25368

مطالعه تجربي و عددي بهبود عملكرد جداساز جريان محوري گاز-مايع با ورودي حلزوني

دكتري

مهندسي مكانيك

1393-1400

1400/03/25

محمد اخلاقي

نوروزمحمد نوري

مهندسي مكانيك

تغييرات فشار عملياتي در زمان استخراج و انتقال محصولات هيدروكربني منجر به شكل‌گيري فاز گاز توأم با مايع در طول فرايند انتقال و استخراج مي‌گردد. اين امر دشواري‌هاي عديده‌اي را بر عملكرد مطلوب تجهيزات دوّار و ثابت در خطوط انتقال اعمال مي‌نمايد. در راستاي كاهش صدمات و خسارات ناشي از بروز جريان دوفازي، بهره‌گيري از جداسازها‌ي مكانيكي كه مبتني بر اختلاف چگالي سيال‌ها‌ي عامل، فرايند جداسازي را انجام مي‌دهند، مورد توجه قرار مي‌گيرد. در اين راستا، آنچه از مطالعات پيشين و حاضر مستفاد مي شود، مبين آن است كه جداسازها‌ي سيكلوني جريان محوري با ورودي و خروجي حلزوني نسبت به ديگر جداسازهاي موجود، داراي برتري و رجحان قابله ملاحظه اي مي‌باشند. هدف از رساله‌ي حاضر بهبود عملكرد جداساز سيكلوني جريان محوري گاز-مايع با ورودي و خروجي حلزوني است. جداساز مزبور، داراي هندسه‌ي ثابت بوده و براي جريان ورودي مشخص و يكنواخت طراحي مي شود. رفتار نوساني و تكرارناپذير جريان گاز-مايع ورودي باعث عملكرد ناپايدار و به ميزان قابل ملاحظه اي بازدهي مطلوب اين جداساز را مورد تاثير قرار مي دهد. تحقيق پيش رو با انگيزهي مستقل كردن عملكرد جداساز از شرايط مختلف ميدان جريان ورودي انجام مي گيرد. بنابراين تمركز كار بر روي محتواي فركانسي جريان ورودي به منظور سوق دادن ميدان جريان با رفتار نوساني و تكرارناپذير به جانب ميدان با رفتار ثابت و تكرارپذير است. بر اين اساس، مطالعه‌ي تجربي و شبيه‌سازي عددي در چهار بخش متفاوت در تحقيق حاضر مورد بررسي قرار گرفته است. در قسمت نخست، محتواي فركانسي به همراه تغييرات حاكم بر پارامترهاي ميدان جريان از جمله طول و سرعت انتقال اسلاگ با كمك داده‌هاي فشار و تصاوير ضبط شده توسط دوربين سرعت بالا مورد مطالعه قرار گرفته است. در بخش عددي نيز، از دو روش، مدل حجم سيال و مدل هيبريد در راستا تمهيد پيش‌بيني دقيق‌تر الگو‌هاي جريان و پارامترهاي مرتبط، بهره‌گيري شده است. آنچه از نتايج مستفاد مي‌گردد، مصرح مي‌نمايد كه پارامترهاي آماري الگوي جريان لخته اي داراي يك رفتار تكرار ناپذير غير ثابت مي باشد در صورتيكه پارامترهاي مذكور در بازه زماني حداقل 30 ثانيه اي، يك رفتار تكرار پذير ثابت را از خود نشان مي دهند. همچنين نتايج نشان مي دهند كه فاز گاز در فاز مايع به صورت حباب هايي با سايزهاي مختلف توزيع شده است. در بخش دوم و سوم به مطالعه‌ي اصلاح هندسي ورودي جداساز بر رفتار گذراي جريان لخته اي گاز-مايع با كمك پهناي باند فركانسي جريان پرداخته شده است. در بخش دوم، استقرار هندسه‌ي نازل همگرا و در بخش سوم استقرار زانويي‌ 90 درجه‌اي با شعاع‌هاي مختلف(17، 34، 51 و68) سانتي متر و تماماً با سطح مقطع مستطيلي شكل به طول (34) ميلي متر و عرض (21) ميلي متر مورد مطالعه واقع شده اند. نتايج مبين آن است كه فركانس غالب جريان لخته اي پس از عبور از نازل و همچنين زانويي 90 درجه ثابت باقي مانده، درصورتيكه توان طيف فركانسي پايين جريان (كمتر از 10 هرتز) افزايش يافته و در اين راستا افزايش پارامتر آنتروپي شانون، (5-2) برابر براي هندسه‌ي نازل و (8/1-3/1) برابر براي هندسه‌ي زانويي، بر صحت نتايج حاصله تأكيد مي‌نمايد. آنچه از ارزيابي‌ها به دست آمده، مبين آن است كه جريان لخته اي پيش از عبور از هندسه هاي مذكور، به عنوان يك جريان نوساني با توزيع گسترده از حباب هايي با اندازه هاي ميليمتري تا لخته هاي حباب با اندازه ده ها برابر قطر لوله، شناخته مي شود. در حاليكه اين الگوي جريان پس از عبور از نازل و زانويي به يك جريان نوساني كه در آن توزيع حباب ها از نظر مقياس هاي طولي به شدت محدود گرديده و به يك جريان شبه همگن حبابي كه دربردارنده لخته ‌هاي گاز به مراتب كوچك تر از لخته هاي جريان ورودي است ميل مي نمايد. در بخش چهارم، عملكرد جداساز سيكلوني جريان محوري با ورودي و خروجي حلزوني با بكار گيري ورودي هايي با هندسه‌ي مختلف ازجمله نازل كوتاه، نازل بلند و نازل توأم با زانويي 90 درجه در شرايط متفاوت عملياتي براي جداسازي گاز از مايع مورد بررسي و مطالعه واقع شد. ارزيابي نتايج نشان داده است كه عملكرد خروجي فاز سبك در شرايطي كه نازل بلند مورد استفاده قرار گرفته به مراتب از كاربرد نازل كوتاه مطلوبتر بوده است و باعث افزايش (7-2) درصدي راندمان جداسازي گرديده است. در حاليكه كاربرد زانويي 90 درجه منجر به كاهش عملكرد جداسازي فاز گاز از مايع، به ميزان 5 درصد نسبت به نازل كوتاه گرديده است. نتايج همچنين نشان مي‌دهند كه افزايش گذر حجمي فاز گاز باعث كاهش پارامترهاي اثربخشي مي‌گردد. درصورتيكه افزايش فاز مايع باعث بهبود عملكرد و افزايش جداسازي فاز سبك‌تر شده است.

