Конвективный теплообмен при течении водонефтяных эмульсий в аппаратах объектов промысловой подготовки нефти Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК. 536. 24.

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПРИ ТЕЧЕНИИ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В АППАРАТАХ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

А.И. АНТИПОВ, Л.Г. ГОЛУБЕВ, Я.С. МУХТАРОВ

Показана неизбежность появления существенных отклонений при

аналитическом определении коэффициентов конвективной теплоотдачи к

водонефтяным эмульсиям без учета их теплофизических свойств.

Предлагается формула, учитывающая влияние содержания воды на теплообмен.

Используемые в настоящее время методы разработки нефтяных месторождений (Татарстана, Башкортостана, Удмуртии и др.) приводят к

значительному увеличению водосодержания добываемой нефти. В процессе

движения продукции нефтяных скважин по насосно-компрессорным трубам и нефтепромысловым коммуникациям происходит образование стойких водонефтяных эмульсий, обладающих рядом свойств, в значительной степени затрудняющих их сбор, отделение присутствующих в них балластных примесей, хранение, транспортировку и переработку [1]. Поэтому вся добываемая из продуктивных пластов нефтяная жидкость проходит первичную обработку -промысловую подготовку. Промысловая подготовка может состоять из комплекса различных операций: обезвоживания, обессоливания, стабилизации, которые осуществляются на специальных технологических установках, представляющих собой металлоёмкие и дорогостоящие сооружения, потребляющие значительное количество топливно-энергетических ресурсов. Получение на них кондиционной продукции: обезвоженной, обессоленной нефти и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) в большой степени зависит от температурных режимов, достижение и поддержание которых во многом определяются условиями теплоотдачи к водонефтяным эмульсиям [2].

Как теплоносители водонефтяные эмульсии обладают рядом особенностей, основными из которых являются: аномальные вязкость и теплопроводность, наличие полидисперсности, а также «бронирующих» оболочек на поверхностях глобул диспергированной среды, коалесценция (слияние) глобул под влиянием различных факторов, в том числе гравитационных или инерционных сил [3,4,5].

Аномальность вязкости выражается в том, что присутствие диспергированной фазы приводит к многократному изменению вязкости образующейся эмульсии. Это существенно меняет условия течения и конвективного теплообмена, например вследствие изменения распределения скоростей по сечению потока, а также специфичности пограничного слоя.

Пограничный заторможенный слой эмульсий состоит в основном из жидких углеводородов, обладающих большими, чем у воды, адгезией к металлу и вязкостью. Поэтому термическое сопротивление этого слоя при одинаковых условиях должно быть иным, чем при течении воды, не содержащей нефти, или безводных нефтей. Так, в случае течения воды из-за её малой вязкости толщина пограничного слоя существенно меньше, чем это имеет место при течении безводных нефтей. При течении эмульсий она существенно выше вследствие влияния вязкости, величина которой многократно может превышать вязкость

© А.И. Антипов, Л.Г. Голубев, Я.С. Мухтаров Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

безводных нефтей [1, 4, 6].

Полидисперсность - одновременное присутствие в объёме эмульсий диспергированных частиц (глобул) различных размеров. В эмульсиях, пребывающих в состоянии движения по каналам различных сечений, распределение этих частиц по живому сечению зависит от их геометрических размеров (например, диаметров) и гидродинамических условий. При нахождении жидкости в состоянии покоя скорости осаждения глобул воды определяются рядом факторов, главные из которых - линейный размер (диаметр) и температура. Коалесценция может происходить в любых эмульсиях и при различных температурах. Она приводит к перераспределению массы и, как следствие, возникновению неравномерности распределения плотности по объёму. Наибольшая плотность, естественно, наблюдается в нижней части занимаемого объёма, наименьшая - в верхней.

Эффект действия гравитационных и инерционных сил на глобулы разных размеров также различен, что приводит к соответствующему расслоению. Кроме этого, следует учесть, что вероятность изменения форм глобул под действием гидродинамических сил также возрастает с увеличением их линейных размеров, что влияет на вязкость и теплопроводность эмульсий.

Химические составы оболочек глобул несколько отличаются от химического состава дисперсионной среды, следовательно, эффективная теплопроводность эмульсий не может быть аддитивной величиной. С учётом особенностей пограничного слоя можно полагать, что степень отличия эффективной теплопроводности эмульсии, находящейся в этом слое, от величины, найденной из условия аддитивности, будет большей, чем у объёма эмульсии, находящейся вне этого слоя.

