پایان نامه بررسی عددی جریان دو فاز در سیکلون درام

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد

گرایش مهندسی تبدیل انرژی

چکیده:                                           

در بسیاری از فرایند­ها در صنعت، همراه شدن قطرات مایع با جریان گاز مشکلاتی چون خوردگی تجهیزات پایین­دستی و از دست رفتن مایعات گران­قیمت را در پی خواهد داشت. برای حل این مشکلات، فازها به کمک جداکننده از یکدیگر جدا می­شوند. جداکننده­های سیکلونی به عنوان نوعی از جداکننده­های با راندمان بالا و حجم­کم، در جداسازی جریان­های گاز مایع بسیار استفاده می­شوند. یکی از روش­های مناسب در بررسی عملکرد جداکننده­ها از جمله جداکننده­ی سیکلونی، شبیه‌سازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) است. در مطالعات انجام‌شده تأثیر، بهترین نمونه‌های جریان آشفته برای سیکلون به دست آمده و تأثیر پارامترهای هندسی سیکلون بر راندمان جداسازی و کاهش پدیده­های ناخواسته­ی حمل گاز از پایین و حمل مایع از بالا مورد بررسی قرار گرفت. پارامتر‌های هندسی تأثیر به سزایی در بهبود عملکرد سیکلون دارند. به همین دلیل در این پایان­نامه به بررسی عملکرد جداکننده­ی سیکلونی و تأثیر تغییر پارامترهای هندسی بر آن، به کمک دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده است. پس از انتخاب شبکه‌بندی مناسب برای هندسه­ی سیکلون، تأثیر تغییر پارامترهای هندسی بر مقدار حمل مایع  از بالا و مقدار حمل گاز از پایین مطالعه گردید. در این طراحی، سطح مقطع ورودی، زاویه­ی ورودی، ارتفاع ورودی از کف سیکلون، قطر خروجی مایع و قطر اصلی سیکلون به طور همزمان بهینه شدند. مطابق این شبیه‌سازی­ها مقدار حمل گاز از زیر با کاهش قطر خروجی مایع یا افزایش قطر اصلی سیکلون یا افزایش سطح مقطع ورودی و یا کاهش زاویه‌ی ورودی، کاهش می­یابد و یک نقطه­ی بهینه برای تغییرات حمل گاز از زیر با تغییر ارتفاع ورودی سیکلون وجود دارد. همچنین یک نقطه­ی بهینه برای حمل مایع از بالا با تغییر پارامترهای هندسی نظیر سطح مقطع ورودی، ارتفاع ورودی از کف سیکلون، قطر خروجی مایع و قطر اصلی سیکلون به دست می‌آید. افزایش زاویه­ی ورودی باعث افزایش حمل مایع از بالا می‌گردد. در نهایت نیز تاثیر استفاده از سیکلون در درام بویلر که حاوی بخار و قطرات آب در دما و فشار بالا است، مورد بررسی قرار گرفت.

-1مقدمه :

برای جدا کردن جریان دو فاز گاز- مایع، صنایع نفت و گاز در گذشته از جداکننده­های مخزنی استفاده می­کردند که بزرگ، سنگین و گران بود. جداکننده­ های قدیمی به این صورت کار می­کردند که ابتدا سیال دو فاز گاز- مایع وارد مخزن می­شد و از یک صفحه­ی ورودی عبور می­کرد. در ورودی سرعت گاز کاهش می­یافت و این کاهش سرعت باعث تغییر در مومنتوم سیال می­شد و در نتیجه ذرات کوچک و ریز مایع به هم برخورد می­کردند و ذرات سنگین­تری را تشکیل می­دادند که به صفحه‌ی ورودی و دیواره­ی داخل جداکننده می­چسبیدند. سپس گاز در خروجی به یک صفحه که جداسازی نهایی در آن جا شکل می­گرفت برخورد می­کرد و از جداکننده خارج می­شد و ذرات مایع به قسمت پایین جداکننده منتقل می­شدند.

