유수분리장치 내 디플렉터 각도가 유수 분리에 미치는 영향

1. 서 론

최근 석유⋅가스 산업에서는 전통 에너지 자원의 고갈과 함께 비전통 에너지 자원의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 대표적인 비전통 에너지 자원인 오일샌드(oil sands)와 중질유(heavy oil)는 캐나다를 중심으로 대규모 매장량이 확인되어 있으며, 세계 석유 생산의 중요한 축으로 자리잡아가고 있다. 그러나 이러한 자원은 점성이 매우 높아 생산 및 수송 과정에서 유동성 저하 문제가 발생한다. 이를 극복하기 위해 적용되는 대표적인 기술이 증기 중력 배수법(steam assisted gravity drainage, SAGD)으로, 고온⋅고압의 증기를 지층에 주입하여 점도를 낮추고 중력 작용을 이용해 원유를 회수하는 방식이다⁽¹⁾. SAGD는 비전통 자원의 상업적 생산을 가능하게 했지만, 회수된 유체에는 다량의 물과 불순물이 포함되어 있어 초기 단계에서 이를 효과적으로 분리하는 장치가 필요하다. 이러한 목적을 위해 사용되는 장치가 유수분리장치(Free Water Knock Out, FWKO)이며, 이는 생산 유체에서 자유수(free water)를 제거하여 후속 처리 공정의 부하를 줄이고 안정적인 생산을 가능하게 한다. FWKO는 일반적으로 원통형 압력용기 내에서 유체의 체류시간(residence time)을 확보하여 밀도 차에 기반한 오일-물 분리를 유도하며, 내부 유동을 제어하기 위해 입구 디플렉터(deflector)와 배플(baffle) 등의 내부구조물을 갖춘다. 디플렉터는 유입 에멀젼(emulsion)의 운동량을 급격히 감쇠시켜 과도한 혼합과 미세분산을 억제하고, 배플은 단락류와 와류를 억제하여 체류시간을 증가시킴으로써 분리 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이와 같은 FWKO의 작동 원리는 Fig. 1에 도시된 바와 같이, 유입된 에멀젼이 디플렉터에 의해 감속 및 분산된 후, 중력 침강과 체류시간 확보를 통해 상부에는 오일층, 하부에는 물층이 형성되고 위어(weir)를 기준으로 각각의 출구를 통해 분리 배출되는 과정으로 설명될 수 있다.

Fig. 1

Schematic of the FWKO model

Jung과 Kim⁽²⁾의 연구 외에도 다수의 선행연구^(3∼5)가 주로 배플의 형상, 개수, 설치 위치와 같은 설계 요소가 유동 특성에 미치는 영향을 다루어 왔다. 여러 연구 결과에서 배플을 설치하면 체류 시간이 증가하고, 분리 계면의 안정성이 향상되며, 전반적인 분리 효율이 개선된다는 것이 보고되었다. 이는 내부 구조물이 유동 안정화와 분리 효율 향상에 중요한 역할을 한다는 점을 시사한다. 또한 FWKO의 유입부 설계와 관련하여 다양한 형태의 입구 장치(inlet device)에 대한 연구^(6∼9)도 활발히 이루어져 왔다. 입구 구조는 초기 유동 분포를 지배하여 이후의 체류시간 및 상분리 효율을 결정한다. 그러나 기존 연구들은 주로 유입 장치, 배플, 위어, 유입구 디퓨저 형상 등 유동 안정화 장치의 일반적인 효과에 초점을 맞추었으며, 유입 유체가 충돌하는 디플렉터의 형상에 대한 체계적인 연구는 상대적으로 미미하다. 따라서 본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 활용하여 FWKO 내 유입 조건을 지배하는 디플렉터의 기하학적 특성 중에 디플렉터 각도 변화가 상분리 유동 특성과 분리 효율에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 벽면 부착 효과를 함께 고려함으로써, FWKO 내부 유동 구조의 안정성과 분리 성능 변화를 종합적으로 고찰하고 향후 디플렉터 설계 최적화를 위한 기초 자료를 제시하였다. 더 나아가 이러한 해석적 접근을 통해 실제 운전 조건에서의 설계 적용 가능성을 평가하였다.

