SUPERVISOR
مهدی دادخواه تهرانی (استاد مشاور) محمدرضا توکلی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Fatemeh Alikhani
فاطمه علیخانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1397
TITLE
Numerical simulation of the gas-liquid separation process in an axial flow cyclone
Separation of liquid droplets from gas-liquid streams is of great importance in various industries, including oil and gas, paper and textile industries. There are different types of gas-liquid separation systems in the industries. Axial flow cyclones are used as one of the widespread separation techniques to separate particles or droplets from a gas stream, which due to high efficiency at high pressure, high gas-liquid flow capacity, lack of sedimentation, etc, are considered advanced equipment as output and Input in horizontal and vertical separator or as independent separators for smaller and more compact design. In the axial flow cyclone that is considered in this study, the gas-liquid two-phase mixture flow enters the cyclone axially through the upper inlet of the cyclone, is rotated by passing through the guide vanes, which, under the resulting centrifugal force, the droplets are thrown to the wall and enter the liquid reservoir through the annular gap and therefore are separated from gas flow. In this project, the axial flow cyclone is numerically simulated using the Eulerian-Lagrangian approach and the two-phase flow model of DPM, the RSM turbulence model and considering the two-way interaction between liquid and gas. The simulation is done in Fluent software. In the first stage of the research, the effect of various parameters and factors on the performance of gas-liquid separation in the axial flow cyclone has been investigated. The observations are as follows: Separation significantly depends on the gas flow velocity and volume fraction of the injected liquid, so that by increasing these parameters, the separation process improves. It has also been observed that increasing the length of the cyclone tube in the central body slightly reduces the separation efficiency, but increasing the density difference between the gas and the injected liquid has a significant effect on increasing the cyclone separation efficiency. In this study, by examining the surface roughness height, wall roughness in the central body of the cyclone has been introduced as an effective parameter in reducing the performance and separation of liquid in the cyclone. In the second stage of the research, two innovative approaches have been proposed to improve the separation performance of liquid droplets with a small diameter (5 micrometers). In the first approach, the use of porous material and cellulose paper as a moisture absorber along the cyclone outlet area is proposed. The results show an increase in separation efficiency due to the use of a porous material that acts as a liquid-gas filter. This study has been done in different thicknesses of porous material and even by increasing the diameter of the cyclone along the outlet area as a step. In the following, the parameters affecting the performance of the porous material are investigated. The results show that reducing the permeability and porosity percentage reduce the flow velocity in the porous material as well as the boundary between the porous material and the main stream in the cyclone, which may reduce the possibility of re-entrapment of liquid droplets trapped on the porous material networks and cyclone wall by the Gas stream. The second approach to improve the separation efficiency of the liquid remaining in the gas stream is to use the axial flow cyclone in two stages. This approach is a new method of separation in cyclones for small droplets even 5 micrometers in diameter. The results of two-stage cyclone show a 37.5% increase in separation efficiency due to the use of the second stage of separation in the cyclone. In this method, the pressure drop due to the flow re-rotation has increased to 31.32 kPa, which can be ignored in contrast to the operating pressure of 8.5 MPa in the cyclone and its optimal efficiency. Keywords: Gas-Liquid, Cyclone, Separation, Numerical simulation, Porous media, Two-stage.
