автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка инженерной методики расчета проточных смесителей нефти (нефтепродуктов) с водой

\

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ЗУРЗЕЛЬ АЛЕКСАНДР ФИЛИППОВИЧ

РАЗРАБОТКА ИККЕНЕРНОИ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОТОЧНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ НЕФТИ (НЕФТЕПРОДУКТОВ) С ВОДОЙ.

Специальность C5.I7.C3 - Процессы и аппараты химической технолога:.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

¿hfei

Работа выполнена в Московском институте химического машиностроения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.Л.СУРИС.

Научный консультант: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ф.М.ХУТОРЯНСКШ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.М.БАХТЮКОВ, кандидат технических наук С.Ш.ГЕРШУШ.

Зедушее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти.

Защита состоится и года в " /({ "час." мин.

на заседании специализированного совета К063.44.04. в Московском институте химического машиностроения по адресу: 107884,ГСП,Москва, 3-66,ул.Старая Басманная,21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института химического машиностроения.

Автореферат разослан " " 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Л.Г.ШТАНОВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность заботы.Одним из важных факторов, влияхгсх на технологию нефтепереработки, качество и выход нефтепродуктов, скорость коррозии теплообменного и нефтеперегонного оборудозакривляется организация смешения загрязненной примесями пластовой воды л солей нефти с промывной водой на Еходе электросбессолиэахтей установки (ЗЛОУ). Широко применяемые для этой цели в промышленности регулируемые клапаны малоэффективны. Получение удовлетворительны;'; показателей обессоливания и обезвоживания нефти при использован::;: регулируемых смесительных клапанов становится возможным либо за счет значительных энергетических затрат для обеспечения заданной производительности блока ЗЛОУ, существенно возрастающих при обработке тяжелых и вязких нефтей, либо за счет увеличения расхода промывкой пресной воды, сопровождающегося большими объемами загрязненных солями и углеводородами сточных вод. Поэтому весьма актуальной является задача создания эффективных смесителей нефти (нефтепродуктов) с промывной водой и разработки инженерной методики их расчета.

Цель работы. Целью работы является разработка научно обоснованной инженерной методики расчета проточных смесителей нефти (нефтепродуктов) с водой. Осуществление поставленной цели стало возможным благодаря детальному исследованию процесса получения эмульсий в протечных смесителях различных конструкций в широком диапазоне изменения режимных параметров.

Научная новизна.Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1.Предложена методика инженерного расчета проточных смесителей для получения эмульсий. На основании результатов экспериментальных исследований получены критериальные уравнения, позволяющие рассчитывать смесители с тангенциальным и аксиальным вводом воды в поток нефти (нефтепродуктов).

2.Разработана методика и создано программное обеспечение для обработки на ЗЕМ результатов седиментационного анализа полидисперсных систем, позволящая рассчитывать функции распределения их частиц по размерам.

3.Выполнено теоретическое исследование процесса смешения капель воды с нефтьи в проточных смесителях различных типов.

Практиче екая ценность.Получена научно обоснованная инженерная методика расчета проточных смесителей нефти с водой.На основании

результатов сопоставительных испытаний смесителя с тангенциальным вводом промывной воды и регулируемого клапана при оптимальных режимах доказана более высокая эффективность тангенциального смесителя з процессе обессоливания вефтей различных типов. Внедрение смесителя с тангенциальным вводом воды на блоке ЭЛОУ АТ-6 ПО "Киришинефтеоргсинтез" позволило за счет лучшего смешения и малого гидравлического" сопротивления потоку нефти сократить в 3 раза энергозатраты к уменьшить расход промывной воды и объем сточных вод на 40-50%.

Предложена и защищена авторским свидетельством конструкция тангенциального устройства для смешения нефти и нефтепродуктов с водой с коническим турбулизатором потока водонефтяной эмульсии на выходе из цилиндрической смесительной камеры.

Автор защищает:

1.Методику расчета смесителей с тангенциальным и аксиальным вводом воды, созданную на основе экспериментального исследования процесса образования эмульсий в проточных статически смесителях.

2.Результаты теоретического исследования распиливания воды в потоке нефти в смесителе с прямоточной форсункой и с тангенциальным вводом воды.

3.Методику обработки на ЭВМ результатов седиментационного анализа полидисперсных систем.

4.Результаты исследования влияния конструктивных особенностей смесителя с тангенциальным вводом еоды на коэффициент сопротивления смесителя и на соотношение потоков кидкости внутри и вне цилиндрической смесительной камеры.

