CC BY
49
© А.В. Дмитриев, В.Э. Зинуров, О.С. Дмитриева, С.В. Данг УДК 66.066.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ СЕПАРАТОРЕ
А.В. Дмитриев1, В.Э. Зинуров1, О.С. Дмитриева2, С.В. Данг1
казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2Казанский национальный исследовательский технологический университет,
г. Казань, Россия
ORCID: http://orcid. org/0000-0001-89 79-445 7, ieremiada@gmail. com
Резюме: Высокоэффективное разделение водонефтяной эмульсии при высокой скорости данного процесса и малом гидравлическом сопротивлении аппарата является одним из основных показателей при выборе очистительного устройства. В статье предлагается разработанный авторами аппарат для разделения водонефтяной эмульсии. Произведено исследование разделения водонефтяной эмульсии при различных скоростях потока на входе в предлагаемый аппарат с разным конструктивным оформлением элементов внутри него. Показано, что максимальная эффективность сепаратора достигается при входной скорости водонефтяной эмульсии равной 1,8 м/с при диаметре выходных отверстий 2,25 мм.
Ключевые слова: водонефтяная эмульсия, разделение, прямоугольный сепаратор, мазут, двутавровые элементы.
Благодарности: Работа, по результатам которой выполнена статья, выполнена по договору от 17 января 2018 г. № 14.Z56.18.4522-МК в рамках гранта Президента РФ № МК-4522.2018.8 «Разработка перспективной технологии сепарации мелкодисперсных твердых или жидких частиц из газового потока».
MODELING OF SEPARATION PROCESS OF WATER-OIL EMULSION IN A RECTANGULAR SEPARATOR
A.V. Dmitriev1, V.E. Zinurov1, O.S. Dmitrieva2, X.V. Dang1
1Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia 2Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia
ORCID: http://orcid. org/0000-0001-89 79-445 7, ieremiada@gmail. com
Abstract: Highly efficient separation of water-oil emulsion at high speed of this process and low hydraulic resistance of the apparatus is one of the main indicators when choosing a cleaning device. The article proposes the device developed by the authors for the separation of water-oil emulsion. The separation of the water-oil emulsion at different flow rates at the entrance to the proposed apparatus with different structural design of the elements inside it was carried out. It is shown that the maximum efficiency of the separator is achieved with an input water-oil emulsion rate of 1.8 m/sec with a diameter of 2.25 mm outlets.
Keywords: oil-water emulsion, separation, rectangular separator, fuel oil, I-beam elements.
Acknowledgments: The reported study was funded by the grant of the President of the Russian
Federation, according to the research project No. MK-4522.2018.8 (contract No. 14.Z56.18.4522-MK of 17 January 2018).
Введение
Бурное развитие технологического сектора в мире приводит к существенной потребности увеличения использования нефтепродуктов. В то же время, с каждым годом требования к нефтепродуктам увеличиваются. В большей степени это связано с усовершенствованием машин, чем сложнее машины, чем мощнее, быстроходнее и теплонапряженнее двигатель, тем более повышенные требования предъявляются к качеству нефтепродуктов [1-3]. Однако удовлетворить увеличивающийся спрос на высококачественные нефтепродукты становится сложнее, перерастая в одну из проблем нефтехимического комплекса, в связи с уменьшением количества коллекторов нефти, где добывается легкая нефть. Решением данной проблемы является переработка тяжелой нефти. Одной из актуальных проблем переработки тяжелой нефти является разработка новых технологических решений разделения водонефтяных эмульсий [4, 5].
На данный момент разделение водонефтяных эмульсий производится с помощью двух различных подходов: реагентный, используя деэмульгатор, и безреагентный. Химический способ заключается в добавлении в воду различных химических реагентов, вступающих в реакцию с нефтью. В результате химической реакции вода осаждается в виде нерастворимых осадков. Данным методом достигается уменьшение на 95% нефтяных загрязнений. Недостатком химической очистки является то, что при дальнейшем увеличении качества очистки за счет применения химических реагентов происходит загрязнение воды уже этими химическими реагентами. Сущность безреагентного подхода заключается в удалении нефти и нефтепродуктов из воды путем ее отстаивания с последующим улавливанием нефти специальными устройствами: отстойниками, гидроциклонами, нефтеловушками и др. Основным недостатком данных аппаратов является невысокая степень разделения водонефтяных эмульсий [6-9].
