流体机械

参数	数值
柱段直径D/mm	50
柱段高度H/mm	100
溢流口直径D_o/mm	10
底流口直径D_u/mm	14
叶片流道n	4
锥段夹角θ/（°）	3
尾管长度L/mm	750

参数	数值
柱段直径D/mm	50
柱段高度H/mm	100
溢流口直径D_o/mm	10
底流口直径D_u/mm	14
叶片流道n	4
锥段夹角θ/（°）	3
尾管长度L/mm	750

旋流场下含油污泥湍动脱附机制研究

严忠 ¹ , 戴新河 ¹ , 李彬 ² , 刘鹏飞 ¹ , 孙治谦 ³ , 王振波 ³

流体机械 | 设计计算 2026,54(5): 37-44

收起

流体机械 |设计计算 2026 , 54 (5) : 37 -44

旋流场下含油污泥湍动脱附机制研究

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严忠¹, 戴新河¹, 李彬², 刘鹏飞¹, 孙治谦³, 王振波³

作者信息

¹中国石油新疆油田分公司监督中心，新疆克拉玛依 834000

²江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013

³中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580

作者简介:

严忠（1968），男，高级工程师，主要从事油气田地面工程采出液处理技术及油田化学剂配方研究，通信地址：834000新疆维吾尔自治区克拉玛依市准噶尔路29号中国石油新疆油田分公司监督中心，E-mail：yzhong@petrochina.com.cn。

Study on the mechanism of turbulent desorption of oil‑contaminated sludge in rotating flow field

Zhong YAN¹, Xinhe DAI¹, Bin LI², Pengfei LIU¹, Zhiqian SUN³, Zhenbo WANG³

Affiliations

¹Supervision Center of China National Petroleum Corporation Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China

²School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China

³College of New Energy，China University of Petroleum （East China），Qingdao 266580，China

出版时间: 2026-05-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.005

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摘要

收起

针对石油开采、加工和集输过程中产生的含油污泥有效处理与利用的难题，开展湍动流场分布特征、含油污泥颗粒运动和分布行为研究，构建DN50轴流式水力旋流器模型并进行试验验证。采用Eulerian多相流与RSM湍流模型，探究旋流场下含油污泥的湍动脱附机制。结果表明，在研究范围内（流量2~6 m³/h、溢流比2%~20%），最佳操作工况为流量4.5 m³/h、溢流比10%，此时，原油回收率和污泥减排率分别达到96.72%和99.27%；在含油污泥处理过程中，流量变化同时影响着旋流分离过程和含油污泥的脱附过程；溢流比对旋流分离过程的影响明显大于含油污泥的脱附过程；旋流场的湍流作用能够实现含油污泥的高效脱附。研究为“强湍动脱附+强旋流分离”两级旋流组合工艺的工业应用提供参考。

关键词

含油污泥 / 旋流场 / 湍动脱附 / 脱附机制

Abstract

收起

Aiming at the challenge of efficient treatment and utilization of oil‑contaminated sludge generated during petroleum exploitation，processing and gathering-transportation，the distribution characteristics of turbulent flow field as well as the movement and distribution behavior of oil‑contaminated sludge particles were conducted.A DN50 axial‑flow hydrocyclone model was established and verified by experimental tests.The Eulerian multiphase flow model and RSM turbulence model was adopted to explore the turbulent desorption mechanism of oil‑contaminated sludge under rotating flow field.The results show that within the research range （flow rate of 2~6 m³/h，overflow ratio of 2%~20%），the optimal operating conditions are flow rate of 4.5 m³/h and overflow ratio of 10%，under which the crude oil recovery rate and sludge reduction rate reach 96.72% and 99.27% respectively.During the treatment of oil‑contaminated sludge，variation of flow rate affects both the rotating separation process and the desorption process of oil‑contaminated sludge simultaneously.The influence of overflow ratio on the rotating separation process is significantly greater than that on the desorption process of oil‑contaminated sludge.The turbulent effect of the rotating flow field enables efficient desorption of oil‑contaminated sludge.This study provides a reference for the industrial application of a two‑stage rotating process integrating "intensive turbulent desorption" and "enhanced cyclonic separation".

