۴-۷- بررسي عملکرد سيکلون در درام بويلر۹۵
۴-۷-۱- نتايج حاصل از شبيه سازي عددي سيکلون در درام بويلر۹۶
فصل پنجم
جمعبندي و پيشنهاد‌ها
۵-۱- مقدمه:۱۰۱
۵-۲- جمعبندي:۱۰۱
۵-۳- پيشنهاد‌ها:۱۰۲

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

منابع و مراجع۱۰۳
فهرست شکلها
شکل ۱-۱- جداساز گاز- مايع قديمي۲
شکل ۱-۲- سيکلون جداکننده کننده گاز مايع (GLCC)4
شکل ۲-۱- انواع زدايشگرها۱۵
شکل ۲-۲- انواع مختلف تجهيزات براي جمع‌آوري ذراتي در بازه‌هاي متفاوت اندازه۱۶
شکل ۲-۳- توزيع اندازه ذرات افشانه بسته به منبع و شيوه توليد آن دارد۱۷
شکل ۲-۴- ذرات موجود در مههاي توليدي از سه منبع متفاوت در بازه يک ميکرون هستند۱۸
شکل ۲-۵- سه مکانيسم مختلف که توسط آن‌ها ذرات به وسيله الياف به هم برخورد ميکنند۲۰
شکل ۲-۶- انواع تيغه‌ها براي زدودن افشانه‌ها۲۲
شکل ۲-۷- در جريان افقي، پرههاي چورن تيغهها را قلاب کرده تا به تخليه مايع کمک کنند۲۳
شکل ۳-۱- مدل شماتيک از جداکنندهGLCC در آرايش حلقه اندازه‌گيري۳۵
شکل ۳-۲- طرح شماتيک و فهرستي از اصطلاحات و علائم هندسه‌ي کلي‌ GLCC39
شکل ۳-۳- نيروهاي موثر در حجم کنترل در حال دوران۴۱
شکل ۳-۴- نمودار سرعت مماسي و سرعت محوري در( GLCC)43
شکل ۳-۵- شماتيک خط سير ذرات حباب و قطره‌۴۵
شکل ۳-۶- شماتيکي از قسمت تست يک GLCC63
شکل۳-۷- شماتيک از تله‌ي مايع۶۴
شکل ۳-۸- محدودهي عملياتي حمل از بالاي مايع۶۶
شکل۳-۹- (LCO) تحت شرايط جريان هم زده و حلقهاي۶۷
شکل ۳-۱۰- درصد (LCO)68
شکل ۳-۱۱- محدودهي عملياتي با سطح مايع۶۹
شکل۳-۱۲- ابعاد GLCC و بخش‌هاي مختلف حلقهي جريان۷۲
شکل ۳-۱۳- چند فازمتر با جداکنندهي گاز- مايع۷۳
شکل۳-۱۴- کوريوليس متر با GLCC74
شکل ۳-۱۵- سيکلون هاي سري۷۵
شکل ۴-۱- نمايش شبکهبندي مثلثي در سيکلون۷۹
شکل ۴-۲- پيش‌بيني سرعت مماسي متوسط در ۵۰۰mm زير ورودي۸۰
شکل ۴-۳- پيش‌بيني سرعت مماسي متوسط در ۶۰۰mm زير ورودي۸۰
شکل ۴-۴- ابعاد سيکلون۸۱
شکل ۴-۵- مسير حرکت قطرات به سمت خروجي مايع و گاز۸۲
شکل ۴-۶- کانتور سرعت (الف) کانتور سرعت قسمت بالايي سيکلون (ب) کانتور سرعت در قسمت پاييني سيکلون۸۳
شکل ۴-۷- کانتور سرعت مماسي (الف) کانتور سرعت مماسي قسمت بالايي سيکلون (ب) کانتور سرعت مماسي در قسمت پاييني سيکلون۸۵
شکل ۴-۸- کانتور فشار (الف) کانتور فشار قسمت بالايي سيکلون (ب) کانتور فشار در قسمت پاييني سيکلون۸۶

شکل ۴-۹- تأثير تغيير قطر خروجي مايع بر GCU و LCO89
شکل ۴-۱۰- تأثير تغيير قطر اصلي بر GCU و LCO90
شکل ۴-۱۱- تأثير تغيير پهناي ورودي بر GCU و LCO91
شکل ۴-۱۲- تأثير تغيير زاويهي ورودي بر GCU و LCO92
شکل ۴-۱۳- تأثير تغيير ارتفاع ورودي بر GCU و LCO93
جدول ۴-۴- مقايسهي GCU و LCO بين مدل اوليه و مدل بهينه۹۵
شکل ۴-۱۴- کانتور سرعت (الف)کانتور سرعت قسمت بالايي سيکلون (ب) کانتور سرعت در قسمت پاييني سيکلون۹۷
شکل ۴-۱۵- کانتور فشار (الف) کانتور فشار قسمت بالايي سيکلون (ب) کانتور فشار در قسمت پاييني سيکلون۹۸
شکل ۴-۱۵- کانتور دما (الف) کانتور دماي قسمت بالايي سيکلون (ب) کانتور دما در قسمت پاييني سيکلون۹۹

فهرست جداول
فهرست علائم و اختصاراتد‌
علائم زيرنويسذ‌
جدول ۴-۱- ويژگيهاي جريان در سيکلون۷۷
جدول ۴-۲- بررسي استقلال از شبکه۷۸
جدول ۴-۳- تأثير تغيير تمام پارامترها بر GCU و LCO94
جدول ۴-۵- ويژگيهاي جريان در سيکلون درام۹۶
جدول ۴-۶- نتايج حاصل از استفادهي سيکلون در درام۹۹
فهرست علائم و اختصارات
