Kaksifaasivirtauksen painehäviölaskentatyökalun kehittäminen ja soveltaminen

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-08-25
Department
Major/Subject
Prosessit ja tuotteet
Mcode
KE3003
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
90 + 2
Series
Abstract
Öljynjalostusteollisuudessa kaasun ja nesteen kaksifaasivirtausta esiintyy todennäköisimmin tarkasteltaessa lauhduttimia, tislauskolonnien kiehuttimia, prosessiuuneja sekä erityisesti näiden yhteyteen rakennettuja putkilinjoja. Koska kaksifaasivirtaus on fysikaalisesti yksifaasivirtausta huomattavasti monimutkaisempi ilmiö, ei jälkimmäisen kohdalla käytettyjä putkiston ja laitteiden mitoitusmetodeja voida suoraan soveltaa kaksifaasivirtaukselle. Kaksifaasivirtauksen painehäviön riittävän tarkka laskenta on kuitenkin edellytyksenä sitä käsittelevien prosessiyksiköiden turvalliselle ja tehokkaalle toiminnalle. Painehäviön lisäksi prosessisuunnittelijaa kiinnostaa kaksifaasivirtauksen virtaustyyppi, sillä sopivissa olosuhteissa kaksifaasivirtaukseen voi muodostua virtaustyyppejä, jotka nopeuttavat laitteen tai putkilinjan kulumista sekä voivat pahimmillaan johtaa laite- ja putkistovaurioihin. Kirjallisen osan ensimmäisessä luvussa tarkastellaan kaksifaasivirtauksen virtaustyyppejä sekä kulloinkin vallitsevan virtaustyypin selvittämiseen käytettäviä työkaluja, virtausaluekarttoja. Seuraavissa luvuissa käydään läpi eroosion ja korroosion esiintymistä kaksifaasivirtauksen yhteydessä sekä näiden ilmiöiden vaikutusta putkilinjojen ja laitteiden mitoitukseen, sekä tarkastellaan kaksifaasivirtauksen tukehtumista ilmiönä sekä erilaisia menetelmiä tukehtumisnopeuden laskentaan. Viimeisessä osiossa käydään läpi Lockahartin ja Martinellin sekä Beggsin ja Brillin painehäviölaskentametodit. Lopussa luodaan vielä katsaus painehäviölaskentametodien tarkkuutta vertaileviin artikkeleihin, joiden perusteella tarkimpia olisivat Friedelin sekä Beggsin ja Brillin painehäviölaskentametodit. Soveltavan osan alkupuolella tarkastellaan laskentatyökalun kehitystä sekä siinä tehtyjä ratkaisuja. Laskentatyökaluun sisällytettiin Beggsin ja Brillin sekä H.T.F.S.:n painehäviölaskentamenetelmät vapaalle putkivirtaukselle, minkä lisäksi paikallisvastusten laskenta toteutettiin pääasiassa H.T.F.S.:n menetelmien pohjalta. Toisessa vaiheessa tarkastellaan työkalun toimintaa vertailemalla sillä laskettuja arvoja kahdesta erillisestä prosessiteollisuuden yksiköstä saatuihin virtaustietoihin. Kummankin yksikön kohdalla havaittiin lasketun painehäviön olleen 30 – 50 % erisuuruinen mittaustuloksiin verrattuna. Beggsin ja Brillin metodi arvioi painehäviön 10 – 20 % H.T.F.S.:n vastaavaa suuremmaksi, suuremmasta kitkahäviöstä johtuen. Näiden tulosten pohjalta voidaan todeta, että kaksifaasivirtauksen painehäviön ennustaminen on huomattavan vaikeaa. Toisaalta mallien absoluuttisesta tarkkuudesta ei näin vähäisellä laskentatapausten määrällä voida tehdä kunnollisia johtopäätöksiä.

In oil refining industry gas-liquid two-phase flow occurs most likely in condensers, distillation column reboilers, process furnaces and especially in the connecting pipelines. As two-phase flow is physically much more complicated phenomenon than single-phase flow, the same methods used to design single-phase flow piping and equipment cannot be directly applied to two-phase flow. Sufficiently accurate estimation of two-phase flow pressure drop is, however, a prerequisite for safe and effective operation of the equipment handling two-phase flow. In addition to the pressure drop, process engineer is interested in the flow pattern of two-phase flow, as in suitable conditions two-phase flow can comprise of flow patterns, which can speed up erosion of equipment or pipeline or can even result in damage to equipment or piping. First chapter of the literature part examines the flow patterns which can occur in two-phase flow, as well as the tools used to determine the prevailing flow pattern, known as flow regime maps. The following chapters investigate erosion and corrosion occurring in equipment and pipelines handling two-phase flow. Following that, the choking phenomenon of two-phase flow and the methods to calculate the choking flow rate are introduced. Last section of the literature part examines Lockhart and Martinelli and Beggs and Brill pressure drop calculation methods. In the end of the literature part, articles concerning the accuracy of different pressure drop methods are reviewed. According to those articles methods of Friedel and Beggs and Brill seem to be the most accurate. In the beginning of the applied part, development of the pressure drop calculation tool is examined. Pressure drop methods incorporated in the calculation tool were Beggs and Brill and H.T.F.S. In addition, pressure drops for bends and fittings were set to be calculated with H.T.F.S. correlations. Following chapter of the applied part concerns operation of the pressure drop calculation tool by comparing the calculated pressure drop values to information derived from two separate process units. Calculated pressure drops were found to differ 30 – 50 % compared to information derived from process units. Beggs and Brill method estimated the pressure drop to be 10 – 20 % higher than the equivalent H.T.F.S. value, due to higher frictional pressure drop. Due to these results, it can be concluded that it is difficult to reliably estimate two-phase flow pressure drops. On the other hand, proper conclusions about the absolute accuracy of the pressure drop models cannot be done, due to low amount of calculation cases.
Description
Supervisor
Alopaeus, Ville
Thesis advisor
Helisevä, Mikko
Kettunen, Mika
Keywords
kaksifaasi, kaasu-neste, painehäviö, öljynjalostus
Other note
Citation