1400/07/21

Experimental and Numerical Study of Improving the Performance of Gas-Liquid Axial Flow Separator with Involute Inlet

6/15/2022 12:00:00 AM

Changes in operating pressure during the extraction and transfer of hydrocarbon products lead to a gas-liquid flow. This situation creates many difficulties for the optimal performance of rotating and stationary equipment in transmission and process lines. To reduce the damage caused by biphasic flows, mechanical separators that perform based on the difference in density of the operating fluids are considered. In this regard, axial flow cyclonic separators with involute inlet and outlet have a significant advantage over other existing separators. This dissertation aims to improve the performance of cyclonic gas-liquid axial flow separator with involute inlet and outlet. The separator has a fixed geometry and is designed for a specific and uniform inlet flow. The intermittent and non-reproducible behavior of the inlet gas-liquid flow causes unstable performance and significantly affects the optimum efficiency of this separator. The present study is carried out to make the cyclone performance function is independent of the different conditions of the inlet flow field. Therefore, the work focuses on the frequency content of the inlet flow with intermittent and non-repetitive behavior to the field with stochastics and reproducible behavior. Accordingly, experimental study and numerical simulation in four different sections in the present study have been investigated. In the first part, the frequency content is studied along with the changes governing the flow field parameters, such as the length and speed of slug transmission, with the help of pressure data and images recorded utilizing the high-speed camera. In the numerical part, two methods, volume of fluid model and hybrid model, have been used to prepare more accurate predictions of flow patterns and related parameters. What is obtained from the results is that the statistical parameters of the slug flow pattern have a non-repetitive behavior, while the mentioned parameters show a constant repetitive behavior for at least 30 seconds. In the second and third sections, the geometric modification of the separator inlet is studied on the transient behavior of the gas-liquid slug flow with the help of the frequency bandwidth. In the second part, the installation of convergent nozzle geometry, and in the third part, the installation of the 90-degree elbow with different radii (17, 34, 51, and 68cm) and all with a rectangular cross-section with length (34) mm and width (21) mm Have been studied. The results show that the predominant frequency of the slug flow remains constant after passing through the nozzle as well as the 90-degree elbow, while the power of the low-frequency spectrum of the flow field (less than 10 Hz) increases, and in this regard, the Shannon entropy parameter increases (2-5) Equal for nozzle geometry and (1.3-1.8) equal for elbow geometry emphasizes the accuracy of the results. The evaluations show that the slug flow is known as an oscillating flow with a wide distribution from bubbles size, While this flow pattern after passing through the nozzle and elbow to an oscillating flow in which the distribution of bubbles is severely limited in longitudinal scales and to a quasi-homogeneous bubble flow containing gas plugs much smaller than slugs of the inlet flow is inclined. In the fourth section, the performance of the axial flow cyclonic separator was investigated using inlets with different geometry, including short nozzle, extended nozzle, and nozzle with a 90-degree elbow in different operating conditions for gas separation from the liquid. Evaluation of the results has shown that the output performance of light phase in conditions where long nozzles are used is much more desirable than the use of short nozzles and has increased (2-7) percent separation efficiency. In comparison, applying a 90-degree elbow has reduced the gas phase separation performance from the liquid by 5% compared to the short nozzle. The results also show that increasing the volumetric passage of the gas phase reduces the efficiency parameters. While increasing the liquid phase has improved the performance and increased the separation of the lighter phase.

جداساز سيكلوني جريان محوري , جريان لخته اي گاز-مايع , نازل همگرا , زانويي 90 درجه با مقطع مستطيلي , پهنا باند فركانسي

Axial cyclonic Separator , Slug Flow , Converging Nozzle , Rectangular cross-section Elbow , Frequency Bandwidth