5.Результаты исследования эффективности использования смесителя с тангенциальным вводом промывной воды в технологическом процессе обессоливания и обезвоживания нефти.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатных работы, получено положительное решение на заявку на изобретение.

Структура и объем работы .Диссертация состоит из взедения, сеж глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложения; содержит 155 страниц, в том числе 85 страниц основного машнописного текста,8 таблиц, 30 рисунков и 63 библиографические ссылки.

-3-

СОДЕРЖАШЕ РАБОТЫ.

Во введении показала актуальность работы, изложены ее краткое содержание и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основании литературных данных выполнен анализ статических смесителей, применяемых в настоящее время для получения эмульсий, з частности, при осессоливании и обезвожизакии нефти.

Установлено, что:

- критериями эффективности смесителей нефти (нефтепродуктов) с есдсй являются дисперсные характеристик:! получаемых в них эмульсия, однородность распределения дисперсной кидкости в потоке несугей среды, затрата энергии на смешение и эксплуатационные характеристики (надежность,износоустойчивость).

- в большинстве применяемых на ЭЛОУ смесителях качественное смешение нефти с промывной водой достигается за счет значительных энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления потоку нефти и болыих расходов пресной воды.

Выполнен анализ литературных данных, по исследований процесса диспергирования жидкостей в проточных струйных смесителях. Показано, что для создания инженерной методики расчета смесителей с тангенциальным вводом воды требуется проведете детального экспериментального исследования.

Из анализа литературных данных по теории переноса взвешенных частиц в проточных гидродинамических средах следует, что для сценки эффективности распыливания капель промывкой воды в потеке нефти отсутствуют научно обоснованные методы расчета.

На основании приведенного обзора сформулированы цель и задачи исследования в рамках предлагаемой работы.

Во второй главе обсуждаются результаты теоретического исследования распиливания воды в потоке нефти в смесителях различных конструкция, проведенного с целью оценки значимости влияния разных факторез -скорости истечения струи воды, турбулентности потека нефти, конструктивных особенностей смесительных устройств - на однородность смешения. Рассмотрено движение одиночной капли воды, оторвавшейся от струи и имеющей начальную скорость ?ок. При расчете движения капли ст прямоструйной форсунки не учитывалось влияние турбулентных пульсация истока , а скорость потока нефти принималась постоянной. На каплю действуют силы гидродинамического сопротивления, тянести и Архимеда:

= - Сд?лрн!у^ (ук- и) + 1.33та4 (рв-ря)| (1).

Ксэф$ициент сопротивления капли сд определяется гидродинамическими условиями ее перемещения и степенью несферичности ее форма. Предполагалось, что капля деформируется в процессе изменения относительной скорости (Ук-ш). При отрызе от струи капля мгновенно превращается в элипсоид вращения. По мере уменьшения относительной скорости степень деформации к, являющаяся функцией соотношения сил гидродинамического давления к поверхностного натякения, уменьшается до предельного случая шарообразной капли, когда Ук-ш = 0. Было получено уравнение, описывающее эту функциональную зависимость:

2с (тк-^)ггк _ б (к3 (ка-1%1п(кЧ(кд-1а-2Ща-1)°-=) С2) '

0 к(К2-1)1,а

Численное решение системы уравнений (1) и (2) по методу Рунге-Кутта-

Фельдберга показало, что капля за время т « ю"гс. тормозится в плотном потоке нефти. Следовательно, влияние начальной скорости капли на ее диффузию в плотной несущей среде пренебрежимо мало.

С целью изучения влияния конструктивных особенностей смесителей на распределение воды в потоке нефти был выполнен расчет ее диффузии за счет турбулентных пульсаций. Турбулентная диффузия воды в потоке нефти описывается уравнением:

ос(х,г)_ ас(х.г). Рк д,гдс(х,гК п)

от ~ ^ ах * г~от1 аг '

Для установившегося режима смешения ас/бх = 0 пта пзанкчкых условиях г= 0: = 0; г = Ктр: = 0 • * ' (4).

решение уравнения (3) в случае распиливания воды прямоструйной форсункой имеет вид:

К

В случае ке распиливания воды в тангенциальном смесителе (кольцевым источником радиуса Ио) решение уравнения представляется выражением:

си,г) =£г £1|К_[1о(Г .2К))ехр(-К(1+ (6).

