CC BY
12
УДК 622.276.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМЕ НЕФТЕГАЗОСБОРА
А.Я. МУТРИСКОВ, М.А. КУЗНЕЦОВА, В.К. ИЛЬИН, М.А. МУТРИСКОВА Казанский государственный энергетический университет
Аннотация: Рассмотрены физические основы энергосберегающей нанотехнологии в системе нефтегазосбора.
Ключевые слова: энергосбережение, нанотехнология, система нефтегазосбора, эффект инверсии.
Интерес к наноразмерной области связан как с принципиально новыми научными проблемами, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых устройств и систем.
Программа развития наноиндустрии в РФ до 2015 г. нанотехнологию определяет как нанотехнологии, направленные на создание и эффективное практическое использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками. Формирование понятий в нанотехнологии и нано-науке еще находится на стадии развития [1].
Одна из актуальных проблем современной энергетики - максимальная утилизация попутного нефтяного газа, высококалорийного энергетического топлива и ценного химического сырья.
Основной проблемой в системе промыслового сбора нефти и газа, распределения потоков является разрушение нефтяной пенной эмульсии. В газонасыщенной нефтяной эмульсии происходят сложные процессы с количественными и качественными изменениями самой системы при одновременном тепло- и массообмене и фазовых переходах.
Фундаментальной мерой устойчивости этих систем Сидней Росс считает скорость диссипации потенциальной энергии [2]. Росс отмечает три вида потенциальной энергии в системе:
а) поверхностную энергию, связанную с развитой межфазной поверхностью;
б) потенциальную энергию газа, сжатого в пузырьках капиллярными силами;
в) энергию, заключенную в жидкости пленок, вытекающей под действием разрежения в каналы.
Многофазная газожидкостная система приобретает свойства мембран [3] и на межфазной границе в тонком слое образуется поверхностная фаза массой, импульсом и кинетической энергией которой можно пренебречь. Элементарный акт перемещения молекулярно-кинетической единицы в этом слое можно объяснить на основе теории абсолютных скоростей реакции Эйринга.
Влияние концентрации дисперсной фазы на коалесценцию и массообмен в жидкостных эмульсиях зависит от неоднородности дисперсной фазы. В мелкодисперсных эмульсиях влияние концентрации ограничено эффективной вязкостью. В крупнодисперсных эмульсиях обнаружено более сложное влияние концентрации из-за эффекта гашения турбулентных пульсаций [4].
© А.Я. Мутрисков, М.А. Кузнецова, В.К. Ильин, М.А. Мутрискова Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
Самопроизвольно протекающие процессы разрушения эмульсий или технологические приемы, используемые для интенсификации этих процессов, сильно различаются в зависимости от свойств дисперсной среды и дисперсной фазы, газового числа, а также внешних условий (температуры, давления), времени, наличия дополнительных воздействий на систему (ультразвуковых, электрических и других), высоты слоя эмульсии и ряда других факторов.
Технологический интерес представляют непрерывные методы удаления газа с использованием эффекта инверсии фаз [5].
При использовании эффекта инверсии для разделения фаз в ресурсосберегающих технологиях системы нефтегазосбора рабочий процесс разделения в струйных аппаратах протекает:
а) в условиях выделения свободного газа;
б) в условиях образования зародышевых пузырьков растворенного газа;
в) в условиях роста пузырьков;
г) в условиях поглощения теплоты при десорбции газа;
д) в условиях появления мембранных процессов в газонасыщенных эмульсиях.
Важной научной проблемой разработки интенсивной технологии становится
решение задачи получения технологической системы с заданными свойствами на основе физики инверсии.
Возможность обращения (инверсии) фаз появляется в струйном аппарате при использовании газонасыщенной нефти в качестве рабочей среды. При истечении газонасыщенной рабочей среды в камере смешения происходит первичный распад струи на капли (первичная инверсия фаз), что обуславливает отделение свободного газа и начало спонтанного образования в каплях зародышевых пузырей растворенного газа. Образование большого количества зародышевых пузырей (радиус которых имеет 7 8
порядок 10 - 10 м) в каплях вновь переводит гомогенную среду капель (нефть) в дисперсную (вторичная инверсия фаз), т.е. процесс протекает в высокодисперсной системе.
Работа устройств струйного типа с газонасыщенной рабочей средой в этих системах имеет свои особенности, в частности массообмен происходит в условиях зарождения и роста пузырьков.
