(57)【要約】【課題】油水分離設備のセトラ部において、オイラー法に油水中の水相の体積分率に比例して水滴の粒径を変化させ、その粒径に対する油水相間の相関力を考慮して、油相と水相の各々の局所の流動や体積分率といった分離挙動を予測する数値解析方法を提供する。【解決手段】油水分離設備のセトラ部１において、油相９を連続相とし、水相８を分散相とした混相流の数値解析に際して、水相８の水滴の粒径を油水７中の水相８の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相９と水相８と間の相互相関力を考慮して、油水７の分離現象を予測するか、または水相８を連続相とし、油相９を分散相とした混相流の数値解析に際して、油相９の油滴の粒径を油水７中の油相９の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相９と水相８との間の相互相関力を考慮して、油水７の分離現象を予測する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油水分離設備のセトラ部（１）において、油相（９）を連続相とし、水相（８）を分散相とした混相流の数値解析に際して、水相（８）の水滴の粒径を油水（７）中の水相（８）の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相（９）と水相（８）と間の相互相関力を考慮して、油水（７）の分離現象を予測する、ことを特徴とする油水分離現象の数値解析方法。
【請求項２】
油水分離設備のセトラ部（１）において、水相（８）を連続相とし、油相（９）を分散相とした混相流の数値解析に際して、油相（９）の油滴の粒径を油水（７）中の油相（９）の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相（９）と水相（８）との間の相互相関力を考慮して、油水（７）の分離現象を予測する、ことを特徴とする油水分離現象の数値解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油水分離設備において、油水分離現象を予測する数値解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミキサセトラで代表されるような油水分離設備において、油水分離設備内のセトラ部や配管等の各パーツ毎に、オブジェクト型ソフトウェアを用い、物質収支計算や平衡濃度計算を行って、各パーツ単位の分離性能をシミュレーションする計算手法、いわゆるプロセスシミュレーションについては、例えば特許文献１に見られるように公知となっているものの、各パーツの内部を要素分割し、流動解析を行い、パーツ内部の油相と水相の局所の流動や、分離挙動を予測するための適切な解析手法は、まだ提案されていない。
【０００３】
あるパーツの内部空間を要素分割して水相および油相の混相流の流動解析をする代表的な方法には、オイラー法（Ｅｕｌｅｒ法）がある。このオイラー法では、パーツ内部を分割した各要素における水相と油相の体積分率、および相間の相互相関力を考慮して、それぞれの相の質量と運動量の保存方程式を解く。ただし、そのオイラー法では、相間の相互相関力として、粒径一定のときの値が用いられるので、油水分離装置で観察されるような粒径が成長しながら分離していく現象では、局所的な相間に作用する相互力に差異が生じ、実際の分離現象とは異なる予測結果となってしまう。
【特許文献１】特許第３１６２００６号特許公報
【非特許文献１】数値流体力学編集委員会編・東京大学出版会発行「燃焼・希薄流・混相流・電磁流体の解析」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、発明の課題は、上記状況に鑑み、油水分離設備のセトラ部において、上記のオイラー法に、油水中の水相の体積分率に比例して水滴の粒径を変化させ、その粒径に対する油水相間の相関力を考慮して、油相と水相の各々の局所の流動や体積分率といった分離挙動を予測する数値解析方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題の達成のために、本発明は、油水分離装置のセトラ部において、油水が入口から出口へ向かうにしたがい、比重分離が促進され、局所的に水相の体積分率が上昇すると、水滴どうしの衝突と合体とが起こるとして、水滴の粒径を大きくし、その粒径に対する油相と水相との間の相関力を考慮し、油相と水相との分離挙動、すなわち局所の空間の体積分率を予測する事を特徴とする。