Установлено, что основным фактором, определякщм интенсивность смешения кефти с промывной водой, является турбулентность потока.При коэффициенте турбулентной диффузии порядка 10"°- 10"4м2/с смесители с тангенциальным вводом воды обеспечивают более интенсивное перемешивание воды с нефтью по сечению трубопровода, чем прямоструйные форсунки (рис.1).При йт=«10"амг/с распределение концентрации воды в нефти по сечению трубопровода определяется только гидродинамическим режимом смешения и не зависит от конструкции узла

ввода вода.

Отмечается, что одним из способов интенсификации перемешивания нефти с водой является установка в трубопроводе обтекаемых турбулизаторов.

В тпетьей главе приводятся описания лабораторной и промышленной установок, на которых осуществлялось экспериментальное исследование процесса получения эмульсий зоды в органической фазе в протечных смесителях. Представлена методика проведения экспериментов и даны погрешности измеренных и расчетных величин.

Основным компонентом лабораторной установки язляетя смеситель, состоящий из узла ввода еоды и камеры смешения. Исследовались два типа смесителей - с тангенциальным (рис.2} и аксиальным (рис.Э) вводом дисперсной кидкости (воды) в поток нефтепродукта (трансформаторного масла).

При проведении исследований на лабораторной установке изменялись геометрические характеристик;: смесительных устройств обеих типов -соотноиение диаметров соплового отверстия и цилиндрической смесительной камеры 0.06 - 0.5, соотношение внутренних диаметроз цилиндрической смесительной камеры и транспортного трубопровода $ = 0.25 - 0.6, отношение длины цилиндрической камеры к ее диаметру g = 2.3 - Т.О. Скорость истечения струи воды из соплового отверстия варьировалась в пределах v = 1.3 - 19.6 м/с, скорость потока трансформаторного масла и - з интервале от 0.5 до 0.Т м/с в смесителе с тангенциальным взодсм и в пределах от 0.08 до 0.18 м/с в смесителе с аксиальны;.! вводом воды. За счет нагрева в интервале температур t = 10 - 50 °С варьировались кинематическая вязкость (v = (6.8 -01.3) • • 10""мг/с)и плотность (р = 838 - 863кг/мэ) масла. Поверхностное натяжение на границе раздела вода - органическая фаза изменялось з диапазоне о = 0.015 - 0.04 н/м посредством дозирования в трансформаторное масло поверхностно-активного вещества.

Полученные эмульсии воды з трансформаторном масле и зоды з нефти подвергались дисперсионному анализу на седиментационных весах л автоматическом седпментографе. Представлена методика отбора проб водонефтяной эмульсии на промышленной установке, позволяющая избежать влияния разности давления з нефтепроводе и атмосферного давления на дисперсный состав капель воды в эмульсии.

Для расчета дифференциальных функций распределения капель воды в эмульсии по размерам на основании полученных кривых накопления осадка

-о-

дисперсной жидкости (рис.4,а) были разработаны специальная методика и программное обеспечение для ЭВМ. Математическим обоснованием расчета дифференциальной кривой распределения (рис.4,б) является уравнение:

-U) д^ 0ГТ (7).

Проблема заключалась в выборе непрерывной и дважды дифференцируемой на участке [о,т] функции, наиболее точно описывавшей кривую накопления осадка дисперсной жидкости Р(т). Известные аналитические методы определения содержания отдельных фракщй капель по седиментационкым кривым основаны на заранее выведенных эмпирических формулах зависимости F(r), отвечающих результатам расчета конкретных распределений. Поскольку распределения по размерам капель воды з эмульсии могут не созпадать с эмпирическими формулами, предложено аппроксимировать кривую накопления кубическими сплайнами:

Р-(тО = g5i[lft.(T-i-T)3+ nw(T-Xi-i)3]+ (Tv»i-T) +

+ rn'^*T'Z)(i-T:03; h = ъ«- <u. (8),

обеспечивающими непрерывность первой и второй производной в узлах кривой Р(Т).

Алгоритм расчета дифференциального распределения капель дисперсной жидкости по размерам построен из следующих этапов: '.Ввод исходных данных с кривой накопления Р(т) и экстраполяция зремени выпадения наименьшей капли.

2.Вычисление коэффициентов нормального кубического сплайна

9 b fTt) ^ гр^шщщх условиях д ) | = 9 F } | =0.