Key words

oil‑contaminated sludge / rotating flow field / turbulent desorption / desorption mechanism

引用本文

严忠, 戴新河, 李彬, 刘鹏飞, 孙治谦, 王振波. 旋流场下含油污泥湍动脱附机制研究. 流体机械, 2026 , 54 (5) : 37 -44 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.005

Zhong YAN, Xinhe DAI, Bin LI, Pengfei LIU, Zhiqian SUN, Zhenbo WANG. Study on the mechanism of turbulent desorption of oil‑contaminated sludge in rotating flow field[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (5) : 37 -44 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.005

正文

收起

0　引言

收起

含油污泥作为石油工业开采、集输、加工等各个环节不可避免的产物之一，根据《国家危险废物名录（2021年版）》，含油污泥已被列为危险固体废物（HW08废矿物油与含矿物油废物）^［1］。有数据显示，含油污泥产生量与原油产量的比例约为1∶500^［2］。相关统计数据表明，2023年国内原油产量高达2.08亿吨，仅原油开采环节产生的含油污泥就高达40万吨^［3］。整个油气生产环节中，各类油泥产生量可达数百万吨。

对于含油污泥的处理，传统方法大多采用填埋、水洗、焚烧等方式，以上方法存在二次污染等较为严重的问题。近些年来，含油污泥处理行业发展了生物处理、高温热解、冷冻处理、超声波处理等多种新型处理工艺^［4］。这些方法虽有其优势，但仍存在成本高、适应性低等局限性。因此，亟需一种经济、高效、流程密闭、节能环保的含油污泥处理新工艺。

与传统的含油污泥处理工艺相比，液-液强旋流分离技术具有以下优势：（1）流程密闭，不会造成二次污染；（2）适应能力强，能够实现连续操作；（3）对含油污泥的冲刷脱附能力较强。目前，旋流分离技术虽已应用于含油污泥处理过程，并取得了良好的效果，但是对旋流场下含油污泥的主要影响因素和脱附机制尚缺乏认识。因此，为探究“强湍动脱附+强旋流分离”对含油污泥的脱附效果，解决强旋流湍动脱附技术在工程实践中应用不足的问题，有必要开展进一步研究。

本文采用数值模拟方法，以罐底油泥为研究对象，厘清旋流器内部流场特性与污泥颗粒运动规律，并对单管轴流水力旋流器进行结构优化，阐明强旋流湍动作用下含油污泥的脱附和分离机制，为旋流分离技术处理含油污泥工业化应用提供理论指导。

1　数值模拟方法及验证

收起

1.1　几何模型

经过前期设计和优化工作^［5-9］，本文所用DN50轴流式水力旋流器结构参数如表1所示，结构示意如图1所示。

1.2　网格划分

采用多面体网格^［10-11］进行网格划分，并对导叶、溢流管等狭窄处进行局部加密，如图2所示。

分别选取约7万、39万、48万、73万、97万、140万数量的网格进行无关性验证，结果如图3，4所示。

由图3可知，当网格数量增加到731 445时，旋流器压降变化保持平缓，基本保持在86 kPa左右。

由图4可知，当网格数量增加到484 787时，切向速度峰值变化很小，基本保持不变。因此，综合考虑模拟计算结果的准确性，同时提高计算效率，选择网格数量为731 445。

1.3　数学模型及控制方程

1.3.1　多相流模型

Eulerian模型常用于处理复杂流体运动问题，多用于颗粒悬浮、流化床等场景^［12-13］。含油污泥处理过程涉及液-液-固三相分离过程。除附着在污泥外的含油污泥颗粒外，还存在大量的游离态油相，因此，本文选择Eulerian模型进行模拟。在Eulerian模型的基础上，将流体设置为连续相，将颗粒设置为离散相，通过欧拉-拉格朗日法求解。

1.3.2　湍流模型

雷诺平均（RNAS）法结合湍流理论、试验数据，以及直接模拟的计算结果，对雷诺应力进行适当的假设，使湍流中的雷诺方程封闭并进行求解。雷诺平均（RNAS）法中，RSM模型能够精准考虑各向异性效应、流场旋转、涡流生成、流线弯曲等变化，能够很好地预测旋流器在运行过程中，内部产生的强湍动流场和强旋流场^［14-19］。因此，选择RSM模型作为湍流模型。

