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초록

영어

This study evaluated the 10 ㎛ fine-particle removal performance of a hydrocyclone desander for unconventional oil production plants using computational fluid dynamics (CFD). The computational domain was extracted and simplified from an actual three-dimensional CAD model. The working fluid was modeled as an incompressible Newtonian fluid with effective water-oil mixture properties. Steady-state RANS simulations were conducted at a mass flow rate of 5,880 kg/h, density of 938 kg/m³, and viscosity of 0.03553 kg/(m·s). The Reynolds number was approximately 6,906, indicating turbulent flow. The standard k-ε model was applied, and 10 ㎛ particles with a density of 2,800 kg/m³ were analyzed using Lagrangian particle tracking and Stokes drag. The results showed high static pressure near the tangential inlet and strong swirling flow in the upper cylindrical and conical sections. An upward inner vortex and downward outer vortex were also observed. Of 4,736,000 injected particles, 4,353,010 exited through the underflow, corresponding to 91.9% separation efficiency, while 2.1% escaped through the overflow. This value closely approached the 92% target for inline desanders. The findings indicate that upper centrifugal separation and lower inertia-dominated discharge jointly control 10 ㎛ particle removal. These results support future optimization of vortex finder, cone aspect ratio, and spigot geometry.

한국어

본 연구는 비전통 오일 생산 플랜트에 적용되는 하이드로사이클론 디샌더의 10 ㎛ 미립자 제거 성능을 전산유체역학(CFD) 기반으로 평가하였다. 해석 대상은 실제 3차원 CAD 형상에서 유동 영역을 추출·단순화한 모델이며, 유체는 물-오일 혼합 유체의 유효 물성을 갖는 비압축성 뉴턴 유체로 가정하였다. 질량 유량 5,880 kg/h, 밀도 938 kg/m³, 점도 0.03553 kg/(m·s) 조건에서 정상상태 RANS 해석을 수행하였고, 레이놀즈 수는 약 6,906으로 산정되어 난류 유동 영역임을 확인하였다. 난류 모델은 표준 k-ε 모델을 적용하였으며, 10 ㎛ 입자는 밀도 2,800 kg/m³의 고밀도 고체 입자로 설정하여 Lagrangian 입자 추적과 Stokes 항력 모델을 사용하였다. 해석 결과, 입구부 인근에서 높은 정압이 형성되고 상부 원통부와 원추부에서 강한 회전 유동이 발생하였다. 또한 중심부 상승 와류와 벽면 부근 하강 와류가 공존하는 전형적인 하이드로사이클론 유동 구조가 확인되었다. 총 4,736,000개의 입자 중 4,353,010개가 언더플로로 배출되어 전체 주입 입자 기준 약 91.9%의 분리 효율을 보였으며, 약 2.1%는 오버플로로 유출되었다. 이는 인라인 디샌더 목표 효율인 92% 수준에 근접한 결과이다. 본 연구는 10 ㎛ 미립자 분리에 대해 상부 원심력 지배 거동과 하부 관성 궤적 지배 배출이 복합적으로 작용함을 제시하였다. 특히 고점도 혼합유와 고밀도 모래 입자가 공존하는 조건에서는 단순한 회전 강도 증가뿐 아니라 입자 체류시간과 하부 배출 경로 제어가 중요함을 확인하였다. 이러한 결과는 보텍스 파인더, 원추부 장방비 및 스파이곳 형상 최적화를 위한 기초 설계 자료로 활용될 수 있다.

저자

• 임채영 [ Chae-Young Lim ]
• 여채은 [ Chae-Eun Yeo ]
• 안성율 [ Seongyool Ahn ]
• 성호진 [ Ho-jin Sung ]

참고문헌

발행기관

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• 간행물명

  The Journal of the Convergence on Culture Technology (JCCT) [문화기술의 융합]

• 간기

  격월간

• pISSN

  2384-0358

• eISSN

  2384-0366

• 수록기간

  2015~2026

• 등재여부

  KCI 등재

• 십진분류

  KDC 600 DDC 700