дх» * dii" Ti=o STI T"TK

3.Вычисление значений функции F(r) по выведенной на основании уравнения (7) формуле:

Fir) = 2r' " ABTt"--m^ (9),

Атл + 2АВ1Мл

где iv = 0.5АВт.~г+ (0.5АВтГг+ Атл"1)0'5- радиус капли,

А = 4.5 щН/ (Ов—рн)gi Б = (ЗНрн/в^н).

Размер капли определялся на основании закона Стокса с учетом инерционности ее движения.

3 четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования процесса получения эмульсий в проточных смесителях. Исследование проводилось с целью определения основных факторов и степени га. влияния на дисперсные характеристики эмульсий (средний диаметр капель,удельная межфазная поверхность).Установлено, что

Рис.I.Радиальные распределения воды в нефти.

1-тангенциальный bboä,Ro/Rtp=0.5.

2-аксиальный i ввод. IM/D.

п Al hl. Julüä- 07 м

yk А

r\aZ

z:

///

/

/ /

4 «

in ^ > fXJA-L.

i J /

r-

г

I - нефть (масло), I - вода, I - эмульсия.

Рис.2.Смеситель с тангенциальным вводом воды. 1-транспортный трубопровод, 2- цилиндрическая смесительная камера, 3- коллектор для ввода воды.

7 V

н»

Рис.3.Аксиальный ввод.

1 - аксиальная трубка

2 - трубопровод

3 - сопло

Рис.4.Седиментационная(а) и дифференциальная(б) кривые.

с, с

1 т ¿h

%МКМ.

факторами, определяющими дисперсность эмульсий, полученных в смесителях с тангенциальным вводом воды, являются:

1.Соотношение сил гидродинамического давления и поверхностного натяжения в тангенциально закрученной струе воды, характеризуемое модифицированным критерием Beöepa We™ = ( (угОгрв/го).В экспериментальных исследованиях величина Wem варьировалась в широком интервале от 47.8 ДО 2.1 .10=.

2.Гидродинамические режимы течения струи воды и потока трансформаторного масла (н ефти) Reí и Re* (Reí = 2-103- 1.2■10s,Re2= 4.2-lCf- 2.0'105).

3.Соотношение внутренних диаметров цилиндрической смесительной камеры и транспортного трубопровода d/D = 0.25 - 0.50.

4.Отношение длины цилиндрической смесительной камеры к ее внутреннему диаметру l/d = 1.75 - 7.0.

Влияние отдельных параметров на дисперсность эмульсий иллюстрируется на рис.5.

Как показали результаты экспериментального исследования, увеличение скорости тангенциального ввода воды в поток масла в 15 раз (с .1,3 до 19.6 м/с.), определившее изменение параметров We™ от 47,8 до 2.1>l(f и Reí от 2«10э до Í.O'IO4, сопровождалось изменением среднего диаметра капель воды в эмульсии в 2.5 раза. Еще большее влияние на величину cU оказывает гидродинамический режим течения масла. При изменении Rsz от 4.21 -lO2 до 1.2>10э средний размер капель уменьшился в 2 раза.С увеличением отношения d/D в 2 раза средний диаметр капель уменьшился в 2,5 раза при постоянных реж:шных параметрах. Установлена слабая зависимость дисперсности эмульсий от отношения l/d .

В результате обобщения экспериментальных данных в области изменения параметров We™ = 47.8 - 2.1'lCf, Reí = (2.0 - 10.0) .10% Reí = 4.21 «ÎO2 - 1.2.10% d/D = 0.25 - 0.5, l/d = 1.75 - 7.0 получено критериальное уравнение:

ü»/d = 13.3Wem-°- 1Rei"°' ^ег"0' 5(l/d)°'1 (d/D)-0"8 (10) с коэффициентом корреляции 0.93.'

При исследовании процесса получения водонефтяных эмульсий в смесителе с тангенциальным вводом воды на промышленной электрообессоливающей установке параметры смешения варьировались в пределах: We™ = 9.0-Ю4 - 2.1.10®,Reí = 9.9.10* - 1.2-Ю3,Re* = (1.2 - 2.0)-lCf. Регрессионное уравнение, полученное для этих условий имеет вид:

йп/Л = 4.3'i09We™"<,-3Rel"1'5Re2-o-75(l/d)0-'l(d/D)"1-2 (11).

Установлено, что с увеличением на один порядок величины Кег увеличилась степень злияеия параметров режима истечения струи воды We™ и Reí.

