УДК 541.182.
Исследование механизмов коалесценции капель дисперсной фазы и расслоение нефтяных эмульсий
Аб. Г. Рзаев (докт. техн. наук, профессор),
(докторант)
(Институт систем управления НАНА)
(докт. техн. наук, профессор)
(Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности)
В статье рассматривается интенсификация процессов подготовки нефти с помощью разработки математических моделей явлений разрушения и коалесценции эмульгированнных водяных капель. Предлагается новая модель для определения частоты столкновений частиц и остаточного содержания водяной фазы.
Процесс коалесценции капель дисперсной фазы (эмульгированные водяные капли) является определяющим фактором при подготовке нефти. При расчетах скорости разделения нефтяной эмульсии, коалесценции и динамического осаждения частиц возникает необходимость определить частоту столкновений дисперсных частиц, т. к. процесс коалесценции происходить в результате эффективного столкновения частиц. Были проведены исследования в данном направлении. В частности, в работах [1, 2] приведен ряд формул, позволяющих определить частоту столкновений капель в потоке. Несмотря на наличие многочисленных моделей, по-прежнему возникают трудности в решении практических задач в интенсификации процессов подготовки нефти и под этим требуется разработки адекватных моделей процессов разрушения и коалесценции эмульгированных водяных капель (ЭВК), учитывающих физические параметры нефтяной эмульсии (НЭ). В данной статье предлагается новая модель для определения частоты столкновений и остаточного содержания водяной фазы.
Известно, что укрупнение капель дисперсной фазы в турбулентном потоке происходить с двумя механизмами коалесценции: градиентным механизмом коалесценции (если размер капель превышает микромасштаб пульсаций скорости) и пульсационном механизмом коалесценции (если микромасштаб пульсаций скорости превышает размер капель) [3]. В пульсационном механизме процесс коалесценции аналогичен коагуляции, происходящей под воздействием броуновского движения [4]. Чем меньше размеры дисперсных капель, тем больше интенсивность броуновского движения. В результате, некоторые частицы достаточно приближаются друг к другу. В достаточно малых расстояниях частиц они интенсивно притягиваются друг к другу в результате силы Ван-дер-Валса [5]. Если расстояние между частицами меньше суммы их радиусов, то частицы сталкиваются в потоке. Однако, не все столкновения приводят к коалесценции, поэтому в работе [3] для адекватного описания процесса коалесценции ЭВК учитывается коэффициент эффективности столкновений диспергированных капель, характеризующий число результативных столкновений, заканчивающихся слиянием капель. Заменив коэффициент молекулярной диффузии с коэффициентом турбулентной диффузии в выражении, полученной Смохуловского (для определения частоты столкновения частиц) под воздействием броуновского движения получена формула для выяснения частоты слияния дисперсных частиц в единицу времени [3]
где 
и 
– соответственно радиус и число капель в единичном объеме;
− коэффициент эффективности столкновений капель;
− коэффициент турбулентной диффузии.
Число капель в единичном объеме может быть выражено через количество воды 
где − общее количество воды.
Тогда, уравнение (1) принимает следующий вид
Среднее количество частоты столкновений определим путем распределения частиц по размерам 
Распределение водяных частиц в нефтяной эмульсии является предметом отдельного исследования. Существуют разные модели для описания распределения частиц по размерам. В промышленных условиях, с использованием специально конструированного устройства, определено изменение количество отстойной воды по времени [6]. Полученные экспериментальные данные представлены на рис.1. и с достаточной точностью аппроксимируется экспоненциально, т. е.
где 
, − соответственно текущая и начальная значения содержания воды;
− время отстаивания;
– констант времени.
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Экспериментальные точки седиментации и аппроксимирующие кривые.
1-T=38; 2-T=27; 3-T=14
Из седиментометрического анализа известно что, функция распределения ЭВК по размерам может быть определена по следующее формуле [7].
Поставляя (4) в (5), получим
Вместо уравнения Стокса для определения скорости осаждения частиц используя ее модифицированной формы, полученной в [6]
распределение частиц по размерам, определено следующим образом (Рис.2):
где 
– расстояние между каплями, которое выражается как
− стесненный отстой;
− скорость осаждения капель по Стоксу;
;
− объемная доля дисперсной фазы;
;
− вязкости водяной фазы и нефтяной среды;
, 
− плотности водяной фазы и нефтяной среды;
− высота уровня дисперсной системы;
− констант времени;
– сила тяжести падения.
|
|
|
|
|
Рис. 2. Функция распределения капель по размером.
1- 
; 2- 
; 3- 
.
Выражение (8) учитывает вязкости, плотности и других гидродинамических параметров и физических характеристики НЭ.
С учетом (8) формула (3) преобразуется в следующий вид:
Решая интегральное уравнение (9) получим
Как видно, в отличие от существующих формул, полученная формула учитывает влияние физических параметров НЭ. Для использования этой формулы необходимо определит констант времени .
можно найти следующим путем. По формуле (8) определим осредненное значение , т. е.
С другой стороны, известно, что средневзвешенный радиус капель в турбулентном потоке определяется формулой Колмогорова следующим образом [9]
Выравнивая этих формул, получим:
где 
− радиус трубы;
− скорость потока НЭ;
– коэффициент, характеризующий степень разрушения бронирующих оболочек;
− коэффициент поверхностного натяжения.
