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

دكتري

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.

205011

دانشگاه علم و صنعت ايران

نوروزمحمد نوري

مهندسي مكانيك

محمد اخلاقي