تعريفواحدعلامت اختصاريسرعت فاز گاز(m/s)uنوسانات سرعت در جهت x(m/s)u^’نوسانات سرعت در جهت y(m/s)v^’نوسانات سرعت در جهت z(m/s)w^’نيروي وارد بر حجم کنترل(N)fضريب انتقال حرارت جابجايي(W/(m^2 K))hعدد رينولدز(بدون بعد)Reضخامت لايه سيال کنار ديوار(m)yدبي سيال(kg/s)m ?شتاب گرانش(m/s^2 )g ?قطر(m)Dجرم قطره(kg)m_pضريب درگ(بدون بعد)C_Dنيروي درگ(N)F_Dنيروي وزن(N)F_Gمؤلفه مماسي سرعت بعد از برخورد(m/s)v_atمؤلفه نرمال سرعت بعد از برخورد(m/s)v_anمؤلفه نرمال سرعت قبل از برخورد(m/s)V_bnقطر قطره بعد از برخورد(m)D_daقطر قطره بعد از برخورد(m)D_dbعدد وبر قطره(بدون بعد)W_(e_d )عدد وبر فيلم مايع(بدون بعد)W_efعدد وبر برخورد قطره(بدون بعد)We_imانرژي جنبشي درهم(m^2/s^2 )kنرخ تلفات انرژي جنبشي در هم(m^2/s^3 )?حجم(m^3 )Vطول کانال خروج مايع(m)Lارتفاع کانال خروج مايع(m)Hچگالي(kg/m^3 )?ويسکوزيته(Pa.s)?نسبت جرمي فاز(بدون بعد)?کشش سطحي قطره(N/m)?ضخامت فيلم مايع(m)?ويسکوزيته سينماتيک(m^2/s)vعلائم زيرنويس
تعريفانديسهاگازgمايعLذرهpقطرهdفاز qqبين دو فاز p و qpqکرويsph
فصل اول
مقدمه
۱-۱مقدمه :
براي جدا کردن جريان دو فاز گاز- مايع، صنايع نفت و گاز در گذشته از جداکنندههاي مخزني استفاده ميکردند که بزرگ، سنگين و گران بود. جداکنندههاي قديمي به اين صورت کار ميکردند که ابتدا سيال دو فاز گاز- مايع وارد مخزن ميشد و از يک صفحهي ورودي عبور ميکرد. در ورودي سرعت گاز کاهش مييافت و اين کاهش سرعت باعث تغيير در مومنتوم سيال ميشد و در نتيجه ذرات کوچک و ريز مايع به هم برخورد ميکردند و ذرات سنگينتري را تشکيل ميدادند که به صفحه‌ي ورودي و ديوارهي داخل جداکننده ميچسبيدند. سپس گاز در خروجي به يک صفحه که جداسازي نهايي در آن جا شکل ميگرفت برخورد ميکرد و از جداکننده خارج ميشد و ذرات مايع به قسمت پايين جداکننده منتقل ميشدند.
شکل ۱-۱- جداساز گاز- مايع قديمي ]۱ [
اما نياز به جداکنندههايي که در نقاط دوردست در محلهاي مختلف قابل استفاده بوده و قابل‌حمل نيز باشند و همچنين استفاده از آن‌ها در زير دريا، نياز به جداکننده با حجم کمتر، که البته به کاهش چشمگير هزينه نيز منجر ميشود را بيش از پيش عيان کرده است. در ميان جايگزينهاي مختلفي که ميتواند براي رفع اين مشکلات وجود داشتهباشد، جداکنندههاي استوانهاي گاز- مايع۱ که توسط دانشگاه تولسا و چورن۲ ارائه ‌شده و از نيروي گريز از مرکز علاوه بر نيروي گرانش براي جداسازي دو فاز استفاده ميکند، براي بررسي انتخاب شده است. جداساز استوانهاي گاز- مايع يک جداکننده ساده، کم حجم و کم هزينه است که ميتواند به خاطر هزينهي کم و قابليت حمل، جايگزيني مناسب براي جداسازهاي قديمي در محدودهي گستردهاي از کاربردها باشد. اگرچه سيکلونها مدتهاي زيادي به عنوان جدا سازهاي مايع- مايع، جامد- مايع و گاز- جامد استفاده‌شدهاند اما استفادهي محدودي از آن‌ها در جداسازي گاز- مايع انجام شده است، که البته مانع اصلي براي استفادهي گسترده از جداسازهاي گاز- مايع، کمبود امکانات قابل اعتماد براي پيش‌بيني عملکرد آن‌ها براي دانستن کارايي مناسب اين جداسازها است.
GLCC شامل يک لوله عمودي با يک ورودي مماسي شيب‌دار ميباشد که در قسمت مياني ارتفاع لوله قرارگرفته است و دو خروجي يکي براي خروج گاز در بالا و ديگري براي خروج مايع در پايين آن تعبيه‌شده‌اند و به خاطر وجود گرانش قسمت پايين GLCC توسط مايع و قسمت بالايي آن توسط گاز اشغال ميشود. نيروي مماسي باعث چرخش سيال شده که منجر به ايجاد نيروي گريز از مرکز و گردابهاي در داخل بدنهي سيکلون ميشود. بنابراين در قسمت پايين ورودي، حبابهاي گاز به دام افتاده توسط مايع به صورت شعاعي به سمت محور سيلندر رانده ميشوند و يک نوار گازي را تشکيل ميدهند که دوباره به گردابه ملحق ميشوند و در قسمت بالايي، ذرات مايع به سمت ديوار جداکننده پرتاب‌شده و تشکيل يک جرم فشرده را ميدهند که توسط گاز قابل‌حمل نبوده و به سمت خروجي مايع حرکت ميکند. شکل (۱-۲) نمونهاي از يک سيکلون استوانهاي جداکنندهي گاز مايع را نشان ميدهد.
