Simulation of an Industrial Three Phase Boot Separator Using Computational Fluid Dynamics

Document Type : Original Article

Authors

1 Ph.D student, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, 98161, Iran

2 Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, 98161, Iran

3 Professor, Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, 98161, Iran

20.1001.1.25885596.2021.6.1.3.0

Abstract

Three-phase separators are used to separate immiscible phases in petroleum industries. Computational fluid dynamics (CFD) simulation of industrial separators are rather limited in the literature and most of them are based on Eulerian-Eulerian (E-E) or Eulerian-Lagrangian (E-L) approaches with poor agreement between simulation and industrial data. In this research a coupled E-E and E-L method, i.e., the combination of the volume of fluid (VOF) and dispersed phase model (DPM) was developed to simulate an industrial three phase boot separator. Noted that despite the wide usage of boot separators in petroleum industry, no research has been performed on it.  In order to develop the coupled model, effects of different sub-models including virtual mass force, droplet break up and also discrete random walk (DRW) model which was ignored in most of the researches, were considered. Liquid droplet entrainment in the gas outlet taken from data of Borzoyeh Petrochemical Company in the south of Iran, was the criteria for evaluating the CFD model.  It is concluded that the coupled model using three mentioned sub-models with the high importance of applying DRW, is a successful way in predicting the separator efficiency so that considering all sub-models decreases the simulation error from 40.81% to 12.9%. Using the validated model, effects of inlet droplet size and flow rate on the separation performance were considered. Results demonstrated that decreasing droplet size (by 20%) and increasing flow rate (from 5800-6475 kg/hr), decreased the efficiency, such that the liquid entrainment in the gas outlet increased by 29% and 38 % respectively.

Keywords

Main Subjects

Article Title [فارسی]

شبیه سازی جداکننده سه فازصنعتی دارای بوت با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

Authors [فارسی]

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

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

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

3 پروفسور، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

Abstract [فارسی]

جداکننده‌های سه فازی برای جدایش فازهای غیر قابل امتزاج در صنایع نفتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. شبیه‌سازی این جداکننده‌های صنعتی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در مراجع بسیار محدود بوده و اکثر کارهای انجام شده مربوط به شبیه‌سازی با استفاده از دیدگاه اولر-اولر یا اولر-لاگرانژ با تطابق ضعیف بین نتایج مربوط به شبیه‌سازی و داده‌های صنعتی بوده است. در این کار یک مدل که ترکیبی از دو مدل حجم سیال(VOF) و مدل فاز ناپیوسته ( DPM) که ترکیب دو دیدگاه اولر-اولر و اولر-لاگرانژ بوده، برای شبیه‌سازی یک جداکننده سه فاز صنعتی دارای بوت توسعه داده شده است. لازم به ذکر است که با وجود کاربرد گسترده جداکننده‌های دارای بوت در صنایع نفتی، تا کنون هیچ پژوهشی روی این نوع از جداسازها انجام نشده است. به منظور توسعه این مدل ترکیبی در این کار، اثر زیر مدل های مختلف شامل نیروی جرم مجازی، شکست قطرات و مدل گام تصادفی (DRW) که در اکثر شبیه سازی ها از آن صرف نظر شده، مورد بررسی قرار گرفته است. میزان جرم قطرات در گاز خروجی از داده‌های مربوط به جداکننده موجود در شرکت پتروشیمی برزویه واقع در جنوب ایران به عنوان معیاری برای ارزیابی مدل مورد نظر، مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج نشان داد که مدل ترکیبی مورد نظر با در نظر گرفتن هر سه زیر مدل و تاثیر بالای زیرمدل DRW یک مدل موفق در تخمین بازده جداکننده بوده است، به طوری که با استفاده از زیر مدل‌ها خطای نتایج شبیه‌سازی از۴۰/۸۱٪ به ۱۲/۹٪ کاهش پیدا کرده است. در این کار همچنین با استفاده از مدل اعتبار سنجی شده به بررسی اثر اندازه قطرات و دبی ورودی روی عملکرد جدا کننده پرداخته شده است. نتایج نشان دادند که کاهش اندازه قطرات (به اندازه ۲۰٪) و افزایش دبی ( kg/hr ۵۸۰۰-۶۴۷۵) باعث کاهش راندمان جداساز شده است به‌طوری که میزان جرم قطرات مایع در گاز خروجی به ترتیب به اندازه ۲۹٪ و ۳۸٪ افزایش یافته است.