В ходе исследования аксиального диспергирозакня вод; в спутном потоке трансформаторного масла установлено, что основными факторами, определяющий дисперсность образуем: эмульсий, являются: 1 .Соотноаение сил инерции, вязкостного трения среды и поверхностного натяжения на границе раздела фаз ((v - ы)цн/а).

2.Гидродинамический режим истечения струи воды из сопла Reí.

3.Соотношение внутренних диаметров соплового отверстия прямоструйной фогоунки и транспортного трубопровода do/D.

Установлено, что с увеличением .скорости аксиального истечения воды v с 2.5 до 20.0.м/с средний диаметр капель воды в эмульсии при • а = const уменьшился в 3 раза, а с уменьшением при ? = const межфазного поверхностного натяжения с 0.040 до 0.015 н/м величина уменьшилась з 2.5 раза (рис.6).

В результате обобщения экспериментальных результатов получено уравнение :

cbn/d ~ 12«5((т — U) )|^к/о * ^^ (do/D ** ч (12),

которое справедливо в следующем диапазоне изменения параметров аксиального диспергирования воды: ((у-аОцк/о) = 0.9 - 20.8,Rci=(2,5-- ÍO.OMO3, do/D = 0.0125 - 0.025 (коэффициент корреляции 0.94).

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований гидравлических характеристик смесителя с тангенциальным еводом воды. Исследования проводились с цель» определения степени влияния конструктивных особенностей смесительных устройств на коэффициент сопротивления смесителя и на соотношение потоков, устремляющихся- в цилиндрическую смесительную камеру и обтекающих ее. Полученные на основании экспериментальных данных зависимости поззоляют разрабатывать оптимальные конструкции смесителей, обеспечивающие получение эмульсий требуемой степени дисперсности. Экспериментальная установка (рис.?) представляла собой транспортный трубопровод, внутри которого соосно устанавливалась цилиндрическая камера. На входе цилиндрической камеры навинчивались конусообразные обтекатели и кокфузоры. 3 процессе исследования варьировались:

1.Скорость потока жидкости (воды) в транспортном трубопроводе и.

2.Геометрические характеристики смесителя - диаметр цилиндрической

камеры й, размеры и углы наклона образующих обтекателей и кокфузоров.

Потери давления на преодоление сопротивления смесительного устройства измерялись жидкостным манометром.Соотношение потоков жидкости внутри и вне цилиндрической камеры вычислялось на основании соотношения коэффициентов сопротивления смесителя с

Закрытой И ОТКРЫТОЙ Камерой (£захр И £откр).

В результате экспериментального исследования установлено, что основными параметрами, определяющими изменение коэффициентов сопротивления £закр И ?отхр являются:

1.Соотношение плопадей миделева сечения обтекаемого тела и сечения трубы &п/7о.

2.Соотношение диаметров конфузоров и обтекателей и цилиндрической камеры &оох/(1,

3.Отношение длины камеры к ее диаметру 1/й. 4.Угол наклона образующей конфузора (обтекателя) а. Влияния гидродинамического режима течения жидкости з диапазоне изменения числа Ле = 5-103 - 1.05-10* на изменение 5 не наблюдалось.

Результаты исследования гидравлических характеристик смесителя обобщены регрессионными уравнениями для расчета сопротивления закрытых и открытых цилиндрических смесительных камер:

- с коническим обтекателем на входе

?3*кр = 10б(5т/Го)°-4(1)та,/(1)"0-5а/с1)0-95(1§1)г-1 (13)

£откр = 79 Sп^í3•',(Dп,oU</d)0•04а/d)"1•5(tgа)-г•s (14)

- с конфузором на входе

£з«ср = 750(&»/?о)0- 1 (1>пахЛ1)0"г(1/С1)~0"б('1£р)г*г (15)

5откр = 15 S™r1•5(DmWd)"0•l:'г(l/d)"0•7(tgc^)"1•г (16).

Уравнения справедливы в следующем диапазоне изменения параметров:

Бт/Уо = 0.6 - 0.91, 1>™»/а = 1.3 - 1.95, 1/й = 2.3 - 4.0, = 0.18 - 0.50. tgpl = 0.25 - 0.50.

На основании пропорции (Онар/О)1 была выведена зависимость,

с помощью которой можно рассчитать соотношение потоков внутри и вне цилиндрической камеры

- с коническим обтекателем на входе

внар/о = 0.9(5™г1-7/&0,1)(1)™-/а10-г(1/й)"1,г(г§аГг-3 (17)

- с конфузором на входе

Онар/О = 0.1(&»т0"8/&0,1) ЦЛи41"0^^)"1 -6 (18).