شکل ۱-۲- سيکلون جداکننده گاز مايع (GLCC) ]2 [
1-2- ضرورت تحقيق:
با توجه به اهميت جداسازي در صنعت و لزوم طراحي جداکنندههاي کارآمد براي فرايندهاي مختلف، مهندسان بر آن شدند که با ابزار شبيهسازي به کمک نرم‌افزار، پارامترهاي موثر در طراحي را شناسايي کرده و با توجه به شرايط عملياتي، جداکنندهاي مناسب براي کاربرد مورد نظر طراحي کنند. استفاده از شبيهسازي هزينههاي اضافي مربوط به ساخت دستگاهها در مقياس آزمايشگاهي و انجام آزمايش‌هاي زمانبر و هزينهبر را تا حد قابل‌توجهي کاهشداده است و بررسي پارامترهاي متعدد را بدون افزايش هزينه چندان، ممکن ميکند.
امروزه جداکنندههاي استوانهاي گاز مايع۳، از آنجا که برتري زيادي نسبت به جداکنندههاي قديمي دارند، بيش از پيش مورد توجه صنايع نفت و گاز قرار ميگيرند. استفاده از سيکلون جداکنندهي گاز مايع در کاربردهاي ميداني، نيازمند فهميدن کامل هيدروديناميک جريان در داخل اين جداکنندهها است[۳]. در جداکنندههاي قديمي، نيروي جاذبه تنها عامل جداکنندهي فازها از هم بود، در حاليکه در جداکنندههاي جديد گاز مايع، نيروي گريز از مرکز در کنار نيروي جاذبه به جدايش فازها از هم کمک ميکند. شرايط مختلف نظير هزينه و فشار کاري، صنايع نفت و گاز را وادار به گرايش به سمت جداکنندههاي ارزانتر، کوچکتر و با بازدهي جدايش بهتر کرد، جداکنندههايي که فشرده بوده و مناسب کاربردهاي کنار ساحلي و زير دريا باشد[۴].
در جداسازي فازهاي مختلف در جداکنندهي استوانهاي گاز مايع، ممکن است مشکلاتي به وجود آيد که باعث کاهش بازدهي اين جداکنندهها ميشود. يکي از اين مشکلات اين است که مايع هنگام خروج از خروجي مايع مقداري گاز را با خود حمل ميکند که به آن حمل گاز از پايين۴ گفته ميشود. مشکل ديگري که وجود دارد حمل مايع توسط گاز از خروجي گاز ميباشد که حمل مايع از بالا۵ ناميده ميشود. منتيلا و همکاران يک مدل خط سير حباب براي تعيين زمان شروع حمل گاز از پايين در جداکنندههاي استوانهاي گاز مايع، براي طراحي اين جداکنندهها براي کاربردهاي ميداني توسعه دادند[۵]. آنها مثالهايي را براي نمايش اينکه خط سير حباب چگونه ميتواند در طراحي جداکنندههاي سيکلوني کمک کند، فراهم کردند. فرهات اردال و همکاران شبيه سازيهاي عددي از جريان تکفاز و دوفاز در سيکلونهاي مختلف براي بررسي ميدان پيچيدهي جريان در جداکنندهي گاز مايع و پيشبيني پديدههاي مرتبط با اين جداکنندهها نظير حمل گاز از پايين ارائه دادند[۶]. آنها کار خود را با دادههاي تجربي که شامل نمودار سرعت مماسي و کاهش سرعت مماسي بود مقايسه کردند و توافق خوبي نيز حاصل شد. آنها همچنين يک مدل متقارن محوري را توسعه دادند که از نظر محاسباتي مفيد ميباشد. کيرينوس يک مدل مکانيسمي براي پيشبيني درصد حمل مايع از بالا در داخل سيکلون استوانهاي توسعه داد[۷]. همچنين يک مدل موجود براي پيشبيني حمل مايع از بالا در شرايط فشار بالا شامل مدلهاي پيشرفته براي جريان خالص صفر مايع۶ در ناحيهي قطره و سرعت بحراني توسط آنها توسعه داده شده است. هدف کار آنها بررسي دادههاي بدست آمده براي حمل مايع از بالا و گسترش مدل مکانيسمي براي شرايط فشار بالا و پيشبيني درصد مايع از بالا حمل شده بود. گومز به طور تئوري و تجربي، هيدروديناميک جريان دوفازي پخش شدهي چرخشي را براي پيشبيني حمل گاز از بالا و سنجش عملکرد جداکنندههاي سيکلوني، مطالعه کرد[۸]. هدف مطالعهي او دو چيز بود، مطالعهي تجربي هيدروديناميک جريان دوفازي پخش شدهي چرخشي در قسمت پاييني سيکلون و توسعهي مدل مکانيسمي براي مشخص کردن رفتار پيچيدهي اين نوع جريان که پيشبيني حمل گاز از پايين را در جداکنندهي سيکلوني گاز مايع ممکن ميکند.
در طول اين سالها و افزايش استفاده از اين نوع جداکنندهها، بررسيهاي مختلفي براي ارتقاي دانش دربارهي ساختار جريان در سيکلونها و بهينه کردن عملکرد آنها صورت گرفت. عدم وجود درک کامل و صحيح از هيدروديناميک پيچيدهي جريان چندفازي در داخل جداکنندهها، اعتماد به نفس کافي براي طراحي اين جداکنندهها را کم کرده و نياز به تحقيق بيش از پيش را در اين زمينه نشان ميدهد. همچنين ارتقاي دانش درمورد هيدروديناميک جريان، استفاده کنندگان از جداکنندههاي سيکلوني را قادر ميسازد تا عملکرد آنها را پيشبيني کرده و جداکنندهي مناسبي را براي کاربردهاي مختلف طراحي کنند[۹]. اينتا آرپندي و همکاران مطالعهاي تجربي بر روي جداکنندهي استوانهاي گاز مايع و چندين پارامتر رفتار جريان و ساختار اين جداکنندهها، درحاليکه جداکننده شرايطي را دنبال ميکند که حمل مايع از بالا و حمل گاز از پايين اتفاق نميافتد، انجام دادند[۱۰]. با استفاده از بررسي آنها پيشبيني رفتار جريان در جداکنندهي استوانهاي گاز مايع ممکن خواهد بود. رينر هريز و همکاران جريان چرخشي را در جداکنندههاي استوانهاي گاز مايع بررسي کردند و نتايج حاصل از شبيه سازي عددي جريان تکفاز در سيکلون با استفاده از مدلهاي مختلف جريان آشفته ارائه دادند[۱۱]. آنها در مطالعهي خود، مدل تجربي اردال(۲۰۰۱) را شبيهسازي کردند و ساختار و ويژگيهاي جريان را جداکنندهي استوانهاي گاز مايع نشان دادند. رينرهريز و همکاران در سال ۲۰۱۳، هيدروديناميک و سرعت سيال را در جريانهاي چرخشي گاز مايع در جداکنندههاي استوانهاي به صورت تجربي بررسي کردند و نتايج جالبي از هيدروديناميک جريان و هستهي گازي در جداکنندههاي سيکلوني ارائه دادند[۱۲].
