Численное моделирование процесса дегазации газожидкостной смеси в гидроциклоне

Abstract

Centrifugal separators – hydrocyclones – are widely used in many areas of the national economy to separate mixtures of substances of different densities. Hydrocyclones can be used for phase separation in oil, water and gas flow measurement units. The flow from the well is initially a three-phase mixture. The hydrocyclone separates the gas and liquid phases at the inlet of the measuring unit, which are then transferred to separate gas and liquid measurement units. Maintaining the accuracy of the phase flow measurement when using hydrocyclones in the measuring units requires high quality separation over a wide range of flow rates and phase contents. One of the directions of forecasting the characteristics of the separation process is based on the numerical solution of the equations of hydrodynamics of multiphase flows. Modern software of computational hydrodynamics allows to solve problems of such class in three-dimensional statement and thus to estimate efficiency of work of the device and its metrological characteristics. This paper studies the processes of separation of gas-liquid mixture in hydrocyclone at different volume gas content and phase flow rates. The authors present a mathematical model with indication of the main assumptions and formulate the boundary conditions of the problem. Calculations were carried out on the open platform OpenFOAM with the use of interFoam solver. The results of numerical modeling have determined the basic structures of currents in the hydrocyclone. The influence of the initial gas content on the separation efficiency at different flow rates is investigated. The main reasons for the decrease in separation efficiency at low gas content values are revealed. In addition, the influence of the guiding elements on the separation process is considered.

Во многих областях народного хозяйства широко используются сепараторы центробежного типа – гидроциклоны, позволяющие разделять смеси веществ различной плотности. Гидроциклоны могут быть использованы для разделения фаз в установках измерения расхода нефти, воды и газа. Поток, поступающий из скважины, изначально представляет собой трехфазную смесь. Гидроциклон позволяет на входе в измерительную установку разделить газовую и жидкую фазы, которые далее поступают в отдельные узлы измерения газа и жидкости. Сохранение точности измерения расхода фаз при использовании гидроциклонов в измерительных установках требует высокого качества сепарации в широком диапазоне расходов и содержаний фаз. Одно из направлений прогнозирования характеристик процесса сепарации основывается на численном решении уравнений гидродинамики многофазных течений. Современные программные комплексы вычислительной гидродинамики позволяют решать задачи такого класса в трехмерной постановке и тем самым оценивать эффективность работы устройства и его метрологические характеристики. В работе исследуются процессы разделения газожидкостной смеси в гидроциклоне при различном объемном газосодержании и расходах фаз. Приводится математическая модель с указанием основных допущений. Формулируются граничные условия задачи. Расчеты проводились на открытой платформе OpenFOAM с использованием решателя interFoam. В результате численного моделирования определены основные структуры течений в гидроциклоне. Исследовано влияние начального газосодержания на эффективность сепарации при различных скоростях потока. Выявлены основные причины снижения эффективности сепарации при низких значениях газосодержания. Дополнительно рассмотрено влияние направляющих элементов на процесс сепарации.