 جدا ساز گاز مایع قدیمی ]1 [

اما نیاز به جداکننده­هایی که در نقاط دوردست در محل­های مختلف قابل استفاده بوده و قابل‌حمل نیز باشند و همچنین استفاده از آن‌ها در زیر دریا، نیاز به جداکننده با حجم کمتر، که البته به کاهش چشم­گیر هزینه نیز منجر می­شود را بیش از پیش عیان کرده است. در میان جایگزین­های مختلفی که می­تواند برای رفع این مشکلات وجود داشته­باشد، جداکننده­های استوانه­ای گاز- مایع[1] که توسط دانشگاه تولسا و چورن[2] ارائه ‌شده و از نیروی گریز از مرکز علاوه بر نیروی گرانش برای جداسازی دو فاز استفاده می­کند، برای بررسی انتخاب شده است. جداساز استوانه­ای گاز- مایع یک جداکننده ساده، کم حجم و کم هزینه است که می­تواند به خاطر هزینه­ی کم و قابلیت حمل، جایگزینی مناسب برای جداسازهای قدیمی در محدوده­ی گسترده­ای از کاربرد­ها باشد. اگرچه سیکلون­ها مدت­های زیادی به عنوان جدا سازهای مایع- مایع، جامد- مایع و گاز- جامد استفاده‌شده­اند اما استفاده­ی محدودی از آن‌ها در جداسازی گاز- مایع انجام شده است، که البته مانع اصلی برای استفاده­ی گسترده از جداسازهای گاز- مایع، کمبود امکانات قابل اعتماد برای پیش‌بینی عملکرد آن‌ها برای دانستن کارایی مناسب این جداساز ها است.

GLCC  شامل یک لوله عمودی با یک ورودی مماسی شیب‌دار می­باشد که در قسمت میانی ارتفاع لوله قرارگرفته است و دو خروجی یکی برای خروج گاز در بالا و دیگری برای خروج مایع در پایین آن تعبیه‌شده‌اند و به خاطر وجود گرانش قسمت پایین GLCC توسط مایع و قسمت بالایی آن توسط گاز اشغال می­شود. نیروی مماسی باعث چرخش سیال شده که منجر به ایجاد نیروی گریز از مرکز و گردابه­ای در داخل بدنه­ی سیکلون می­شود. بنابراین در قسمت پایین ورودی، حباب­های گاز به دام افتاده توسط مایع به صورت شعاعی به سمت محور سیلندر رانده می­شوند و یک نوار گازی را تشکیل می­دهند که دوباره به گردابه ملحق می­شوند و در قسمت بالایی، ذرات مایع به سمت دیوار جداکننده پرتاب‌شده و تشکیل یک جرم فشرده را می­دهند که توسط گاز قابل‌حمل نبوده و به سمت خروجی مایع حرکت می­کند. شکل (1-2) نمونه­ای از یک سیکلون استوانه­ای جداکننده­ی گاز مایع را نشان می­دهد.

 سیکلون جداکننده گاز مایع (GLCC) ]2 [

1-2- ضرورت تحقیق:

با توجه به اهمیت جداسازی در صنعت و لزوم طراحی جداکننده­های کارآمد برای فرایند­های مختلف، مهندسان بر آن شدند که با ابزار شبیه­سازی به کمک نرم‌افزار، پارامترهای موثر در طراحی را شناسایی کرده و با توجه به شرایط عملیاتی، جداکننده­ای مناسب برای کاربرد مورد نظر طراحی کنند. استفاده از شبیه­سازی هزینه­های اضافی مربوط به ساخت دستگاه­ها در مقیاس آزمایشگاهی و انجام آزمایش‌های زمان­بر و هزینه­بر را تا حد قابل‌توجهی کاهش­داده است و بررسی پارامترهای متعدد را بدون افزایش هزینه چندان، ممکن می­کند.