در طول سالهاي گذشته تلاشهاي مختلفي براي بهينهسازي عملکرد جداکنندهها و دسترسي به نتايج بهتر براي جداسازي انجام شد. خيري و کريس اثرات ابعاد ورودي سيکلون را بر روي الگوي جريان و عملکرد سيکلون بررسي کردند و نتايج خوبي ارائه دادند، اما مطالعهي آنها محدود به جداکنندههاي گاز جامد بود[۱۳]. گوانک کاي و همکاران تاثير زاويهي پره را بر الگوي جريان و عملکرد جداکنندههاي محوري بررسي کردند. اما بررسي آنها نيز تنها محدود به جداکنندههاي گاز جامد بوده است[۱۴]. ونگ و همکاران يک مدل پويا۷ براي کنترل سطح مايع و فشار در جداکنندهي استوانهاي گاز مايع با استفاده از تکنيکهاي کنترلي کلاسيک توسعه دادند[۱۵]. آنها يک طرح کنترلي بر اساس مدل سيستم کنترل خطي ارائه دادند و پاسخ گذراي سيستم را با يک نرم افزار مناسب شبيهسازي کردند. در نهايت يک چارچوب طراحي براي اجراي سيستم کنترلي در جداکنندههاي استوانهاي گاز مايع با استفاده از يک شبيه ساز اختصاصي، توسط آنها ارائه شد.
نظر به مطالب ذکرشده، در اين مطالعه، عملکرد جداکنندههاي سيکلوني به کمک شبيهسازي با استفاده از روش ديناميک سيالات محاسباتي مورد بررسي قرارگرفته است.
در طراحي جداکنندههاي سيکلوني هم مانند ساير جداکنندهها، پارامترهاي گوناگوني بر راندمان جداسازي و افت فشار جريان گاز تأثيرگذار است. پارامترهايي چون سرعت جريان گاز، نسبت جرمي قطرات در ورودي، اندازهي قطرات، هندسهي جداکننده سيکلوني، شرايط مرزي و مشخصات فازها.
به علاوه در شبيهسازي اين جداکنندهها براي نزديکتر شدن به شرايط واقعي عملکرد جداکنندههاي سيکلوني، مواردي مانند برهمکنش گردابهاي، نيروهاي موثر بر فازها، جريان درهم و شبکه‌بندي هندسه بايد با دقت انتخاب شوند.
۱-۳- اهميت فرايندهاي جداسازي در صنايع نفت و گاز
در طول ساليان متمادي، صنايع نفت و گاز براي فرايندهاي جداسازي سر چاهي جريان‌هاي توليدي نفت، گاز، و آب عمدتاً بر جداكننده‌هاي نوع مخزني تكيه داشته‌اند. خطوط جريان كه از چاه‌هاي مختلفي سرچشمه مي‌گيرند، به خط جمع‌آوري ۸متصل ميشوند كه اين جريانات توليدي را به جداكننده‌ها هدايت ميكند. لازم است در ايستگاه‌هاي ميداني نفت يا گاز، درست در اولين قدم پس از شن‌زدايي، جريان‌هاي فاز مايع را از گاز جدا نمود تا هر كدام را به طور مجزا مورد عمليات قرارداد. چرا كه انتقال و تصفيه جريان‌هاي تك فازي بسيار ساده‌تر و اقتصادي‌تر است. در حقيقت، جداكننده‌هاي چند فازي جريان‌هاي توليدي از چاه‌هاي نفت يا گاز را در نزديک‌ترين فاصله ممكن در همان مناطق از يكديگر تفكيك ميكنند تا هر كدام به طور جداگانه مورد فراورش بعدي قرار گيرند.
همچنين فرايندهاي جداسازي نقشي محوري در تهيه و تأمين محصولات هيدروكربني، از نواحي بهره‌برداري تا بازارهاي مصرف، ايفا ميكنند. علاوه بر كاربرد ميداني سر چاهي، از اين جداكننده‌ها در واحدهاي شيميايي (پالايشگاه‌هاي نفت و گاز، صنايع پتروشيمي، و …) نيز استفادههاي فراواني ميشود. به عنوان مثال تجهيزات جداسازي تقريباً ?? % از سرمايه هزينه شده در سكوهاي فرا ساحلي نفت و گاز را تشكيل مي‌دهند. اين سهم براي پالايشگاه‌هاي نفتي به ?? % و در كارخانه‌هاي تصفيه و فراورش گاز و توليد LNG تا ?? % نيز ميرسد. اين امر اهميت و جايگاه اين تجهيزات را در صنايع نفت و گاز نشان ميدهد.