На практике необходим расчет содержания остаточной воды в обезвоживании, что требует определения зависимости количества остаточной воды от функции распределения капель по размерам.
Рассмотрим следующую схему термохимического обезвоживания (Рис.3.а). Сырая нефть, добываемая из нефтяных скважин (1), собирается в коллекторе (2), где асфальтены, парафины и механические примеси, содержащиеся в нефти, создают прочную бронированную оболочку вокруг частиц воды, в результате они при столкновении не сливаются. Для разрушения бронирующих оболочек деэмульгаторы насосом (5) закачиваются из резервуара (6). Нефть с деэмульгатором смешивается в резервуаре (4), насосам (7) подается в теплообменник (8), где подогревается до 40-60°С. При необходимости нефтяная эмульсия нагревается до температуры 70-100°С и выше в паровом подогрева
а) |
б) |
Рис.3. а) Схема термохимической подготовки нефти. б) поперечное сечение в ГЦО. 1 – скважины; 2 – коллектор; 3 – труба; 4 – резервуар (смеситель); 5, 7 – центробежные насосы; 6 – резервуар деэмульгатора; 8 – теплообменник; 9 – холодильник; 10 – паровой подогреватель; 11 – горизонтально – цилиндрический отстойник (ГЦО); 12 – товарный резервуар. |
Обработанная деэмульгатором и подогретая эмульсия поступает в отстойник (11), где вода отделяется от нефти. Обезвоженная и нагретая нефть из отстойника (11) охлаждается в теплообменнике (8) и холодильнике (9) и направляется в товарный резервуар (12).
Рассмотрим процессы, происходящие внутри горизонтального цилиндрического отстойника (ГЦО). Сырая нефть с водой, поступает в ГЦО и при скорости потока направляется наверх. С другой стороны, на частицы воздействует сила тяжести, направленная вниз. В результате, траектория движения частиц будет зависеть от разницы между этих скоростей. Если скорость осаждения частиц больше, чем скорость потока, частица постепенно оседает на дно отстойника (рис.4.а), если меньше, то частица двигается вверх (рис.4.б). Частицы, которые имеют равные скорости осаждения и потока, весят внутри отстойника (рис.4.с). Именно эти частицы преобразуют промежуточный эмульсионный слой (ПЕС) (рис.3а).
Рис.4. Траектория водной частицы в отстойнике, а) скорость осаждения частиц больше, чем скорости потока; б) скорость осаждения частиц меньше, чем скорости потока; с) скорость осаждения частиц равна скорости потока
В ГЦО выделим поперечное сечение на высоте 
и размер капли воды, находящиеся в нем, обозначим через (рис.3.б). Капли, которые имеют больше радиуса, расположены ниже этого сечения, а капли с меньшим радиусом находятся выше. Дадим количественную оценку остаточной воды, соответствующую указанному сечению.
Остаточная концентрация капель воды 
в части поперечного сечения, которая соответствует времени отстаивания , записывается следующим образом [10].
где 
– концентрационная зависимость;
– размер капли, определяемый из условия 
.
Так, как
Подставим выражение функции распределения (6) в интеграле (14) выполним некоторые преобразовании с использованием (15). В результате для остаточного содержания воды получаем следующие выражение
Заключение
Получена формула (10) для определения частоты столкновений дисперсной фазы, учитывающая физические параметры нефтяной эмульсии.
Рассматривая расслоение нефтяной эмульсии в ГЦО предлагается расчет остаточного содержания капель воды на любой высоте с помощью выражения (16).
ЛИТЕРАТУРА
1. Дунюшкин и подготовка скважинной продукции нефтяных месторождений.– М.: ФГУП “Нефть и Газ”, 2006, 320 с.
2. Рзаев Аб. Г. , , Бабаев частоты столкновения частиц в полидисперсных системах // АГУНП, Научные работы Научно-Исследовательский Института Геотехнологических Проблем Нефти Газа и Химии – 2015, с. 433-438
3. Розенцвайг структуры процессов переноса в сложных дисперсных системах. дис. докт. техн. наук. – Казань, 2004.
4. , Розенцвайг дисперсной фазы жидкостных эмульсий при движении в турбулентном режиме // ЖПХ. 1976. - Т. 49, Вып. 1. - с. 231-232
5. Левич коагуляции коллоидов в турбулентном потоке жидкости. – ДАН СССР, 1954, Т99, №5, – 700 с.
6. Рзаев основы расчета, проектирования и управления процессами разделения нефтяной эмульсии в нефтеподготовке и нефтепереработке: дис. докт. техн. наук. – Баку: ИТПХТ, 1994, c.75-77
7. Фигуровский анализ. – Москва-Ленинград.: Издателство Академии Наук СССР, 1948. – 340c.
8. , , Юсифов моделирование нанотехнологических процессов в подготовке нефти // Нефтепереработка и нефтехимия – 2010, №4, с.26-29
9. , , Багданович капель жидкости в газовых потоках. Изд. ВУЗ-ов, Нефть и газ, 1976, №4, с. 65-70
10. Розенцвайг концентрации и распределения по размерам капель дисперсной фазы жидкостных эмульсий на пропускную способность горизонтальных отстойников // ЖПХ.- 1981. – Т.54, вып.2. – с.313-317
