An eulerian-eulerian approach for oil&gas separator design conference Paper

MODELLING ASSUMPTION 
The challenges arising from a CFD analysis of an Oil& Gas separator requires certain simplifying 
assumption that allows to treat it mathematically and numerically. Our assumptions can be divided 
in two groups: assumptions on the geometry and assumptions on the internal fluid-dynamics. 

---

8 
Assumption on the geometry 
Our simplified geometry consists in: 

One inlet and three outlets, one for each phase; 

One weir in the middle of the two heavy liquid outlets; 

Two different inlet pipe shapes: elbow and double elbow; 

No internals; 
Figure 3: Standard geometry, simplified geometry 
It is worth highlighting that the previous assumptions provide a very simplified model of an oil and 
gas separator. This is visible by comparing a standard geometry with a simplified one as it is reported 
in figure 3. Today, all separators in use are characterized of at least more complex inlet devices, 
internals to promote coalescence and in some cases porous set in the gas outlet to avoid that even 
the small liquid droplets goes outside and reaches the downstream equipment. Nevertheless, the 
industrial validation procedure is essentially based on the same assumption we have made in the 
present work: since all the internals and other geometry complexities are designed to promote a 
more efficient separation, neglecting them means to consider the worse case and, therefore, have a 
safer margin when a real separator will be employed. 
Finally, a change in the shape of liquid
s’ outlet has been done in order to face the problem of setting 
the correct boundary conditions. In fact, the difficulties are related to two aspects:
1. The flow is multiphase and, therefore, the usual assumption of fully-developed flow at outlets 
cannot be considered strictly corrected;
2. Liquids outlet are located at different heights and a careful choice must be done in order to 
avoid pressure unbalances; 
In order to provide a solution for both issues, the proposed approach is to relate the gas and liquid 
outlet pressure with the hydrostatic law, as we can observe from figure 4. In this way, the phases at 
the outlets are completely separated, making the assumption of fully developed flow more 
reasonable and at the same time the pressure differences are respected.

 
 
 Figure 4: set-up of b.c. 

---

9 
Moreover, this choice allows simulating one of the control system method used in separators, known 
as level control techniques. In the design phase, each separator is characterized by at least two 
levels that can be reached from the liquid column: the normal liquid level (NLL) and the high liquid 
level (HLL). Of course, these two values must be provided for each liquid phase. When the upper 
limit is reached the operating conditions must change e.g., with a reduction of inlet flow rate or with 
an increase in the outflow liquid velocities. In our case, setting a pressure difference proportional to 
air density makes the gas height almost constant. If during the separation process the liquid height 
goes beyond the limit, the boundary condition at the outlets promotes the “elimination” of the liquid 
in excess, restoring the equilibrium between phases to fulfil the pressure constrain. Results of these 
choice are shown in figure 5a and figure 5b. We notice that in case the shape of liquid outlet is not 
modified, the complete separation is not occurring even after 700 s.
Figure 5: alpha_air and |v_air| arrows (t=700s) in air-water mixture