۱-۴- مراحل انجام تحقيق:
در ابتداي اين پروژه، ادبيات موضوع و اصول کلي جداکنندههاي سيکلوني گردآوري‌شده و مطالعات گذشته بررسي گرديد. در تحقيقات انجام‌گرفته، نمونه‌هاي جريان درهم براي سيکلونها مورد بررسي قرارگرفته است. نتايج اين مطالعات نشان ميدهد که در نواحي کم سرعت و داراي رينولدز پايين، استفاده از نمونه‌هاي اصلاح‌شده براي جريانهاي چرخشي پيش‌بيني بهتري از نمودار سيال ارائه ميکند. در برخي تحقيقات تأثير پارامترهاي هندسي سيکلون مورد بررسي قرارگرفته است. نتايج نشان ميدهد که حداکثر سرعت مماسي در سيکلون، با بزرگ کردن ابعاد ورودي، کاهش مييابد و بيشينه سرعت مماسي تقريباً در سراسر سيکلون ثابت هست. افزايش ابعاد ورودي سيکلون افت فشار را کاهش ميدهد. همچنين بررسيها نشان داد که تأثير تغيير عرض ورودي، بسيار بيشتر از تغييرات ارتفاع ورودي است و نسبت بهينه‌ي عرض ورودي به ارتفاع آن، بين ۵/۰ تا ۷/۰ هست. همچنين، در ميان نمونه‌هاي RANS، نمونه K-? بهترين عملکرد و نتيجه را براي پيش‌بيني سرعت مماسي و محوري ايفا کرد. در تحقيقات گذشته مطالعهاي کلي بر روي هندسهي جريان و تأثير آن بر بهبود جداسازي انجام نشده است. با توجه به نتايج مطالعات گذشته و نقاط ضعف و قوت آن‌ها بررسي عملکرد سيکلونهاي جداکنندهي گاز- مايع و هندسهي بهينهي آن‌ها هدف اصلي اين پروژه تعريف شد. در ادامه به بررسي پارامترهاي تأثيرگذار پرداخته و در نهايت تأثير آن‌ها بر عملکرد جداکننده و راندمان جداسازي با استفاده از تکنيک‌هاي CFD صورت گرفت.
در اين مطالعه، بهترين شبکه‌بندي براي جداکننده سيکلوني مورد بررسي، به دست آمده و با حل معادلات پيوستگي و مومنتوم براي نقاط شبکه در دامنهي محاسباتي، شبيه‌سازي جريان براي شرايط عملياتي تعريف‌شده، انجام‌گرفته است. نتايج شبيهسازي با دادههاي تجربي مقايسه گرديده و صحت فرضيات و نمونه به کار گرفته‌شده تأييد گرديده است.
در ادامه تأثير تغيير پارامترهاي مختلف هندسي نظير سطح مقطع ورودي، زاويهي ورودي، ارتفاع ورودي از کف سيکلون، قطر خروجي مايع و قطر اصلي سيکلون بر راندمان جداسازي و تغيير مقدار حمل از بالاي مايع۹ و مقدار حمل از زير گاز۱۰، مورد مطالعه واقع شد. با توجه به نتايج به دست آمده مقدار حمل از زير گاز با کاهش قطر خروجي مايع يا افزايش قطر اصلي سيکلون يا افزايش سطح مقطع ورودي و يا کاهش زاويهي ورودي، کاهش مييابد و يک نقطهي بهينه براي تغييرات حمل از زير گاز با تغيير ارتفاع ورودي سيکلون وجود دارد. همچنين يک نقطهي بهينه براي حمل از بالاي مايع با تغيير پارامترهاي هندسي نظير سطح مقطع ورودي، ارتفاع ورودي از کف سيکلون، قطر خروجي مايع و قطر اصلي سيکلون به دست ميآيد. افزايش زاويهي ورودي باعث افزايش حمل از بالاي مايع ميگردد.
۱-۵- ساختار تحقيق:
در فصل اول مقدمهاي بر موضوع و مطالعهي حاضر و مروري بر کارهاي گذشته و ضرورت انجام اين مطالعه آمده است. در فصل دوم به بررسي انواع جداکننده‌هاي دو فازي پرداخته شده است. فصل سوم جداکنندههاي سيکلوني، اصول کلي طراحي، معادلات حاکم و شرايط عملياتي را به تفسير کشيده است. مروري بر تحقيقات پيشين نيز در اين فصل ارائه ميگردد. نتايج تحقيقات اين پايان نامه و تجزيه و تحليل آن‌ها در فصل چهار آمده است و در نهايت در فصل پنجم جمعبندي، نتيجهگيري و پيشنهاد‌هايي براي مطالعات آينده ارائه شده است.

فصل دوم
دستگاههاي متعارف جداسازي
گاز – مايع
۲?۱- آشنايي با جداكننده‌هاي ثقلي گاز – مايع
امروزه در صنايع نفت و گاز از انواع جداکننده‌هاي دو فازي و يا سه‌فازي به منظور تفکيک جريان گاز از جريان‌هاي مايع استفاده ميشود. تفکيک‌گرهاي متداول ثقلي نوع مخزني از يک مخزن استوانه‌اي که از دو سمت توسط کله‌گي۱۱‌ها بسته‌شده‌اند، تشکيل‌شده‌اند.
جداسازي فازي متداول شامل تفكيك‌گرهاي دو فازي يا سه‌فازي است. اين جداكننده‌ها معمولاً مخازن استوانه‌اي افقي يا عمودي هستند. مكانيسم اصلي به‌کار رفته در جداسازي فازها در جداكننده‌هاي متداول نوع مخزني نيروي جاذبه است. از آنجا كه مقادير چگالي بخارات(گاز) و مايعات (نفت و آب) جريان ورودي بسيار متفاوت هستند، بزرگي نيروي جاذبهاي كه بر آن‌ها عمل ميكند نيز بسيار اختلاف دارد. بنابراين، با دادن وقت لازم به اين فازها در يك وسيله مخصوص، مي‌توان آن‌ها را از يكديگر جدا نمود. اما از آنجا كه نيروهاي جاذبه به اندازه كافي قوي نيستند تا به سرعت مايع را از بخار تفكيك كنند، زمان ماند در نظر گرفته‌شده براي فرايند تبخير ناگهاني۱۲ در اين وسايل بسيار طولاني است. براي تأمين چنين زمان اقامت نسبتاً طولاني، مخزن جداسازي ثقلي بايد داراي ابعاد عظيمي(طول و قطر بزرگ) باشد. در نتيجه، جداكننده‌هاي مربوطه كه بتوانند به طور كارآمد جداسازي را انجام دهند، حجيم، سنگين و گران‌قيمت خواهند بود.
