CC BY
69
УДК 665.666; 53.098.
И. А. Мустафин (асп.)1, Р. Н. Имашев (к.ф. -м.н., рук.)2, С. А. Ниязгулов (к.ф. -м.н., доц.)3 , Р. З. Шайхитдинов (к.ф. -м.н., проф.) 4
Влияние импульсного магнитного поля на электромеханические процессы в нефтешламах
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра технологии нефти и газа 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов , 1; тел. (347) 2431535, e-mail: iamustafin@gmail.com
2 ООО «БашНИПИнефть», 450006, г. Уфа, ул. Ленина, 86/1; тел. (347) 2624340 Башкирский государственный университет, 3кафедра теоретической физики 4кафедра физической электроники и нанофизики 450074, г. Уфа, ул.Заки Валиди, 32; тел. (347) 2735109
I. A. Mustafin1, R. N. Imashev2, S. A. Niazgulov3, R. Z. Shajkhitdinov4
Effect of pulsed magnetic field on the electro-mechanical processes in slime
1 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431535, e-mail: iamustafin@mail.ru
2OOO «BashNIPIneft», 86/1, Lenina Str., 450006, Ufa, Russia; ph. (347) 2624340
3,4 Bashkir State University 32, Zaki Validi Str, 450074, Ufa, Russia; ph. (347) 2735109
Теоретически обосновывается, что одним из основных механизмов обезвоживания водонефтя-ной эмульсии является эффект поляризации капелек воды под действием внешних электрического и магнитного полей, приводящих к их взаимному притяжению. Получено выражение для времени обработки нефтешламов, позволяющее оценить параметры установки для деэ-мульсации.
Ключевые слова: водонефтяная эмульсия; де-эмульсация; магнитное поле; нефтешлам.
Вследствие обводненности большинства нефтяных месторождений при добыче нефти образуются стойкие водонефтяные эмульсии, которые в ряде случаев не поддаются разрушению. Традиционные методы разрушения эмульсий, применяемые в настоящее время, требуют больших материальных и энергетических затрат, в то время как наиболее экономичными и эффективными являются методы, связанные с воздействием электрических и магнитных полей.
Обычно считается*, что основным результатом воздействия электромагнитного поля на жидкую смесь диэлектриков является нагрев
Дата поступления 02.03.11
In theory it is proved that one of the basic mechanisms of water emulsion dehydration is the polarization effect of water droplets under the influence of external electric and magnetic fields, leading to their mutual attraction. The expression is obtained for the time of slime processing that capable to evaluate parameters of the plant for demulsification.
Key words:water emulsion; demulsification; slime; magnetic field.
этой смеси высокочастотным электромагнитным полем или ее нагрев токами проводимости, которые возникают вследствие наличия в водонефтяной эмульсии солей, пренебрегая при этом другими возможными последствиями. Поэтому представляет интерес задача воздействия переменным магнитным полем на во-донефтяную эмульсию, которую можно рассматривать как смесь жидких диэлектриков. Необходимо отметить, что на практике технологически более выгодно вести обработку жидкости в непрерывно-проточном режиме, поэтому в данной статье рассматривается влияние импульсного магнитного поля на движущуюся водонефтяную эмульсию.
Рассмотрим случай несмешивающихся жидких диэлектриков, то есть таких жидкостей, коэффициенты поверхностного натяжения которых, как и диэлектрические проницаемости, сильно различаются, и один из диэлектриков образует в другом эмульсию. Эмульсионные капли второго диэлектрика с диэлектрической проницаемостью е2 и плотностью р2 представим в виде шариков радиусом К, погруженных в диэлектрик с проницаемостью е, и плотностью р2.
Обычно на практике распространен случай эмульсии типа «вода в нефти», вследствие чего будем считать, что концентрация второго диэлектрика в первом мала, т. е. отношение:
С =
р2У2
т1 + т2 р,{У+р2У2
«1
(1)
где Ж; и иг? — массы первого и второго диэлектриков.
С учетом этого выражения количество капель в единице объема
п = -
щ
4лг7?3
С р1/р2ЗУ
АлЕ3 (С[р1/р2 -1) +1)
(2)
Уравнение Максвелла для движущейся жидкости имеет вид:
дВ
гоЬЕ =---гоц Ъ х В
д(: L J
(3)
где — скорость жидкости;
В — индукция внешнего магнитного поля.