В шестой главе обсуждаются результаты промышленных испытаний смесителя с тангенциальным вводом промывной воды, проведенных на ЭЛОУ АТ-6 ПО"Киршинефтеоргсинтез" с целью исследования эффективности его использования при обессоливании нефтей различных типов, образующих с водой эмульсии разной степени устойчивости. Испытания проводили в сравнении с установленным на параллельной нефтяной линии перед злектродегидратором первой ступени обессоливакия регулируемым клапаном. В период испытаний на ЭЛОУ со сравниваемыми смесителями поступала нефть одного качества к подчеркивались одинаковые условия эксплуатации. Таким образом, на разницу в показателях' обессоливания на обеих исследованных линиях исключалось влияние каких-либо факторов, кроме качества смешения капель промывной и пластовой воды в потоке нефти. Эффективность применения смесителей нефти с промывной водой оценивалась на основании аналитического контроля содержания хлоридов и пластовой воды в нефти на входе и на выходе ЭЛОУ и дисперсионного анализа водонефтяных эмульсий, получаемых с помощью испытуемого смесителя.

Как показал анализ результатов сопоставительных испытаний, приведенных в таблице I, смеситель с тангенциальны/, вводом воды обеспечивал более высокую степень обессоливания нефти б как при поступлении на переработку смеси западносибирской и ухтинской нефтей с низкой зодльсионностыо к малым содержанием асфальтенов, так и нефти, образущэй с водой более стойкие эмульсии. Лучше показатели обессоливания. при применении смесителя новой конструкции достигнуты за счет качественного смешения нефти с промывкой водой, о чем свидетельствует более низкое содержание несмеиавгихся с промывной водой капель пластовой воды .

Преимуществом смесителя с тангенциальным вводом воды является также его низкое гидравлическое сопротивление потоку нефти. Если в регулируемом клапане дробление и смещение воды с нефтью осуществлялось за счет перепада давления по нефти АР* =0.05 tflla, то в смесителе новой конструкции источником энергии диспергирования окл перепад давления между водой и нефтью APi, определяющий скорость ввода промывной воды. При этом гидравлическое сопротивление потоку нефти не превышало 0.015 МПа.

Установлено, что одни;.', из главных факторов, влияющих на качество обработки нефти на ЗЛОУ, является скорость тангенциального ввода промывной воды. Результаты исследования влияния скорости тангенциального

,1 с)л

"Зе/:

-ф

V.

\ N0

К

Рис.5. Зависимость си от уо. Рис.6.Зависимость <и от уо и о. йе;,1Сг 1/Д <УД У 0 = 0.041н/м, б а = 0.015н/м, О С7Й-377-¡07 К ° = О.ОЭОн/м.

8 1И9 © 1.19 ® 1И9 © 1.19

¿о

» «5

-0-

Т7Г

4.7 4.7 2.3 4.7

Р

Оо7 0.25 0.37 0.37 0.50

-о-

<3 р

,, .,

73 0 1

1

Рис.7.Схема исследования гидравлических характеристик смесителя с тангенциальным вводом воды.1- трубоптовод,2- цилиндрическая камеш 3- конический обтекатель,4- кокфузор. " " * '

п

г, <к

1 \ С 1 \

Л I г

Г

: гу ' |

6,0

№

Рис.8. Зависимости б(уо) и А/Иш<(7о).о и © нефти I и I группа.

ввода воды на качество обессоливания нефти на первой ступени указывает на существование оптимальной для разных типов нефтей скорости истечения воды и соответствующего ей дисперсного состава получаемых водонефтяных эмульсий, при которой достигается наибольшая эффективность обессоливания ;рис.8).

Таблица I. Результаты сопоставительных испытаний смесителей нефти с промывной водой.

