利用响应面方法对管道油水分离器的结构进行优化

《Chemical Engineering Research and Design》：Structural optimization of a pipeline oil-water separator using response surface methodology

　　**摘要**
为了简化油水分离过程并减小设备规模，提出了一种新型的管道油水分离器（P-OWS）。基于欧拉多相流模型，数值结果表明内锥结构对旋流场分布和分离轨迹有显著的增强效果。通过单因素分析和响应面方法（RSM）对关键结构参数进行了多参数协同优化。优化后的参数包括分离室长度（X1）、导向锥长度（X2）、导流堰高度（X3）和内锥角度（X4）。采用溢流出口处的去水效率来评价油水混合物的分离效果。结果表明，结构参数的最佳组合为X1=143.9 mm、X2=72.7 mm、X3=83.7 mm和X4=3.1°。此外，去水效率与溢流比率之间存在显著的负相关关系；在溢流比率为5.8%时，优化模型的去水效率达到最高值90.4%。整体压力场仍保持入口处压力急剧上升、下游持续下降的分布特征。当入口速度为1.61 m/s时，分离器的单单位处理能力约为1.03 m3/h。

**引言**
随着经济的持续快速发展，能源需求结构也不断优化。作为关键的能源来源和化学原料，石油的需求稳步增加。然而，随着油田开发的推进，原油产量的增长已经放缓甚至呈现出负趋势（Xin等人，2023年）。因此，注水技术（Minggong等人，2024年）和油水分离方法（Lin等人，2019年）被认为是提高石油回收率的重要手段。注水技术是指将水注入油藏以促进石油的流动，从而维持或增加产量（Minggong等人，2024年）。该方法不仅使石油提取变得更加可行，还有助于提高产量和延长油田的使用寿命。然而，在实施注水过程中，大量的水不可避免地会混入含油地层，形成油水混合物。因此，必须采用油水分离技术有效地将石油与产出流体中的水成分分离出来，以确保获得高纯度的石油产品（Hussain和Harrison，2019年）。
油水分离技术在石油化工工程（Hussain和Harrison，2019年）、海洋工程（Shaopeng等人，2021年）和环境保护（Baofeng，2020年）等领域占据着核心地位。高含水油田产出流体的处理效率不仅与生产成本密切相关，还直接影响环境安全。目前，主流的油水分离方法包括重力沉降（Arafat和A.-H.M.，2023年）、化学方法（Wenjuan等人，2017年）、离心分离（Jie等人，2021年）、空气浮选（Qiang等人，2023年）和膜分离技术（Akshay等人，2022年）。其中，旋流分离器以其高效性和紧凑的设计而脱颖而出（Shatha等人，2022年）。具体来说，这种设备利用离心力的原理工作：低密度的油被引导至溢流出口，高密度的水则被引导至沉降出口，从而实现油水分离（Lixin等人，2025年）。旋流分离器之所以得到广泛应用，是因为其结构简单、体积小、无运动部件且效率高（Lu等人，2021年；Huang等人，2018年）。人们已经探索了多种改进方式以满足特定应用需求。例如，Gao等人（Jinming等人，2024年）开发了一种带有内置封闭罩的并流气液旋流分离器，其气液分离效率提高了22.76%；Yao等人（Xiuying等人，2022年）设计了一种用于合成气转化的多螺旋臂分离器，发现增加螺旋臂倾斜角度可以增强向下流动并减少液体夹带；Neshat等人（Neshat等人，2024年）发现在水蒸气-水旋流器中添加网状垫可以产生强制漩流，从而增强分离效果；Zhang等人（Yida等人，2025年）证明优化后的挡板可以改善流动分布并减少气体-固体旋流器中的颗粒逃逸；Li等人（Teng等人，2023年）提出了一种用于天然气脱水的级联气液旋流器，在不同条件下实现了高效分离且压力损失较低。这些研究为旋流分离器的设计提供了宝贵的参考。然而，油田和海上平台上的油水分离现在需要更简单的流程、更小的占地面积和更高的处理能力（Shatha等人，2022年；Minjing等人，2024年），因此需要开发新型高效旋流分离器。