【０００６】
水滴の粒径は、実際の油水分離装置のセトラ部において、入口と出口とでそれぞれ実際に計測される。数値解析に際して、水滴の粒径は、入口と出口とでは計測した各々の値として設定され、その中間の分離過程では、水相の体積分率に比例して入口の粒径の値から出口の粒径の値になるまで、粒径の値を次第に大きくなるように設定している。上記のように体積分率にしたがい粒径を成長させる事によって、出口に向かって油水の分離が助長され、実際の分離挙動に近い予測が可能となる。
【０００７】
本発明は、油水分離設備のセトラ部において、油相を連続相とし、水相を分散相とした混相流の数値解析に際して利用できる他、水相を連続相とし、油相を分散相とした混相流の数値解析に際しても同様に利用できる。
【０００８】
具体的に記載すると、請求項１に係る発明は、油水分離設備のセトラ部において、油相を連続相とし、水相を分散相とした混相流の数値解析に際して、水相の水滴の粒径を油水中の水相の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相と水相と間の相互相関力を考慮して、油水の分離現象を予測する、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、油水分離設備のセトラ部において、水相を連続相とし、油相を分散相とした混相流の数値解析に際して、油相の油滴の粒径を油水中の油相の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相と水相との間の相互相関力を考慮して、油水の分離現象を予測する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る請求項１の発明によると、油水分離設備のセトラ部において、油相を連続相とし、水相を分散相とした混相流の数値解析に際して、水相の水滴の粒径を油水中の水相の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相と水相と間の相互相関力を考慮して、油水の分離現象を予測することによって、セトラ部での入口から出口へ向かって徐々に油水分離していく挙動が実際の分離現象に近い安定な状態として再現できる。
【００１１】
本発明に係る請求項２の発明によると、油水分離設備のセトラ部において、水相を連続相とし、油相を分散相とした混相流の数値解析に際して、油相の油滴の粒径を油水中の油相の体積分率に比例して変化させ、その粒径に対する油相と水相との間の相互相関力を考慮して、油水の分離現象を予測することによって、セトラ部での入口から出口へ向かって徐々に油水分離していく挙動が実際の分離現象に近い安定な状態として再現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明に係る油水分離現象の数値解析方法を実施するために、油水分離設備としてミキサセトラのセトラ部１を対象とした解析モデルを示す。油水７は、図示しないミキサ部で撹拌され、完全混合された状態として、セトラ部１の一端のセトラ入口２からセトラ部１の内部に流入させる。
【００１３】
セトラ部１の内部で、油水７は、セトラ部１の水相出口３、油相出口４の方向に向かって移動するが、その過程で、水相８と油相９とに徐々に分離して行く。分離後に、水相８はセトラ部１の底部の連通路５を経て、水相出口３から流出し、また、油相９は、上部の油相出口４からオーバーフローして流出する。
【００１４】
液物性は、水相８の密度を１．０９〔ｇ／ｃｍ３〕、粘度１．９〔ｍＰａ・ｓ〕とし、油相９の密度を０．９９〔ｇ／ｃｍ３〕、粘度１１〔ｍＰａ・ｓ〕とし、セトラ入口２から水：油比＝１：２の割合とした油水７の流量１５０（Ｌ／ｍｉｎ〕を流入した際の混相流の解析を実施した。なお、上記の大かっこ中の「ｃｍ３」は、「立方センチメートル」を表す。
【００１５】
図２は、図１の解析モデルを利用して、上記の液物性のもとで、油相９を連続相とし、水相８を分散相とした油水７の完全混合状態の混相流について、水滴の粒径１．０〔ｍｍ〕を一定として、混相流の油水分離を解析したときの水相８の体積分率を示す。ここで用いた水相８の水滴の粒径１．０〔ｍｍ〕は、セトラ入口２で計測された値である。セトラ部１の水相８の体積分率は、鉛直方向では底部ほど大きい分布となっているが、セトラ入口２から水相出口３、油相出口４の方向では水相８の体積分率の変化が見られない。また、絶対値としても水相出口３、油相出口４では、油水７が完全に分離されておらず、実際の分離現象を予測できていない。