Другим важным обстоятельством, обуславливающим специфичность конвективного теплообмена при течении эмульсий, является изменение теплопроводности воды и нефти в зависимости от температуры во взаимно противоположных направлениях (у воды она пропорциональна температуре, у нефти - наоборот). Несколько специфично обстоит дело также с температуропроводностью. Так, при водосодержаниях эмульсий до »10% (по объёму) коэффициент температуропроводности их с ростом температуры уменьшается, но при значениях объемного водосодержания ^), превышающих »10%, характер зависимости от температуры меняется на противоположный. Темпы изменения коэффициента температуропроводности до и после w»10% существенно различаются.

Перечисленные факторы непременно должны оказывать влияние на конвективный теплообмен при течении эмульсий в элементах теплообменного и технологического оборудования. Следовательно, при расчётном определении коэффициента конвективной теплоотдачи (а) применительно к эмульсиям необходимо учитывать величину содержания в них водной фазы. Поэтому при аналитическом определении а по формулам и зависимостям, полученным на основе анализа размерностей и теории подобия, должны соответственно учитываться теплофизические свойства эмульсий. Определение а по упомянутым формулам и зависимостям как для безводных нефтей непременно должно приводить к существенным погрешностям.

Анализ существующего положения по тепловому расчёту объектов промысловой подготовки нефти и, в частности, теплообмена при нагреве водонефтяных эмульсий показал существенную неточность ввиду использования

данных по безводной нефти, что приводит к определённым погрешностям при аналитическом определении температурных режимов названных объектов.

Отсюда встаёт задача проведения самостоятельных исследований процесса теплообмена при течении водонефтяных эмульсий.

С целью оценки влияния основных из перечисленных факторов на конвективный теплообмен при принудительном движении водонефтяных эмульсий была специально спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис.1). Для получения результатов, приемлемых для большого ассортимента обводненных нефтяных жидкостей, эксперименты проводились на искусственных эмульсиях, получаемых в лабораторных условиях. Исполнение установки позволяло передавать теплоту эмульсии, проходящей через нагревательный участок при различных температурах, скоростях и водосодержаниях. Для повышения точности составления тепловых балансов до проведения основных опытов установка подверглась тарировке по тепловым потерям в окружающую среду.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1- нагревательный участок; 2,6,19- термопары; 4,16,20- стеклянные ртутные термометры; 3,18- электроизолирующие фланцы; 5,15- зажимы электрические; 7,14- манометры;

8- трансформатор тока; 9-амперметр; 10- силовой трансформатор; 11- регулятор напряжения; 12- электрический рубильник; 13- вольтметр; 17-расходометр; 21- напорная линия; 22-насос; 23- линия рециркуляции эмульсии; 24- вентиль; 25- змеевик охлаждающий воды;

26- бак рабочей жидкости; 27- бак промежуточной охлаждающей жидкости;

28- змеевик-холодильник; 29- сливная линия охлаждающей воды; 30- потенциометр;

31- переключатель термопар; 32- слив в канализацию

Всего было проведено 140 опытов. Обработка полученных результатов проводилась по традиционной методике. Для получения расчётных зависимостей строились графики:

Nur = f I Pe

D

МЖ

МС у

0.167

(1)

Nu,

МЖ

МС

0.167

f

Re,

D

(2)

Nu ж = f (Reж ) ;

(3)

гЖ0 43<

гЖ01

Pr

Г1Ж Pr

V rlc J

-0.25

= f (Re ж);

(4)

гЖ033'

гЖ01

Pr

Г1Ж

Pr . V Гlc J

v-0.25

= f (Re ж);

(5)

Nu ж Pr^K0 43 G^01

Pr

ж

Pr

V rlc J

v-0.25

= f

(6)

где Nu, Ре, Re, Pr, Gr - числа подобия Нуссельта, Пекле, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа; ц- динамический коэффициент вязкости; ж, г, с- индексы,

указывающие на температурные условия: ж - средняя температура рабочей жидкости ( tж); г- граничного слоя ( tг); с - стенки (¿с); D, l - соответственно внутренний диаметр и длина нагревательной трубы.

Выдвигавшееся ранее предположение о специфичности условий конвективного теплообмена при течении эмульсий, вследствие влияния водосодержания на теплоотдачу, подтверждается графиками, построенными по экспериментальным данным. Так, из рассмотрения зависимости а = f (W), было экспериментально установлено, что влияние водосодержания эмульсии на теплоотдачу сказывается уже при значениях её менее 10% по объему. Эта зависимость (при U, t ж - idem) нелинейная. Если при изменении водосодержания

от «следов» до 30% теплоотдача, в зависимости от скорости и температуры потока, возрастает в среднем на 25...45%, то при изменении в интервале от 30% до 50% теплоотдача, при сохранении прочих условий постоянными, возрастает на 80... 100%. Теплопроводность, в зависимости от температуры и водосодержания, изменяется, соответственно, в пределах З0...47% и 16...21%. Темпы изменения теплоотдачи, в зависимости от водосодержания, при различных скоростях и температурах потока отличаются незначительно. При росте водосодержания «от следов» до 30% величины Nuj. и Nu ж несколько уменьшаются, но при достижении значений более 30% резко возрастают.

