均质化是一种使悬浮液或乳化液体系中的分散物微粒化、均匀化的处理流程，这种处理方式不仅可降低分散物尺度还能改善分散物分布均匀度[1]。以新疆某油库为例，其综合含水率达标，但由于沉降造成底层原油含水率超标，使得外输原油前几个取样含水率不达标，造成油品交接纠纷，影响油品外输任务。为解决以上问题，使用原油均质化可以使外输原油含水率达标。常用的均质化设备有搅拌槽、静态混合器等。静态混合器由于能耗低、占用空间小的优势，在各行各业中应用广泛[2-3]。
前期的学者们大多采用实验方法研究某一个影响因素对原油均质化的影响。随着深入研究，发现影响因素多种多样，流体本身的性质和状态以及混合单元的改变，甚至如添加剂等都会影响静态混合器分布混合效果甚至改变液滴聚并和破碎的机制[4-6]，单一的实验难以对静态混合器分散效果和液滴破碎进行完整的描述，需要更先进的技术手段对静态混合器的内流场进行分析。
随着相关理论的发展，计算流体力学(CFD)被广泛应用于静态混合器中的多相流流场研究。其中，分布混合效果主要通过颗粒跟踪以确定停留时间分布(RTD)、均匀性和变异系数；分散混合效果主要采用群体平衡方程对液滴尺寸分布进行描述[7]。Haddadi等[8]采用液滴尺寸分布(DSD)和停留时间分布(RTD)研究了Kenics静态混合器对水-硅油和水-苯这两种互不相溶液体湍流分散效果；Leclaire等[9]采用格子玻尔兹曼方法预测SMX静态混合器中流速与压差关系，对比实验发现单相流和两相流平均差异分别为10.7%和16.6%。王宗勇等[10]采用FLEUNT软件中群体平衡模型预测Kenics静态混合器中的液滴平均直径和液滴尺寸分布，重点研究雷诺数、混合单元数和长径比等因素对静态混合器沿线平均粒径大小和液滴尺寸分布影响。综上所述，基于CFD的方法能有效地研究静态混合器中均质化效果的影响因素并对均质化效果进行量化表示，有利于进一步改善静态混合器的均质化性能。
将Kenics静态混合器引入到原油输送过程中，对含水原油进行均质化处理，解决含水原油中水分分布不均匀或大量聚集的现象，为解决现场含水率不均匀导致的原油交接纠纷提供参考和理论依据。
采用三维建模软件Solidworks对Kenics静态混合器中的混合单元进行建模，如图 1所示。混合单元的直径与管道内径相等，初始长径比L/D为1∶1，厚度为10 mm。管线尺寸为DN200 mm，模型原点位于混合单元入口，内部设置6个混合单元，混合单元长度为1 242 mm，如图 2所示。流体进入混合单元之前有一个预混合区，其长度L1为414 mm，第6个混合单元与管线出口的距离L2为1 242 mm，模型原点位于第1个混合单元左侧直径中心处，管线总长L0为2 898 mm。考虑到混合单元呈不规则的扭曲状，针对静态混合器计算网格采用非结构化网格。为了更好地捕捉近壁面区域流体流动特征，采用了膨胀层(inflation)网格进行过渡，并对混合单元壁面进行了网格加密，Kenics静态混合器的网格划分情况如图 3所示。
以新疆某油库现场数据为基础，使用FLUENT软件对Kenics静态混合器的混合单元排列方式、扭角、长径比和数量进行模拟，分析其对均质化效果的影响。
由于研究的是油水两相，故采用多相流模型。FLUENT软件中的多相流模型包括Volume of Fluid模型(VOF模型)、混合模型(Mixture模型)和欧拉模型(Eulerian模型)。VOF模型适用于跟踪两种及以上不相容流体界面位置。Mixture模型适用于分散相分布较广的情况，其计算量小、稳定性高；Eulerian模型的分散性只集中于区域某一部分，计算量较大，但精度高。考虑到计算量和静态混合器内存在分散相破碎且流动复杂的情况，最终选用Mixture模型[11]，对应的连续性方程和动量方程如式(1)和式(2)所示。
式中：▽为哈密顿算子；ρm为混合物的密度，kg/m3；vm为混合物的质量平均速度，m/s；μm为混合物的黏度，Pa·s；F为体积力，N；αk为次相k的体积分数；vk为次相k的漂移速度，m/s。
湍流模型主要包括Realizable k-ε模型和RNG模型，RNG模型适用于模拟中度旋流，Realizable模型适用于模拟强旋流，考虑到Kenics静态混合器内部流场主要为强旋流，因此，采用Realizable k-ε模型，该模型在标准k-ε方程基础上加入与旋转和曲率有关的项[12-13]，k与ε的运输方程如式(3)和式(4)所示。