در تمامي روش‌هاي طراحي، مهم‌ترين عامل، در نظر گرفتن طول و سطح مقطع مناسب براي مرحله دوم جداسازي (تفكيك ثقلي) است. براي مخزن جداسازي بايد قطر كافي در نظر گرفته شود تا آن را قادر به فراورش جريان مورد نظر سازد. از سوي ديگر، سقوط قطرات مايع احتياج به طول كافي در مدت زمان اقامت آن‌ها دارد. ابعاد مناسب جداكننده به قطرات مايع اجازه خواهد داد تا قبل از ترك تفكيك‌گر سقوط كنند. سقوط ذرات مايع وابسته به نيروهاي اثركننده بر آنهاست، نيروي جاذبه به سمت پايين، و نيروهاي دراگ در جهت مخالف به سمت بالا. هنگامي كه برايند نيروي جاذبه با نيروي دراگ در حال تعادل باشند، ذرات سنگين‌تر مايع (به نسبت حباب‌هاي گاز) با يك سرعت حدي ثابت (U_T) به سمت پايين سقوط كرده و ته‌نشين ميشوند. با برابر قرار دادن نيروهاي فوق، مقدار اين سرعت حدي محاسبه ميشود.
در روشهاي ارائه‌شده از سوي ابرنتي۱۳ و سيگالز۱۴ براي تعيين حد سرعت ته‌نشيني از قانون استوكس استفاده‌ شده است كه تنها در جريان‌هايي با اعداد رينولدز پايين صادق است ]۱۶٫[
U_T را ميتوان به شکل تابعي از عبارت [((?_L-?_v ))??_v ]^(1/2) در نظر گرفت و مقدار آن را به وسيله ضرب کردن عددي ثابت (K) در نسبت چگالي ذکرشده محاسبه نمود. مقادير ثابت K براي انواع جداکننده‌ها به روش‌هاي مختلفي بيان ميشوند. در مطالعات گروندا۱۵ مقاديري براي K پيشنهاد شده است. همچنين، سورکک۱۶ و مانري۱۷ نيز روابط مفيدي براي تعيين اين مقادير ارائه کرده‌اند]۱۷٫[
پس از محاسبه سرعت حدي، سرعت بخار(U_v) بايد به اندازه کافي کوچک در نظر گرفته شود تا به قطرات مايع اجازه داده شود که به سمت پايين سقوط کنند. از اين نظر، مهم‌ترين مسئله اين است که بخار به طور مناسبي سرعت کمي داشته باشد تا زمان لازم به ذرات مايع داده شود تا قبل از آن که بخار مخزن را ترک کند آن‌ها به طور کامل سقوط کنند. سرعت مجاز بخار را مي‌توان از دو روش معادل هم محاسبه نمود. سرعت حدي را مي‌توان در يک عدد کوچک‌تر از واحد ضرب نمود تا سرعت مجاز بخار حاصل شود. در روش ديگر مي‌توان نسبت چگالي را مستقيماً در عددي ثابت ضرب کرد تا بيشينه سرعت بخار به دست آيد. نمودارهايي در مقالات و مطالعات واتکينز۱۸ و همچنين کوکر۱۹ ارائه‌شده است که توسط آن ميتوان اين ضريب را تخمين زد. همچنين گروندا مقادير ثابتي براي اين ضريب ارائه نموده است. با تنظيم سرعت بخار، قطر جداکننده را (در تفکيک‌گرهاي عمودي به صورت مستقيم و در جداکننده‌هاي افقي با محاسبات تکرارشونده) به دست مي‌آورند]۱۸٫[
براي جداکننده‌هاي عمودي، سطح رهايش بخار برابر با تمامي سطح مقطع مخزن است. بنابراين، قطر بايد به اندازه کافي بزرگ باشد تا بتواند جريان بخار را با سرعت بخار محاسبه‌شده فراورش نمايد.
در جداکننده‌هاي دو فازي افقي، سطح مقطع توسط هر دو فاز بخار و مايع اشغال شده است. براي تعيين ابعاد تفکيک‌گرهاي افقي دو فازي، معمولاً مقداري براي قطر در نظر گرفته ميشود، ارتفاع سطح پاييني مايع (LLL) انتخاب يا محاسبه ميشود، و ارتفاع سطح عادي (NLL) به کمک زمان هولد آپ۲۰ مايع و ارتفاع سطح بالاي مايع (HLL) به وسيله زمان سرج۲۱ مايع تعيين مي‌شوند. سطح مقطع بين (HLL) و بالاي مخزن (HV) براي رهايش بخار به کار گرفته مي‌شود. سپس طول مخزن به گونهاي محاسبه ميشود که بتواند زمان هولد آپ و سرج مايع را تحمل کند و يا جداسازي بخار – مايع را انجام دهد. بنابراين، اين روش براي تعيين ابعاد جداکننده‌هاي افقي، محاسباتي تکرارشونده هستند.
