Estudio numérico y experimental del flujo de líquido dentro de un separador centrífugo

Abstract

En el presente trabajo se estudia el flujo de líquido dentro un separador centrífugo líquido-gas. En este tipo de separador, el flujo ingresa tangencialmente a una cámara cilíndrica vertical, por lo que el flujo adquiere rotación alrededor del eje vertical. Esta rotación genera un campo centrífugo que presiona el líquido contra la pared interior de la cámara produciendo que el líquido fluya en la forma de una capa de espesor delgado. Bajo esas condiciones, el presente estudio se concentra en el análisis de tres variables: la velocidad, el ángulo y el espesor del flujo de líquido a lo largo del separador. Mediciones experimentales son usadas para validar los resultados de un modelo numérico. A partir de la validación, el estudio fue desarrollado de forma confiable basado solamente en simulaciones numéricas aplicadas para un amplio rango de condiciones operacionales del separador. Los resultados numéricos fueron procesados en función de valores medios de las variables. Los resultados obtenidos permitieron entender características del movimiento del flujo. Fueron realizadas interpolaciones para la obtención de ecuaciones que permitan evaluar de forma directa los valores de la velocidad, ángulo y espesor del flujo para cualquier región dentro del separador. Los resultados de estas ecuaciones para flujo monofásico fueron usados para desarrollar una formulación analítica para flujo bifásico líquido-gas y entender sobre la interacción entra las fases y sobre el proceso de separación, lo cual contribuye con informaciones importantes para el adecuado dimensionamiento de este tipo de equipos de separación.

In the present work, the flow of liquid inside a liquid-gas centrifugal separator is studied. In this type of separator, the flow enters tangentially to a vertical cylindrical chamber, so that the flow acquires rotation around the vertical axis. This rotation generates a centrifugal field that presses the liquid against the internal wall of the chamber, causing a flow of liquid in the form of a thin thickness layer. Under these conditions, the present study focuses on the analysis of three variables: velocity, angle and thickness of the liquid flow along the separator. Experimental measurements are used to validate the results of a numerical model. From the validation, the study was reliably developed based only on numerical simulations applied to a wide range of operational conditions of the separator. The numerical results were processed according to the mean values of the variables. The results obtained allowed us to understand characteristics of the movement of the flow. Interpolations were made to obtain equations that allow to directly evaluate the values of the velocity, angle and thickness of the flow for any region within the separator. The results of these equations for monophasic flow were used to develop an analytical formulation for two-phase liquid-gas flow and to understand the interaction between the phases and the separation process, which contributes with important information for the adequate sizing of this type of separation equipment.