I I : I | \ | 1

Тип нефти Тип смесителя Расход АР«. I ДРг, (З.Я I ДЛвхД |

ПРОМЫВНОЙ МПа МПа

воды

I Смеситель с 2.5 0.02 0.01 95.9 5.5

тангенциаль- 0.05 0.01 98.2 2.9

ным вводом 0.10 0.01 96.4 5.5

воды 0.27 0.01 96.5 6.2

Регулируемый

клапан" 2.5 0.05 94.4 7.6

I Смеситель с 2.5 0.05 0.01 90.0 9.2

тангенциаль- 0.10 0.015 81 .6 17.8

|ным вводом 0.27 0.015 76.4 20.3

воды

|Регулируемый

клапан 2.3 0.05 75.0 22.9

В седьмой главе представлена разработанная на основании проведенных исследований инженерная методика расчета проточных смесителей нефти (нефтепродуктов) с водой для получения эмульсий требуемой степени дисперсности, позволяющая определить как параметры режима смешения (скорость ввода воды и т.д.), так и геометрические размеры смесительных устройств. Например, по одному из предложенных алгоритмов можно рассчитать скорость тангенциального ввода промывной воды и соответствующий ей перепад давления между водой и нефтью, -который необходимо поддерживать для получения эмульсий со средним диаметром капель воды йт.

Исходными данными для расчета являются - средний диаметр капель воды в эмульсии йт, геометрические размеры смесителя, физические характеристики смешиваемых жидкостей (вязкость,плотность,поверхностное натяжение), производительность по нефти и концентрация эмульсии.

Алгоритм построен из следующих этапов: 1.Расчет гидродинамического режима течения нефти в транспортном трубопроводе :

-14В зависимости от величины Иег выбирается одно из критериальных уравнений (ю) пли (и).

2.Определение эффективного диаметра отверстия (щзга) для

тангенциального ввода вол;.; на основании формулы: (20)

, (40вГ1/С(1эф)'Оз %-<>■ 3 ,4Св <3л1 I---' ----—-

ГО Й^Ъ'н - й Ке-о. (1/й)в. ! (а/ВГ». »4.3 ,10»

3.Определение коэффициента местного сопротивления шибера механизма регулирования скорости ввода воды по справочной литературе

= 1(<Ы/йк) (21).

4.Определение средней скорости течения воды в коллекторе

' (22).

То1х

5.Определение перепада давления между водой и нефтью

= {23).

б.Расчет коэффициента гидравлического сопротивления и соотношения потоков нефти внутри и вне цилиндрической смесительной камеры на основании эмпирических формул (14) - (18).

ЕУВОДЫ:

1.Разработана инженерная методика расчета проточных смесителей нефти (нефтепродуктов) с водой. Экспериментально исследован процесс получения эмульсий воды в органической фазе в проточных смесителях с тангенциальным и аксиальным вводом воды. Определены степени влияния на дисперсность получаемых эмульсий различных фактороз процесса смешения - соотношения сил гидродинамического давления и поверхностного натяжения в тангенциально закрученной струе, гидродинамического режима течения нефти, геометрических характеристик смесителей. В результате обобщения экспериментальных данных получены критериальные уравнения, описывающие функциональную зависимость среднего размера капель воды в эмульсии от режимных и конструктивных параметров смешения.

2.Проведено исследование гидравлических характеристик смесителя с тангенциальным вводом воды. Получены эмпирические формулы, описывающие зависимость коэффициента гидравлического сопротивления и соотношения потоков жидкости, поступающих внутрь цилиндрической камеры и обтекающих ее, от геометрических характеристик смесителя и. позволяющие разрабатывать конструкции смесительных устройств, обеспечивавшие наименьшие гидравлические потери и наилучшие условия перемешивания.

3.Проведено теоретическое исследование диффузии капель воды в потоке

нефти (нефтепродуктов) в смесителе с прямоточной форсункой и тангенциальным вводом воды. Предложено уравнение, описывающее изменение формы капли при ее торможении в потоке плотной среды.

Расчет распределения концентрации воды по сечению и по длине потока при различных значениях коэффициента турбулентной диффузии показал, что:

- при. значениях коэффизшита турбулентной взй-узии порядка 10"-10"*ыг/с смеситель с тангенциальны?.! вводом воды обеспечизает более эффективное распределение дисперсной жидкости в потоке несущей среды в сравнении с прямоточной форсункой.

- при Ит* 10"эм2/с влияние конструкции смесительного устройства на функцию распределения концентрации воды в потоке нефти незначительно.

4.Разработана методика расчета на ЭВМ дифференциальных фунуцкй распределения частиц цолидисперсных систем по размерам на основании сплайн-аппроксимации седиментацконных кривых.

5.Проведены промысленные испытания смесителя с тангенциальным вводом промывной зоды в поток нефти. Показано, что:

- эффективность обессоливания и обезвоживания нефтей различных типов на ЭЛОУ со смесителем новой конструкции в 1.2 - 2.5 раза выше, чем на ЭЛОУ с регулируемым клапаном.

