Development and application of an Eulerian three-phase solver for the CFD simulation of oil and gas separators

This work presents an innovative CFD analysis of an oil and gas separator, based on the numerical solution of the multi-fluid Navier-Stokes equations. The simulation of this processing facility poses a particular challenge to the transport phenomena modeling since the three-phase flow can span across multiple flow regimes from dispersed to separated. Moreover, the intrinsic unsteady and turbulent nature of the separation process coupled with the complexity of the geometry requires a dedicated analysis in order to find an appropriate boundary condition setup. To handle such complex behavior, a new three-phase Eulerian solver has been mathematically derived and implemented in OpenFOAM. Based on the fluid dynamics of separators, the discretization of continuity, momentum and pressure equations is performed in order to ensure the solver robustness in presence of dispersed and separated flow at high phase fractions and under relevant density ratios. This involves the continuity equation rearrangement to ensure relative fluxes boundness, an implicit and mathematical consistent formulation of pressure equation and a coupled treatment of non-linear drag terms. Furthermore, the mixture turbulence model implemented in OpenFOAM for bubble flows has been improved. Firstly, the source term of the turbulent kinetic energy has been modified with a more regime-independent formulation derived from the literature. Then, the derivation of the same model has been extended in order to manage the three phases. The numerical model has been tested against analytical and experimental benchmarks in the field of multiphase flow showing convergence and good agreement. Subsequently, it has been applied to the study of the separation process inside an industrial scale oil and gas separator. After a detailed analysis on the choice of boundary conditions settings, the CFD results have been compared with semi-empirical correlations to describe the flow field and the expected outlet specifications for an industrial case. Results show that the implemented code is able to numerically capture the separation process. The rigorous mathematical approach and the robust numerical implementation allows to construct a consistent framework for the analysis of the separation process inside industrial facilities, tracing a path for further developments on this topic.

Questo lavoro di tesi presenta un'analisi innovativa sui separatori trifase industriali, basata sulla soluzione numerica delle equazioni di Navier-Stokes, in formulazione euleriana. La simulazione di queste apparecchiature risulta particolarmente complessa dal momento che il flusso trifase tipicamente passa da un regime disperso a uno separato. Inoltre, l'intrinseca natura instazionaria e turbolenta dei processi di separazione unita alla complessità della geometria richiede un'analisi dedicata per trovare le condizioni al contorno più appropriate. Al fine di fornire una risposta a tali difficoltà, un solutore trifase euleriano è stato derivato matematicamente e implementato all'interno del software OpenFOAM. Sulla base delle peculiarità fluidodinamiche dei fenomeni di separazione, la discretizzazione delle equazioni di continuità, quantità di moto e pressione è eseguita con l'obiettivo di ottenere un'applicazione sufficientemente robusta in presenza di flussi dispersi ed in separazione sotto rilevanti rapporti di densità. Questo ha determinato la necessità di riformulare l'equazione di continuità al fine di garantire la conservazione della massa anche per i flussi relativi tra le fasi, di utilizzare un approccio implicito e matematicamente consistente dell'equazione della pressione e di implementare un trattamento accoppiato dei termini non lineari associati alle forze di resistenza. Inoltre, il modello di turbolenza a miscela implementato in OpenFOAM per flussi a bolle è stato migliorato in due modi. Per prima cosa, il termine sorgente dell'energia cinetica turbolenta presente nel codice originario è modificato usando una formulazione derivante da letteratura meno dipendente dalle condizioni di flusso. Successivamente, la formulazione stessa è stata estesa al caso di un numero di fasi superiore a due. Il modello matematico e l'implementazione numerica sono stati testati usando casi di riferimento di natura analitica e sperimentale nel campo della fluidodinamica multifase, mostrando consistenza e accordo con entrambi. Infine, essi sono stati applicati a un separatore su scala industriale. Dopo un'analisi dettagliata sulla scelta delle condizioni al contorno, le simulazioni numeriche sono stati confrontate con le correlazioni semi-sperimentali per la descrizione del campo di moto all'interno del separatore e con l'efficienza di separazione attesa per un'apperacchiatura di questo genere. I risultati hanno dimostrato che il codice implementato è in grado di catturare numericamente la separazione. L'approccio matematico rigoroso unito alla robusta implementazione numerica hanno permesso di costruire un quadro consistente per l'analisi dei processi di separazione, tracciando un percorso per ulteriori sviluppi su questo argomento.