连续性方程和雷诺平均方程如下：

∂ u i ¯ ∂ x i = 0

（1）

∂ u ¯ i ∂ t + u ¯ j ∂ u ¯ i ∂ x j = - ∂ p ¯ ρ ∂ x i + υ ∂ 2 u ¯ i ∂ x j ∂ x j - ∂ ∂ x j u i' u j' ¯

（2）

雷诺应力输运方程如下：

∂ ∂ t ρ u i' u j' ¯ + ∂ ∂ x k ρ u k u i' u j' ¯ = D i j + P i j + ϕ i j + ε i j + S

（3）

D i j = - ∂ ∂ x k ρ u i' u j' u k' ¯ + p δ i . j u i' + δ i . k u j' ¯ - μ ∂ u i' u j' ¯ ∂ x k

（4）

P i j = - ρ u i' u k' ¯ ∂ u ¯ j ∂ x k + u j' u k' ¯ ∂ u ¯ i ∂ x k

（5）

ϕ i j = p' ∂ u i' ∂ x j + ∂ u j' ∂ x i ¯

（6）

ε i j = - 2 ρ υ ∂ u i' ∂ x k ∂ u j' ∂ x k ¯

（7）

式中，

u ¯

为时均速度，m/s；

u

为瞬时速度，m/s；

x

为坐标，m；

i, j, k

为矢量方向；

t

为时间，s；

p ¯

为平均压力，Pa；

ρ

为密度，kg/m³；

S

为源项；

δ

为Kronecker因子；

p'

为脉动压力，Pa；

υ

为运动黏度，m²/s。

1.4　模型验证

试验装置如图5所示，主要由5个部分组成：进料系统、旋流分离系统、液体输送系统、阀门控制系统，以及仪表控制系统。其中，液体输送系统由泵和电机组合而成，仪表控制系统采用电磁流量计和地震压力计。将特定品质的含油污泥注入桶体，按比例加水后通过混合器充分搅拌。在电机驱动下，进料液经水力旋流器入口进入旋流室，完成分离处理。在分离室中，油相在离心作用下进入水力旋流器，通过溢流管排出；而水相和泥相则沿侧壁流经水力旋流器的底流口。溢流管排出的油相与底流管排出的水相及泥相，均进入搅拌桶进行下一次循环处理。

在该试验装置上对DN50轴流式水力旋流器进行试验，并记录压降与流量数据。由图6可知，试验值略大于模拟值，原因在于试验过程中管道等部件造成的阻力损失。但总体能够证明本模型的准确性。

2　湍动流场

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湍流动能是湍流区域内，在流体微元之间的碰撞和拉伸等作用下，流体出现速度梯度，并由此产生的动能。湍流强度是湍流脉动速度的均方根值和平均速度的比值，可用来表征流场湍动的强弱程度，其大小能直接反映流场的稳定性和均匀性^［20］。湍流动能和湍流强度的计算公式如下：

E k = 3 (v I) 2

（8）

I = 0.16 R e - 1 / 8

（9）

式中，

E k

为湍流动能，m²/s²；

v

为流速，m/s；

I

为湍流强度；Re为雷诺数。

图7和图8分别为湍流动能分布云图和湍流强度分布云图。由图可知，湍流动能和湍流强度的峰值出现在缓冲腔部分，这是因为流体进入缓冲腔时，流动方向和流动状态均发生变化，流体发生剧烈湍动，湍流动能和湍流强度最高。而在旋流器柱段和锥段，越靠近壁面处，湍流动能和湍流强度越大，在壁面处数值最大；旋流中心部位和溢流口附近的湍流强度和湍流动能很小，流体流动状态较为稳定。在这种情况下，含油污泥颗粒在缓冲腔内跟随流体做剧烈湍动运动，不仅增加了颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间的碰撞和摩擦几率，同时较高的湍动作用带来的雷诺剪切应力也能促使油膜破碎，释放附着态油相，促进含油污泥的脱附。旋流器壁面处湍流动能和湍流强度较大，这是因为流体与壁面之间的摩擦阻力较大，流体流动状态呈现强烈的各向异性特征，由此产生的雷诺应力也较大，同样有利于油相的脱附。此外，旋流器中心部位和溢流口处的流体流动状态较为稳定，游离态的油相进入上行流，并从溢流口排出的过程不会受到流体湍动的影响，有利于油相的分离回收。