Задачи исследования
Целью работы является исследование разделения водонефтяных эмульсий при различных входных скоростях потока в прямоугольном сепараторе с разным конструктивным оформлением элементов внутри него. Поскольку существенным недостатком использования существующих специальных устройств для разделения нефтяных эмульсий, описанных выше, является довольно низкая скорость их разделения, то требуется разработка новых устройств, позволяющих интенсифицировать процесс разделения нефти от воды. Авторами данной статьи предлагается использовать разработанный прямоугольный сепаратор для разделения нефтяных эмульсий. Данный сепаратор эффективно разделяет эмульсии при относительно высоких скоростях на входе в аппарат от 1 до 2 м/с.
Прямоугольный сепаратор состоит из нескольких рядов двутавровых балок, собранных в прямоугольный корпус. С целью увеличения прочности конструкции двутавровые балки приварены с двух сторон к корпусу аппарата. В среднем ряду двутавровых балок проделаны два отверстия, позволяющих выводить из устройства нефтепродукты. Конструктивное оформление двутавровых балок позволяет снизить гидравлическое сопротивление разработанного сепаратора и улучшить процесс разделения водонефтяных эмульсий. Принцип работы прямоугольного сепаратора заключается в следующем: при движении водонефтяной эмульсии между двутавровыми элементами устройства возникает центробежная сила, которая способствует разделению потока жидкости на разные фракции в зависимости от их плотности. Благодаря конструктивным особенностям аппарата в пространстве, около двутавровых элементов,
образуются вихри. К центрам этих вихрей перемещается легкая фракция, которая сливается через отверстия, выполненные в нижней части аппарата. Такое конструктивное оформление позволяет максимально упростить процесс разделения водонефтяной эмульсии, так как продукты разделения сразу сливаются в резервуар через нижние отверстия в аппарате. Добавочный эффект процесса разделения водонефтяной эмульсии происходит при непосредственном контакте водонефтяного потока жидкости с двутавровыми элементами при перпендикулярном движении потока относительно элементов. Наличие нескольких рядов двутавровых элементов повышает эффективность разделения водонефтяных эмульсий.
Исследования проводились для упрощенной модели сепарационного прямоугольного устройства (рис. 1). По данным [10] для обеспечения равнопроточности устройства и, следовательно, минимального гидравлического сопротивления аппарата, последующий ряд двутавровых элементов должен быть расположен от предыдущего на расстоянии, равном 52-60% от длины двутаврового элемента.
Рис. 1. Упрощенная модель сепарационного прямоугольного сепаратора (вид сверху): 1 - входной патрубок сепаратора; 2 - двутавровые элементы; 3 - корпус аппарата; 4 - отверстия для вывода нефтепродуктов; 5 - выходной патрубок сепаратора
Ранее проведенные исследования показали, что значение скорости в диапазоне 1,5-1,8 м/с представляется оптимальным для более эффективной сепарации многофазного потока жидкости [11].
Методы исследования
Для расчета процесса разделения водонефтяной эмульсии использовалась многофазная эйлерово-эйлерова модель Volume of Fluid с количеством фаз равным двум в программном комплексе ANSYS Fluent. В ходе исследования принималось, что водонефтяная эмульсия состоит из воды (H2O) и мазута (Ci9H30). Объемные доли воды и мазута в многофазном потоке принимались 0,3 и 0,7 соответственно. Также задавались некоторые другие постоянные параметры - плотность и коэффициент вязкости: pH2O = 998,2 кг/м3, цН20 = 0,001003 кг/(м-с), pC19H30 = 960 кг/м3, цС19Н30 = 0,048 кг/(м-с). В расчете использовалась k-e модель турбулентности. Результаты были получены при решении нестационарной задачи.
При решении нестационарной задачи задавались следующие граничные условия: на входном участке 1 задавалось значение входной скорости «velocity inlet», на выходном участке 4 и 5 задавалось атмосферное давление равное 101325 Па, на остальных границах 2 и 3 задавались условия стенки «wall» (рис. 1). В ходе исследования изменяли диаметр d выходных отверстий в диапазоне 2,25-4,5 мм и скорость многофазного потока на входе в сепаратор в диапазоне 1,5-1,8 м/с.
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные результаты исследований изображены графически на рис.2-4. Проведенное численное решение нестационарной задачи показало, что использование двутавровых элементов внутри прямоугольного сепаратора позволяет эффективно
производить процесс разделения эмульсии. На рис.2 изображен процесс разделения водонефтяной эмульсии. В связи с действием центробежной силы на многофазный поток при его движении между элементами устройства и непосредственном контакте водонефтяной жидкости с двутавровыми элементами происходило разделение фаз. Мазут, имеющий отличные от воды теплофизические параметры, устремлялся ко дну аппарата, где попадал в специальные проделанные отверстия.
