Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Подготовка нефти 7
1.1 .Нефтяные эмульсии 7
1.2. Причины возникновения эмульсий 8
1.3. Обзор методов обезвоживания 10
1.3.1. Гравитационное холодное отстаивание . 12
1.3.2. Термические методы 13
1.3.3. Электрокоагуляционные методы 13
1.3.4. Обезвоживание с использованием деэмульгаторов 16
1.3.5. Обезвоживание в поле центробежных сил 17
1.4. Технологические схемы подготовки нефти 18
1.5. Микроволновое обезвоживание 21
1.5.1. Микроволновое обезвоживание Краткий исторический обзор 21
1.5.2. Требования, предъявляемые к микроволновым технологическим установкам. 22
1.5.3. Вероятностный критерий 23
Выводы по главе 1 27
ГЛАВА 2. Анализ влияния параметров температурного поля на расслоение ВНЭ 29
2.1. Расслаивающие силы 31
2.1.1. Капли произвольной формы 31
2.1.2. Случай сферических капель 31
2.2. Скорость осаждения 33
2.3. Оценка времени расслоения 35
2.4. Допустимая неравномерность температурного поля 37
2.5. Обеспечение равномерности формируемого температурного поля 40
2.6. Одномерные задачи нагрева жидких продуктов 43
2.7. СВЧ нагрев, осуществляемый в потоке 48 2.7.1. Распределение эекторомагнитных полей по объему рабочей камеры 52
2.7.1. Профиль потока течения по объему рабочей камеры 62
Выводы по главе 2 68
ГЛАВА 3. Формирование требуемого распределения ЭМП 70
3.1. Варианты устройств ввода СВЧ энергии 71
3.2. Многоэлементное возбуждение 73
3.2.1. Метод учета взаимной связи излучателей 74
3.2.2. Анализ полученных результатов 75
3.3. Согласование нагрузок с переменным импедансом 78
3.4. Численное моделирование 80 Выводы по главе 3 89
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование влияния свч излучения на разрушение водонефтяных эмульсий 91
4.1. Лабораторные исследования влияния 91
4.2. Промысловый микроволновый комплекс обезвоживания нефти 92
4.3. Испытания промыслового микроволнового комплекса микроволновой обработки 97
4.4. Результаты испытаний 103
4.4.1. Таблицы результатов испытаний 106
Выводы по главе 4 117
5. Основные результаты работы. 118
6. Литература.
- Причины возникновения эмульсий
- Гравитационное холодное отстаивание
- Капли произвольной формы
- Многоэлементное возбуждение
Введение к работе
Актуальность. Нефть со скважин всегда добывается в виде, непригодном для прямой переработки. В продукции скважин, помимо нефти также присутствуют вода, растворенный газ, минеральные соли, механические примеси. При этом, нефть является основным сырьем для производства жидких энергоносителей, смазочных масел, битумов и кокса. Наличие влаги, даже в малых количествах, приводит к снижению качества, как самой нефти, так и продуктов ее переработки. Поэтому разрушение водонефтяной эмульсии (ВНЭ) и удаление воды является основным процессом подготовки нефти.
При добыче нефти, как правило, образуются ВНЭ, которые представляют собой дисперсные системы с большой удельной межфазной поверхностью. Эмульсии образуются при добыче, транспортировании и переработке нефти. Некоторые из эмульсий являются неустойчивыми и самопроизвольно расслаиваются. Другие эмульсии являются довольно устойчивыми. Одной из главных причин устойчивости нефтяных эмульсий является образование на поверхности капель защитных слоев из природных стабилизаторов, содержащихся в нефти. Эти слои обладают повышенной вязкостью и прочностью, препятствуют слиянию соприкасающихся капель эмульгированой воды.
Если нестойкие эмульсии расслаиваются довольно быстро, притом, без значительных энергозатрат, то стойкие эмульсии расслаиваются долго, требуют существенных капиталовложений в различное промысловое оборудование,
предназначенное для обезвоживания. В ряде случаев, это оборудование является чрезвычайно громоздким и энергоемким. Кроме того, существующее промысловое оборудование не всегда способно разрушить эмульсии. Известны эмульсии, не расслаивающиеся на составляющие в течение года и больше.
Одним из возможных способов ускорения расслоения эмульсий, для последующей сепарации, является сверхвысокочастотная (СВЧ) обработка. В последнее время, в России и в мире, были осуществлены серии лабораторных исследований влияния СВЧ излучения на расслоение водонефтяных эмульсий. Из этих экспериментов следует, что эффект воздействия СВЧ энергии в присутствии деэмульгатора или в его отсутствие существует, и является нетепловым, хотя начальная температура смеси заметно влияет на скорость расслоения эмульсии.