3　含油污泥脱附

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3.1　流量影响

以原油回收率和污泥减排率作为旋流器处理含油污泥过程的指标，其表达式如下：

E o r = M o M t × 100 %

（10）

E s r = M u' M t' × 100 %

（11）

式中，

E o r

为原油回收率；

M o

为溢流口原油质量流率，kg/s；

M t

为入口总的原油质量流率，kg/s；

E s r

为污泥减排率；

M u'

为溢流口污泥质量流率，kg/s；

M t'

为入口总的污泥质量流率，kg/s。

溢流比为10%时，含油污泥处理效率随的流量变化如图9所示。原油回收率随流量的增大呈现先增大后减小的趋势。当流量过小（<2 m³/h）时，旋流器内部流场的切向速度较低，流体旋转产生的分离作用力较小，只有粒径较大的油滴能够克服黏滞力运动至中心上行流，进而从溢流口排出；粒径较小的油滴无法被分离，导致原油回收率较低。

随着流量增大，流场的离心分离作用也随之增大，更多粒径较小的油滴也能被分离，原油回收率不断提高。但是当流量过大（>5 m³/h）时，原油回收率略微下降。原因在于：流量增大，旋流器提供给油滴的离心分离作用增大，但油滴在旋流器锥段的停留时间减少，若在停留时间内油滴无法移动至中心上行流，同样无法从溢流口排出，原油回收效率也会下降。此外，流量增加，旋流器内部切向速度增加，切向速度梯度随之增加，流体对油滴的剪切作用增强，一些大油滴会被剪切成小油滴，导致流体乳化作用增强，分离难度加大，造成原油回收率下降；流量增加，流体推流程度也会更加剧烈，内部流场稳定程度降低，部分水相从溢流口流出，也会造成原油回收率的降低。从剪切力角度来看，当流量增大时，流场切向速度增加，旋流器内部流场产生的强剪切力增大，引起流场内部的分散相发生变形，甚至破碎。剪切力在适宜范围时，会使游离态油相液滴适当变形，增加液滴的截面积，增大液滴碰撞几率，促使液滴聚并，利于分离；同时，对附着油相的含油污泥颗粒而言，需要旋流器提供的剪切力来克服油相与泥相之间的黏附力，实现油相脱附。油相从污泥上脱附后，在旋流场离心聚并作用下实现分离，也能有效提高原油回收效率。但是剪切力过大，虽然能够实现附着态油相的脱附，但却不利于旋流场的离心分离作用，降低分离效率。

对于含油污泥中的固体颗粒，污泥减排率随流量的增大也呈现先增大后减小的趋势。流量增大时，流体切向速度增加，旋流器流场提供的旋流分离作用随之加强，更多的污泥被分离，污泥减排率升高。但是流量增大至一定程度时，虽然污泥受到的离心分离作用进一步加强，但是旋流器内流场湍流程度升高，稳定性下降，污泥“返混”现象加剧，部分污泥进入上行流，从溢流口排出，导致污泥减排率降低。相关研究表明，流量增加时，流场内部上行流会在锥段尾部处发生“偏心”现象，且随着流量的增大，该现象愈发剧烈，流场越不稳定^［21］。此外，旋流器内部流场的循环流^［22］会随着流量增大呈现先减小后增大的趋势。因此，流量过大时，循环流也会加剧污泥“返混”现象，降低污泥减排率。由图9可知，流量4.5 m³/h为最佳工况，原油回收率和污泥减排率最高，分别能达到96.72%和99.27%。

3.2　溢流比影响

溢流比是溢流口流量与入口流量的比值，决定旋流器内部上行流从溢流口流出的流量大小，对旋流器溢流口附近的流场有较大影响。图10示出流量4 m³/h下，含油污泥处理效率随溢流比的变化。

由图可知，原油回收率随溢流比的增大呈现先增大后减小的趋势。当溢流比过小时，部分油相无法通过溢流口排出，使得原油回收率较低；而当溢流比过大时，从上行流流出的流体更多，但是油相体积是一定的，因此会有部分水相进入上行流，与中心油柱发生“返混”现象，易造成油水二次乳化，从而降低原油回收率。此外，溢流比过大，但溢流口直径不变，油水两相会产生“竞相”，油相无法完全从溢流口排出，也会影响原油回收率。

