CC BY
11
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 622. 276. 8
Мутрисков А.Я., Кузнецова М.А., Мутрискова М.А.
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСНОВ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ РЕСУРСО - И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ НЕФТЕГАЗОСБОРА
В статье обобщены результаты научно-исследовательских работ и экспериментальных фактов, полученных различными исследователями при изучении параметров состава пены и при разделении многофазных сред применительно к процессам подготовки нефти.
Ключевые слова: процессы разделения многофазных сред, пены, энергосбережение в системе нефтегазосбора.
Повышение энергетической эффективности российской экономики является одной из важнейших задач формирования национальной стратегии в области энергетики, которое предусматривает проведение активной энергосберегающей политики при производстве и потреблении топлива энергии. Практическая реализация поставленной задачи потребовала определения способов и путей интенсификации процессов разделения многофазных сред применительно к системе нефтегазосбора и создания на их основе аппаратов нового поколения [1].
Совершенствование технологических процессов и оборудования подготовки нефти осуществлялось на основе однотрубной герметизированной системы совместного сбора и транспорта нефти, газа и воды, что вызвало необходимость усовершенствования технологии подготовки нефти и разработку для ее реализации принципиально новых технологических аппаратов. В качестве одного из методов повышения нефтеотдачи рекомендовано физико-химическое воздействие на пласты с помощью многокомпонентных смесей на базе поверхностно-активных веществ [2]. Это привело к появлению нефтяной пенной эмульсии качественно новых «коллективных» эффектов, несвойственных другим газожидкостным системам. Основной проблемой при этом стало разрушение эмульсии с необычными реологическими свойствами.
В литературе приводятся результаты научных и экспериментальных исследований, полученные при изучении образования пенных систем и разделения многофазных нефтяных эмульсий. Пенам посвящены монографии [3; 4], где рассмотрены способы их получения и результаты теоретического обобщения на основе современных представлений о капиллярной гидродинамике пен. Исследователи отмечают группу вопросов, связанных со структурной неустойчивостью пен. Выявлено, что на формирование структуры многофазной пенной системы оказывают влияние структурная неустойчивость пен, поверхностная вязкость и гидропровод-ность пены. Структурная неустойчивость пен определяется физико-химическими свойствами поверхностных (адсорбционных) слоев в пенах. «Постоянное разрушение пены», по существу, является характеристикой не пены, а раствора, из которого она получена. Поэтому следует искать пути и способы определения этой характеристики другим путем, не прибегая к получению пены. Отсутствует теоретический анализ степени подвижности поверхностных слоев изолированных пленок в зависимости от геометрических размеров и гидродинамических условий течения - скорости, градиента скорости, объемной вязкости.
Описание свойств поверхностного слоя возможно на основе теории абсолютных скоростей реакции Эйринга [5]. Согласно этой теории элементарный акт перемещения в жидкости, трактуемой как квазикристаллическое тело, происходит путем перехода через энергетический барьер молекулярно-кинетической единицы, обладающей достаточной для этого энергией. Эти переходы осуществляются постоянно во всех направлениях равной вероятностью. Связь частоты перехода £ с энергией активации Е£ при этом описывается соотношением
где Я - универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура.
Величина Ее, согласно работе [6], должна быть того же порядка, что и теплота испарения Е¿. Для многих низкомолекулярных соединений
(1)
(2)
Анализ результатов экспериментальных исследований интенсификации процесса разделения водонефтяных эмульсий показывает, что га-
зонасыщение эмульсии происходит до некоторого предела, поэтому накопление свободного газа в обводненной нефти может идти только до определенной величины газонасыщенности водонефтяной эмульсии, а затем происходит спонтанное разгазирование [7].
Оценить полудисперсность пены количественно трудно. Пенные пузырьки со временем теряют свой объем, при этом изменяется и их распределение по размерам. Обнаружено наличие критического значения межфазной поверхности, выше которого снижается интенсивность мас-сопередачи. При этом в массопередаче участвует лишь активная часть межфазной поверхности, величина которой зависит от кратности пены.
В пенной эмульсии (воздух-нефть-вода) скорость коалесценции капель нефти в воде растет с увеличением скорости газа до достижения каплями критического размера, после чего начинается их разрушение. При наличии ПАВ в трехфазной пене процесс коалесценции ускоряется и увеличивается величина критического размера капель [8]. Влияние физико-химических явлений в межфазных слоях на слияние капель учитывается коэффициентом коалесценции (Хк)
Ккт = 1п^, (3)
где /?- доля капель данного размера к моменту т.
В пенной эмульсии, содержащей воду, разгазирование нефтей затруднено, так как вода замедляет массообмен и диффузию легких компонентов нефти, отрицательно влияет на рост пузырьков [9].