Тот факт, что СВЧ излучение существенно позволяет ускорить разрушение эмульсий, даже в отсутствие химических реагентов, позволил создать микроволновые датчики обводненности сырой нефти. Однако, промышленное использование микроволнового воздействия на ВНЭ для ускорения и более глубокого разрушения эмульсий, в промышленных масштабах, пока не нашло применения. Одной из причин подобной ситуации является полное отсутствие данных о влиянии СВЧ излучения на эмульсии в условиях промысловой эксплуатации подобных установок, отсутствием опыта создания и эксплуатации промысловых микроволновых комплексов, отсутствием сведений об энергетических затратах, способах их снижения в условиях случайного разброса параметров ВНЭ.
Цель работы состоит в сокращении времени обработки и снижении энергозатрат промысловых микроволновых комплексов, осуществляющих разрушение водонефтяных эмульсий с последующей сепарацией.
Основная задача научных исследований состоит в разработке методов построения СВЧ устройств являющихся составной частью промысловых микроволновых установок обезвоживания нефти.
Указанная задача включает в себя ряд более частных:
Определение факторов, влияющих на процесс разрушения с последующей
сепарацией, определение параметров СВЧ воздействий позволяющих
осуществить сепарацию с наименьшими энергозатратами;
Разработка путей создания и методов построения рабочих камер СВЧ
нагрева ВНЭ, которые позволяют осуществить формирование
температурных полей с требуемой степенью равномерности;
Разработка методов снижения потерь на отражение, обусловленных
разбросом электрофизических параметров ВНЭ, характерных для
промысловых условий;
Выработка технических предложений и рекомендаций по построению
СВЧ-устройств функционирующих в составе промысловых комплексов
сепарации водонефтяной эмульсий
Основные положения, выносимые на защиту:
Характеристики режима СВЧ-обработки, осуществляемой с целью
расслоения ВНЭ, сформулированные в категориях неоднородного СВЧ-нагрева, определенные на основе теоретических исследований и результатов натурных экспериментов.
Методика анализа параметров рабочих камер СВЧ устройств, функционирующих в составе промысловых комплексов расслоения ВНЭ, основанная на моделировании СВЧ-нагрева, включая выработку количественных критериев оптимальности в условиях случайного изменения свойств ВНЭ.
Результаты моделирования процессов СВЧ-нагрева ВНЭ, позволившие выработать рекомендации по выбору размеров рабочих камер, исходя из критерия допустимой неравномерности температурного поля. Методика согласования устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах промысловых комплексов расслоения ВНЭ в условиях наличия значительного разброса электрофизических параметров ВНЭ. Рекомендации по построению элементов и узлов СВЧ-устройств функционирующих в составе промысловых комплексов расслоения ВНЭ
Причины возникновения эмульсий
Всякая эмульсия [1-8], в том числе и нефтяная, может образоваться только тогда, когда механическое воздействие на смесь двух взаимно нерастворимых жидкостей будет вызывать диспергирование, т. е. дробление жидкости на очень мелкие частицы. Ясно, что чем меньше поверхностное натяжение жидкостей, тем легче будет идти образование капель, т. е. увеличение общей поверхности жидкости, так как оно будет требовать меньшей затраты работы. Однако после перемешивания двух чистых, нерастворимых друг в друге жидкостей стойкость полученной эмульсии обычно невелика. Более тяжелая жидкость осядет на дно, капельки дисперсной фазы, сталкиваясь друг с другом, объединятся в более крупные. Оба эти процесса и приведут к расслаиванию эмульсии на два слоя. Только при очень высокой степени дисперсности, когда диаметр капель дисперсной фазы измеряется десятыми долями микрона (10" м) и межмолекулярные силы уравнивают гравитационные силы, разрушение эмульсии становится затруднительным.
Иначе обстоит дело, если смесь двух нерастворимых жидкостей находится в условиях, способствующих диспергированию, и в ней присутствует какое-либо поверхностно-активное вещество, понижающее поверхностное натяжение [9] за счет образования адсорбционного слоя. Во-первых, это способствует дроблению капель, а во-вторых (что имеет решающее значение), капли будут окружены не молекулами дисперсной среды, а прочной пленкой адсорбционного слоя. В этом случае образуются стойкие, трудно расслаивающиеся эмульсии, поскольку капли дисперсной фазы, защищенные своеобразным панцирем - адсорбционной пленкой, не могут сливаться друг с другом. В некоторых случаях толщина адсорбционной пленки такова, что ее можно рассмотреть в микроскоп.