【００１６】
図３は、図１の解析モデルを利用して、上記の液物性のもとで、油相９を連続相とし、水相８を分散相とした油水７の完全混合状態の混相流について、水滴の粒径２．５〔ｍｍ〕を一定として、混相流の油水分離を解析したときの水相８の体積分率を示す。ここで用いた水相８の水滴の粒径２．５〔ｍｍ〕は、セトラ入口２で計測された値である。
【００１７】
図２に示した油水分離の状況と、図３に示した油水分離の状況とを比較すると、水相８の水滴の粒径を大きくすることによって、鉛直方向の体積分率の差が大きくなり、油水７の分離が促進されるというセトラ部１に必要な本質的な機能に矛盾しない結果となった。
【００１８】
また、図３に示した油水分離によると、水相８の水滴の粒径２．５〔ｍｍ〕で一定の場合に、水相８と油相９とがクリアーに分離され、セトラ部１の上部では体積分率０．０の水相８が見られ、一方、その底部では体積分率１．０の水相８が見られる。ただし、この場合も、セトラ入口２から水相出口３、油相出口４の方向において、水相８の体積分率の鉛直方向の分布の変化がほとんど見られず、実現象の予測再現はされていない。
【００１９】
次に、図４は、本発明に係る油水分離現象の数値解析方法にもとづいて、図１の解析モデルを利用し、上記の液物性のもとで、油相９を連続相とし、水相８を分散相とするとともに、水相８の水滴の粒径を水相８の体積分率に比例して変化させ、油水７の完全混合状態の混相流について、油水分離を解析したときの水相８の体積分率の分布を示す。
【００２０】
この場合、水相８の水滴の粒径は、初期条件としてセトラ入口２で計測された１．０〔ｍｍ〕とし、水相８の体積分率が１．０のときに、水相出口３で計測された２．５〔ｍｍ〕となるように、下記の関係式（１）を用いて設定する。この関係式（１）は、セトラ入口２での初期の水相８の水滴の粒径を１．０〔ｍｍ〕とし、油水７の油水分離の進行にともなって、水相８の体積分率に比例して水滴の粒径を次第に大きくし、水相出口３で最終的に粒径を２．５〔ｍｍ〕として設定する。
【００２１】
上記関係式（１）は、水相８の水滴の粒径をｄ〔ｍｍ〕、水相８の体積分率をＶｆを用いて下記のように表される。
ｄ＝２．１４×Ｖｆ＋０．３６
【００２２】
上記関係式（１）で計算すると、下記のように、セトラ入口２での水相８の水滴の粒径は１．０〔ｍｍ〕となり、水相出口３での水相８の水滴の粒径は２．５〔ｍｍ〕となる。
セトラ入口２での水相８の水滴の粒径：１．０＝２．１４×０．３＋０．３６
水相出口３での水相８の水滴の粒径  ：２．５＝２．１４×１．０＋０．３６
【００２３】
図４の水相８の体積分率の分布によると、油水７は、セトラ入口２から出口方向にも徐々に分離していき、水相出口３ででは完全に分離する。このようにして、実現象に類似の予測結果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、以上の説明のように、油水分離設備のセトラ部１において、油水７中の油相９を連続相とし、水相８を分散相とした混相流の数値解析に際して利用できる他、油水中の連続相、分散相の対象を逆として、油水７中の水相８を連続相とし、油相９を分散相とした混相流について油水分離の数値解析に際しても同様に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】油水分離設備（ミキサセトラ）のセトラ部１を対象とした解析モデルの斜面図である。
【図２】水相８の水滴の粒径１．０〔ｍｍ〕一定として混相流の解析をしたときの水相８の体積分率コンター図である。
【図３】水相８の水滴の粒径２．５〔ｍｍ〕一定として混相流の解析をしたときの水相８の体積分率コンター図である。
【図４】本発明にもとづいて水相８の水滴の粒径を水相８の体積分率の関数として変化させ、混相流の解析をしたときの水相８の体積分率コンター図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：セトラ部
２：セトラ入口
３：水相出口
４：油相出口
５：連通路
７：油水
８：水相
９：油相
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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