溢流比增大时，污泥减排率逐渐增大，达到最大值后，会出现轻微下降趋势。溢流比增大，旋流器内部流场的流动会更加顺畅，溢流流动阻塞作用降低，流场稳定性增加，污泥发生“返混”进入上行流的概率下降，因此，污泥减排率呈现上升趋势。随着溢流比继续增大，溢流口流量增加，会出现“短路流”现象，一些流体携带着部分污泥，经过导叶进入旋流器柱段后，直接从溢流口流出，导致污泥减排率降低。由图10可知，溢流比在10%~12%时，原油回收率和污泥减排率最高。考虑到原油回收价值更高，确定10%为最佳溢流比。

3.3　油相轨迹

图11示出最佳操作工况下，水相和油相的流动轨迹。由图可知，流体首先会进入到缓冲腔内，此时流体运动状态比较混乱，在导叶处经过一个旋转加速阶段，流体流动变得有序，且运动速度迅速增加，进入旋流器后保持稳定的旋转流动状态。水相进入旋流器后，主要从底流口流出；而油相则在旋流分离作用下，大部分向流体内部迁移，进入上行流从溢流口流出，少量油相则随下行流从底流口流出。

3.4　含油污泥颗粒轨迹

图12示出单颗粒运动轨迹，颗粒进入旋流器后，在旋流场作用下，向旋流器壁面迁移，随着下行流旋转向下运动，从底流口排出。由于颗粒密度较大，大部分颗粒都能够到达壁面，沿着壁面向下运动。

图13示出在旋流器锥段处，颗粒沿壁面向下的运动轨迹。由图可知，粒径较大的颗粒会汇聚成一股股颗粒流，共同沿着旋流器壁面向下运动；较小的颗粒也沿着壁面运动，但并没有形成一股股的颗粒流，而是在颗粒流之间随流体流动。粒径在0.101~0.201 mm之间的颗粒，会汇集形成颗粒流；而粒径小于0.101 mm的颗粒则不会汇集，而是相对均匀地分布在锥段壁面上，随流体运动。粒径较小的颗粒能很好地跟随流体运动，并均匀地分散在旋流器壁面处^［23］。而粒径较大的颗粒，则是在壁面处聚集，使得颗粒浓度突破某一临界值后，流体不再主导颗粒的运动，而是由颗粒之间的相互碰撞作用来主导颗粒的运动，由此形成颗粒流^［24］。在这种分布情况下，颗粒流中粒径较大的颗粒，相互之间碰撞、摩擦的几率会明显提高，产生的强冲击应力和强剪切力能有效破坏含油污泥表层的油膜；油膜被破坏后，在表面张力作用下，含油污泥油相会发生脱附、聚集，形成游离态的油相。此外，大颗粒和小颗粒均会与旋流器壁面紧密接触，在流体作用下不断与壁面产生摩擦，同样也能起到破坏油膜，将附着态油相转化成游离态油相的作用。

4　结论

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（1）本文系统研究了旋流器处理含油污泥过程，最终确定最佳操作工况为溢流比10%、入口流量4.5 m³/h，此时，原油回收率和污泥减排率分别达到96.72%和99.27%。

（2）含油污泥进入旋流器后，在离心作用下向旋流器壁面迁移。粒径较大的颗粒所受离心力作用较大，会率先迁移到壁面；粒径较小的颗粒所受离心力较小，迁移速度较慢，虽然未能接触到壁面，但是仍然保持着向壁面运动的趋势。

（3）颗粒在迁移过程中，会经过切向速度变化较大的流场区域，受到强剪切力的作用，使油相从污泥上脱离，形成游离态。此外，大量颗粒在旋流器内处于湍流动能最高的区域，湍流动能可以为颗粒表面油相提供足够的旋转、变形，以及破碎所需的能量，且湍流动能越高，流体运动越剧烈，颗粒之间、颗粒和壁面之间的碰撞、摩擦几率越大，越有利于油相的脱附。

参考文献

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文献

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2026年第54卷第5期

110

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.005

接收时间：2025-11-09
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-05-30

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收稿日期：2025-11-09
修回日期：2026-04-10

基金

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¹中国石油新疆油田分公司监督中心，新疆克拉玛依 834000

²江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013

³中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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