Рис. 2. Процесс разделения водонефтяной эмульсии в сепарационном прямоугольном сепараторе
Исследования показали, что процесс разделения водонефтяной эмульсии проходит стабильно без ярко выраженных флуктуаций с течением времени (рис. 3, 4). На рис.3, 4 изображены зависимости фаз объемных долей мазута на выходных отверстиях 4 и 5 при разделении водонефтяной эмульсии по времени с разными входными скоростями и диаметром выходных отверстий.
При входной скорости многофазного потока 1,8 м/с процесс разделения эмульсий позволяет получить в среднем объёмные доли мазута 65,2% и 71,3% на выходных отверстиях 4 при их диаметре ё равном 4,5 и 2,25 мм соответственно. Объемные доли мазута на выходе из устройства равны 9,1% и 8,8% соответственно при диаметре отверстий ё равном 4,5 и 2,25 мм соответственно.
Рис. 3. Зависимость объемной доли мазута при разделении водонефтяной эмульсии внутри сепаратора по времени, скорость потока жидкости на входе ^ = 1,8 м/с: 1, 2 - результаты на выходных отверстиях; 3, 4 - результаты на выходе из устройства. Сплошные линии - ё = 4,5 мм; штриховые линии - ё = 2,25 мм
При скорости многофазного потока на входе 1,5 м/с процесс разделения эмульсий позволяет получить в среднем объёмные доли мазута 68,3% и 63,5% на выходных отверстиях 4 при их диаметре d равном 4,5 и 2,25 мм соответственно. Объемные доли мазута на выходе из устройства равны 8,1% и 9,8% соответственно при разных диаметрах отверстий d равных 4,5 и 2,25 мм.
С -
0,8 -0,7 -
0,6 -
0,5 -0,4 -
0,3 -0,2 -
0,1 -
0 -
0 0,05 0,1 0,15 0,2 т, с
Рис. 4. Зависимость объемной доли мазута при разделении водонефтяной эмульсии внутри сепаратора по времени, скорость потока жидкости на входе w = 1,5 м/с: 1, 2 - результаты на выходных отверстиях; 3, 4 - результаты на выходе из устройства. Сплошные линии - d = 4,5 мм; штриховые линии - d = 2,25 мм
В ходе исследований установлено, что использование прямоугольного сепаратора позволяет эффективно разделять водонефтяные эмульсии.
Заключение
Применение прямоугольного сепаратора позволяет достаточно эффективно производить процесс разделения водонефтяных эмульсий при достаточно высоких входных скоростях потока. Максимальная эффективность сепаратора достигается при входной скорости водонефтяной эмульсии равной 1,8 м/с при диаметре выходных отверстий 2,25 мм. Также установлено, что при необходимости уменьшения размера выходных отверстий на дне аппарата для поддержания высокоэффективного процесса разделения эмульсий требуется уменьшение входной скорости многофазного потока. Достоинствами прямоугольного сепаратора являются малая металлоемкость, высокая эффективность разделения водонефтяной эмульсии и возможность использования аппарата при относительно высоких скоростях потока.
Литература
1. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. М.: Мир, 2005. 288 с.
2. Дмитриев В.Г., Шабашев В.А. Экологическая безопасность резервуарных парков для нефти и нефтепродуктов // Транспорт и хранение нефтепродуктов. 2004. № 1. С. 13-15.
3. Шемякин Е.Л. Контроль качества нефтепродуктов (на примере ОАО «Роснефть») // Ученые заметки ТОГУ. 2015. Т. 6. № 4. С. 99-102.
4. Zolfaghari R., Fakhru'l-Razi A., Abdullah L.C., Elnashaie S.S.E.H., Pendashteh A. Demulsification techniques of water-in-oil and oil-in-water emulsions in petroleum industry // Separation and Purification Technology. 2016. V. 170. P. 377-407.
5. Han Y., He L., Luo X., Lü Y, Shi K., Chen J., Huang X. A review of the recent advances in design of corrugated plate packs applied for oil-water separation // Journal of Industrial and Engineering
Chemistry. 2017. V. 53. P. 37-50.
6. Салихянова С.А., Серазеева Е.В., Бариева Э.Р. Современные методы по фазовому разделению нефтяных шламов и водонефтяных эмульсий // Вестник магистратуры. 2016. № 12-4 (63). С. 80-81.
7. Келбалиев Г.И., Рзаев А.Г., Расулов С.Р., Сулейманов Г.З., Гусейнова Л.В. Процессы агрегирования и коагуляции частиц асфальтенов в нефти и нефтяной эмульсии // Теоретические основы химической технологии. 2015. Т. 49. № 3. С. 239-246.
8. Тронов В.П. Разрушение эмульсий при добыче нефти. М.: Недра, 1974. 272 с.
