МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ НЕУСТОЙЧИВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Введение 3
1. Постановка задачи 9
2. Методы решения поставленной задачи 11
2.1 Методы расчёта многофазных сред 11
2.2 Подробное описание модели VOF 15
3. Результаты расчётов 33
3.1 Результаты, полученные без учёта межфазного взаимодействия 33
3.1 Результаты, полученные с учётом межфазного взаимодействия 51
Заключение 56
Список литературы 57

Купить

Одной из основных и актуальных на сегодняшний день задач, ставшей
перед нефтедобывающими и нефтеперерабатывающими предприятиями,
стала задача об уменьшении времени и затрат на процессы, происходящие в
разделительных установках - сепараторах. Ведь для реализации процессов
отделения одной фазы от другой, необходимо достаточное количество
средств. Для решения возникшей проблемы было принято использовать
современные сепараторы, позволяющие уменьшить затраченные на процессы
время и электричество.
Современные установки имеют несколько видов, но более
эффективными являются гравитационные сепараторы, основанные на
разделении нефти и воды под действием силы тяжести. Такие сепараторы
имеют горизонтальный корпус с вертикальными перегородками на входной,
отстойной и накопительной отсеках. Внутренние элементы оборудования
помогают увеличить коалесценцию капель и оптимизировать работу
устройства. Для ввода жидкости в установку имеется штуцер, снабжённый
специальным распределителем. На входе сепаратора устанавливается
устройство импульсного выключателя, которое помогает уменьшить
входную, достаточно высокую скорость потока. Уже на этой стадии смесь,
попавшая в самом начале процесса, отделена от газа и образует два
различных слоя. Газ, в свою очередь, выводится через патрубок,
расположенный в верхней части отстойного отсека, снабжённого
каплеотбойником. Полученная двухфазная смесь движется по течению и
попадает в отсек, где располагаются перфорированные пластины,
необходимые для стабилизации жидкости, которая образует две отдельных
фазы: вода и масло. Эти два слоя разделяются перегородкой, находящейся в4
конце сепаратора между двумя патрубками с гидрозатворами для вывода
каждой из фаз.
Работа трёхфазных сепараторов основана на полуэмпирической
формуле, выведенной из закона Стокса [1]. Полученное уравнение для
скорости оседания, основанное на выбранном диаметре отделяемой капли,
содержит поправочный коэффициент, который зависит от конфигурации
сепаратора [2]. Существуют разные режимы потока на входе в сепаратор, и
для учета эффектов коалесценции и разрушения капель необходимо
включать и отслеживать распределение по размерам реальных капель по всей
секции сепаратора. Внутренний многофазный поток ранее считался
стабильным с тремя различными слоями газа/нефти/воды, разделенными
острыми границами. Это не всегда так, поскольку предыдущие исследования
показали, что несколько сложных явлений могут иметь место при различных
условиях, таких как перераспределение жидкости [3], зоны рециркуляции в
жидких слоях [4] и дисперсионная эмульсионная полоса между слоем масла
и слоем воды [5] или вспенивание [6]. Вышеупомянутые ограничения
полуэмпирического подхода вызывают потребность в более
фундаментальных и тщательных методах, основанных на начальных
принципах для более последовательного проектирования сепараторов и
оценки их эффективности. Эксперименты представляют собой
жизнеспособную альтернативу или дополнение, поскольку они могут
отразить реальные случаи в реальных условиях и предоставлять более
подробную информацию с использованием различных методов измерения и
визуализации. Однако экспериментальные методы являются дорогостоящими
и их крайне трудно применять для размеров, приближающихся к реальному
масштабу, и в случае использования реальных жидкостей. Именно поэтому,
было бы лучше использовать прозрачные сепараторы, позволяющие следить
за процессами, происходящими внутри. Экспериментальные исследования
остаются грубыми, с акцентом на глобальные параметры.5
Благодаря прогрессивному развитию науки и внедрению в неё мощных
электронно-вычислительных машин, многие задачи, стоящие перед учёными,
уже были решены. Но изучить точный состав после разделения фаз и
рассмотреть детали поля течения, используя современные технологии,
довольно трудно. Вычислительная гидродинамика (CFD, англ. Computational
Fluid Dynamics) представляет собой альтернативный инструмент,
повышающий доверие к исследованиям, благодаря разработке более
надежных численных и физических моделей и огромному развитию
вычислительных ресурсов. Данный метод исследования более универсален,
чем полуэмпирические модели и более гибкий, чем экспериментальные
методы. Среди предыдущих исследований можно упомянуть те, где
разрабатывались соответствующие модели для учета распределения
размеров капель в сочетании с явлениями коалесценции [7,8], или для
понимания влияния определенных параметров на производительность
сепаратора и его расход [5,9].
Из-за сложности многофазного потока в горизонтальных
гравитационных сепараторах всегда необходимо было применять
упрощающие допущения, которые ограничивали точность подхода CFD до
приемлемого масштаба с промышленной точки зрения и предоставлять
полезные рекомендации по проектированию и устранению проблем,
связанных с эксплуатацией. Разработанная Балансовая Популяционная
Модель (PBM, англ. Population Balance Model) [7] для разделения эмульсий в
периодическом гравитационном отстойнике, использует данные, полученные
из экспериментов по разделению тяжелой сырой нефти.