- преимуществом смесителя с тангенциальным вводом вода перед регулируемым клапаном является его низкое гидравлическое сопротивление потоку нефти.Внедрение смесителя позволило уменьшить перепад давления на всем блоке ЭЛОУ в 3 раза.

- качеством обработки нефти в электродегидраторе мокко управлять из-мененением скорости тангенциального ввода промывной воды. Для каждого типа нефти существует оптимальная скорость ввода воды, при которой остаточное содержание хлоридов к пластовой воды в нефти на выходе из электродегидратсрз минимально.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: ук.у.ш - скорости соответственно одиночной капли,истечения струи воды и потока нефти,м/с,пь: - масса капли веды,кг,гк- радиус капли,м,йо,й,Б, (Зк- диаметры соответственно соплового отверстия, цилиндрической смесительной камеры,транспортного трубопровода,коллектора,м,1- длина цилиндрической смесительной камеры,м, сд-коэффициент гидродинамического сопротивления капли,к- степень деформации капли, рв.ри -плотность воды и нефти,кг/м3,vk.uk - кинематическая и динамическая вязкость нефти,мг/о,Па>о,о - поверхностное натяжение,н/м,йв,(}н -объемные расходы воды и нефти,м3/о,Бт,Бк - коэффициент турбулентной

диффузии,мг/с,К = (Ro2oj/4DtI),lo (2Kr/Ro)- функция Еесселя первого рода нулевого порядка,? - коэффициент местного сопротивления,S™,Fo- площади соответственно миделева сечения обтекаемого тела и живого сечения трубопровода,»*2,!* - угол наклона образующей обтекателя (конфузора), Dm« - наибольший диаметр обтекателя (конфузора) ,5^= (S™- toL2/4)/Fo, Sf = Sm/Fo,QHap - количество жидкости,обтекающее цилиндрическую камеру смесителя,Q -расход жидкости,Reí = vdo/VB.Re^ = toD/vh-критерии Рейнолъдса потоков вода и нефти,г = d/2,n - внутренний радиус полой цилиндрической струи воды.Кет = ((тп)2рв)/го) - модифицированный критерий Вебера.т - время,с,Р(г) - дифференциальная функция распределения дисперсных капель по размерам,Р(т) - функция накопления осадка дисперсной фазы,с - концентрация еоды в эмульсии, 8 =(Sbx-Sbux)/Sbx - степень обессоливания нефти, Sax.SBux- содержание солей в нефти на входе и на выходе ступени обессоливания,мг/л нефти,Wbx.Wbhx- обводненность нефти на входе и на выходе ЭЛОУ, %,L={ (Sbhx (Wax+Wnp VSbxWbhx )-i ) (WsxWBbix/Wnp) - КОЛИЧе CTBO

нескоалисцировавших с промывной водой капель пластовой водыД,1пр-расход промывной воды,Л,ДР1,АРг - перепад давления между водой и нефтью,по нефти на смесителе.МПа.

Основные результаты работы изложены в публикациях: 1.Вурзель А.Ф.,Макальская E.H..Сурис А.Л.Дуторянский Ф.М. Сравнение эф£ективности смесителя с тангенциальным вводом промывной воды и смесительного клапана при обессоливании и обезвоживании сырой нефти на электрообессоливающей установке.Эксплуатация,ремонт,защита от коррозии оборудования и сооружений.ШИИТЭХИМ,19Э1,вып.2,с. 13 -21. г.Вурзель А.Ф.,Сурис А.Л.Дуторянский Ф.М. Гидравлические смесители нефти с промывной водой на электрообессоливавщих установках.Эксплуатация,ремонт, защита от коррозии оборудования и сооружений.ЦНИИТЭХИМ,

1991,вып.6.,с.19-26.

3.Вурзель А.Ф.,Сурис А.Л.Обработка кривых седиментации полидисперсных систем методом сплайн-аппроксимации.Рационализаторские предложения и научно-технические достижения в химической промышленности.ЩШТЭХШ,

1992,вып.3,с.28 - 34.

4.Вурзель А.Ф.,Сурис А.Л..Хуторянский Ф.М.,Тупицын 'Л.Н.Устройство для ввода жидких компонентов в поток нефти или нефтепродуктов.Заявка на изобретение Я 4900243/26 с положительным решением от 17.07.91.