CC BY
56
УДК 66.066
О. В. Соловьева, А. В. Дмитриев, О. С. Дмитриева, Данг Суан Винь
РАЗДЕЛЕНИЕ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ СЕПАРАТОРАХ
Ключевые слова: сепаратор, эмульсия, разделение, двутавр, концентрация.
Образование эмульсии при добыче нефти является проблемой, вследствие неэффективного разделения В статье рассмотрена конструкция прямоугольного сепаратора для разделения водонефтяных эмульсий. Описан принцип работы устройства, отмечены его достоинства. Представлено распределение концентрации нефти в периодическом элементе сепарационного устройства при разной начальной скорости эмульсии. Исследования проведены в программном комплексе. Даны рекомендации по проектированию конструкции сепарационного устройства.
Keywords: separator, emulsion, separation, I-beam, concentration.
The formation of emulsion during oil production is a problem, the subsequent ineffective separation The article considers the design of a rectangular separator for the separation of water-oil emulsions. The principle of work is described, its advantages are noted. It is represented by the distribution of oil in the periodic element of the separation device at a different initial velocity of the emulsion. The research was carried out in the program complex. Recommendations for the design of the separation device are given.
Развитие нефтеперерабатывающей и
нефтехимической промышленности напрямую связано с совершенствованием технологии подготовки и переработки нефти, разработкой и оптимизацией существующих процессов, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей и качества нефтепродуктов. Одним из важных технологических процессов в нефтедобыче является промысловая подготовка нефти, в которой основную задачу составляет обезвоживание водонефтяной эмульсии [1]. Это объясняется тем, что образование эмульсий является нежелательным процессом, так как может приводить к разным проблемам, таким как низкое качество нефти, коррозия оборудования, загрязнение поверхностей оборудования и др.
Водонефтяные эмульсии - это неустойчивые системы, склонные к образованию минимальной поверхности раздела фаз. При этом они должны обладать хорошей способностью к расслоению. Однако в реальных условиях во многих случаях образуются эмульсии, обладающие высокой агрегативной устойчивостью, что в большей степени определяет выбор методов их дальнейшей переработки, а также глубину разделения фаз [2]. Учитывая эти факторы происходит поиск методов переработки водонефтяных эмульсий и аппаратуры для разделения нефти от воды [3-5].
Решение данной задачи авторы статьи видят в использовании устройства [6], содержащего множество сепараторов, которые представляют собой двутавровые балки, имеющие вогнутость с двух сторон. Причем сепараторы в каждом последующем ряду расположены между двутаврами в каждом предыдущем ряду (рис. 1).
Достоинством устройства является высокие значения центробежных сил при относительно небольших скоростях движения жидкости, и, как следствие, повышение эффективности разделения эмульсии. Кроме того, предлагаемое устройство очень компактное, полностью разборное, а его форма может быть различной и, следовательно, вписываться в любое пространство.
I
i\
Рис. 1 - Схема прямоугольного сепаратора: вид с указанием полей центробежных сил, возникающих в устройстве
Принцип работы устройства заключается в том, что при движении эмульсий между элементами устройства возникает центробежная сила, которая обеспечивает образование зон вращательного (циркуляционного) движения. В таких зонах под действием центробежных сил образуется происходит расслоение эмульсии, нефтяное кольцо отделяется от основного потока эмульсии. Далее эмульсия поступает на следующую ступень. Отделившаяся нефть под действием силы тяжести, отводится из устройства через выполненные в нижней стенке отверстия. Наличие нескольких рядов балок повышает эффективность улавливания фракций эмульсии за счет более структурированного потока. Для обеспечения равнопроточности устройства, а значит и минимального гидравлического сопротивления, последующий ряд двутавровых балок должен быть расположен от предыдущего на расстоянии, равном 52-60% от длины двутавровой балки. Балки соединены между собой поперечными пластинами по высоте аппарата, которые фиксируются по высоте и крепятся к корпусу аппарата [7].
В предлагаемом устройстве создаются более высокие значения центробежных сил при
относительно невысоких скоростях движения эмульсий. Это объясняется тем, что при одинаковой ширине сепараторов средний радиус кривизны циркуляционных токов у двутавровых балок, обладающих вогнутостью с двух сторон, меньше в несколько раз, по сравнению с существующими устройствами, что ведет к значительному изменению структуры потока жидкости и увеличению центробежной силы. Это значит, что при прочих равных условиях работы эффективность осаждения фракций эмульсии у сепараторов, выполненных в виде двутавровых балок выше.