امروزه جداکننده­های استوانه­ای گاز مایع[3]، از آنجا که برتری زیادی نسبت به جداکننده­های قدیمی دارند، بیش از پیش مورد توجه صنایع نفت و گاز قرار می­گیرند. استفاده از سیکلون جداکننده­ی گاز مایع در کاربرد­های میدانی، نیازمند فهمیدن کامل هیدرودینامیک جریان در داخل این جداکننده­ها است[3]. در جداکننده­های قدیمی، نیروی جاذبه تنها عامل جداکننده­ی فازها از هم بود، در حالیکه در جداکننده­های جدید گاز مایع، نیروی گریز از مرکز در کنار نیروی جاذبه به جدایش فازها از هم کمک می­کند. شرایط مختلف نظیر هزینه و فشار کاری، صنایع نفت و گاز را وادار به گرایش به سمت جداکننده­های ارزان­تر، کوچک­تر و با بازده­ی جدایش بهتر کرد، جداکننده­هایی که فشرده بوده و مناسب کاربردهای کنار ساحلی و زیر دریا باشد[4].

در جداسازی فازهای مختلف در جداکننده­ی استوانه­ای گاز مایع، ممکن است مشکلاتی به وجود آید که باعث کاهش بازدهی این جداکننده­ها می­شود. یکی از این مشکلات این است که مایع هنگام خروج از خروجی مایع مقداری گاز را با خود حمل می­کند که به آن­ حمل گاز از پایین[4] گفته می­شود. مشکل دیگری که وجود دارد حمل مایع توسط گاز از خروجی گاز می­باشد که حمل مایع از بالا[5] نامیده می­شود. منتیلا و همکاران یک مدل خط سیر حباب برای تعیین زمان شروع حمل گاز از پایین در جداکننده­های استوانه­ای گاز مایع، برای طراحی این جداکننده­ها برای کاربردهای میدانی توسعه دادند[5]. آن­ها مثال­هایی را برای نمایش اینکه خط سیر حباب چگونه می­تواند در طراحی جداکننده­های سیکلونی کمک کند، فراهم کردند. فرهات اردال و همکاران شبیه ­سازی­های عددی از جریان تک­فاز و دوفاز در سیکلون­های مختلف برای بررسی میدان پیچیده­ی جریان در جداکننده­ی گاز مایع و پیش­بینی پدیده­های مرتبط با این جداکننده­ها نظیر حمل گاز از پایین ارائه دادند[6]. آن­ها کار خود را با داده­های تجربی که شامل نمودار سرعت مماسی و کاهش سرعت مماسی بود مقایسه کردند و توافق خوبی نیز حاصل شد. آن­ها همچنین یک مدل متقارن محوری را توسعه دادند که از نظر محاسباتی مفید می­باشد. کیرینوس یک مدل مکانیسمی برای پیش­بینی درصد حمل مایع از بالا در داخل سیکلون استوانه­ای توسعه داد[7]. همچنین یک مدل موجود برای پیش­بینی حمل مایع از بالا در شرایط فشار بالا  شامل مدل­های پیشرفته برای جریان خالص صفر مایع[6] در ناحیه­ی قطره و سرعت بحرانی توسط آن­ها توسعه داده شده است. هدف کار آن­ها بررسی داده­های بدست آمده برای حمل مایع از بالا و گسترش مدل مکانیسمی برای شرایط فشار بالا و پیش­بینی درصد مایع از بالا حمل شده بود. گومز به طور تئوری و تجربی، هیدرودینامیک جریان دوفازی پخش شده­ی چرخشی را برای پیش­بینی حمل گاز از بالا و سنجش عملکرد جداکننده­های سیکلونی، مطالعه کرد[8]. هدف مطالعه­ی او دو چیز بود، مطالعه­ی تجربی هیدرودینامیک جریان دوفازی پخش شده­ی چرخشی در قسمت پایینی سیکلون و توسعه­ی مدل مکانیسمی برای مشخص کردن رفتار پیچیده­ی این نوع جریان که پیش­بینی حمل گاز از پایین را در جداکننده­ی سیکلونی گاز مایع ممکن می­کند.