Вещества, способствующие образованию и стабилизации эмульсий, называются эмульгаторами. Характер эмульсии зависит от свойств эмульгатора. В сырой нефти обыкновенно образуется гидрофобная эмульсия типа вода в нефти. В этом случае эмульгаторами являются твердые парафины, асфальтены, частицы породы, продукты жизнедеятельности сульфат восстанавливающих бактерий и окислы железа. Одним из компонентов нефти, способствующих процессу формирования стабилизационных оболочек капель, являются смолы. Смолы, адсорбируясь, на поверхности раздела нефть-вода, попадают в поверхностный слой со стороны нефти и создают прочную оболочку вокруг частиц воды.
Алюминиевые, кальциевые, магниевые и железные мыла нефтяных кислот также хорошо растворимы в нефти и ее дистиллятах. Они также способствуют образованию гидрофобных эмульсий. Наоборот, натриевые мыла нефтяных кислот (продукт реакции при щелочной очистке) хорошо растворимы в воде и хуже в углеводородах. Они адсорбируются в поверхностном слое, со стороны водной фазы, обволакивают пленкой капельки нефти, способствуя образованию гидрофильной эмульсии типа нефть в воде.
При наличии эмульгаторов обоих типов возможно обращение эмульсий, т. е. переход их из одного типа в другой. Этим явлением иногда пользуются при разрушении эмульсий.
Обзор методов обезвоживания
Процессы разрушения нефтяных эмульсий предполагают последовательное осуществление таких операций, как сближение и флокуляция капель, разрушение бронирующих оболочек, коалесценсия капель диспергированои воды до размеров, достаточных для дальнейшего их слияния под действием силы тяжести и затем осаждения укрупненных глобул на дно деэмульсационого аппарата.
Капли, сближаясь, постепенно выдавливают защитный слой. Если силы достаточно, для полного разрушения бронирующих оболочек, капли сливаются. Для осуществления процесса разрушения эмульсии применяют ряд технологических приемов обезвоживания нефти. Выбор способа обезвоживания нефти и эффективность работы сооружений, для этого предназначенных, в значительной степени зависит от количества воды, а также целого ряда других факторов, не приводимых здесь.
Гравитационное холодное отстаивание
Помимо термического метода обезвоживания, также широкое распространение получил метод разрушения эмульсий с применением деэмульгаторов [1,10,25-29]. Механизм действия деэмульгаторов носит физико-химический характер и сводится к нарушению устойчивости пленок, разъединяющих микрокапли воды от углеводородной среды, окружающей их. По своей природе и механизму действия на эмульсии, эти вещества могут быть разделены по нескольким основным подгруппам.
К первой группе можно отнести электролиты. Механизм действия этих веществ довольно разнообразен. Одни из них (при достаточных концентрациях) вызывают коагуляцию веществ, из которых состоит пограничная между водой и нефтью «защитная пленка», разрушая эмульсию. Другие, притягивая воду и соединяясь с нею, нарушают стабильность эмульсии и разбивают ее. Третьи вступают во взаимодействие с некоторыми солями, входящими в состав эмульсии, образуя с ними нерастворимые осадки.
Ко второй группе можно отнести неэлектролиты. К веществам этой группы, разрушающим водонефтяные эмульсии, относится целый ряд органических соединений различного состава и строения. В зависимости от их природы, существует несколько механизмов разрушения эмульсий. Одни из них, являясь хорошими растворителями для соединений образующих «защитную пленку» эмульсии (смолы, нафтеновые мыла и т.п.), растворяют эти соединения, следствием чего и является расслоение эмульсии. Другие понижают вязкость нефти, понижают ее вязкость, что также способствует расслаиванию эмульсии. Эффективность действия некоторых из веществ подобного рода очень высока. Например, добавкой 0,1-0,33 % технического фенола удавалось разбить нефтяную эмульсию, которая сохранялась при нагревании, даже под давлением, до 100 С. Та же эмульсия разбивалась уже от прибавления всего лишь 0,01 % фенола.
Следующую группу составляют коллоидные вещества. К ним относятся многочисленные и разнообразнейшие коллоиды: мелкораздробленные кремнезем и глины [10], натриевые соли высокомолекулярных кислот, жирных, смоляных и сульфокислот, некоторые смеси из подобного рода веществ.
