Geum.ru

Т. А. Алиев, Г. А. Гулуев, А. Г

Вид материалаДокументы
Подобный материал:

Т.А.АЛИЕВ, Г.А.ГУЛУЕВ, А.Г.РЗАЕВ


МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ


Определяющими факторами процесса термохимического обезвоживания нефти (ТОН) является промежуточный эмульсионный слой (ПЭС), который существует в любом отстойном аппарате (ОА) и время пребывания (ВП) эмульгированных водяных капель (ЭВК) в цилиндрически горизонтальных ОА (ГОА) и шаровых ОА (ШОА).

ПЭС, расположенный между водяным и нефтяным слоями выполняет важные технологические функции. Через этот слой проходит вся отстаивающаяся вода; он способствует процессу коалесценции на границе раздела фаз; в самом слое может идти межкапельная коалесценция; на нем может фильтроваться мелкодисперсной составляющая нефтяной эмульсии (НЭ). Толщина его зависит от характеристики НЭ, скорости потока нефти (), способа подачи НЭ, уровня водяной подушки и т.д.

В настоящее время нет адекватных моделей для описания процессов ПЭС, хотя и имеется большое количество исследований [1-4], посвященных их частным случаям. Следовательно, получение адекватной математической модели ПЭС, с учетом ВП ЭВК в ГОА и ШОВ является актуальной задачей, чему и посвящен данный доклад.

ПЭС состоит из двух последовательных частей: 1) слой с плотной упаковкой ЭВК с частицами загрязнений, занимающий 10-20% от общей высоты; 2) выравнивающий концентрированный слой, занимающий оставшуюся часть ПЭС и характеризующийся почти линейным градиентом концентрации и на верхней границе слоя концентрация ЭВК достаточно резко уменьшается до нуля (при отсутствии восходящего потока). Являясь гидравлическим (самоочищающим) фильтром, ПЭС способствует процессу фильтрации ЭВК и может быть математически описан по закону Дарси:

 (1)

с использованием уравнения Козени-Кармана [5]

 (2)

 (3)

 (4)

 (5)

 (6)

 (7)

где  – коэффициент фильтрации; ,  - соответственно порозность и высота ПЭС;  - удельная поверхность ЭВК; - вязкость системы НЭ и твердая фаза;  - содержание воды в ПЭС;  - содержание твердой фазы; , -соответственно перепады давлений, измеряемые в слое ПЭС и воды с высотой , определяемая по разработанному нами способу [6]; - вязкость НЭ, определяемой по формулам (6), (7) [7];  - расстояние между каплями;  - толщина бронирующей оболочки;  - радиус ЭВК; - напряжение сдвига; - восходящая скорость НЭ в ОА.

За стадией фильтрации в ПЭС происходит процесс сближения, столкновений и

коалесценции ЭВК, скорость которой определяется из равенства следующих давлений

 (8)

 (9)

 (10)

 (11)

где  – внешнее давление, сдавливающие капли; - гидродинамическое давление, создаваемое центробежным насосом; - капиллярное давление, создаваемое поверхностно-молекулярными силами; - расклинивающее давление, создаваемого потенциальным энергетическим барьером (двойным электрическим слоем и вязкостно-механическим свойством бронирующих оболочек ЭВК), - толщина бронирующих оболочек ЭВК; , , - соответственно поверхностное натяжение на разделах фаз вода-нефть, вода-мех.примеси, нефть-мех.примеси;  - радиус капилляра в ПЭС.

Проведенные нами исследования показали, что ПЭС состоит из множественных эмульсий (В/Н, Н/В/Н, В/Н/В) и характеризуется повышенным содержанием различных механических примесей (сульфид железа, глины и т.д.).

С учетом вышеизложенного, остаточное содержание воды в обезвоженной нефти может быть определено по формуле [5, 6]

 (12)

 (13)

 (14)

где – коэффициент эффективности ПЭС; ,  - соответственно плотность воды и нефти; - скорость отстоя ЭВК; - критический радиус капель, определяемых из условий ; ,  - соответственно содержание воды в НЭ на входе и выходе ОА.

Важным этапом математического описания процесса ТОН является определение времени пребывания в ОГА и ШОА. С этой целью разработаны аналитические выражения, которые выведены следующим образом. Сначала устанавливается зависимость между  в ГОА () и ШОА () и геометрическими размерами последних, уравнением водяных подушек (ВП) в них и расходов НЭ

 (15)

 ,  , 

где – расход НЭ;  - длина ГОА; , и , - соответственно радиусы и числа ГОА и ШОА; ,  - суммарный уровень ВП и воды в ПЭС ГОА и ШОА; , - уровень ВП в ГОА и ШОА. Затем составляем дифференциальные уравнения, характеризующие скорость прохождения ЭВК в нефтяном слое

 (16)

С учетом (15) уравнение (16) для ГОА и ШОА приобретает следующий вид

 (17)

 (18)

Решая уравнения (17) и (18) при начальных условиях  и получим:


Для ГОА:





(19)

Для ШОА:




(20)

А время пребывания молекул нефти в отстойной зоне ГОА () и ШОА () можно рассчитать по следующим предлагаемым формулам:





 (22)

Таким образом, вышеизложенные формулы (1)-(22) являются математическими моделями процессов ТОН, отражающие специфические особенности динамического отстоя НЭ и могут использованы при разработке систем оптимального управления процессами ТОН.

Заключение


На основании комплексного анализа основных факторов, влияющих на формирование и устойчивости ПЭС, времени движения и градиента скорости ЭВК, в ГОА и ШОА, разработаны математические модели процессов ТОН, отражающие специфические особенности динамического отстоя НЭ и позволяющие успешно решить задачи оптимального управления процессами термохимической подготовки нефти.


Литература


1. Новиков И.П., Якубов М.Р., Халиков Т.Р., Якубова С.Г. Особенности подготовки высокоэмульсионной нефти. Нефтяное хозяйство, 04.2006, с.124-125

2. Сахабутдинов Р.З., Космачева Т.Ф., Губайдулин Ф.Р., Татьянина О.С. Причины повышения устойчивости водонефтяных эмульсий. Нефтяное хозяйство, 01.2007, с.74-77

3. Афанасьев Е.С., Римаренко Б.И., Горлов С.Г. Влияние ультразвукового воздействия на процесс разрушения водонефтяных эмульсий. Нефтепереработка и нефтехимия, №9, 2009, с.39-41

4. Инновации. Микроволновой способ разрушения нефтяных эмульсий. Нефтегазовые технологии, 31, январь-февраль 2001, с.107-108

5. Рзаев А.Г. К вопросу исследования промежуточных эмульсионных слоев в отстойных аппаратах. Тезисы докладов к всесоюзной конференции «Проблемы создания, опыт разработки, внедрения АСУ в нефтяной промышленности». Москва, 1990, с.54-55

6. А.С.1386636 (СССР). Система автоматическогоизмерения содержания воды в потоке нефтяной эмульсии/А.Г.Рзаев, Ю.В.Щербинин, В.И.Лошенов и др., опубл. В Б.И., 1988, №13

7. Рзаев А.Г. Реология нефтяных эмульсий. Журнал химии и нефтехимии, Баку, 2000, №3, с.45-47