Гидротранспорт твердых частиц в трубопроводе сложной конфигурации

19 декабря 2007

Гидротранспорт твердых частиц - процесс, встречающийся во многих областях. Например, в нефтяной, газовой промышленности, трубопроводах энергетических объектов актуальной проблемой является наличие твердых примесей (парафин, газовый гидрат, коррозионные элементы, морской песок и др.) в несущей газожидкостной среде. Частицы, взаимодействуя друг с другом и стенами трубопровода, теряют энергию. Диссипация энергии твердой фазы приводит к соответсвующему замедлению движения несущей среды, увеличивая перепад давлений, необходимый на транспортную прокачку. В случае, если частицы могут слипаться, процесс усложняется, поскольку частица большего диаметра, замедляясь, более эффективно тормозит основной поток. В некоторых случаях возможно образование пробки из липких частиц, простейшим примером которой может быть холестериновый тромб в кровеносных сосудах.

Мы исследовали подобный процесс в трубопроводе сложной конфигурации, с объемной долей липких частиц до 50%. Частицы были тяжелее несущего турбулентного потока, что увеличивало вероятность образования псевдожидкого слоя (fluidized bed) в горизонтальных участках трубопровода засчет их гравитационного осаждения. 3D модель реального процесса включает в себя несколько колен и отрезков трубопровода, фланцевого соединения и патрубка температурного датчика, построенных в натуральную величину. Расчетная решетка основана на многогранных конечных объемах с призматическим подслоем для использования модели турбулентности с заданным логарифмическим ламинарным подслоем (wall function). Многофазный поток моделируется по методу Эйлера без упрощающей гомогенизации фаз (Eulerian-Eulerian two-fluid technique). Особое внимание уделено правильному моделированию силы лобового сопротивления частиц (drag force), которая связывает между собой фундаментальные уравнения, описывающие движение фаз: введена коррекция на образование турбулентного вихря за впередидущей частицой в псевдовязком слое (wake effect). Напряжение, образованное столкновениями частиц, моделируется с использованием кинетической теории гранулярных материалов, а также путем задания неявной вязкости (apparent) результирующей суспензии. Диаметр частицы задается статистической теорией Смолуховского.

Модель валидирована по технологическим параметрам реального процесса (перепады давления, азимутальные профили скорости) с невязкой не более 5%. В ходе моделирования было выяснено, что несмотря на турбулентную дисперсию частиц, в коленах образуется псевдожидкий слой, увеличивая неявную вязкость суспензии. Как результат, поток частично меняет свое направление в сторону осаждения, утолщая слой и все более увеличивая неявную вязкость. Наблюдается процесс, близкий к стенозису кровеносных сосудов, который усугубляется увеличением диаметра частиц в слое засчет слипания. По результатам исследования были выданы рекомендации по улучшению технологических параметров процесса засчет использования достаточно простого технологического решения, подтвержденного дополнительным моделированием.