Numeryczne modelowanie hydrocyklonu do separacji pozostałości olejowych w instalacjach morskich

Abstrakt

W niniejszym badaniu przeprowadzono numeryczną analizę procesu separacji oleju od wody w hydrocyklonie o konstrukcji Hsieha, wybranym ze względu na łatwość wykonania oraz sprawdzoną bazę danych eksperymentalnych. Symulacje dynamiki płynów (CFD) przeprowadzono w programie ANSYS Fluent 16.1 z wykorzystaniem modelu Eulera-Lagrange’a, w którym faza wodna została rozwiązana za pomocą modelu naprężeń Reynoldsa (RSM), a krople oleju śledzono za pomocą modelu fazy dyskretnej (DPM) w ramach sprzężenia jednokierunkowego. Badanie niezależności siatki potwierdziło stabilność rozwiązania przy 3,16 mln komórek, a zbieżność resztkowa została osiągnięta po około 1600 iteracjach, zapewniając dokładne prognozy prędkości, ciśnienia i tworzenia się rdzenia powietrznego. Wyniki numeryczne z powodzeniem odtworzyły charakterystyczny przepływ z podwójnym wirem, odwrócenie prędkości osiowej oraz obszar ujemnego ciśnienia statycznego odpowiedzialny za rozwój rdzenia powietrznego, wykazując silną zgodność z opublikowanymi danymi eksperymentalnymi. Śledzenie cząstek wykazało, że wydajność separacji silnie zależy od wielkości kropelek, wzrastając z około 80% dla drobnych kropelek (1–5 μm) do maksymalnie prawie 90% dla większych kropelek (≥75 μm), co daje ogólną wydajność bliską 90%. Jednak część wody została porwana w przepływie przelewowym, ujawniając ograniczenia konstrukcyjne, które można złagodzić poprzez modyfikację geometrii wzniesienia wirowego lub przepływu podwirowego. Zweryfikowany model stanowi solidną podstawę do optymalizacji geometrii hydrocyklonów i warunków ich pracy, przyczyniając się do zwiększenia wydajności separacji ropy od wody, zmniejszenia ilości odprowadzanej wody oraz poprawy zgodności z przepisami środowiskowymi w morskich systemach wydobywczych.