式中: Gk为平均速度梯度引起的湍流动能k的生成项; Gb为浮力引起的湍流动能k的生成项; YM为可压缩性修正项; Sk、Sε分别为k方程和ε方程的源项。
由于均质化分为分布混合和分散混合，而分散混合描述了粒子在体系中的粒径变化，因此，研究油水混合物在Kenics静态混合器中的均质化过程需要对分散相的粒径进行表述，考虑其内部的液滴粒径分布以及聚并和破碎现象，采用Mixture模型与PBM模型相耦合的模型方法预测流场对分散相液滴平均粒径和粒径分布的影响[14-15]。由于需要计算粒径分布，因此，选用均一离散法将分散相液滴离散为有限的几种粒径间隔并耦合CFD方法进行求解计算。聚并模型和破碎模型分别选择Turbulent模型和Luo模型[16-18]。群体平衡模型中的群体平衡方程如式(5)所示。
式中：S(v, t)为液滴聚并和破碎的源项，其表达见式(6)。
式中：v为液滴体积，m3；n为数量密度函数，t为时间，s。
以油水混合体系进行数值模拟，油为连续相，水为分散相。油水物性参数见表 1。管线入口边界条件为1 m/s的速度入口，设置入口1和入口2的初始含水率分别为2.0%和0.4%，采用均一离散法将管内粒径分为10个区间，入口水滴粒径的初始值设置为Bin-0、Bin-1和Bin-2三种。出口边界条件定义为压力出口，壁面均采用无滑移边界条件。由于油水为不可压缩流体，所以压力和速度耦合采用SIMPLE算法，离散格式除体积外均为二阶迎风格式，动量、湍动能和湍流耗散率等指标收敛精度均为10-4。
为了保证数值模拟计算的准确性，针对Kenics静态混合器几何模型，利用网格划分软件ANSYS Meshing划分了5种不同网格数的非结构化网格，网格数分别为1 303 755、1 802 723、3 062 984、4 110 626、5 012 696。在相同参数条件下，根据流体通过静态混合器的压降进行网格无关性验证，结果如图 4所示。当网格数达到3 062 984时，随着网格数的增加，压降变化较小。为了兼顾计算精度和计算效率，选择网格数为3 062 984作为最终的计算网格。
为了定量分析均质化效果，采用变异系数(CoV)和索特平均直径(d32)分别对分散物分布均匀度和分散物粒度进行表示，其表达式分别如式(7)、式(8)所示。
式中：σ为标准偏差；N表示数据点的个数；ci为第i个区域水相的体积分数; c为截面上水相的面平均体积分数，%; di为液滴的直径, m; ni为粒径是di的液滴数量，个。
为探究不同混合单元排列方式对均质化效果的影响，划分了混合单元排列方式为同向顺排、同向叉排、异向顺排和异向叉排的4种Kenics静态混合器模型。图 5所示为4种结构下的水相体积分布云图。从图 5可看出, 相比于同向顺排和异向顺排，同向叉排和异向叉排明显有更好的分布混合效果，并且同向排列时不能实现水相的均匀分布。当排列方式为同向叉排时，流体流出混合单元后仍然存在水相分布不均匀的现象，而异向叉排时流体流出混合单元后已经完全混合均匀。因此，交叉排列时对流体的切割分流效果是影响流体分布混合效果的主要因素，异向排列时对流体流动方向的改变对分布混合效果的影响仍然较大，只是略小于同相排列时的流动方向。
采用变异系数对分布混合效果进行量化表示，变异系数越小，分布混合效果越好。如图 6所示，随着排列方式的变化，管线出口的变异系数逐渐减小，其分布混合效果从优到劣依次为异向叉排、同向叉排、异向顺排、同向顺排，叉排时相同位置对应的变异系数最小，异向叉排的变异系数小于同向叉排，并且在流出最后一个混合单元(轴向距离(z)=1 242 mm)后保持稳定，这与图 6得出的结论相同。
图 7所示为不同排列方式下管线内液滴平均粒径变化曲线图。从图 7可看出，管线内水滴的平均粒径都随着通过混合单元个数的增加而降低，管内最终的液滴平均粒径从小到大依次为异向叉排、异向顺排、同向叉排、同向顺排，同向排列时对水滴的破碎效果较弱，液滴平均粒径变化不大。由此可以看出，相较于对流体的切割分流，对流体流动方向的改变更能引起液滴破碎，为了兼顾分布混合和分散混合宜采用异向叉排的排列方式。
