雷諾應力模型和離散相模型模擬離心機三維流場，得到流場內(nèi)的壓力和速度分布，顆粒沉降時間與理論計算結(jié)果相符合。

含油污泥是石油開采、提煉、加工、儲存、運輸?shù)冗^程中產(chǎn)生的主要廢物。它通常是一種由水、油、砂三相組成的高度穩(wěn)定的乳狀液，其中含有大量的碳氫化合物（PHCs）。如果不能將其回收處理，大量的含油污泥會污染地表。而且從污泥中回收原油也將具有很大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。三相機械離心分離技術(shù)具有能耗低、污染小、操作簡單等優(yōu)點，適用于污泥資源化處理的工業(yè)應用。本文將采用計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬以及實驗驗證的方法，對三相臥螺離心機在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分離性能進行研究。

1 多相流和湍流模型

在流體力學軟件Fluent中有3種多相流模型：VOF、Mixture及Euler模型。本文將采用Mixture模型。該模型適合離心機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中分散相不均勻分布的特點。

湍流模型選用RNG k-ε雙方程湍流模型，其具有可解決高應變率和高流線彎曲率的優(yōu)點，適合進行三維非定常不可壓縮流場計算。

2 結(jié)果和數(shù)值模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型設計

根據(jù)三相分離的特點，建立了三相臥螺離心機的三維模型。

該模型有3個主要特點：

（1）擋油板在圓柱段靠近與錐段連接處，防止油相在螺旋輸送器的推動下從出砂口流出。

（2）在圓柱段出口處設置一個類似連通器的結(jié)構(gòu)，這使得油和水沿著它們各自的路徑移動到單獨的出口，并且控制出水口和出油口的徑向高度，使得出水口與出油口的壓力近似相等。

（3）在螺旋輸送器圓柱段葉片上開孔，使擋油板擋住的油相可以通過開孔流回出油口，防止油相在擋油板處堆積，溢過擋油板，從出砂口流出。

這種三相臥螺離心機的新穎性和優(yōu)點主要有：擋油板可以防止油滴繼續(xù)向出砂口移動；螺旋輸送器葉片上開孔的設計可以使油相盡可能地從出油口流出，提高分離效率。

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)三相臥螺離心機的結(jié)構(gòu)模型建立數(shù)值模型。

在對結(jié)果影響不大的前提下，移除了管道、法蘭、肋板等結(jié)構(gòu)，簡化出油、出水、進料口結(jié)構(gòu)，更多關(guān)注轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場。

2.3 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS自帶的meshing進行網(wǎng)格劃分。螺旋輸送器葉片外沿到內(nèi)壁2mm的筒狀部分，由六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格sweep劃分，其余部分由四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。整個網(wǎng)格形式采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格形式。離心機模型單元數(shù)為1050474。網(wǎng)格質(zhì)量檢查顯示平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.83，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好，滿足計算要求。

2.4 計算條件

2.4.1 邊界條件使用

使用Fluent2019 R3計算其內(nèi)部流場。在轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間設置interface面，轉(zhuǎn)鼓和螺旋軸壁面剪切條件為無滑移條件，壁面為滑動壁面。

入口定義為速度入口，3個出口定義為壓力出口（表壓為零）。

2.4.2 數(shù)值設定

油、水、砂三相都視為不可壓縮流體，采用多重參考系模型計算流體區(qū)域的運動。由于流體處于湍流狀態(tài)，將RNG k-ε方程作為湍流模型，采用標準壁面函數(shù)法進行近壁處理，計算使用分離的隱式和SIMPLE方法，采用瞬態(tài)法計算，時間步長設置為0.03s，直到結(jié)果穩(wěn)定。

2.5 出水口和出油口位置的確定

在離心機的設計中，存在一個關(guān)鍵的問題，即出油口和出水口位置的確定。在排液過程中，如果油、水兩相壓力差較大，排液會出現(xiàn)明顯的先后順序，這樣會使油、水兩相從同一出口排出，嚴重影響分離效率。因此需要對出油口和出水口的壓力進行計算，從而確定兩者位置關(guān)系。

通過螺旋輸送器葉片開孔位置、出油口距中心軸半徑以及大量模擬，可知油相的穩(wěn)定厚度約為15mm，平衡線保持在145mm處。出油口距中心軸半徑為134mm，出油口半徑為4mm。為了出油口能穩(wěn)定出油并保證其回收效率，需要利用這些已知條件，通過排液壓力來確定出水口的位置。

在運行過程中，如果出水口壓力大于出油口壓力，則會導致排水速度大于排油速度，使油相厚度增加，使出水口壓力下降；反之，如果出水口壓力小于出油口壓力，則會導致排水速度小于排油速度，使油相厚度減小，出水口壓力上升。在一定范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)排液壓力平衡的負反饋調(diào)節(jié)，保證排液穩(wěn)定。

3 模擬結(jié)果和討論

3.1 離心機改進前油相體積分數(shù)分布分析

離心機改進前未設導油孔，油相回收率十分有限，而且在連續(xù)工作時，會出現(xiàn)油相在擋油板處過度堆積的問題。

隨著設備的運行，油相在螺旋輸送器的推動下于擋油板處堆積，然后溢出，使油相從出砂口推出，導致油相回收率下降，固相含油率上升，影響分離效率。

3.2 離心機改進后油相體積分數(shù)分布分析

模擬結(jié)果表明，在螺旋輸送器的推動下，油相很難從離心機內(nèi)壁面與螺旋輸送器葉片外端的縫隙中流向出油口。因此，通過在螺旋輸送器葉片上開設導油孔，使油能夠順暢地從出油口流出，避免油相在擋油板處堆積，影響分離效率。

