جداساز گاز-مایع، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (جداساز)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی یک دستگاه جداساز (separator) گاز-مایع با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

جداساز گاز-مایع در چندین کاربرد صنعتی برای جداسازی مخلوط بخار و مایع استفاده می‌شود. جداساز بخار-مایع را می‌توان فلاش درام (flash drum)، دیگ شکست (break-pot)، درام ضربه‌گیر (knock-out drum) یا دیگ خروجی (knock-out pot) نامید.

وقتی که جداساز برای حذف قطرات آب معلق از جریان‌های هوا استفاده می‌شود، اغلب دمیستر (demister) نامیده می‌شود. جداسازی یک فرآیند سیالاتی است که در آن مخلوطی از مواد به شکل گاز، مایع و جامد از همدیگر جدا می‌شوند.

گاز خام ورودی به پالایشگاه معمولاً حاوی گاز، نفت و مواد جامد است و قبل از انجام عملیات‌های ویژه باید جداسازی شود. جداسازهای نفت و گاز یکی از جداسازهای اصلی گاز-مایع هستند که در چاه‌های نفت و گاز برای جداسازی گاز، نفت خام و آب از جریان درون چاه استفاده می‌شوند.

جداسازهای نفت و گاز را می‌توان به صورت عمودی، افقی یا کروی ساخت، اما رایج‌ترین نوع آن افقی است. در این تحلیل، فرآیند جداسازی فاز مایع از گاز را با استفاده از جداساز استوانه‌ای افقی بررسی کردیم.

مخلوط نفت و گاز (به ترتیب با دبی جرمی 3 کیلوگرم بر ثانیه و 0.15 کیلوگرم بر ثانیه) وارد جداساز می‌شود. از آنجایی که نفت سنگین‌تر از گاز است، در حالی که فاز گاز از خروجی بالایی خارج می‌شود، نفت درون جداساز ته‌نشین می‌شود.

هندسه مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی کردیم. هندسه این مدل از یک استوانه افقی تشکیل شده است؛ به طوری که دارای یک ورودی افقی برای جریان مخلوط و دو خروجی عمودی برای جریان‌های گاز و مایع جداسازی‌ شده می‌باشد.

سپس این مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کردیم. مش این مدل از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 356230 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای این پروژه، از مدل چندفازی (multiphase model) برای مدل‌سازی دو فاز نفت و سولفید هیدروژن استفاده کردیم. از آنجایی که مرز جداسازی فاز کاملاً متمایز است، از مدل چندفازی حجم سیال (VOF) استفاده کردیم.

سولفید هیدروژن (Hydrogen Sulfide) را به عنوان فاز اولیه (primary phase) و نفت را به عنوان فاز ثانویه (secondary phase) تعریف کردیم. برای تعیین رفتار مرز مشترک بین دو فاز، از مدل پراکنده (dispersed) استفاده کردیم.

نتایج

در پایان فرایند حل، کانتور دو بعدی و سه بعدی سرعت، فشار و کسر جرمی (mass fraction) نفت و گاز را به دست می‌آوریم. همچنین بردار سرعت و خطوط جریان را در فضای داخلی جداساز به دست می‌آوریم.

نتایج نشان می‌دهد که نفت در قسمت پایین جداساز ته‌نشین می‌شود. نفت به دلیل سنگینی به پایین محفظه می‌رود و سولفید هیدروژن به دلیل سبکی به بالای محفظه می‌آید. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که این سیستم جداساز به خوبی کار می‌کند و فازهای نفت و گاز را به درستی جدا می‌کند.