响应曲面法优化旋流分离处理含油废水

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1、响应曲面法优化旋流分离处理含油废水＊刘宇程程齐暄（西南石油大学化学化工学院）摘要旋流分离器对含油废水的油-水分离有较好的效果，但其分离效率受到结构尺寸的影响。目前定量计算大多采用经验公式进行设计，并且大部分经验公式是基于固-液分离的旋流器，对于油-水分离并不能达到最优的分离效果。通过响应曲面法（RSM）中的中心组合实验设计对旋流器进行设计计算，以20％含油率水样，旋流器公称直径75mm为例，优化结果为入口直径为14mm，溢流口直径为18.94mm，底流口直径为8mm，处理效率为93.13％，优于广泛采用的Arterburn和Rietema经验公式设计的处理效率。关键词旋流

2、器；含油废水；响应曲面法；数值模拟；分离效率文章编号：1005-3158(2014)00引言表1各因素水平及编码设计mm因素编码﹣10﹢1﹣1.682﹢1.682入口直径X116182014.63621.364溢流口直径X220222418.63625.364底流口直径X31012148.63615.364──────────────＊基金项目：国家自然科学基金项目“废弃油基钻井液旋流分离机理及脱出油循环利用研究”（51104126）。刘宇程，2001年毕业于西南石油大学化学工艺专业，在职博士，副教授，现在西南石油大学化学化工学院从事油气田污染治理方面的研究。通信地址：四

3、川省成都市新都区新都大道8号，610500钻井废水、油田采出水，以及稀释破乳后的含油污泥、钻井液是油气田开采过程中产生的含油废水的主要来源，其中部分油基钻井液含油量高达40％[1]，若直接排放不仅造成环境污染，而且浪费资源。经过预处理后的含油废水可以通过旋流器进行油水分离，对于一定的水样来说，油水分离效率与压力降、分流比、入口流量，以及旋流器结构类型、入口直径、溢流口直径、底流口直径有关[2-3]。压力降、分流比、入口流量可以通过调节管道的阀门进行实验分析，周宁玉采用STATISTICA6.0对入口流量和分离比与分离效率的关系进行了二次拟合[4]。但旋流器结构类型、入口直

4、径、溢流口直径、底流口直径若直接通过实验进行设计成本较高，并且未查到对这些参数进行二次拟合的相关文献。响应曲面法分析多因素多水平的实验优于正交实验方案，主要体现在能准确估计达到最优处理效率的参数[5-6]，并且液-液旋流分离定量分析结果较少。数值模拟是一种分析旋流器经济可行的手段[7-9]，所以本文通过数值模拟对不同尺寸的旋流器的分离效率进行计算，并采用响应曲面法对模拟结果进行二次拟合，最后将优化结果与Arterburn和Rietema设计方案进行比较。1数值模拟拟采用处理量Q＝6m3/h，水样柴油含量α＝20％，入口压力P＝0.2MPa，依据现有经验公式[10]设计公称

5、直径D＝75mm、筒体高度H1＝100mm、锥体高度H2＝250mm的旋流器作为初始条件。根据中心组合实验设计法（CentralCompositeDesign）对入口直径di、溢流口直径do、底流口直径du进行三因素三水平实验设计，编码分别为X1，X2，X3，中心点实验次数为6，r值为1.682[11]。以溢流口油含量与入口油含量的比值除油率y为响应值，各因素三水平由低到高分别编码﹣1，0，﹢1，如表1所示。采用ICEMCFD与Fluent对表1中的不同尺寸的旋流器进行模拟计算，相关文献指出，RSM湍流模型与Mixture混合模型计算旋流分离器具有较高的精表3回归方程的方

6、差分析变量源平方和自由度标准差F值Prob＞F模型876.03997.3468.6＜0.0001X10.1010.110.070.7909X2157.441157.45110.97＜0.0001X3698.391698.40492.23＜0.0001X1X22.0112.011.420.2614X1X32.7912.801.970.1906X2X314.23114.2310.030.0100X120.0110.010.010.9228X220.9610.960.680.4288X320.0710.070.050.8290残差14.19101.42度[12-13]。由于中心

7、实验次数需6次，模拟时采用不同的网格划分精度与k-ε模型配合使用，以达到不同表2模拟旋流器实验除油率方案号入口/mm溢流/mm底流/mm除油率/％116201087.43220201083.13316241088.08420241088.60516201467.36620201468.24716241476.16820241476.23914.636221278.541021.364221279.51111818.6361271.23121825.3641285.181318228.63690.6114182215.36467