同時，通過分析發(fā)現(xiàn)，物料在進入轉(zhuǎn)鼓時，會帶有徑向的速度。當進料位置距離擋油板過近時，會在螺旋輸送器的推動下，直接越過擋油板，導致油相回收率下降以及出砂口含油率增加，影響分離效率。

因此，通過大量的計算機模擬，不斷優(yōu)化，做出以下改進：螺旋輸送器上增加了周向24個導油孔，并且將進料位置向大端法蘭移700mm。

改進后變化明顯，在長時間運行穩(wěn)定后，油相依然沒有溢出擋油板，油相堆積得到了很好的解決，這種改進方法能夠提高油相回收率。

模擬結(jié)果表明，運行穩(wěn)定時油、水、砂三相分層明顯，出油口處幾乎沒有其他相，油相回收率得到很大的提高。

3.3 結(jié)構(gòu)改進前后數(shù)據(jù)對比

分離效率主要由各個出口處油和砂的體積分數(shù)來反映。為了便于計算，用油相回收率和固相回收率來分別評價油和砂的分離效率。

油相回收率為出油口出油量占入口進油量的百分比。固相回收率為出砂口出砂量占入口進砂量的百分比。

在模擬過程中，監(jiān)測各個出口的流量以及各組分體積分數(shù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果計算分離效率。

計算結(jié)果表明，增加導油孔，出水口含油率從10.2%下降到5.3%，出油口含油率也大幅度提升，油相回收率從59.4%提高到83.0%，固相回收率基本沒有變化。結(jié)構(gòu)改進后極大地提高了油相回收率，改進效果顯著。

4 實驗驗證

根據(jù)三相臥螺離心機結(jié)構(gòu)及特點，畫出整套零件圖和裝配圖，然后依據(jù)圖紙到加工廠生產(chǎn)制造設備，搭建實驗平臺。

實驗步驟如下：

（1）準備工作。實驗用的原料為自來水、原油和石英砂，按照體積比7：2：1的比例進行配制，對物料邊加熱邊攪拌，確保物料進入三相臥螺離心機前充分混合。

（2）空載運行以及熱水預熱。關(guān)閉進料閥和螺桿泵，開啟離心機主副變頻器，逐漸加速使離心機轉(zhuǎn)鼓和螺旋達到較高轉(zhuǎn)速。然后將螺桿泵通入熱水罐，啟動螺桿泵，再逐漸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，觀察各個進出口的流量變化。

（3）測試離心機的分離效率。關(guān)閉螺桿泵，讓轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的水自然排盡，然后將進料攪拌桶、螺桿泵、臥螺離心機三者相連，開啟螺桿泵，開始進料。調(diào)節(jié)主副變頻器逐漸使轉(zhuǎn)鼓加速，使其處于恒定轉(zhuǎn)速，保持進料物料特性和其他操作參數(shù)不變，對離心機進料、出油、出水及出砂進行采樣并測量。

（4）測試改進的離心機的分離效率并記錄數(shù)據(jù)。更換螺旋輸送器，重復上述操作。

對實驗分離出來的樣品進行采樣編號，之后采取焚燒法確定各組分含量。測量方法如下：首先，取一個清潔干燥恒重后的坩堝，稱重，加入待測樣品約10g，再次稱重，然后將坩堝和樣品以期放入電熱恒溫鼓風干燥箱烘干至恒重，稱重；將干燥后的樣品進行充分焚燒，稱重。根據(jù)以上操作記錄下的數(shù)據(jù)，可以計算出各個組分的含量。

實驗結(jié)果表明，改進后的離心機確實能夠顯著提升出油口含油率以及油相回收率，與模擬結(jié)果相符。但實驗中發(fā)現(xiàn)出油口含砂率與模擬相比差別較大，且含量很高，導致固相回收率不高。

通過觀察樣品發(fā)現(xiàn)，出油口的固相顆粒相比于出砂口的固相顆粒普遍偏小，且密度較小。總結(jié)原因，實驗使用的石英砂粒徑和球形度不夠均勻，且存放時間過長混入了大量灰塵，這些固相形成浮渣從出油口排出。

5 結(jié)論

（1）通過水力平衡計算，控制油、水兩相在出口位置的壓力相等，從而確定出水口的位置。在一定范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)排液壓力平衡的負反饋調(diào)節(jié)，保證排液穩(wěn)定。

（2）數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的三相臥螺離心機在螺旋輸送器的作用下，會將部分油相推向出砂口，影響分離效率。增加導油孔的設計可以使油相軸向流動，大大地減少了油相在擋油板處的堆積，對提升分離效率有積極作用。

（3）實驗中油相回收率大幅度提升，能夠證明導油孔在提升分離效率的實際作用。但在實驗中也發(fā)現(xiàn)，浮渣對分離效率影響極大，在以后的實驗中要選擇更加純凈、大小均勻的固相顆粒，而且要避免露天堆放混入灰塵。