Наиболее вероятной причиной данного явления можно считать указанные © Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

г

l

l

ж

выше особенности пограничного слоя при течении эмульсий, вызванные зависимостью их размеров и структуры от объёмного содержания диспергированной фазы. При сопоставлении результатов опытов с одинаковыми

скоростями и значениями комплексов Ре г -у- очевидно, что величина

теплоотдачи колеблется в широких пределах. Обращает на себя внимание тот факт, что по мере приближения чисел Рейнольдса к критическим значениям коэффициенты теплоотдачи при всех имеющих место в опытах водосодержаниях возрастают с увеличением последнего. Данный факт объясняется только уменьшением толщины и изменением структуры пограничного слоя, этому способствует повышение вероятности столкновения и коалесценции отдельных глобул воды и последующее влияние на пограничный слой. Увеличение расхождения экспериментально найденных значений числа Нуссельта г) между собой по мере роста водосодержания может быть закономерным только в этой связи.

К существенному уменьшению разброса приводит обработка данных в координатах

/ N 0,167

]\и,

Мж

Я

I

(7)

\Мс у

Графическая интерпретация результатов этой обработки приведена на рис.2. При этом в большей степени, по сравнению с остальными случаями, уменьшается разброс экспериментальных данных, полученных при

использовании в качестве рабочей жидкости трансформаторного масла (со «следами» воды), что также указывает на объективность приведенных выше выкладок, адекватность полученных результатов, а также на существенное влияние водосодержания на теплоотдачу.

Рис. 2. Обобщение экспериментальных данных по теплообмену при вынужденном течении эмульсий «вода в трансформаторном масле» в горизонтальной трубе: 1,2,3,4- водосодержания соответственно 0%, 10%, 30%, 50% (об.)

Последующая обработка экспериментальных данных позволила получить следующую формулу:

Nur =(1.55-0.01)

Рег 7

0.4

МЖ МС )

(8)

Она может использоваться для расчёта теплообмена при вынужденном течении водонефтяных эмульсий в горизонтальных трубах в следующем диапазоне определяющих условий: водосодержание W=0%(«следы») ...30% (об); средняя температура потока жидкости 1 ж =10...60°С; число Прандтля

Ргж =140...480; комплекс Ре г — =180...1980; симплекс =1.1...3.2;

l НС

отношение— =120...300, число Рейнольдса Ргж =120...2300.

Перечисленные выше пределы изменения температур, водосодержаний, теплофизических, гидродинамических и геометрических параметров соответствуют имеющим место на первых ступенях нагрева объектов промысловой подготовки нефти

Summary

The inevitability of occurrence of essential deflections is rotined at analytical defenition of coefficients of a convective heat exchange oil-in-water emulsions without the account of their physical and thermal properties.

Offered formula is taking into account influencing of the content on heat exchange.

Литература

1. Лутошкин Г.С. Промысловая подготовка нефти, газа и воды к транспорту.- М.: Недра, 1972. -325 с.

2. Каспарьянц К.С., Кузин В.И., Григорян Л.Г. Процессы и аппараты для объектов промысловой подготовки нефти и газа. - М.: Недра, 1977.- 255 с.

3. 3 Теплофизические свойства нефтей и водонефтяных эмульсий Татарии. Саттаров У.Г., Фарахов Э.З., Газимов М.Г. //Нефтепромысловое дело.- 1972.-№8. - С. 16-24.

4. Кривые и эмпирические формулы для определения вязкости нефтяных эмульсий. Газимов М.Г. Иммамаликов Ю.А., Махьянова К.И. и др. // Нефтепромысловое дело, 1971.-№9.- С.26-30.

5. Антипов А.И. Эмпирические формулы для определения теплопроводности водонефтяных эмульсий. Сб. тр. Института ТатНИПИнефть «Вопросы интенсификации процессов добычи нефти и совершенствования технологии подготовки нефти», 1973. - С. 50-54.

6. Антипов А.И. Тепловой расчёт технологических установок по промысловой подготовке нефти. - Альметьевск.: АлНИ, ОАО «Татнефть»: 1997.-123с.