جداسازی قطرات مایع از جریان های گاز-مایع به طور گسترده در صنایع مختلف، از جمله صنایع نفت و گاز، صنایع کاغذسازی و نساجی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. انواع مختلف سیستمهای جداسازی مایع از گاز در صنعت وجود دارد. سایکلونهای جریان محوری به عنوان یکی از تکنیکهای گسترده جداسازی، برای جداسازی ذرات یا قطرات کوچک از یک جریان گاز استفاده میشوند که به دلیل بازدهی بالا در فشار بالا، ظرفیت بالای جریان گاز-مایع، عدم وجود ته نشینی و... تجهیز پیشرفتهای به عنوان خروجی و ورودی در محفظههای جداکننده افقی و عمودی و یا به صورت جداکننده مستقل برای طراحی کوچکتر و فشردهتر محسوب میشوند. در سایکلون جریان محوری مدنظردر این پژوهش، جریان مخلوط دوفازی گاز-مایع از طریق ورودی بالای سایکلون، به صورت محوری وارد سایکلون شده، با عبور از پرههای راهنما، دچار چرخش شده که تحت نیروی گریز از مرکز به وجود آمده ناشی از آن، قطرات مایع به سمت دیواره پرتاپ شده و از طریق فضای حلقوی، در محفظه جمع آوری مایع وارد و در نتیجه از جریان گاز جدا میشوند. در این پروژه با استفاده از رویکرد اویلرین-لاگرانژین و مدل جریان دوفازی DPM، مدل توربولانسی RSM و در نظر گرفتن تعامل دو طرفه بین مایع و گاز، سایکلون جریان محوری شبیهسازی عددی شده است. شبیهسازی در نرم افزار فلوئنت صورت گرفته است. درمرحله اول پژوهش، تأثیر پارامترها و عوامل مختلف در عملکرد جداسازی مایع از گاز در سایکلون جریان محوری موردبررسی قرار گرفته است. مشاهدات صورت گرفته به این صورت میباشد: جداسازی به میزان قابل توجهی به سرعت جریان گاز و کسر حجمی مایع تزریقی بستگی دارد به طوریکه با افزایش این پارامترها فرآیند جداسازی بهبود مییابد. همچنین مشاهده شده است که افزایش طول لوله سایکلون در بدنه مرکزی، راندمان جداسازی را به میزان ناچیزی کاهش میدهد اما افزایش میزان اختلاف چگالی بین گاز و مایع تزریقی، تأثیر قابل توجهی در افزایش راندمان جداسازی سایکلون به دنبال دارد. در این پژوهش با بررسی ارتفاع زبری سطح، زبری دیواره در بدنه مرکزی سایکلون به عنوان پارامتری تأثیرگذار در کاهش عملکرد و جداسازی مایع در سایکلون معرفی شده است. در مرحله دوم پژوهش، دو رویکرد نوآورانه جهت بهبود عملکرد جداسازی قطرات مایع با قطر کوچک(5 میکرومتر) پیشنهاد شده است. در رویکرد اول، استفاده از ماده متخلخل و کاغذ سلولزی به عنوان جاذب رطوبت در طول ناحیه خروجی سایکلون پیشنهاد شده است. نتایج به دست آمده حاکی از افزایش راندمان جداسازی در اثر استفاده از ماده متخلخل که به عنوان فیلترگاز-مایع عمل میکند، میباشد. این بررسی در ضخامتهای مختلف ماده متخلخل و حتی با افزایش قطر سایکلون در طول ناحیه خروجی به صورت یک پله مانند صورت گرفته است. در ادامه، پارامترهای تاثیرگذار در عملکرد ماده متخلخل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد، کاهش نفوذپذیری و کاهش درصد تخلخل باعث کاهش سرعت جریان درماده متخلخل و همچنین مرز بین ماده متخلخل و جریان اصلی در سایکلون میشود که ممکن است احتمال به دام افتادن مجدد قطرات مایع به دام افتاده روی شبکههای ماده متخلخل و دیواره سایکلون توسط جریان گاز را کاهش دهد. رویکرد دوم جهت بهبود راندمان جداسازی مایع باقی مانده در جریان گاز، دو مرحلهای کردن سایکلون جریان محوری میباشد. این رویکرد، روشی نوین در جداسازی در سایکلون در قطر قطرات کوچک حتی در ابعاد 5 میکرومتر محسوب میشود. نتایج حاصل از دو مرحلهای کردن سایکلون بیانگر افزایش 5/37 درصدی راندمان جداسازی به موجب استفاده از مرحله دوم جداسازی در سایکلون میباشد. در این روش افت فشار به دلیل چرخش مجدد جریان، تا 32/31 کیلوپاسکال افزایش یافته است که در مقابل فشار عملکردی 5/8 مگاپاسکالی در سایکلون و راندمان مطلوب در آن، قابل چشم پوشی میباشد. کلمات کلیدی: گاز-مایع، سایکلون، جداسازی، شبیهسازی عددی، محیط متخلخل، دو مرحلهای.