Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.

Painovoimainen faasierotus on yleinen yksikköoperaatio joka löytyy useimmista laajan mittakaavan kemiallisista prosesseista. Erotusta voidaan tarvita esimerkiksi tuotteen puhdistamiseksi tai alavirtaan sijoitettujen laitteiden suojaamiseksi. Painovoimaisessa erotuksessa faasit erottuvat ilman ulkoisen voiman hyödyntämistä. Erotus tapahtuu säiliöissä, joissa virtausnopeudet laskevat huomattavasti putkivirtausta pienemmiksi. Jos virtausnopeus on tarpeeksi pieni, tiheämpi faasi laskeutuu säiliön pohjalle, kevyemmän faasin noustessa. Optimaalisen painovoimaisen erotussäiliörakenteen löytämiseksi useita mitoitukseen ja sisäisiin rakenteisiin liittyä ratkaisuja vertailtiin perustuen virtausmallinnuksiin OpenFOAM-ohjelmistolla. Vertaillut ratkaisut liittyivät syötönjakajiin, säiliön mittasuhteisiin, demisterin kiinnitykseen ja kaasun ulostuloyhteen rakenteeseen. Simulaatiot suoritettiin tasapainotilaan perustuvina yksifaasilaskentoina. Lisäksi suoritettiin täydentäviä vertailusimulaatiota aikariippuvaisia yksi- ja kaksifaasimalleja käyttäen. Tasapainotilaan perustuvat yksifaasilaskennat antoivat viitteitä tiettyjen geometrioiden paremmuudesta aiemmin mainituissa kategorioissa. Aikariippuvaisten laskentojen tulokset tukivat päätöstä hyödyntää laskennallisesti nopeampaa tasapainotilaan perustuvaa mallia insinöörityökaluna. Kaksifaasilaskenta antaa kuitenkin totuudenmukaisempia tuloksia etenkin tilanteissa, joissa yksittäinen faasi ei määritä kokonaisvirtauksen luonnetta.