Поскольку рассматривается случай с диэлектриками, то во втором уравнении Максвелла
- д£>
ГОШ = 1 + -—
дг
можно пренебречь токами проводимости по сравнению с токами смещения и записать его в виде:
ГОШ =-
дt
Переменное магнитное поле, как и движение жидкости, приводит к возникновению вихревого электрического поля.
Будем считать, что магнитное поле однородно и возрастает линейно до значения Вт в течение времени t, а затем так же убывает. Тогда, полагая скорость движения первого жидкого диэлектрика постоянной, с учетом В = ¿10Й выражение (3) принимает вид:
гоТ.Е - -
■Ра ■
Чж
I
-Ро
(гП)Й
(4)
Рассмотрим поведение двух шариков второго диэлектрика, находящихся на расстоянии I друг от друга, в возникшем электрическом поле. Вихревое электрическое поле вызывает появление у шариков диэлектрика дипольного электрического момента, направленного против поля. Величина этого дипольного момента определяется вектором поляризации и зависит от диэлектрической проницаемости жидкости:
Р = 1)1гц-Ё = (е2-е1)Ё.
Сила взаимодействия между каплями, имеющими дипольный момент, равный
¿ = РУ -
где V = 4я"7?3/3 — объем капли диэлектрика, направлена по линии, соединяющей капли, и по модулю
2{пЩ
АкеЛъ
(5)
Здесь Я — единичный вектор, направленный от одного диполя к другому и совпадающий с направлением вихревого электрического поля. Как видно, независимо от направления созданного вихревого электрического поля, сила электрического взаимодействия между дипольными моментами капель будет сближать их. В предположении, что капельки равномерно распределены в рассматриваемом объеме, среднее расстояние между капельками второго диэлектрика
, = я_уз = я Мр2(1-С) + Ср,) V 3 Ср,
(6)
При известной действующей силе, равной (п{е2-£])УЁ)
Р-.
4 да/3
с учетом выражения (4) после некоторых преобразований можно найти время прохождения этого расстояния:
т =
з/3р2/ Ср14лР3е0 а2 3 р2
р (-е1 )2 (1 (2 ю/о) р (вт/ь)2
(7)
Воздействие магнитного импульса в течение этого времени приведет к столкновению и слиянию капель воды. Отметим, что это выражение носит оценочный характер по ряду введенных нами упрощающих предположений. Кроме того, здесь не учитывается вязкость жидкости, дисперсия диэлектрической проницаемости обоих жидкостей, хотя при малых частотах следования импульса можно использовать квазистатические значения физических величин. Однако полученную формулу можно использовать для оценки времени, необходимого для уменьшения дисперсности эмульсии и проведения качественного анализа зависимости времени деэмульсации от внешних факторов. Так, из полученной формулы видно, что время релаксации пропорционально плотности жидкости, содержащей эмульсию и обратно пропорционально разности диэлектрических проницаемостей жидких диэлектриков, их концентрации и скорости изменения
внешнего магнитного поля. В частности, для водонефтяной эмульсии при е2 = 81 и е/ = 7, р2 = 1000 кг/м3 и р1 = 700 кг/м3, концентрации воды порядка 1% , радиусах капель 1 мм при обработке импульсами частотой 1 кГц и амплитудой индукции магнитного поля 1 мТл это время 1=60 с. Поэтому при стандартных технологических условиях (диаметр трубопровода 0.8 м, объемная скорость течения нефте-шлама 50 м3/ч) средняя скорость потока равна 0.03 м/с. Этим условиям при вышеуказанных параметрах обработки, как показывают расчеты, соответствует вполне приемлемая протяженность области воздействия магнитным полем (т. е. длина трубы с электромагнитом), равная примерно 2 м.
Таким образом, показано, что эффект поляризации водяных капель под действием электромагнитного облучения служит одним из основных механизмов, способствующих их слиянию и, соответственно — деэмульсации.
Литература
1. Остроумов Г. А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей.— М. Наука, 1979.- 320 с.