9. Сажин Б.С., Тюрин М.П., Кочетов Л.М., Сафонов Р.А. Разделение устойчивых эмульсий в струйных аппаратах // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43. № 1. С. 14-21.
10. Дмитриев А.В., Зинуров В.Э., Дмитриева О.С., Нгуен В.Л. Улавливание частиц из дымовых газов прямоугольными сепараторами // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 15. С. 78-80.
11. Соловьева О.В., Дмитриев А.В., Дмитриева О.С., Суан Винь Д. Разделение нефтяных эмульсий в прямоугольных сепараторах // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 21. С. 45-47.
Авторы публикации
Дмитриев Андрей Владимирович - докт. техн. наук, заведующий кафедрой «Теоретические основы теплотехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Email: ieremiada@gmail.com.
Зинуров Вадим Эдуардович - магистрант кафедры «Теоретические основы теплотехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ) .
Дмитриева Оксана Сергеевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Оборудования пищевых производств» (ОПП) Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).
Данг Суан Винь - аспирант кафедры «Теоретические основы теплотехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1. Danilov A.M. Primenenie prisadok v toplivakh [The use of additives in fuels]. Moscow, Mir, 2005.
288 p.
2. Dmitriev V.G., Shabashev V.A. Ekologicheskaya bezopasnost' rezervuarnykh parkov dlya nefti i nefteproduktov [Environmental safety of tank farms for oil and oil products] // Transport i khranenie nefteproduktov. 2004. № 1. pp. 13-15.
3. Shemyakin E.L. Kontrol' kachestva nefteproduktov (na primere OAO «Rosneft'») [Quality control of petroleum products (on the example of JSC «Rosneft»)] // Uchenye zametki TOGU. 2015. vol. 6. № 4. pp. 99-102.
4. Zolfaghari R., Fakhru'l-Razi A., Abdullah L.C., Elnashaie S.S.E.H., Pendashteh A. Demulsification techniques of water-in-oil and oil-in-water emulsions in petroleum industry // Separation and Purification Technology. 2016. V. 170. P. 377-407.
5. Han Y., He L., Luo X., Lu Y, Shi K., Chen J., Huang X. A review of the recent advances in design of corrugated plate packs applied for oil-water separation // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2017. V. 53. P. 37-50.
6. Salikhyanova S.A., Serazeeva E.V., Barieva E.R. Sovremennye metody po fazovomu razdeleniyu neftyanykh shlamov i vodoneftyanykh emul'siy [Modern methods for phase separation of oil sludge and water-oil emulsions] // Vestnik magistratury. 2016. № 12-4 (63). pp. 80-81.
7. Kelbaliev G.I., Rzaev A.G., Rasulov S.R., Suleymanov G.Z., Guseynova L.V. Protsessy agregirovaniya i koagulyatsii chastits asfal'tenov v nefti i neftyanoy emul'sii [Processes of the aggregation and coagulation of asphaltene particles in petroleum and oil emulsion] // Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2015. vol. 49. № 3. pp. 239-246.
8. Tronov V.P. Razrushenie emul'siy pri dobyche nefti [Destruction of emulsions in oil production]. Moscow, Nedra, 1974. 272 p.
9. Sazhin B.S., Tyurin M.P., Kochetov L.M., Safonov R.A. Razdelenie ustoychivykh emul'siy v struynykh apparatakh [Separation of true emulsions in jet devices] // Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii. 2009. vol. 43. № 1. pp. 14-21.
10. Dmitriev A.V., Zinurov V.E., Dmitrieva O.S., Nguen V.L. Ulavlivanie chastits iz dymovykh gazov pryamougol'nymi separatorami [Capture of particles from flue gases of rectangular separators] // Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. 2017. vol. 20. № 15. pp. 78-80.
11. Solov'eva O.V., Dmitriev A.V., Dmitrieva O.S., Suan Vin' D. Razdelenie neftyanykh emul'siy v pryamougol'nykh separatorakh [Separation of oil emulsions in rectangular separators] // Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. 2017. vol. 20. № 21. pp. 45-47.
Authors of the publication
Andrey V. Dmitriev - doc. sci. (techn.), head of the Department «Theoretical Foundations of Thermal Engineering», Kazan State Power Engineering University. Email: ieremiada@gmail.com.
Vadim E. Zinurov - graduate student, Department «Theoretical Foundations of Thermal Engineering», Kazan State Power Engineering University.
Oksana S. Dmitrieva - cand. sci. (techn.), associate professor, Department «Equipment for food industry», Kazan National Research Technological University.
Xuan Vinh Dang - postgraduate student, Department «Theoretical Foundations of Thermal Engineering», Kazan State Power Engineering University.
Поступила в редакцию 12 марта 2018 г.