همچنين رويه‌هاي مشابهي توسط بيزانتي۲۲ و هانچنگ۲۳ و نيز کوکر براي برنامه‌نويسي رايانه‌اي و کاربرد آن در طراحي و تعيين ابعاد جداکننده‌هاي دو فازي به کار گرفته‌شده است]۱۶٫[
قطر مناسب براي مخزن با در نظر گرفتن حجم‌هاي تخميني سرج و هولد آپ محاسبه ميگردد. براي جداکننده‌هاي افقي، همان طور که در بالا نيز اشاره شد، در اين مرحله بايد تخميني از نسبت طول به قطر۲۴ (L/D) در دست باشد. علاوه بر مقادير پيشنهادي سورکک و مانري، برخي راهنمايي‌هاي نسبت L/D توسط گروندا نيز گزارش شده است. در قدم‌هاي بعدي طول مخزن۲۵ توسط محاسبات تکرارشونده به دست مي‌آيد. شروع نمودن با مقادير متفاوت L/D، منجر به حاصل شدن مقادير متفاوتي براي قطر مي‌شود. روشن است که مقادير متفاوت ابعاد نيز منجر به وزن‌هاي مختلف مخزن جداسازي ميشود.
۲-۲- انواع صفحات نم گير
قطره، مه و افشانه توسط توزيع متفاوت اندازه ذره، تعيين مشخصه ميشوند. انتخاب دستگاه زدايش (مه زدا يا قطره‌گير) مناسب بستگي به اندازه ذراتي خواهد داشت که با آن سروکار دارد. به منظور اهداف طراحي، لازم است که بازده جمع‌آوري، نرخ فراورش گاز و افت فشار را بدانيم. در اين فصل، سه نوع از دستگاههاي زدايشگر، صفحه نم‌زداي تيغهاي۲۶، نم‌زداي توري سيمي۲۷ و قطره‌گيرهاي بستر اليافي۲۸ به تفصيل مورد بررسي قرار ميگيرند.
شکل ۲-۱- انواع زدايشگرها ]۱۹ [
۲-۲-۱ افشانه‌ها و مه‌ها
هنگامي که قطرات مايع در جريان‌هاي گاز در يک دستگاه تماس گاز / مايع تشکيل مي‌شوند، مه يا افشانه ايجاد مي‌گردد. اگر اندازه ذرات در محدوده ?? تا ???? ميکرون باشد، به آن افشانه گفته مي‌شود و اگر محدوده اندازه ذرات از ?? تا زير يک ميکرون باشد، مه ناميده مي‌شود. شکل (۲-۲) نمونه‌اي از ذراتي که در اين محدوده اندازه‌ها هستند و همين طور برخي دستگاههايي که براي زدودن اين ذرات به کار مي‌رود را نشان ميدهد.
شکل ۲-۲- انواع مختلف تجهيزات براي جمع‌آوري ذراتي در بازه‌هاي متفاوت اندازه ]۲۰ [
مکانيسم‌هاي تشکيل افشانه‌ها و مه‌ها کاملاً متفاوت هستند. افشانه‌ها به وسيله يکي از مکانيسم‌هاي اوليه زير يا همه آن‌ها تشکيل ميشوند:
تفکيک شدن جت مايع در جريان گاز
تفکيک شدن موج متلاطم به دليل عبور جريان گاز از بالاي فيلم مايع
از هم پاشيدن گاز يا حبابهاي بخار در سطح تماس گاز ? مايع
مکانيسم ثانويهاي که بر توزيع اندازه افشانه‌ها تأثير ميگذارد، تفکيک متعاقب قطرات مايعي است که به وسيله مکانيسم‌هاي اوليه و يا توسط برخورد با سطوح صلب در دستگاههاي تماس گاز? مايع تشکيل‌شده‌اند. از اين نظر، توزيع اندازه ذرات افشانه‌ها تابعي از خواص فيزيکي سيال، نرخ فراورش، و هندسه خاص دستگاه دارد.
در شکل (۲-۳)، يکي از نمودارها، يک نمونه منحني توزيع اندازه ذرات افشانه‌اي است که از تفکيک يک جت مايع به وسيله يک توزيع‌کننده مايع نوع ترشحي۲۹ تشکيل‌شده باشد. اين ذرات را ميتوان افشانه ۱۰۰-۵۰۰ ناميد که مشخصهاي از جريان باد هوا – آب در برجهاي خنککننده هستند. نمودار ديگر در اين شکل، يک نمونه منحني افشانهاي است که با متلاشي شدن حباب‌هاي جريان يک تبخيرکننده محلول نمک تشکيل‌شده است.
شکل ۲-۳- توزيع اندازه ذرات افشانه بسته به منبع و شيوه توليد آن دارد]۲۱ [
از سوي ديگر، مه‌ها عموماً در اثر شوک سرمايشي يک بخار قابل مايع شدن تشکيل ميشوند (در مقابل افشانه‌ها، که توسط وسيله‌هاي مکانيکي توليد ميشوند). شکل (۲-۴) توزيعات اندازه ذرات را براي مه‌هاي توليدشده از سه منبع مختلف نشان مي‌دهد. منحني مياني، يک توزيع از اندازه ذرات دود آبي توليدشده توسط شوک سرمايشي به بخارات روغن نرم‌کننده از يک عمليات اکستروژن پلاستيک را نشان ميدهد. نمودارهاي بالايي و پاييني، نمونه توزيعات اندازه مه يافته شده در فرايند تماس H2SO4 ميباشند. اين مه‌ها به وسيله واکنش فاز گازي بخار آب و SO3 و شوک سرمايشي متعاقب بخار H2SO4 در برجهاي جاذب تشکيل‌شده‌اند. ذرات داخل مه تشکيل‌شده توسط فرايند اولئوم ۲۰% (اسيد سولفوريک دود کننده) به طور قابل‌توجهي کوچک‌تر از آنهايي هستند که درون مه شکل گرفته از فرايند اسيد سولفوريک ۹۸% وجود دارند. دليل اين امر اين است که دماي برج جذب در فرايند اولئوم عموماً ۶۰ ?F پايينتر است.
