17993

17993

مطالعه تجربي و شبيه سازي CFD شكست امولسيون هاي آب در نفت با استفاده از نانوسيالات مغناطيسي در حضور ميدان مغناطيسي

دكتري

طراحي، شبيه سازي و كنترل فرآيند

مرداد 1396

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

دكتر منصور بزمي

مهندسي شيمي، نفت وگاز

چكيده استفاده از ميدان مغناطيسي به عنوان جايگزين ميدان الكتريكي براي جداسازي امولسيونهاي آب در نفت با هدف افزايش راندمان جداسازي و كاهش خطراتي كه در استفاده از ميدان الكتريكي وجود دارد، در دهه هاي اخير مورد توجه محققين قرار گرفته است. اگرچه اولين تحقيقات در اين زمينه در دهه هاي 1960 ارائه گرديده است اما به دليل محدوديت هاي موجود در مغناطيسه نمودن سيالات، استفاده از فناوري ائتلاف مغناطيسي در مقياس صنعتي با چالش جدي روبه رو بوده است. امروزه با گسترش فناوري نانو و فراهم شدن امكان ساخت سيالات مغناطيسي با صرفه اقتصادي، زمينه براي استفاده از فناوري ائتلاف مغناطيسي بيش از پيش فراهم گرديده است. با توجه به جديد بودن موضوع و كمبود تحقيقات در زمينه استفاده از ميدان مغناطيسي جهت شكست امولسيونها، در تحقيق حاضر به بررسي و مطالعه مكانيسم اثر ميدان مغناطيسي بر شكست امولسيونهاي آب در نفت پرداخته شده است. براي اين منظور رفتار ديناميك قطره هاي آب كه با اضافه نمودن نانوذرات مغناطيسي داراي خاصيت مغناطيسي شده اند، مورد بررسي تجربي و شبيه سازي قرار گرفتند. شكل تعادلي قطره مغناطيسي و فرايند برخورد و ائتلاف دو قطره مغناطيسي تحت تاثير ميدان مغناطيسي يكنواخت شبيه سازي گرديد. همچنين حركت و تغيير شكل قطره مغناطيسي در حال سقوط تحت تاثير ميدان مغناطيسي غيريكنواخت تصويربرداري شد و با نتايج شبيه سازي نيز مقايسه گرديد. شبيه سازي ها بر مبناي تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي با افزودن كدهاي جديد در بستر نرم افزار متن باز OpenFoam صورت پذيرفت. براي شبيه سازي قطره هاي مغناطيسي از تركيب معادلات مغناطيسي ماكسول و معادلات حركت ناوير استوكس به همراه يك ديدگاه دو فازي، استفاده گرديد. به منظور حذف خطاهاي جريان كاذب و افزايش دقت در تعيين فصل مشترك، از تركيب دو ديدگاه VOF و Level Set، يك ديدگاه دوفازي به نام SCLSVOF توسعه داده شد و در شبيه سازيها استفاده گرديد. اثر پارامترهاي مختلف نظير شدت ميدان مغناطيسي، مغناطيس پذيري قطره، اندازه قطره، كشش سطحي و ويسكوزيته بر شكل تعادلي قطره منفرد و همچنين بر روي سرعت برخورد و ائتلاف دو قطره مغناطيسي مورد بررسي قرار گرفتند. با استفاده از نتايج شبيه سازيها و آناليز ابعادي، يك رابطه بي بعد براي تخمين شكل تعادلي قطره مغناطيسي و همچنين رابطه اي براي تخمين زمان برخورد دو قطره تحت تاثير ميدان مغناطيسي يكنواخت ارائه گرديد. تصويربرداريهاي آزمايشگاهي از حركت قطره مغناطيسي با نتايج شبيه سازيها مقايسه گرديد و تطابق خوبي بين نتايج مشاهده شد. رابطه به دست آمده براي تغيير شكل قطره نشان داد كه نسبت شكل تعادلي قطره با توان 0.6 از عدد باند مغناطيسي و توان 1.05 از عدد مغناطيس پذيري قطره، متناسب است. بررسي نتايج تصويربرداري و شبيه سازيها نشان داد كه قطره ها در حضور ميدان مغناطيسي غيريكنواخت با سرعت بيشتري در مقايسه با ميدان مغناطيسي يكنواخت ته نشين ميشوند. نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه سرعت سقوط قطره در حضور ميدان مغناطيسي غيريكنواخت تا 4 برابر نسبت به حالت بدون ميدان، ميتواند افزايش يابد. واژه‌هاي كليدي: ائتلاف مغناطيسي، امولسيون آب در نفت، شبيه سازي دوفازي، نانوسيال مغناطيسي

1396/08/09

9/2/2017 12:00:00 AM

Abstract: The use of magnetic field for the emulsion breaking has been raised during last decades, as an alternative of electrostatic field, with the aim of increase of efficiency and decrease of hazards. Although the first studies on the magnetic aided separation of emulsions were reported in 1960s, but the commercialization and industrialization of this tecknique was limited due to the limitations of the fluid magnetization. Nowadays due to the fast growing developments in the nanotechnology the synthesis of the approperiate nano magnetic fluids has been possible and therefore the suitable conditions are provided for the development of the technology of magnetic aided breaking of the emulsions. The magnetostatic coalescence of droplets is the main key phenomena in the emulsion breaking, which is not yet clearly understood due to the lack of studies in the magnetostatic coalescence of droplets. Hence this study was aimed to investigate the effects of magnetic field on the coalescence of the magnetic droplets. For this aim the dynamic behavior of water based ferrofluid droplets under the effect of magnetic field was investigated by means of CFD simulation and also by experiments. The equilibrium shape of ferrofluid droplets and the collision of two droplets under the effect of uniform magnetic field was simulated by CFD technique. Furthermore, the movement and deformation of ferrofluid droplet under the effect of non-uniform magnetic field was experimentally investigated and also it was simulated. For the simulation, a finite volume based solver was modified based on the open source solver library (OpenFOAM®) which is capable of coupling the flow field and magnetostatic equations. A coupled scheme of Volume of Fluid (VOF) and Level-Set (LS) methods was applied for interface capturing. The effects of different parameters, such as magnetic field intensity, magnetic susceptibility, initial size of droplets, surface tension and viscosity on the deformation of magnetic droplets and their coalescence were investigated. It was concluded from simulations that in order to minimize the collision time there will be a need to decrease the values of viscosity and surface tension while the magnetic field intensity and/or magnetic susceptibility to be increased. A non-dimensional correlation was obtained to formulate the dependency of Aspect ratio of droplet at the equilibrium state to the magnetic Bond number and magnetic susceptibility. Furthuremore in order to eva​luate the effect of parameters on the magnetic induced coalescence of ferrofluid droplets a new correlation was proposed which is capable to predict the collision time for two ferrofluid droplets in a relatively wide range of properties and operating conditions. The experimental results obtained in this work were compared with the simulation results and a good consistency was observed. It was concluded that the droplets under the effect of non-uniform magnetic field have more setteling velocity in compared to the droplets under the effect of uniform magnetic field. The experimental result revealed that it is possible to increase the velocity of droplets up to four times. Key Words: Coalescence, Ferrofluid Droplet, Interface Capturing, CFD simulation, ferrohydrodynamics