Гидродинамическое CFD-моделирование и оптимизация процессов обессоливания и дегидратации эмульсий

Вот перевод и адаптация вашего текста на русский язык в развернутом, профессиональном стиле с сохранением всех технических деталей, цифр и терминов.

---

Постановка проблемы и задачи исследования

В процессах подготовки нефти, в частности на стадии обессоливания, образование стойких водонефтяных эмульсий приводит к серьезным сбоям в работе технологического оборудования. Проведение однофакторных экспериментов, при которых изменяется лишь один параметр, не позволяет адекватно описать сложную взаимосвязь между конкурирующими процессами: сдвиговым вторичным эмульгированием (shear-induced overemulsification) и коалесценцией капель (droplet coalescence). Для корректного прогнозирования поведения системы необходим учет нелинейного взаимодействия множества гидродинамических и физико-химических факторов.

Программное обеспечение и методы моделирования

Для решения поставленной задачи применялась комбинация методов вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics — CFD) и модели баланса популяций (Population Balance Model — PBM). Данный гибридный подход использовался для расчета среднего диаметра Заутера (Sauter Mean Diameter — SMD) капель эмульсии, образующихся в перемешивающих устройствах и на регулирующих клапанах. Модель PBM позволяет отслеживать эволюцию распределения капель по размерам под действием сил сдвига и турбулентности, что критически важно для точного описания процессов эмульгирования.

Статистический анализ и машинное обучение

Для построения аппроксимирующих моделей и снижения вычислительной сложности применялась методология поверхности отклика (Response Surface Methodology — RSM). В рамках данного подхода использовались два типа планов эксперимента:

• Центральный композитный план (Central Composite Design — CCD);
• План Бокса-Бенкена (Box-Behnken Design).

Эти планы позволили разработать суррогатные модели типа «черный ящик» (black-box surrogate models), которые с высокой точностью аппроксимируют поведение полной CFD-модели при значительно меньших вычислительных затратах.

Полученные результаты

В результате исследования была разработана гибридная модель (CFD + Статистика), которая позволяет инженерам-технологам прогнозировать оптимальное энергетическое «окно» (energy window) работы оборудования. В рамках этого окна интенсивность гидродинамического сдвига (shear rate) на клапане смешения является достаточной для обеспечения эффективной коалесценции капель воды и последующей отмывки солей, но при этом не превышает критического порога, за которым начинается нежелательное вторичное эмульгирование (overemulsification).

Ключевым преимуществом предложенного подхода является резкое снижение вычислительной нагрузки по сравнению с использованием чистого CFD-моделирования (full-scale CFD), что делает возможным применение данной методики в режиме реального времени для оперативной оптимизации процессов подготовки нефти.

Источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.3c01234

#CFD #Гидродинамика #PBM #Статистика #RSM #Эмульсии