为了探究混合单元扭转角度对均质化效果的影响，划分了混合单元扭转角度为90°、120°、150°、180°、210°和240°共6种Kenics静态混合器模型。图 8所示为不同扭角的变异系数曲线图。从图 8可看出，变异系数随扭转角度的增大而降低，并且扭转角度越大，变异系数降低的速度越快。当扭角为90°和120°时，在z=1 863 mm处，其变异系数有增大的趋势，最终出口的变异系数值为0.144 2和0.107 9。表明较小的扭角不能保持油水混合物的分布混合效果，在流出混合器后可能会出现油水分层流动现象。随着扭角的增大，当扭角为240°时，变异系数在z=1 242 mm处趋于稳定，而较小的扭角在此处的变异系数并不能达到稳定。因此，扭角越大，变异系数越小，并且越快达到稳定。
图 9为不同扭角的液滴平均粒径变化曲线图。从图 9可看出，液滴平均粒径随扭角的增大而明显减小，当扭角为240°时，出口处的液滴平均粒径为99.27μm，较大的扭角具有更强的剪切力和拉伸力，能使水滴有效地破碎。综上所述，较大的扭角有利于获得较好的均质化效果。
图 10所示为不同长径比的变异系数曲线对比。从图 10可看出，随着长径比的降低，出口处的变异系数减小并逐渐趋于相同。当长径比为1.75∶1.00时，变异系数在管线出口处仍然呈下降趋势，此时达到完全混合需要更多的混合单元。而在长径比为0.50∶1.00、0.75∶1.00、1.00∶1.00、1.25∶1.00和1.50∶1.00的混合器中，变异系数值分别在z=621 mm、z=1 035 mm、z=1 242 mm、z=1 656 mm、z=1 863 mm处达到稳定，表明长径比越小，变异系数值达到稳定所需要的混合单元数量也越少，越有利于对油水的分布混合。
图 11所示为不同长径比的液滴平均粒径变化曲线图。从图 11可看出，随着长径比的降低，管线内液滴平均粒径的下降幅度越来越大。当长径比为0.50∶1.00时，对应的出口水相液滴平均粒径为55.14 μm。随着长径比的减小，液滴平均粒径达到稳定所需要的混合单元数量减少。这是因为流体流经相同的距离时，长径比越小，其通过的混合单元个数越多，流体流向被改变的次数越多，所受拉伸作用和湍动效果的次数越多。因此，长径比越小，出口处的液滴平均粒径越小。综上所述，较小的长径比有利于获得较好的均质化效果。
根据对混合单元长径比的研究发现，为了获得较好的均质化效果，长径比越小，需要通过的混合单元数量越多。因此，混合单元数量对均质化效果有较大影响。为了探究混合单元数量对均质化效果的影响，划分了混合单元数量分别为0、2、4、6、8、10共6种混合器模型。图 12所示为不同混合单元数量的变异系数曲线。从图 12可看出，混合单元数量为0，即空管时的变异系数呈上升趋势，说明空管时几乎不存在分布混合现象，并且水相的分布越来越不均匀。随着混合单元数量的增多，变异系数明显呈下降趋势，当混合单元数量达到4个及以上时，最终得到的变异系数值几乎不存在太大差别，再增加混合单元数量只能保持变异系数的稳定，并不能使其减小。
图 13所示为不同混合单元数量的液滴平均粒径变化曲线。由图 13可知，空管时整体的液滴平均粒径呈现增大的趋势，对应的出口液滴平均粒径为248.13 μm。这是因为此时流体状态为自然流动，液滴在碰撞时聚并为大液滴。随着混合单元数量的增加，管线出口的液滴平均粒径逐渐下降，下降幅度逐渐趋于平缓，这是由于每通过一个混合单元，流体都会被切割和分流，从而将大液滴切割为小液滴。且混合单元数越多，湍动效果持续时间越长，对应的水相液滴平均粒径越小。当混合单元数为10个时，对应的出口液滴平均粒径为103.58 μm。因此，混合单元数量越多，出口处的液滴平均粒径越小。综上所述，较多的混合单元数量有利于获得较好的均质化效果。
(1) 含水原油在Kenics静态混合器中流动时，混合单元对流体的切割分流是影响分布混合效果的主要因素，对流体流向的改变也是影响分散混合效果的主要因素。
(2) 同向排列和异向排列的区别在于是否改变流体流向，叉排和顺排的区别在于是否对流体进行切割分流。因此，为了兼顾分布混合效果和分散混合效果，选用异向叉排的排列方式能得到较好的均质化效果。
(3) 混合单元扭角越大，对流体的湍动效果和拉伸作用越强，管线出口处的变异系数和液滴平均粒径越小，均质化效果越好。但在扭角较小时，出口处的变异系数有增大的趋势，这表明较小的扭角不能保持油水混合物的分布混合效果，在流出混合器后可能会出现油水分层流动现象。
(4) 随着混合单元长径比的减小，管线出口处的变异系数和液滴平均粒径呈下降趋势，达到稳定时，流体流经的距离变短，流体流经相同的距离时通过的混合单元数量增多，且通过的混合单元数量越多，均质化效果越好。
2024, Vol. 53 Issue (1): 83-89 2024, Vol. 53 Issue (1): 83-89