전산유체역학 모델링을 통한 초음속 분리기의 소용돌이 흐름 생성에 대한 새로운 수동적 방법 연구

Dec 15, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14457(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 초음속 분리기(3S)에서 소용돌이 흐름을 생성하는 세 가지 수동적 방법을 조사하고 그 구조를 전산유체역학(CFD) 모델링을 통해 최적화했습니다. 이슬점 강하, 상 포락선 다이어그램, 천연가스 액체(NGL) 회수 속도 및 분리 효율에 대한 구조적 및 작동적 매개변수의 영향도 평가되었습니다. 패시브 스월러를 장착한 노즐은 단순노즐에 비해 포집효율이 크게 향상되었다. 수동형 스월러 유형의 선택은 천연가스 액화 및 분리에 중요한 역할을 했습니다. 측면 주입식 스월러와 서펜타인 스월러는 유턴 스월러에 비해 분리 효율이 가장 크게 향상되었다. 최적 분사각의 측면 분사 스월러의 경우 압력 손실비(PLR) 0.2에서 최대 포집 효율은 약 89%를 나타냈다. 게다가, 시뮬레이션 결과는 서펜타인 3S의 경우 서펜타인 트위스트 수가 증가함에 따라 조사된 노즐의 포집 효율이 가장 크게 향상되었음을 보여주었습니다. 또한, Witoszynski 선형에 따라 수렴단면 프로파일을 설계한 경우 고려된 다른 프로파일에 비해 더 큰 냉동 구역이 얻어지는 것으로 관찰되었다.

지하 저장소에서 추출된 천연 가스에는 중질 탄화수소와 수증기가 포함되어 있습니다. 액상이 존재하면 천연가스 운송 중 파이프라인 부식 및 수화물 형성의 위험이 높아지므로 물과 탄화수소(HC) 이슬점을 교정하는 것이 필수적입니다. 물과 HC 이슬점1,2,3,4을 교정하기 위해 막 분리, 극저온 공정, 흡수 및 흡착을 포함한 다양한 전통 기술이 사용됩니다. 이러한 기존 분리 방법은 대형 분리 장비, 높은 운영 및 자본 비용이 필요하며 운영 문제를 일으킬 수 있습니다. 결론적으로 천연가스 노점을 보정하기 위한 새로운 분리방법이 개발되어야 한다. 3S는 천연가스 탈수 및 NGL 회수를 위한 혁신적인 방법입니다. 3S는 최대 NGL 회수율과 최소 비용으로 물과 HC 이슬점을 교정할 수 있습니다3. 3S는 특히 원격 지역 및 해양 플랜트5의 무인 작업에 적합합니다. 3S 내부의 분리 과정은 약 2밀리초6가 소요됩니다. 결과적으로, 이 새로운 기술은 분리 공정의 매우 낮은 체류 시간으로 인해 수화물 형성을 방지하기 위한 화학적 억제제가 필요하지 않습니다.

최근에는 다양한 공정3,7,8,9의 열 효율을 최적화하기 위한 연구가 상당 부분 수행되었습니다. 공정 시뮬레이션과 수치 연구는 일반적으로 이러한 최적화4,10,11,12에 사용됩니다. 열 효율은 두 가지 방법으로 향상될 수 있습니다: 1 - 조사 장비의 기계적 구조 수정7 및 2 - 기본 유체의 열물리적 특성 개선13,14,15. 예를 들어, Ulah 등14은 조사된 유체의 열 전달을 향상시키기 위해 AA7072 및 AA7075 나노입자와 물(물-알루미늄 합금 나노입자)의 조합을 포함하는 하이브리드 나노액체를 사용했습니다. 그들은 연구 전반에 걸쳐 일반 나노물질에 비해 하이브리드 나노물질이 큰 영향을 미치는 것을 관찰했습니다. 또 다른 연구에서 Ulah et al.16은 다중벽 및 단일벽 탄소 나노튜브를 나노입자로 사용하고 에틸렌 글리콜을 기본 유체로 포함하는 두 가지 유형의 나노유체를 사용했습니다. 그들은 다중벽 탄소 나노튜브에 비해 단일벽 탄소 나노튜브의 누셀트 수가 더 높다는 것을 관찰했습니다. 그들은 이러한 거동을 단일벽 탄소 나노튜브에 비해 다중벽 탄소 나노튜브의 더 높은 열전도율에 기인한다고 생각했습니다.