旋流分离器传统上分为切向入口型和轴向入口型。切向入口型旋流分离器（Kim等人，2024年）存在压力损失大、流场不对称和湍流波动强烈的问题。相比之下，轴向入口旋流分离器具有紧凑的径向尺寸和稳定的流场，特别适合在空间受限的环境中使用，如井下作业、海上平台和船舶引擎室。Hamza等人（Hamza等人，2020年）设计了一种紧凑的轴向入口锥形旋流分离器，发现当上锥角度为22°、下锥角度为2.0°、圆柱体长度为600 mm时，分离效率和溢流比率达到最佳值。为了提高处理能力，Xing等人（Xing等人，2023年）提出了一种多级并行油水旋流分离器阵列，其在并行配置下具有稳定且一致的流场特性。

为了解决石油提取过程中高效分离油水混合物的问题，开发了一种新型的管道油水分离器（P-OWS）。P-OWS采用轴向入口和并流出口设计，便于与相关设备集成并提升系统兼容性。该设计特别适合空间受限的环境，如井下作业、海上钻井平台和船舶引擎室，从而克服了传统设备在这些特定场景中的局限性。此外，通过响应面方法和数值模拟来提高油水分离效率。采用欧拉多相流模型对P-OWS中的油水流动特性进行数值模拟，并建立了结构参数与油水分离效率之间的数学模型。因此，研究结果不仅为P-OWS的结构优化提供了新的见解，还为在有限空间内实现高效油水分离提供了可行的解决方案。为了进一步提高油水分离效率，利用响应面耦合数值模拟方法深入优化了旋流分离器的结构参数，以油水分离效率作为关键指标。

**结构参数优化**
结构参数的优化是提高旋流分离器性能的有效方法（Wang等人，2025年）。然而，现有的优化方法如单因素变量设计和正交实验设计存在显著局限性。单因素分析忽略了变量之间的相互作用（Pengxiang等人，2024年），而正交实验可能因仅关注特定点而错过全局最优解（Jun等人，2024年）。相比之下，响应面方法（RSM）通过建模整个设计空间实现了全局优化（Jun等人，2020年），因此更适用于旋流反应器的结构优化和性能提升（Vikash和Kailash，2019年）。

**模型**
P-OWS的运行原理和结构配置如图1所示。P-OWS主要由液舱、导流室、分离室、内锥室和收集室组成。待分离的油水混合物进入P-OWS后，通过液舱中的导流堰进入由导流叶片形成的流动通道，形成旋流。

**多相流模型**
在多相流数值模拟中，欧拉模型通过将每个相视为连续介质并考虑相间相互作用，有效描述了多相流的宏观流动特性。该方法特别适用于涉及相间动量传递和相分布变化的复杂流动场景，如油水分离旋流分离器。连续性方程和动量方程可表示为：

**模拟可靠性验证**
在分离器的总入口管道和沉降出口分别安装了流量计，以实时记录流量数据。溢流流量通过从总入口流量中减去沉降流量获得。溢流比率计算公式为：
溢流比率 = 溢流量 / 总入口流量
每个工作条件至少测量三次，取平均值以减少随机误差。

**结论**
本文提出了一种新型的管道离心分离器（P-OWS），用于高效分离油水混合物。考虑到液体的混合特性，采用欧拉两相模型和响应面方法（RSM）对分离器的结构进行了优化。主要结论如下：
(1) 采用响应面方法对设计的管道离心分离器进行了结构优化，获得了最佳的结构参数组合。

**未引用参考文献**
Kassymbekov等人（2021年）

**作者贡献声明**
Jie Cheng：撰写——原始草案；
Mingyang Zhang：方法论、资金获取、概念化；
Wenjie Zhan：验证；
Xue Xiao：可视化；
Haozhe Guo：数据整理；
Yuhan Fu：调查；
Wenjie Zhu：软件开发；
Yaojun Guo：监督。

**利益冲突声明**
我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何可能影响手稿内容或评审过程的产品、服务或公司没有任何专业或其他形式的个人利益。

**致谢**
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22208194）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024MB143）的支持。