Направление фазового превращения в системе определятся изменением свободной энергии системы. Из двух фазовых состояний устойчивым является то, которое обладает меньшей свободной энергией. Поэтому десорбция происходит в случаях, когда переход вещества из жидкого состояния в газообразное сопровождается уменьшением свободной энергии системы.
Движущей силой процесса зарождения пузырьков в газонасыщенной жидкости при температуре Т является разность удельных, приходящихся на единицу массы вещества, свободных энергий жидкой Ож и газовой Ог фаз.
Образование в системе пузырькового зарождения объема У-$ сопровождается выделением свободной энергии:
ДСг = (Ож - Ог) • Гз • рг, (1)
где рг - плотность газовой фазы.
При температуре зарождения пузырьков Тг разность энтальпий фаз представляет собой скрытую теплоту фазового перехода гт. При возникновении пузырька часть энергии затрачивается на образование поверхности раздела фаз.
Любой зародыш пузырька с радиусом более гк (критического радиуса зародыша пузырька) является способным к росту. Для образования зародыша и роста пузырька
радиуса гк необходимо преодолеть энергетический барьер в жидкости и поверхности раздела фаз.
Рост пузырьков может быть рассмотрен на основе теории поверхностного натяжения и диффузионной теории.
Из теория поверхностного натяжения Гиббса следует, что пузырек при своем росте стремится к форме, соответствующей минимуму поверхностной энергии при данном объеме. Эта теория позволяет объяснить форму пузырьков, однако она не раскрывает механизма их роста.
Диффузионная модель позволяет представить рост пузырьков в виде двух последовательных стадий: диффузии молекул к поверхности раздела фаз и поверхностной реакции. При этом стадия диффузионного переноса описывается уравнением
dm / dT = ßD ■/(Х - Хп), (2)
а стадия поверхностной реакции - уравнением
dm / dx = s- f (Хп - Хр), (3)
где m - масса пузырьков; т - время; f - поверхность раздела фаз; X - концентрация компонента в жидкой фазе (газонасыщенность) Хп - концентрация компонента в пограничной пленке; Хр - равновесная
концентрация; е - частота перехода молекулярно-кинетической единицы.
Чтобы освободиться от трудно определяемой величины Хп, удобнее использовать эффективный коэффициент массопередачи ß :
"м^г. (4)
ßD + е
Современные тенденции в постановке проблем энергосбережения требуют более четких определений и подходов в формировании представлений об эффективности энерготехнологических процессов. Нормативными документами предложено проведение сквозных суммарных расчетов технологического продукта по методике расчета технологических топливных чисел (ТТЧ) [6,7].
Summary
The physical principles of the energy-saving nanotechnologies in oil and gas collecting system.
Keywords: energy saving, nanotechnology, oil and gas collecting system, the inverse
effect.
Литература
1. Дресвянников А.Ф. Нанотехнологии - вызов времени // Газета технологический университет. № 6-7. 2012.
2. Канн К.Б. Капиллярная гидродинамика пен / К.Б. Канн. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. 167с.
3. Тахавутдинов Р.Г. Разделение газовых смесей с использованием жидких мембран в трехфазном барботажном слое: автореф. дис. канд. техн. наук. Казань. 1994.
4. Розенцвайг А.К. Энергосберегающие структуры процессов переноса в сложных дисперсных системах: автореф. дис. док. техн. наук. Казань. 1994.
5. Кафаров В.В., Бляхман Л.И., Плановоский А.Н. Явление скачкообразного увеличения тепло-и массообмена между газовой и жидкой фазами в режиме инверсии фаз // Открытие. № 141. 2012.
6. ГОСТ 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основы положения.
7. Лисиенко В.К. Методология и информационное обеспечение сквозного энергетического анализа / В.К. Лисиенко, Я.М. Щелоков и др. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 98с.
Поступила в редакцию 04 сентября 2013 г.
Мутрисков Анатолий Яковлевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» (ЭЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ), чл.-корр. РАЕ. Тел: 8(843)519-43-21.
Кузнецова Мария Александровна - старший преподаватель кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843)519-43-21.
Ильин Владимир Кузьмич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» (ЭЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Мутрискова Марина Анатольевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленный менеджмент» Института экономики управления и права, г. Казань, профессор РАЕ.
