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다상유동 분리기 모듈화를 위한 유입구 형상 설계에 관한 수치해석적 연구
Numerical Study on the Inlet Head Configuration of Multi-Phase Separator for Modularization 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.9 = no.384, 2017년, pp.571 - 577  

홍창기 (성균관대학교 기계공학부) ,  김윤제 (성균관대학교 기계공학부)

초록
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본 연구는 수치해석 기법을 활용하여 오일샌드 플랜트에 사용되는 다상유동분리기의 다양한 유입구 형상에 따른 효율 분석에 관한 연구이다. 본 연구에 사용된 유수분리기(FWKO, Free-water knockout)는 유량 $15,89m^3/d$(100 bbl/d), SOR(Steam-to-Oil Ratio) 3.5의 값을 가지며 Stokes 이론을 기반으로 설계되었다. 모듈화를 위하여 두 개의 유수분리기를 병렬 연결하였고 이에 따른 유입구 형상 최적화를 수행하였다. 유입구를 통해 유입되는 비투멘 에멀젼은 $150^{\circ}C$, 50 bar이며, API는 17의 값을 갖는다. 유수분리공정의 평균체류시간은 물과 오일이 95% 분리되는 시간으로 정의하였다. 다상유동의 밀도차에 의한 중력분리과정을 모사하기 위하여 유한체적법(VOF, Volume Of Fluid)과 상차분모델(DPM, Discrete Phase Model)을 조합하여 활용하였으며 준과도(Pseudo-transient) 해석기법을 활용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this numerical study, the separation efficiency of three-phase separator in an oil-sand plant was studied with various inlet head configurations. The free water knockout (FWKO) vessel was designed with a flow rate of $15.89m^3/day$ (100 bbl/day) and the SOR(stream-to-oil ratio)=3.5 was...

주제어

#유수분리기   #다상유동분리기   #오일샌드   #초기 분리기   #유입구   #모듈화  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 본 연구에서는 다상유동 분리기를 모듈화하기 위해 20 barrel/day 급 드럼 2개로 구성된 40barrel/day 급 다상유동 분리기 헤드 형상을 설계 하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 본 연구에서는 수치해석 기법을 기반으로 오일 샌드 공정유닛(process unit) 중 가장 선단에 위치한 FWKO 드럼에 대한 연구를 토대로 모듈화를 위해 20 barrel/day(3.198m3 /day) 규모의 유수분리기 2대를 연결하여 컨테이너 사이즈에 적합한 30 barrel/day(4.396m3 /day)급 유수분리기의 헤더형상 설계를 수행하였다.
  • 수치해석 기법을 통해 모듈화된 유수분리기의 내부 유동특성을 분석하여 유입운동량과 계면형 성시기, 효율을 분석하였다. Fig.
  • 유입 헤드 형상을 최적화하기 위하여 5가지 케이스에 대한 수치해석을 수행하였고 이를 통하여 난류강도와 분리 효율을 분석하였다.
  • 4 참고). 유입구 헤드 각도를 120~145° 사이로 5°씩 변화를 수행하여 수치해석을 수행하였고, 이를 기반으로 경계면 형성 시점이 빠르고, 난류 강도가 낮은 130~140° 부근을 2.5°간격으로 5가지 케이스로 나누어 유동해석을 수행하였다. 유입구 헤드의 각도 변화는 Table 4에 정리하였다.
  • 유입구 헤드 각도에 따른 내부 오일/물 경계면 형성 위치 분석과 내부 난류 강도 변화에 따른 특성을 분석하여 분리효율과의 연관인자를 찾아 내고 이를 기반으로 최적화된 유입구 헤드 형상을 설계하였다(Fig. 4 참고).

대상 데이터

  • 본 연구에서 사용된 다상유동분리기 모델은 Fig. 3에 도시하였으며, 수평형 중력침강 방식의 유수분리기 구조를 기반으로 설계를 수행하였다.