최근 석유⋅가스 산업에서는 전통 에너지 자원의 고갈과 함께 비전통 에너지 자원의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 대표적인 비전통 에너지 자원인 오일샌드(oil sands)와 중질유(heavy oil)는 캐나다를 중심으로 대규모 매장량이 확인되어 있으며, 세계 석유 생산의 중요한 축으로 자리잡아가고 있다. 그러나 이러한 자원은 점성이 매우 높아 생산 및 수송 과정에서 유동성 저하 문제가 발생한다. 이를 극복하기 위해 적용되는 대표적인 기술이 증기 중력 배수법(steam assisted gravity drainage, SAGD)으로, 고온⋅고압의 증기를 지층에 주입하여 점도를 낮추고 중력 작용을 이용해 원유를 회수하는 방식이다⁽¹⁾. SAGD는 비전통 자원의 상업적 생산을 가능하게 했지만, 회수된 유체에는 다량의 물과 불순물이 포함되어 있어 초기 단계에서 이를 효과적으로 분리하는 장치가 필요하다. 이러한 목적을 위해 사용되는 장치가 유수분리장치(Free Water Knock Out, FWKO)이며, 이는 생산 유체에서 자유수(free water)를 제거하여 후속 처리 공정의 부하를 줄이고 안정적인 생산을 가능하게 한다. FWKO는 일반적으로 원통형 압력용기 내에서 유체의 체류시간(residence time)을 확보하여 밀도 차에 기반한 오일-물 분리를 유도하며, 내부 유동을 제어하기 위해 입구 디플렉터(deflector)와 배플(baffle) 등의 내부구조물을 갖춘다. 디플렉터는 유입 에멀젼(emulsion)의 운동량을 급격히 감쇠시켜 과도한 혼합과 미세분산을 억제하고, 배플은 단락류와 와류를 억제하여 체류시간을 증가시킴으로써 분리 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이와 같은 FWKO의 작동 원리는 Fig. 1에 도시된 바와 같이, 유입된 에멀젼이 디플렉터에 의해 감속 및 분산된 후, 중력 침강과 체류시간 확보를 통해 상부에는 오일층, 하부에는 물층이 형성되고 위어(weir)를 기준으로 각각의 출구를 통해 분리 배출되는 과정으로 설명될 수 있다.

Jung과 Kim⁽²⁾의 연구 외에도 다수의 선행연구^(3∼5)가 주로 배플의 형상, 개수, 설치 위치와 같은 설계 요소가 유동 특성에 미치는 영향을 다루어 왔다. 여러 연구 결과에서 배플을 설치하면 체류 시간이 증가하고, 분리 계면의 안정성이 향상되며, 전반적인 분리 효율이 개선된다는 것이 보고되었다. 이는 내부 구조물이 유동 안정화와 분리 효율 향상에 중요한 역할을 한다는 점을 시사한다. 또한 FWKO의 유입부 설계와 관련하여 다양한 형태의 입구 장치(inlet device)에 대한 연구^(6∼9)도 활발히 이루어져 왔다. 입구 구조는 초기 유동 분포를 지배하여 이후의 체류시간 및 상분리 효율을 결정한다. 그러나 기존 연구들은 주로 유입 장치, 배플, 위어, 유입구 디퓨저 형상 등 유동 안정화 장치의 일반적인 효과에 초점을 맞추었으며, 유입 유체가 충돌하는 디플렉터의 형상에 대한 체계적인 연구는 상대적으로 미미하다. 따라서 본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 활용하여 FWKO 내 유입 조건을 지배하는 디플렉터의 기하학적 특성 중에 디플렉터 각도 변화가 상분리 유동 특성과 분리 효율에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 벽면 부착 효과를 함께 고려함으로써, FWKO 내부 유동 구조의 안정성과 분리 성능 변화를 종합적으로 고찰하고 향후 디플렉터 설계 최적화를 위한 기초 자료를 제시하였다. 더 나아가 이러한 해석적 접근을 통해 실제 운전 조건에서의 설계 적용 가능성을 평가하였다.

2. 수치해석

2.1 수치해석 모델

본 연구에서는 FWKO 내부 디플렉터 기울기가 유⋅수 분리 효율에 미치는 영향을 고찰하기 위해 상용 소프트웨어 ANSYS Fluent를 사용하였다. 계산의 경제성을 확보하기 위해 실제 FWKO를 축소 및 단순화한 모델을 적용하였으며, 기하학적 유사성을 유지하고자 주요 치수 비를 실제 장치와 유사하게 설정하였다. 디플렉터는 유입 에멀젼이 직접 접촉하는 구조물인데, FWKO의 형상 변수와 디플렉터 각도를 Fig. 2 및 Table 1에 제시하였다. 디플렉터 기울기(inlet deflector angle, θ)는 수직을 기준으로 세 경우(θ = 0°, 30°, −30°)를 비교하였고, 각 조건의 정의는 Fig. 2 좌측 확대도에 도시하였다.