В дополнение к общим упрощающим допущениям, обнаруженным в
литературе, основное ограничение связано с самими многофазными
моделями. Так популярный программный комплекс ANSYS Fluent включает
несколько многофазных моделей, принадлежащих как к лагранжеву, так и к
эйлерову подходам [4]. Для численного моделирования корректность6
выбранной либо разработанной модели определяет успех дальнейших
исследований.
Во многих статьях, в том числе и в статье [10], исследуется влияние
различной конфигурации перегородок, использующихся для разделения в
горизонтальных сепараторах, на эффективность сепарации путём численного
и экспериментального моделирования процессов. Обычные горизонтальные
цилиндрические сепараторы используют гравитационное оседание для
отделения до четырех фаз (газ, нефть, вода и увлеченные твердые частицы)
из потока нефтяной скважины. Они, как правило, являются самым крупным
отдельным оборудованием из всего технологического оборудования в
установке по добыче нефти. Сокращение их размера без потери
эффективности разделения приведет к сокращению капитальных затрат и
сохранение запасов углеводородов, повышая тем самым безопасность
эксплуатации и экономические показатели. Крупные сепараторы
представляют собой цилиндры с диаметрами от 2.6 м до 4.3 м (такие
используются на нефтяном месторождении в Северном море), которые при
нормальной эксплуатации примерно наполовину заполнены жидкостями.
Оставшийся объем занят углеводородным газом.
Прежде чем проводить эксперименты на трёхмерных моделях и с
двумя фазами вода-нефть, проводятся маломасштабные опыты и
моделирование процессов с помощью CFD-пакетов. Исследуется
однофазный потом в двумерной модели сепаратора. Убедившись в
согласовании результатов, полученных численным моделированием, с
экспериментальными данными, при использовании двумерной модели
сепаратора без внутренних элементов, двумерную модель модифицируют,
чтобы изучить влияние различных перегородок на распределение потока по
поперечному сечению. Данные результаты были сопоставлены с
экспериментальными данными, полученными в большой трехмерной модели
сепаратора с перегородками, с водо-нефтяной эмульсией с 20% нефти в7
водной смеси. Также были исследовано распределение потоков в
зависимости от расстояния пластин друг от друга в трехмерной
цилиндрической модели. В более обширной работе [11] пересматривается
явление коалесценции капель в жидкостно-жидкостных системах с уклоном
на использование процесса коалесценции в технических приложениях. В
виду сложности явления, проводится комплексное исследование
многочисленных факторов, влияющих на процесс. Обобщаются и
сравниваются имеющиеся экспериментальные методы исследования
коалесценции с различными уровнями детализации. Кроме того, различные
подходы моделирования коалесценции рассматриваются с восходящим
уровнем детализации от эмпирических корреляций с комплексными
моделями дренажа пленки и детальных вычислений динамики жидкости и
частиц. В данной статье подробным образом описана история исследований
коалесценции капель на пластине, данная модель является частным случаем
коалесценции капля-капля, с выдвинутым допущением, что вторая капля
имеет бесконечный радиус.
В некоторых работах [12,13] исследуется производительность и
поведение потока в трехфазном сепараторе. Рассматриваемая установка
представляет собой существующий наземный объект, принадлежащий
компании Абу-Даби для наземных нефтяных операций ADCO. Первый
подход, использующий Эйлерово-Эйлерову многофазную модель,
реализованную в программном пакете ANSYS Fluent, предполагал
монодисперсную масляную и водную вторичные фазы, исключая явления
коалесценции и разрушения частиц. Получаются довольно-таки интересные
результаты, однако некоторые расхождения данных, полученные благодаря
численным расчётам, с экспериментальными данными, были вызваны
упрощающими предположениями. Поэтому, принимается решение
использовать Балансовую Популяционную Модель, чтобы учесть
распределение частиц по размерам, коалесценцию и раздробление вторичных8
фаз, которые были основными ограничениями Эйлерово-Эйлеровой модели.
Для минимизации источников расхождений схема сепаратора с
обновленными внутренними компонентами была представлена с
максимальным количеством геометрических деталей, в отличие от
упрощенного подхода, принятого в большинстве предыдущих численных
исследований. При отсутствии информации о распределении размеров
капель на входе в сепаратор принимается решение использовать три
различных распределения Росина-Раммлера, называемые мелким, средним и
грубым распределениями, исходя из проектных значений, представленных в
нефтяной промышленности. Результаты моделирования сравниваются с
лабораторными исследованиями, натурными испытаниями и/или
полуэмпирическими данными, имеющимися в литературе. Более крупные
распределения по размерам на входе повысили производительность
сепаратора. Было обнаружено, что входное устройство, называемое
Schoepentoeter, генерирует квазимономонодисперсное распределение под
действием коалесценции, которое сохраняется по всему объему сепаратора.
Среднее время пребывания, полученное в результате моделирования, хорошо
согласуется с некоторыми данными, полученными из существующих
подходов в литературе. Более мелкие распределения генерируют более
высокое среднее время пребывания. Классический подход к подбору
размеров, основанный на репрезентативных значениях диаметра капли и
скорости оседания, остается ограниченным, хотя и полезным для основных
принципов проектирования. Главным плюсом CFD моделирования является
преимущество в локальном вычислении переменных потока, что дает более
полную и детальную картину всего поля течения и может оказаться
полезным для понимания влияния внутренней структуры многофазного
сепаратора на поведение потока и на общую производительность сепаратора.
Целью работы является изучение процесса коалесценции и
зависимости её от размеров и плотности капли одной из фаз.
Купить