در طول این سال­ها و افزایش استفاده از این نوع جداکننده­ها، بررسی­های مختلفی برای ارتقای دانش درباره­ی ساختار جریان در سیکلون­ها و بهینه کردن عملکرد آن­ها صورت گرفت. عدم وجود درک کامل و صحیح از هیدرودینامیک پیچیده­ی جریان چندفازی در داخل جداکننده­ها، اعتماد به نفس کافی برای طراحی این جداکننده­ها را کم کرده و نیاز به تحقیق بیش از پیش را در این زمینه نشان می­دهد. همچنین ارتقای دانش درمورد هیدرودینامیک جریان، استفاده کنندگان از جداکننده­های سیکلونی را قادر می­سازد تا عملکرد آن­ها را پیش­بینی کرده و جداکننده­ی مناسبی را برای کاربردهای مختلف طراحی کنند[9]. اینتا آرپندی و همکاران مطالعه­ای تجربی بر روی جداکننده­ی استوانه­ای گاز مایع و چندین پارامتر رفتار جریان و ساختار این جداکننده­ها، درحالیکه جداکننده شرایطی را دنبال می­کند که حمل مایع از بالا و حمل گاز از پایین اتفاق نمی­افتد، انجام دادند[10]. با استفاده از بررسی آن­ها پیش­بینی رفتار جریان در جداکننده­ی استوانه­ای گاز مایع ممکن خواهد بود. رینر هریز و همکاران جریان چرخشی را در جداکننده­های استوانه­ای گاز مایع بررسی کردند و نتایج حاصل از شبیه­ سازی عددی جریان تک­فاز در سیکلون با استفاده از مدل­های مختلف جریان آشفته ارائه دادند[11]. آن­ها در مطالعه­ی خود، مدل تجربی اردال(2001) را شبیه­سازی کردند و ساختار و ویژگی­های جریان را جداکننده­ی استوانه­ای گاز مایع نشان دادند. رینرهریز و همکاران در سال 2013، هیدرودینامیک و سرعت سیال را در جریان­های چرخشی گاز مایع در جداکننده­های استوانه­ای به صورت تجربی بررسی کردند و نتایج جالبی از هیدرودینامیک جریان و هسته­ی گازی در جداکننده­های سیکلونی ارائه دادند[12].

Abstract

In many mechanical and chemical engineering processes liquid droplet laden gas flows, cause downstream equipment complications such as corrosion and loss of valuable liquids. Therefore, it is necessary to prevent these problems and make use of individual phases by separating liquid from gas using gas liquid cylindrical cyclones(GLCC). Gravity was the only factor for separating phases from each other in conventional separators but in GLCCs centrifugal forces helps separation beside gravity, so separation takes place better in GLCCs. The petroleum industry has relied upon large conventional gravity based separators to separate oilfield production of oil, water, sand and gas. But different conditions such as economic and operational pressure forced the petroleum industry to look for a less expensive and smaller and more suitable separation alternatives which be compact and appropriate for offshore and subsea applications.

In this research, CFD modeling was used to simulate and study GLCCs. The effect of changing geometry parameters on cyclone performance was evaluated. The achieved results illustrate an increase in separation efficiency and decrease in gas carry under and liquid carry over. The geometry parameters were assessed and their optimal design for the cyclone was indicated. Gas carry under and liquid carry over were simultaneously optimized. Eventually cyclone was used in boiler drum to separate the droplets from vapor in high pressure and high temperature and acceptable results were achieved.

Keywords: Gas Liquid Cylindrical Cyclone, Cyclone Optimization, Gas Carry Under (GCU), Liquid Carry Over (LCO)