Keywords [فارسی]

  • دینامیک سیالات محاسباتی
  • جریان چند فازی
  • شبیه‌سازی
  • جداکننده سه فاز دارای بوت
  • مدل گام تصادفی
  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. Bothamley, M., 2013. Gas/liquid separators: quantifying separation performance-part 1. Oil and Gas. Fac., 2 (4), 21-29.
  4. Bracill, J.u., Kothe, D.B., Zemach, c., 1992. A continuum method for modeling surface tension. J.Comput.Phys., 100, 335-356.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Gawas, K., 2013. Studies in low-liquid loading in gas/oil/water three phase flow in horizontal and near-horizontal pipes. Ph.D. dissertation, The University of Tulsa, Tulsa.
  8. Ghafarkhah, A., Shahrabi, M.A., Moraveji, M.K., Eslami, H., 2017. Application of CFD for designing conventional three phase oilfeld separator. Egypt. J. Pet., 26 (2), 413–420.
  9. 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.
  10. Hsu, R.C., Chiu, C.K., Lin, S.C.,2017. A CFD study of the drawdown speed of floating solids in a stirred vessel. J Taiwan Inst Chem Eng, in press, 1-11.
  11. Huang, A.N., Ito, K., Fukasawa, T., Fukui, K., Kuo, H.P., 2018. Effects of particle mass loading on the hydrodynamics and separation efficiency of a cyclone separator. J Taiwan Inst Chem Eng, in press, 1-7.
  12. Johansen, Q., Brandvik, P.J., Faroot, u.,2013. droplet break up in sub sea oil release -part2: prediction of droplet size distribution with and without injection of chemical dispersants. Ma. Poll, Bull., 173, 327-335.
  13. 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.
  14. Kharoua, N., Khezzar, L., Saadawi, H., 2013b. CFD simulation of three-phase separator: effects of size distribution. ASME FEDSM. Nevada, USA.
  15. Kirveski, L., 2016. Design of Horizontal three-phase separator using computational fluid dynamics. MSC Dissertation, Alato university school of chemical technology.
  16. Kongre, U.v., Sunnap war, V.K., 2010. CFD modeling and experimental validation of combustion in direct ignition fueled with diesel. International Journal Applied Engineering Research, 1 (3), 508-517.
  17. MC cleney, A.B., Owston, R.A., Green, S.T., Viana, F., and Nelson, S.M., 2017. modeling of a full -scale Horizontal liquid-liquid separator under condition of varying flow rate, water cut and viscosity with experimental validation. off shore technology conference, Texas.
  18. 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.
  19. Monnery, W.D., Svrcek, W.Y., 1994. Successfully specify 3-phase separators. Chem. Eng. Prog, 90 (6), 29–40.
  20. Mostafaiyan, M., Saeb, M.R., Alorizi, A.E., Farahani M., 2014. Application of evolutionary computational approach in design of horizontal three-phase gravity separator. Journal of petroleum science and engineering,19, 28-35.
  21. Pourahmadi Laleh, A., 2010. CFD Simulation of Multiphase Separators. Ph.D. Dissertation, University of Calgary, Canada.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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 Engineerinh Congress and Exhibition, Canada.
  25. Saffari, H., Dalir, N., 2012. Effect of virtual mass force on prediction of pressure changes in condensing tubes. Thermal Science, 16 (2), 613-622.
  26. 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.
  27. Zhang, B., Kong, L., Jin, H., He, G., Yang, S., Guo, x., 2018. CFD simulation of gas-liquid flow in a high-pressure bubble column with a modified population balance model. Chinese J. Che, Eng., 26, 1350-1358.