Fig. 2

FWKO geometry parameters and inlet deflector angle cases

Table 1

Design specifications of the FWKO model

작동유체는 물, 오일, 공기의 3상으로 구성하였다. 상간 거동은 VOF(volume of fluid) 기법으로 모사하였으며, 특히 충돌 이후 벽면에서의 퍼짐과 부착 효과를 반영하기 위해 Bracknill 등⁽¹⁰⁾의 CSF(continuum surface force) 모델을 기반으로 한 벽면 부착 효과(wall adhesion)를 적용하였다. 또한, 난류 유동 해석을 위해 realizable k-ε 난류모델을 적용하였다. 본 연구의 유동은 디플렉터 충돌에 따른 재순환 및 혼합이 포함된 내부 난류 유동으로, 전체 유동 분포와 분리 효율의 상대적 비교가 주요 목적이므로 계산 안정성과 해석 효율을 고려하여 해당 모델을 선정하였다. 이러한 수치해석 조건 및 작동유체의 물성치는 Kim 등⁽¹¹⁾의 선행연구를 참고하여 설정하였으며, 상세 값은 각각 Table 2와 Table 3에 정리하였다.

Table 2

Boundary conditions of numerical analysis

Table 3

Material properties of three-phase

계산은 과도상태(transient)로 수행하였다. 초기 과도 시간을 단축하기 위해 초기 상 분포를 물리적으로 합리적인 상태로 설정한 뒤, 유동이 안정된 평균 거동을 보이는 구간에서 결과를 평가하였다.

해석에는 poly-hexcore 격자를 사용하였으며, 본 연구에서 사용된 격자계는 Fig. 3에 나타내었다. 격자 의존성 시험은 약 50만, 83만, 125만, 228만 및 307만 개의 격자 조건에 대해 단계적으로 수행하였다. 각 조건에서 분리 효율을 비교한 결과, 약 125만 개 이상의 격자에서 결과 변화가 1% 미만으로 미미하여 수렴 경향을 확인하였다(Fig. 4 참조). 이에 따라 정확도와 계산 비용을 고려하여 약 125만 개의 격자를 기준 격자로 채택하였다. 또한, 벽면 근처 유동을 보다 정확하게 해석하기 위해 enhanced wall treatment를 적용하였으며, 기준 격자에서의 y+ 값은 5 미만으로 나타나 벽면 인접 영역의 점성 아층을 해상할 수 있는 수준의 격자 해상도를 확보하였다.

Fig. 3

Computational grid system of the FWKO model

Fig. 4

Grid dependency test result

3. 결과 및 고찰

3.1 분리효율

본 연구에서는 오일과 물의 분리 성능을 정량적으로 비교하기 위해 분리 효율(separation efficiency, η)을 다음 식으로 정의하였다.

$\[ \eta =\frac{{\dot{m}}_{oil }}{{\dot{m}}_{H_{2}O}+{\dot{m}}_{oil }}\times 100 \]$

(5)

여기서 $$ {\dot{m}}_{H_{2}O}$$과 $$ {\dot{m}}_{H_{2}O}$$는 각각 오일 출구(oil outlet)를 통해 배출되는 오일 및 물의 질량유량을 나타낸다. 즉, 전체 유출 중 오일이 차지하는 비율을 효율로 정의하여, 값이 1에 가까울수록 오일이 순수하게 분리되어 배출됨을 의미한다.

Fig. 5는 시간에 따른 FWKO 내부 유동 분포와 분리 효율의 변화를 함께 나타낸 것이다. 초기 단계에서는 유입된 에멀젼이 디플렉터와 충돌하며 강한 혼합 영역이 형성되고, 오일과 물이 넓게 분산된 상태를 보인다. 이후 시간이 경과함에 따라 유동의 운동량이 감소하고 중력 효과에 의해 상분리가 진행되면서 상부에는 오일층, 하부에는 수층이 형성되며 점차 층상 구조로 안정화된다. 모든 케이스에서 초기 약 0∼20 s 구간 동안 효율이 100%로 일정하게 유지되는데, 이는 해석 초기조건으로 위어 높이까지의 체적을 오일과 물이 각각 1/2씩 점유하도록 설정하였기 때문이다. 이러한 설정은 해석 초기의 안정화(spin-up) 구간을 단축하여 보다 신속하게 정상상태 유동장으로 이행하기 위한 목적이다. 이후에는 초기 유입된 에멀젼의 전파로 인해 FWKO 하류부까지 혼합⋅운반이 진행되며 효율이 점진적으로 감소한다. 한편 200∼220 s 구간에서는 효율의 섭동폭이 ±0.2% 이하로 감소하여 통계적 정상상태(statistically steady state)에 도달하였고, 본 연구에서는 이 구간의 시간평균값을 대표 효율로 다음과 같이 정의하였다.

