Application of CFD for Troubleshooting and Hydrodynamic Analysis in an Industrial Three-Phase Gravity Separator

Document Type : Original Article

Authors

1 Ph.D student, Chem. Eng. Dept., Faculty of Eng., University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran

2 Corresponding Author: Chem. Eng. Dept., Faculty of Eng., University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran

3 Department of Chemical Engineering University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran

20.1001.1.25885596.2020.5.1.6.6

Abstract

Multiphase separation in gravity separators is one of the important processes in different industries. This study presents a computational fluid dynamics (CFD) simulation of an industrial three-phase boot separator applying a coupled volume of fluid (VOF)- dispersed phase model (DPM) method for hydrodynamic analysis and troubleshooting of the separation process. Noted that despite the wide application of the boot separator in different industries, no research has been performed on this type of separator to investigate the macroscopic and microscopic behavior of the separation process. The results of numerical calculations based on three-phase flow profile, secondary phase behavior, separator performance, and size distribution of the droplets were investigated in this research. Results showed that the CFD model is well capable of estimating the separation behavior in a three-phase boot separator. Troubleshooting of the studied separator was also investigated to detect the parameters that might decrease the separation performance. Based on the results, it is concluded that the separator suffers from the type of the inlet diverter, lack of an efficient mist extractor at the gas outlet and also lack of an appropriate vortex breaker at the oil outlet. The effect of increasing the inlet water flow rate on the separator performance was another parameter that was studied in this research. Results demonstrated that increasing the inlet water flow rate from 11823-47295 kg/hr caused an increase in the mass of droplets at the gas outlet from 0.09 to 1.6 kg/hr, but this increase did not lead to a significant decrease in the separation efficiency.  

Keywords

Main Subjects

Article Title [فارسی]

کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی به منظور عیب یابی و تحلیل رفتار هیدرودینامیکی در یک جداکننده گرانشی سه فازه صنعتی

Authors [فارسی]

  • زهره خلیفات 1
  • مرتضی زیودار 2
  • رهبر رحیمی 3

1 دانشجوی دکتری مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی ،دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 استاد گروه مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

3 استاد گروه مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

Abstract [فارسی]

 جدایش جریان چند فازی در جداکننده‌های گرانشی یکی از فرایند های مهم در صنایع مختلف به شمار می‌رود. در این مطالعه از یک شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) با استفاده از یک مدل ترکیبی VOF-DPM برای عیب‌یابی و تحلیل رفتار هیدرودینامیکی فرایند جدایش در یک جداکننده سه فازی صنعتی دارای بوت، استفاده شده است. لازم به ذکر است که با وجود کاربرد گسترده جداکننده‌های بوت در صنایع مختلف تاکنون هیچ پژوهشی روی این نوع از جداسازها برای بررسی رفتار ماکروسکوپی و میکروسکوپی فرایند جدایش ارائه نشده است. در این پژوهش، نتایج محاسبات عددی بر حسب پروفایل‌های جریان سه فازی، رفتار فازهای ثانویه، بازده جداکننده و توزیع اندازه قطرات مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که مدل CFD مورد نظر قادر به تخمین خوبی از رفتار جدایش در یک جداکننده سه فاز دارای بوت  است. عیب یابی فرایند جدایش در جداکننده مورد نظر برای تشخیص پارامترهایی که منجر به کاهش راندمان جداکننده می‌شود نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان دهنده کاربرد نامناسب نوع هدایت کننده ورودی، نیاز به وجود نم گیر مناسب در خروجی گاز و همچنین نیاز به یک گرداب شکن در خروجی مایع بوده است. اثر افزایش میزان دبی آب ورودی روی عملکرد جداساز، یکی از پارامترهای مهم دیگری است که در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که افزایش دبی آب ورودی در محدوده kg/hr  ۱۱۸۲۳-۴۷۲۹۵ منجر به افزایش میزان جرم آب در خروجی گاز از ۰/۹۰ به kg/hr ۱/۶ شده است ولی این مقدار افزایش باعث کاهش چشمگیری در عملکرد جدایش در جداساز مورد نظر نشده است.

