Studio di nuovi metodi passivi di generazione di flussi a turbolenza in separatori supersonici mediante modellizzazione fluidodinamica computazionale

Dec 15, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 14457 (2022) Citare questo articolo

972 accessi

2 citazioni

Dettagli sulle metriche

In questo articolo sono stati studiati tre metodi passivi per la generazione del flusso a vortice nel separatore supersonico (3S) e le loro strutture sono state ottimizzate mediante modelli di fluidodinamica computazionale (CFD). È stata inoltre valutata l'influenza dei parametri strutturali e operativi sulla depressione del punto di rugiada, sul diagramma dell'inviluppo di fase, sulla velocità di recupero del gas naturale liquido (NGL) e sull'efficienza di separazione. L'efficienza di raccolta è stata significativamente migliorata per l'ugello dotato di swirler passivo rispetto all'ugello semplice. La scelta del tipo di swirler passivo ha svolto un ruolo cruciale nella liquefazione e separazione del gas naturale. Lo swirler a iniezione laterale e lo swirler a serpentina hanno mostrato il miglioramento più significativo nell'efficienza di separazione rispetto allo swirler con inversione di marcia. Per lo swirler a iniezione laterale con l'angolo di iniezione ottimale, l'efficienza di raccolta massima è stata di circa l'89% con un rapporto di perdita di pressione (PLR) di 0,2. Inoltre, i risultati della simulazione hanno dimostrato che per la serpentina 3S, con l'aumento del numero di spire della serpentina, è stato ottenuto il massimo miglioramento dell'efficienza di raccolta dell'ugello indagato. Inoltre, è stato osservato che, quando il profilo della sezione convergente è stato progettato secondo il tipo di linea Witoszynski, è stata ottenuta una zona di refrigerazione più ampia rispetto agli altri profili considerati.

Il gas naturale estratto dal giacimento sotterraneo contiene idrocarburi pesanti e vapore acqueo. La correzione del punto di rugiada dell'acqua e degli idrocarburi (HC) è essenziale poiché la presenza di fasi liquide aumenta il rischio di corrosione delle tubazioni e di formazione di idrati durante il trasporto del gas naturale. Per correggere il punto di rugiada dell'acqua e dell'HC1,2,3,4 vengono impiegate varie tecniche tradizionali, tra cui la separazione tramite membrana, il processo criogenico, l'assorbimento e l'adsorbimento. Questi metodi di separazione convenzionali richiedono apparecchiature di separazione di grandi dimensioni, costi operativi e di capitale elevati e possono causare problemi operativi. In conclusione, è necessario sviluppare un nuovo metodo di separazione per correggere il punto di rugiada del gas naturale. Il 3S è un metodo rivoluzionario per la disidratazione del gas naturale e il recupero del GNL. Il 3S è in grado di correggere il punto di rugiada dell'acqua e dell'HC con il massimo tasso di recupero di NGL e un costo minimo3. Il 3S è adatto per operazioni senza pilota, in particolare per aree remote e impianti offshore5. Il processo di separazione all'interno del 3S dura circa due millisecondi6. Di conseguenza, questa nuova tecnologia non richiede inibitori chimici per prevenire la formazione di idrati a causa del tempo di residenza molto basso del processo di separazione.

Negli ultimi anni, una parte significativa degli studi è stata condotta per ottimizzare l'efficienza termica di vari processi3,7,8,9. Per queste ottimizzazioni vengono generalmente utilizzati simulazioni di processo e studi numerici4,10,11,12. L'efficienza termica può essere migliorata in due modi: 1—modifica della struttura meccanica dell'apparecchiatura studiata7 e 2—miglioramento delle proprietà termofisiche del fluido base13,14,15. Ad esempio, Ulah et al.14 hanno utilizzato il nano-liquido ibrido comprendente una combinazione di nanoparticelle AA7072 e AA7075 e acqua (nanoparticelle di lega acqua-alluminio) per migliorare il trasferimento di calore del fluido analizzato. Nel corso del loro studio hanno osservato una grande influenza per i nanomateriali ibridi rispetto ai nanomateriali normali. In un altro lavoro, Ulah et al.16 hanno utilizzato due tipi di nanofluidi, inclusi nanotubi di carbonio a parete multipla e a parete singola come nanoparticelle e glicole etilenico come fluido di base. Hanno osservato che il numero di Nusselt è più alto per i nanotubi di carbonio a parete singola rispetto ai nanotubi di carbonio a parete multipla. Hanno attribuito questo comportamento alla maggiore conduttività termica dei nanotubi di carbonio a parete multipla rispetto ai nanotubi di carbonio a parete singola.