$\[ \stackrel{-}{\eta }=\frac{1}{\mathrm{\Delta }T}{\int }_{t_1}^{t_2} \eta \left(t\right)dt \left(t_1=200s,t_2=220s\right) \]$

(6)

Fig. 5

Temporal evolution of oil–water distribution and separation efficiency in the horizontal section of the FWKO

그 결과, 정상구간 평균 효율은 Case 1: 96.7%, Case 2: 97.8%, Case 3: 95.6%로 나타났으며, Case 2 > Case 1 > Case 3 순으로 성능 우위를 확인하였다.

3.2 상분리 특성

오일과 물의 계면을 추적하여 FWKO 내부의 전역 상분포를 Fig. 6에 나타냈으며, 이를 통해 디플렉터 각도에 따른 상분리 특성을 비교하였다.

Fig. 6

Comparison of phase separation flow fields for different inlet deflector angles (at t = 200 s)

Fig. 7은 디플렉터 각도 변화에 따른 FWKO 내부의 축 방향 위치별 단면 유동 분포를 나타낸 것이다. 입구 인근(x = 0.2 m)에서는 모든 케이스에서 유입된 에멀젼이 디플렉터와 충돌하며 강한 혼합이 발생하여 오일과 물이 넓게 분산된 상태를 보인다. 이후 하류로 진행함에 따라 유동의 운동량이 감소하고 중력에 의한 상분리가 점차 진행되며, x = 0.8 m 이후부터는 상부 오일층과 하부 수층이 형성되는 경향을 확인할 수 있다. 이때 계면 부근에서는 VOF 기법의 특성상 하나의 셀 내에 두 상이 함께 존재하게 되어 oil volume fraction이 1.0이 아닌 중간값으로 표현되며, 이에 따라 경계면이 완전한 적색이 아닌 점진적인 분포로 나타난다.

Fig. 7

Comparison of oil–water distribution at different axial locations for each case in the FWKO (at t = 200 s)

θ = 30°인 Case 2의 경우, 유입 유동이 효과적으로 분산되면서 초기 혼합 이후 빠르게 안정화가 이루어지고, 다른 케이스에 비해 비교적 두꺼운 오일층이 조기에 형성되는 특징을 보인다. 이는 계면 교란이 빠르게 감소하고 층상 구조가 안정적으로 유지됨을 의미하며, 결과적으로 분리 효율 향상에 유리한 유동 구조를 형성한다. 반면 θ = -30°인 Case 3에서는 유동 편향에 의해 계면 교란이 상대적으로 크게 유지되며, θ = 0°인 Case 1은 두 경우의 중간적인 특성을 보인다.

이러한 결과는 디플렉터 각도가 초기 혼합 강도와 유동 분포를 제어함으로써 상분리 속도 및 계면 안정성에 직접적인 영향을 미치며, 특히 θ = 30° 조건이 보다 효과적인 분리 구조를 형성함을 시사한다.

FWKO의 수평단면과 수직단면에서 내부 오일 체적분율 분포를 각각 Fig. 8과 Fig. 9에 나타냈다. 특히 Fig. 8은 오일층의 경계면보다 약간 하부 위치에서 단면을 설정하여, 상분리 이후 형성된 오일층의 분포 특성을 보다 명확히 확인할 수 있도록 하였다. 초기 유입 에멀젼은 디플렉터와 상호작용에 의해 각 케이스별 유동 특성이 뚜렷하게 달라졌다.

Fig. 8

Oil volume fraction at horizontal-section (at t = 200 s)

Fig. 9

Oil volume fraction at vertical-section (at t = 200 s)

Case 1은 유입 에멀젼이 디플렉터와 수직으로 충돌하면서 충돌부의 난류 혼합이 가장 강하게 나타났다. 분리영역이 상대적으로 넓게 형성되었으나, 유동이 바로 출구로 연결되지 않아 중류 이후에서는 점차 안정되는 양상을 보였다.