При малой обводненности газонасыщенных нефтей ускорение разделения водонефтяной эмульсии достигается инжектированием нефтяного пара, который конденсируясь в газовом потоке с каплями жидкости способствует коагуляции водяных капель и их осаждению. Инжекцию в этом случае можно рассматривать как частный, сильно усложненный случай относительного движения дисперсных частиц (капли жидкости) и сплошной среды (инжектируемый газ). Инжекция при этом рассматривается как процесс течения газа через пористый слой (совокупность капель) со скоростью, равной скорости относительного движения газа и жидкости.
Современные тенденции в постановке проблем энергосбережения требуют более четких определений и подходов в формировании представлений об эффективности энерготехнологических процессов. Проектирование нового оборудования связано с разработкой математических
моделей для описания процессов и инженерных методов расчета этого оборудования. Нормативными документами предложено проведение сквозных суммарных расчетов энергоемкости технологического продукта по методике расчета технологических топливных чисел (ТТЧ) [10; 11]. Наиболее обобщенным показателем энергетического состояния технологического процесса считают глобальный энергетический КПД (т|гэ), вытекающий из диссипационной методики энергетического анализа [12; 13],
V™ = (4)
/гэ ттчп' v '
где Д- суммарная полезная удельная теплота, необходимая для получения конечного продукта в цепочке из n технологических операций, кг у.т/ед. продукции; ТТЧИ - технологическое топливное число цепи из n операций.
Технологический процесс при этом разбивается на последовательные операции при i = п. Внутри каждой операции выделяются р параллельных звеньев £. Диссипативное выражение для ТТЧ цепи из n операций представляется в виде
ТТЧ „ = ^ + (5)
41 Vie
где Aqi~ удельный полезный расход энергии для операции i; rfo- ее топливно-энергетический КПД; Лqi£- удельный полезный расход энергии для звена £ операций i; Т][£- топливно-энергетический КПД для звена £ операций i; ф£е- обобщенный расходный коэффициент для операции i = 2 -н п (равен произведению элементарных расходных коэффициентов звеньев £ операций), при этом = ф2£ ... ф^ ... фП£ , где ф¿£- элементарный расходный коэффициент звена £ операций i.
В случае энерготехнологических агрегатов при совместном протекании процессов теплообмена и физико-химических (массообменных) процессов в формулах для глобального энергетического КПД должен использоваться обобщенный тепломассообменный КПД [14]
_ Адхим+А<?п
(6)
где Aijfxj^j- полезные затраты энергии на физико-химические процессы; Аqn- полезные удельные затраты теплоты; Ь2 - суммарный удельный энергетический поток.
В оценке тепловых и массообменных КПД следует отмечать два основных компонента: внешний и внутренний. Внешний компонент связан с регенеративно-утилизационными возможностями и схемами тепловых процессов, а также потерями во внешнюю среду. Внутренний компонент определяется процессами и термодинамическими закономерностями.
В теорию энергетического анализа и обобщенных эффективностей вводится представление об обобщенном модуле таких процессов, включающих блоки теплообменных, массообменных и вспомогательных процессов. Особенностью данного анализа является представление тепловых КПД через соответствующие безразмерные коэффициенты, включая степени регенерации, коэффициенты потерь и т.д.
Источники
1. Гайнутдинов Р.С. Создание и промышленное внедрение высокоэффективных аппаратов для нагрева и разделения многофазных сред применительно к процессам подготовки нефти: дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук в форме научного доклада. Казань: 1986. 27 с.
2. Мухаметзянов У.К. Разработка и моделирование центробежного инжекционного смесителя для получения микроэмульсии в установках большой единичной мощности: автореферат дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Казань: 1986. 16 с.
3. Канн К.Б. Капиллярная гидродинамика пен / Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1989. 167 с.
4. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М.: Химия, 1975. 264 с.
5. Глесстон С., Лейдлер С.К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакции. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1948. 583 с.
6. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. 440 с.
7. Мутрисков А.Я. Эксперементальное исследование массообмена и распределения фаз в газонасыщенных эмульсиях углеводородов. // Изв. вузов. Нефть и газ. 1986. № 11. С. 48-50.
8. Мутрискова М.А. Маминов О.В., Золотоносов Я.Д. Экспериментальное изучение гидродинамики трехфазной пены. // Изв. вузов. Химия и хим.технология. 1992. Т. 35. № 2.
9. Мутрисков А.Я., Низамутдинов М.Г., Губайдуллин М.М. К расчету струйных массообменных аппаратов: межвуз. сб. «Массообменные процессы и аппараты химической технологии». Казань: 1980. С. 19-20.
10. ГОСТ №51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основы положения.
11. ГОСТ №51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Общие положения.
12. Лисиенко В.Г. Основные факторы энергоемкости // Изв. вузов. Энергетика. 1990. № 3. С. 3-16
13. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Розен С.Е. и др. Энергетический анализ. Методика и базовое информационное обеспечение. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2001. 100 с.
14. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Розен С.Е. и др. Методология и информационное обеспечение сквозного энергетического анализа. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 98 с.
Зарегистрирована 25.11.2011 г.