شکل ۲-۴- ذرات موجود در مههاي توليدي از سه منبع متفاوت در بازه يک ميکرون هستند ]۲۱ [
چرا مه و افشانه حذف شوند؟
انگيزه‌هاي فراواني براي استفاده مناسب از تجهيزات طراحي‌شده زدايش مه و افشانه (مه گير، نم‌زدا) وجود دارد. تعدادي از اين اهداف به شرح زير است:
بهبود کنترل انتشار. به عنوان مثال، جريان‌هاي گاز خروجي از بسياري کارخانه‌ها توليدي، حاوي افشانه‌هاي مايع و مه ميباشند که اگر شيوه مناسبي براي کنترل انتشار اتخاذ نشود، ميتوانند براي سلامت انسان و پوشش گياهي محيط مضر باشند.
بازيابي محصولات ارزشمند. در بسياري از تبخيرکننده‌ها و عمليات‌ جذب گاز، محصولات باارزش در فاز مايع هستند. براي بيشينه کردن بازيافت اين مايعات، جداسازي کارآمد گاز? مايع ضروري است.
محافظت از تجهيزات پايين‌دستي. در عملياتي که يک مايع خورنده با يک گاز تماس مي‌يابد، ميزان حمل از بالاي قطرات مايع و مه بايد کمينه شوند. کاهش اين مقدار، اغلب موجب کاهش هزينه‌هاي تعمير و نگهداري فن‌هاي مکشي۳۰ پايين‌دست ميگردد و نيز اجازه ميدهد تا از مواد ارزان‌تر در ساخت لوله‌کشي پايين‌دست استفاده شود.
بهبود خلوص‌محصولات. کنترل کارآمد و موثر حمل از بالاي قطرات مايع (مه و افشانه) در بالاي برج‌هاي تقطير، اغلب موجب ميشود که بتوانيم محصول خالص‌تري از بالاي برج به دست آوريم. اين خلوص بهبوديافته موجب افزايش بازده فرايند نيز ميگردد.
۲-۲-۲ بازده جمع‌آوري:
همان‌گونه که در شکل (۲-۲) نشان داده‌شده است، انواع مختلفي از تجهيزات براي زدودن مه و افشانه موجود مي‌باشند. در مباحث پيش رو، فقط جداکننده‌هاي افشانه نوع برخوردي ۳۱و قطرهگير بستر اليافي مورد بحث قرار خواهند گرفت. در هر دوي آن‌ها، جريان گاز روي يک قطعه مرطوب مورد عمليات قرار مي‌گيرد و قطرات مايع باهم برخورد کرده و توسط قطعه خيس شده جمع‌آوري ميشوند.
شکل ۲-۵- سه مکانيسم مختلف که توسط آن‌ها ذرات به وسيله الياف به هم برخورد ميکنند ]۲۱ [
تعيين مقدار بازده جمع‌آوري، به منظور ارزيابي تجهيزات، ضروري است مکانيسم‌هاي پايه جمع‌آوري قطرات مايع در شکل (۲-۵) نمايش داده‌شده‌اند، که نشان‌دهنده جريان گاز عبور کننده از يک استوانه قرارگرفته به صورت عمود بر جهت جريان است. با “اينرسي برخوردي”، ذرات به علت مومنتومي که دارند، از خطوط جريان عبور مي‌کنند تا با استوانه تماس پيدا کنند. با “نفوذ براونين۳۲، ذرات در نتيجه حرکت تصادفي براوني که دارند با استوانه تماس پيدا مي‌کنند. با “برخورد مستقيم”، چون خطوط جريان بسيار نزديک به استوانه عبور مي‌کنند، ذرات با استوانه تماس پيدا مي‌کنند.
بازده جمع‌آوري قطرات مايع، تابعي از اعداد بدون بعد جداسازي زير ميباشند. (براي توضيح کامل، فصلهاي ?? و ?? Handbook Engineers Chemical ( پري وچيلتون) را ببينيد(
اينرسي برخوردي:
?=(C_P ?_l U_0 ?D_P?^2)/(18 ?_g D_c ) (2-1)
نيروي براوني:
?=(D_l )/(U_0 D_c ) (2-2)
برخورد مستقيم:
?=(D_p )/(U_0 D_c ) (2-3)
با اينکه اين اعداد جداسازي بدون بعد براي جمع کننده‌اي منفرد با قطري برابر با D_c به‌کاربرده شده‌اند، ولي داده‌هاي تجربي بازده جمع‌آوري جزئي براي بسترهاي استوانهاي (مثل توري سيمي) نيز به طور موثري مي‌توانند با اين اعداد بدون بعد مربوط شوند. بازده جمع‌آوري جزئي ?_f)) بازده جمع‌آوري براي يک قطره مايع با اندازه معين است. از آنجا که بيشتر مه و نم‌هاي مورد نظر شامل توزيع اندازه قطرات مايع معيني مي‌باشند (شکل‌هاي (۲-۳) و (۲-۴))، بازده کلي جمع‌آوري جداسازي ?_t))، از رابطه زير به دست مي‌آيد:
(۲-۴)?_t=1-?_0^w?(1-?_f)/w d_w که d_w برابر با کسر وزني قطرات مايع در يک اندازه معين است.
به هر حال، روابط تحليلي براي ?_f و توزيع اندازه ذرات به ندرت موجود هستند. بنابراين براي تعيين بازده کلي جمع‌آوري، انتگرال‌گيري بر روي معادله (۲-۴) معمولاً به صورت عددي محاسبه مي‌گردد.
علاوه بر پيدا کردن بازده جمع‌آوري، براي انتخاب دستگاه مناسب، دانستن محدوده نرخ فراورش و افت فشار جداکننده نيز ضروري است. اين متغيرهاي طراحي در ادامه براي جداکننده‌هاي نم‌زداي برخوردي نوع تيغهاي و توري سيمي و براي قطره‌گير بستر اليافي مورد بحث قرارگرفته‌اند.
۲-۲-۳- صفحه‌هاي نم‌زداي تيغه‌اي:


پاسخ دهید