Case 2의 경우, 유입 에멀젼이 역방향으로 기울어진 디플렉터에 부딪히면서 작동유체의 운동에너지가 효과적으로 감쇠되었다. 이로 인해 긴 체류시간이 확보되어 내부 유동이 빠르게 안정화되었다. 분리 계면이 평탄하고 상부 오일층이 연속적으로 유지되어 전반적으로 가장 안정적인 상분리 구조를 보였다.

Case 3은 디플렉터가 출구 방향으로 기울어져 있어 유입 에멀젼이 하류로 빠르게 유도되었다. 이로 인해 에멀젼이 충분히 감속되지 못하고, 체류시간이 짧아져 상분리 구간이 제한되었다. 따라서 첫 번째 배플 이후에도 분리영역이 길게 유지되며, 물방울이 충분히 하강하지 못한 채 하류로 운반되는 양상이 확인되었다.

FWKO가 비충전 상태에서 에멀젼이 최초 유입될 때의 초기 충전 양상을 규명하고자, 디플렉터 인근 국부 영역을 분리한 해석을 별도로 수행하였으며 결과는 Fig. 10에 제시하였다. Case 1에서는 유입 에멀젼이 디플렉터에 거의 수직으로 충돌한 뒤 중력 방향 하향 유동이 형성되며, 횡방향 확산은 제한적인 결과를 나타내었다. Case 2에서는 유입이 주류의 역방향으로 편향되어 벽면을 따라 막 두께가 넓게 전개되고, 초기 분포의 균일도가 가장 높게 나타났다. 반면 Case 3에서는 디플렉터가 출구 방향으로 기울어 유입 에멀젼이 하류로 직접적으로 안내되어 유동 단면의 분포 폭이 좁고 길게 연장되었다. 이러한 채움 방향과 확산 폭의 차이는 이후 전역 분포와 정상구간 평균 효율의 순서와도 일치된 결과를 나타내었다.

Fig. 10

Initial emulsion spreading patterns near the inlet deflector (at t = 10 s)

4. 결 론

본 연구는 FWKO에서 디플렉터 기울기가 유⋅수 분리효율에 미치는 영향을 다상 유동 해석으로 고찰하였다. 디플렉터 기울기는 세 경우(θ = 0°, 30°, −30°)를 비교하였다.

그 결과, Case 2(θ = 30°)가 가장 안정적인 상분리 구조를 형성하였다. 이는 충돌부에서 유입 에멀젼의 운동량이 벽면을 따라 점진적으로 감쇠되고, 벽면 막 두께가 넓고 균일하게 전개되며, 계면 교란이 빠르게 진정되어 체류시간을 효과적으로 활용할 수 있기 때문이다.

반면 Case 1(θ = 0°)은 충돌부의 혼합이 상대적으로 크게 나타났고, Case 3(θ = -30°)기울기 조건은 유입이 하류로 집중 유도되어 감속과 확산이 충분히 확보되지 못해 혼합 영역이 하류까지 지속되는 경향을 보였다.

초기 단계 국부 해석에서도 이러한 경향이 일관되게 확인되었다. Case 1은 하향 유동이 지배적이고 횡방향 확산이 제한적이었으며, Case 2는 벽면을 따라 막 두께가 넓고 균일하게 형성되었다. Case 3는 유동 단면의 분포 폭이 좁게 유지되어 초기 상분포 형성이 불리하였다. 이러한 초기 전개 양상의 차이는 전역 상분포와 정상 구간에서의 분리 성능 순서와 정합적으로 대응하였다.

설계적 시사점은 다음과 같다. 첫째, 유입 에멀젼의 법선 방향 충돌을 약화시키고 벽면 막 두께를 안정화하는 방향의 기울기 설정이 혼합 억제, 응집 촉진, 체류시간 활용 측면에서 유리하다. 둘째, 단순한 혼합 강도의 크기뿐 아니라 혼합 영역의 위치와 지속 범위, 상부 오일층의 연속성, 출구 방향 단락유동의 억제가 성능을 좌우한다. 셋째, 초기 유입 단계에서의 국부 유동 관리는 정상 운전 성능까지 영향을 미치므로, 유입 초기 분산 제어를 통합적으로 고려한 설계가 요구된다.

향후 연구에서는 입구와 디플렉터의 길이, 거리 및 각도를 더 세분화하여 매개변수 공간을 촘촘히 탐색하고, 분리 효율, 체류시간, 단락유동 억제를 동시에 고려한 다목적 최적화 연구를 수행할 필요가 있다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 RS-2022-00142936).

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