이론/모형

  • 격자계는 비정렬격자계를 적용하였으며, 유량 조절판 주위, 입출구 주변에서 해석의 정확성을 위해 인플레이션(inflation)조건을 적용하였다.
  • 수치해석은 상용코드인 ANSYS사의 FLUENT Ver. 17.1을 사용하였으며, 격자형성과 FWKO 모델링을 위하여 ANSYS사의 Design Modeler를 사용하였다.
  • 유입되는 비투멘 에멀젼은 실제 실험에 사용될 비투멘 모사 물질인 엔진오일로 설정하였고 이에 대한 물성은 Table 3에 정리하였다. 유동의 연속 계면 추적을 위해 VOF(Volume of Fluid) 모델을 선정 하였고, (10) 해석의 수렴성 및 경제성을 확보하기 위해 준과도상태 해석(pseudo-transient method)을 적용하여 해석을 수행하였다. 준과도상태 해석시 계산시간간격은 식 (11)에 의하여 계산된 0.
  • 중력침강식 유수분리 장치는 충분한 체류시간을 필요로하며 이를 통하여 분리 효율을 확보한다. 체류시간의 측정은 입자추적방식을 사용하며 추적입자로는 Bromine-82를 사용한다.(7) 체류시간의 밀도 함수는 다음 식으로 정의된다. (8)
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SAGD 공정은 어떠한 공정으로 구성되어 있는가 SAGD 공정은 크게 스팀주입(steam injection), 초기분리(primary separation), 잔유제거(de-oiling), 수처리(water treatment) 의 4가지 공정으로 구성된다. 심층에 존재하는 피드(feed)는 대부분 암석과 같은 형태로 이루어져 있기 때문에 유정에 스팀을 6개월 정도 지속적으로 주입하여 비투멘 에멀젼(bitumen emulsion) 상태로 유동성을 갖게 만든다.
오일샌드 생산 방법은 어떠한 것들이 있는가 따라서 플랜트 핵심 기자재를 상대적으로 작업 환경이 좋고 인건비가 저렴한 국내 또는 현지 저위도 지역에서 제작하여 운송이 가능한 경우 생산비용을 획기적으로 감소시킬 수 있기 때문에 저유가 상황에서도 오일샌드 플랜트가 경쟁력을 확보할 수 있게 된다. 오일샌드 생산 방법으로는 표면(지표면으로부터 50 m 이내) 에 존재하는 오일샌드를 채굴하여 오일을 추출해 내는 마이닝(mining) 공정과 상대적으로 깊은 층에 존재하는 오일샌드를 스팀을 이용하여 융해시켜 생산하는 SAGD(steam assisted gravity drainage, 지하회수법) 공정 등이 있다(Fig. 1 참조).
오일샌드 생산 방법 중 SAGD 공정에 대한 연구가 중요시 되는 이유는 무엇인가 1 참조). 전세계 오일샌드의 대부분은 지표면으로부터 50 m 이상 심층에 존재하기 때문에 오일샌드 플랜트의 채산성 향상을 위해 SAGD 공정에 대한 연구가 더욱 중요시 되고 있는 실정이다.
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참고문헌 (12)

  1. http://www.energy.alberta.ca/Oilsands 

  2. Polderman, H. G., 2003, "Three-phase Separator," U. S. Patent, No. 6,537,458. 

  3. Hong, J. H., Kim, B. S. and Kim, D. C., 2004, "Demulsification of Oil-water Emulsion by Microwave Irradiation," Korean Chemical Engineering Research, Vol. 42, pp. 662-668. 

  4. Wiley, R. M., 1954, "Limited Coalescence of Oil Droplets in Coarse Oil-in-water Emulsions," Journal of Colloid Science, Vol. 9, No. 5, pp. 427-437. 

    상세보기 crossref

  5. Johansson, I., 2004, "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology," John Willy & Sons, Inc. Vol. 6, 4th Edition, pp. 812-832. 

  6. Bahadori, A., 2014, "Natural Gas Processing: Technology and Engineering Design," Elsevier Inc. 

  7. Korea National Oil Corporation, 2010, "Understanding of the Oil Industry," Oil Information Center, Korea National Oil Corporation, Anyang. 

  8. Danckwerts, P. V., 1982, "Continuous Flow System-distribution of Residence Times," Chemical Engineering and Science, Vol. 2, pp. 1-13. 

  9. Levenspiel, O., 1999, "Chemical Reaction Engineering," 3rd Edition, John Wiley and Sons, USA. 

  10. Myong, H. K., 2009, "Numerical Simulation of Multiphase Flows with Material Interface due to Density Difference by Interface Capturing Method," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 33, No. 6, pp. 443-453. 

    원문보기 상세보기 crossref

  11. Taylor, K. C., Din, N. E. and Hisham, A., 1996, "The Effect of Synthetic Surfactants on the Interfacial Behaviour of Crude Oil/Alkali/Polymer Systems," Colloids Surf., A Physicochemical Engineering, Vol. 108, pp. 49-72. 

    상세보기 crossref

  12. Prasad, R. R. S., 1986, "One-step Process for Transforming a Water-in-oil Emulsion into an Oil-in-water Emulsion," U. S. Patent, No. 4,627,458. 

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