Keywords [فارسی]

  • جدا کننده گرانشی سه فازی
  • مدل حجم سیال
  • مدل فاز ناپیوسته
  • عیب یابی
  • تحلیل هیدرودینامی
  1. Ahmed, T., Hamed, F., Russell, P.A., 2017. The use of CFD simulation to compare and evaluate different sizing algorithm for three – phase separator. OTC offshore technology conference. Brazil, 24-26.
  2. ANSYS Fluent version 16.2, 2016, Fluent Theory Guide.
  3. Arnold, K., Stewart, M., Surface production operations: design of oil handling systems and facilities. Amsterdam: Elsevier
  4. Bothamley, M., 2013a. Gas/liquid separators: quantifying separation performance-part 1. Oil and Gas. Fac., 2 (4), 21-29.
  5. Bothamley, M. 2013b. Gas/liquid separators: quantifying separation performance-part 2. Oil and Gas. , 2 (5), 35-47.
  6. Bracill, J.u., Kothe, D.B., Zemach, c., 1992. A continuum method for modeling surface tension. J.Comput.Phys., 100, 335-356.
  7. Cloete, S., Eksteen, J.J., Bradshaw, S.M., 2009 a. A mathematical modelling study of fluid flow and mixing in full scale gas stirred ladles. Computational Fluid Dynamics, 9(6), 345-356.
  1.  
  1. Cloete, S., Olsen, J.E., Skjetne, P. 2009b. CFD modeling of plume and free surface behavior resulting from a sub-sea gas release. Applied Ocean Research. 31, 220-225.
  2. Ghafarkhah, A., Shahrabi, M.A., Moraveji, M.K., Eslami, H., 2017. Application of CFD for designing conventional three phase oilfield separator. Egypt. J. Pet., 26 (2), 413–420.
  3. Ghafarkhah, A., Shahrabi, M.A., Moraveji, M.K., Eslami, H., 2018. 3D Computational-Fluid-Dynamics Modeling of Horizontal Three-Phase Separators: An Approach for Estimating the Optimal Dimensions. Oil and Gas. Fac., 33 (4), 1-17.
  4. Khalifat, Z., Zivdar, M., Rahimi, R., 1396. Simulation of three-phase separator in Borzoye petrochemical company, the first conference in science and engineering, Mashhad, in Persian.
  5. Kharoua, N., Khezzar, L., Saadawi, H., 2013b. CFD simulation of three-phase separator: effects of size distribution. ASME FEDSM. Nevada, USA.
  6. Kharoua, N., Khezzar, L., Saadawi, H., 2013a. CFD Modelling of a Horizontal Three-Phase Separator: A Population Balance Approach. Am. J. Fluid Dyn., 3 (4), 101-118.
  7. Kirveski, L., 2016. Design of Horizontal three-phase separator using computational fluid dynamics. MSC Dissertation, Alato university school of chemical technology.
  8. Mohammadi Ghaleni, M., Zivdar, M., Nemati, M.R., 2012. Hydrodynamic Analysis of two-phase separator by computational fluid dynamic (CFD). 6th international conference on Advanced Computational Engineering and Experimenting. Istanbul, Turkey.
  9. Monnery, W.D., Svrcek, W.Y., 1994. Successfully specify 3-phase separators. Chem. Eng. Prog, 90 (6), 29–40.
  10. Pourahmadi Laleh, A., 2010. CFD Simulation of Multiphase Separators. Ph.D. Dissertation, University of Calgary, Canada.
  11. Pourahmadi Laleh, A., Svrcek, W.Y., Monnery, W.D., 2011. Computational Fluid Dynamics Simulation of Pilot Plant‐Scale Two‐Phase Separators. Chem.Eng.Tech., 34 (2), 296-306.
  12. Pourahmadi Laleh, A., Svrcek, W.Y., Monnery, W.D., 2012. Computational Fluid Dynamics-Based Study of an Oilfield Separator--Part I: A Realistic Simulation. Oil and Gas Fac., 1(6), 57-68.
  13. Qarot, Y.F., Kharoua, N., Khezzar L., 2014. Discrete phase modeling of oil droplets in the gas compartment of a production separator. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exhibition, Canada.
  14. Xu, Y., Liu, M., Tang, C., 2013. Three-dimensional CFD–VOF–DPM simulations of effects of low-holdup particles on single-nozzle bubbling behavior in gas–liquid–solid systems. Chem.Eng, 222, 292–306.