Рис. 2 — Распределение концентрации нефти в периодическом элементе сепарационного устройства для скорости эмульсии на входе v^ = 0,5 м/с
При изготовлении разработанного устройства необходимо произвести предварительную оценку его работы по распределению концентрации фракций эмульсии в периодическом элементе (рис. 2-4). Это в дальнейшем позволит подобрать необходимое место расположения отверстий для отвода нефти из аппарата. Расчет проводился в программном комплексе ANSYS Fluent. Рассматривалось многофазное течение эмульсии вода (H2O) -нефтепродукты (мазут) (C19H30) при заданных значениях плотности и коэффициента вязкости pH2O = 998,2 кг/м3, = 0,001003 кг/м-с, pC19H30 = 960 кг/м3, ^С19н30 = 0,048 кг/м-с. Для расчета использовалась многофазная эйлерова-эйлерова модель Volume of Fluid (VoF) с количеством фаз равным двум. Значение объемных долей воды и нефтепродуктов составляли H2O А п C19H30 по ^
vj = 0,7 и vj = 0,3 соответственно. Также в
расчете использовалась стандартная k - е модель турбулентности. Расчет нестационарный с шагом по времени равным 0,01. Количество шагов по пространству на временном шаге - 20.
Граничные условия задавались следующим образом - на двух входных участках «velocity inlet» (значение скорости на входе) средняя скорость, нормальная к границе v, на двух выходных участках «outflow» (свободный выход) значение векторов скорости в соседнем элементе совпадают со значением и направлением в предыдущей ячейке, на остальных границах задавались условия «wall» (стенка).
Рис. 3 — Распределение концентрации нефти в периодическом элементе сепарационного устройства для скорости эмульсии на входе = 1,8 м/с
Полученные распределения концентрации для нефтепродуктов (либо воды) демонстрируют образование циркуляционных зон, а также показывают эффективное разделение фаз для заданной скорости потока на входе и подобранных геометрических размеров периодического элемента сепарационного устройства (рис. 3). При больших скоростях потока на входе наблюдается практически равномерное перемешивание эмульсии (рис. 4), а при меньших - слабое разделение из-за н едостаточной инерционности потока (рис. 2).
Расчеты проводились для скоростей = 0,5 м/с, у2 = 1 м/с, у3 = 1,2 м/с, у4 = 1,8 м/с, = 3 м/с, у6 = 5 м/с. Выявлено, что значение скорости V = 1,5-1,8 м/с в данной выборке представляется оптимальным для более эффективной сепарации, поскольку при заданной скорости обеспечиваются практически симметричные, равномерные, устойчивые циркуляционные зоны со сто процентным содержанием чистого вещества (рис. 3).
При проектировании разработанного прямоугольного сепаратора необходимо задаваться оптимальной входной скоростью эмульсии, чтобы отверстия в нижней стенке устройства были сопоставимы с образовавшимися циркуляционными зонами. Таким образом не будет проскока в образованные отверстия воды.
Рис. 4 — Распределение концентрации нефти в периодическом элементе сепарационного устройства для скорости эмульсии на входе = 5 м/с
Таким образом, можно ожидать, что применение разработанных устройств в сепарационных аппаратах для разделения эмульсий имеет ряд преимуществ: простота изготовления и конструкции, малая металлоемкость, высокая эффективность разделения и производительность.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-3860081 мол_а_дк.
Литература
1. Н.Н. Успенская, Т.Н. Исмоилов, Е.А. Шулаева, Молодежный научный вестник, 6, 1-7 (2017).
2. М.П. Тюрин, Р.А. Сафонов, М.М. Мамонова, М.А. Апарушкина, О.В. Платонова, Технология текстильной промышленности, 3 (308), 120-123 (2008).
3. Ю.А. Савиных, С.И. Грачев, А.В. Савиных, Р.М. Галикеев, Х.Н. Музипов, Известия высших учебных заведений. Нефть и газ, 5, 74-78 (2010).
4. Г. Т. Закирьянова, Л. А. Ковалева, Н. М. Насыров, ВестникНГУ. Серия: Физика, 4, 4, 15-22 (2009).
5. С.И. Валеев, В.А. Булкин, Вестник технологического университета, 18, 20, 231-232 (2015).
6. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, И.Н. Мадышев, А.Н. Николаев, Пат. РФ № 171615. Устройство для тонкой пылегазоочистки. Опубл. 07.06.2017. Бюл. № 16.
7. А.В. Дмитриев, В.Э. Зинуров, О.С. Дмитриева, Ву Линь Нгуен, Вестник технологического университета, 20, 15, 78-80 (2017).
© О. В. Соловьева - доцент кафедры ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», rara_avis86@mail.ru, А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», ieremiada@gmail.com, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», ja_deva@mail.ru, Данг Суан Винь - аспирант кафедры ТОТ ФГБОУ ВО «КГЭУ», vulinhbk@gmail.com.
© O. V. Solovyeva - assistant professor of «Theoretical Bases of Heat Engineering», KSPEU, rara_avis86@mail.ru, A. V. Dmitriev -the head of TBH chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com, O. S. Dmitrieva - assistant professor of PAChT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, Dang Xuan Vinh - post-graduate student of TBH chair, KSPEU, vulinhbk@gmail.com.