Наибольшее распространение, для разделения водонефтяных эмульсий, получили деэмульгаторы, действие которых направлено на разрушение защитных или бронирующих слоев на каплях эмульгированной воды. Такая активность обусловлена химическим строением деэмульгатора, как поверхностно-активного вещества (ПАВ), одна часть молекулы имеет сродство к углеводородам (гидрофобная), а другая - к воде (гидрофильная).
Для создания центробежного поля, при обезвоживании нефтепродуктов и других углеводородных смесей, используются неподвижные аппараты, в которых вращается поток жидкости (гидроциклоны); и вращающиеся -в которых смесь движется за счет вращения ротора аппарата (центробежные сепараторы или центрифуги) [10].
В гидроциклонах центробежная сила возникает при закручивании потока, входящего в неподвижный корпус цилиндрической или конической формы. В зависимости от способа подвода нефтепродуктов и конструкции закручивающего устройства, гидроциклоны можно разделить на аппараты с боковым подводом, противоточные и прямоточные аппараты.
Эффективность отделения воды от нефтепродукта в гидроциклоне зависит от режима работы аппарата, определяемого скоростью жидкости на его входе. Установлено, что на входе в гидроциклон оптимальные скорости лежат в пределах 3—6 м/с, что значительно ниже входных скоростей, имеющих место при циклонной очистке нефтепродуктов от твердых частиц. При увеличении скорости на входе выше 65 м/с гидроциклон работает как эмульгатор, т.е. способствует образованию эмульсии, а не ее разделению.
Гидроциклоны не имеют движущихся частей, вследствие чего надежны, просты в эксплуатации и не требуют постоянного обслуживания. Но высокая эффективность сепарации обеспечивается в аппаратах небольшого диаметра. Для повышения эффективности приходится объединять несколько аппаратов малого диаметра в один агрегат — батарейный циклон, с общими подводящими и отводящими коллекторами. Это делает гидроциклон громоздким и сложным в обслуживании.
Другой недостаток гидроциклонов заключается в значительном абразивном износе рабочих поверхностей. Причина этого износа связана с присутствующими, в разделяемой смеси, твердыми включениями. Зачастую, это вызывает необходимость футерования частей рабочей поверхности гидроциклона износоустойчивыми материалами.
Примером удачного использования циклона, для разделения водо-углеводородных смесей, является вихревой очиститель горючего, устанавливаемый на нефтепродуктопроводах.
Применение гидроциклонов, для удаления свободной воды из углеводородного сырья, пока не получило широкого распространения, так как эффективность выделения воды в них значительно меньше чем и центрифугах. Тем не менее, имеется положительный опыт использования гидроциклонов для обезвоживания топлив и масел.
Капли произвольной формы
Предположим [49] что на все частицы (капли воды) действует некоторая постоянная внешняя сила f (например, сила тяжести). В стационаром состоянии, сила, действующая на каждую частицу, должна уравновешиваться силой сопротивления, испытываемой движущейся частицей со стороны жидкости. При не слишком больших скоростях сила сопротивления пропорциональна первой степени скорости. Написав ее в виде \/Ь, где b -постоянная и, приравнивая внешней силе f, получим: v=M (2.3) т.е. скорость, приобретаемая частицей под влиянием внешней силы, пропорциональна этой силе. Постоянная b называется подвижностью и может быть вычислена с помощью гидродинамических уравнений. В общем виде подвижность определится через главные значения симметрического тензора а&. С учетом этого получим: (\ і О —+—+— (2.4) Зная внешние воздействующие силы и тензор напряжений, после вычисления вектора скоростей V, возможно определить силу сопротивления, которое испытывает частица любой формы: F =4-aik-uk (2.5) где ц - динамическая вязкость, щ - k-ая компонента вектора скорости. Для сферических капель эти выражения существенно упрощаются.
При движении частицы в потоке на неё воздействует целый ряд внешних сил [42]. Наиболее существенными являются сила гидравлического сопротивления, сила тяжести и Архимедова сила. Силу тяжести и силу Архимеда можно записать в виде: FT=-- -ri-PD-S (2.6) FA = 2 -r3-Pc-g (2-7) где рг , рс - плотность дисперсной фазы (вода) и дисперсной среды (нефть) соответственно [кг/м ],г- радиус осаждаемой капли [м], g - ускорение свободного падения.
Сила гидравлического сопротивления является наиболее важной при оценке сил межфазного взаимодействия. Для твердого шара, медленно двигающегося в жидкости, указанная сила сопротивления определится формулой Стокса. Для сферической капли, сила сопротивления определяется выражением [42]: F,- - 7-" (2.8) где - коэффициент гидравлического сопротивления, Ро, - скорость осаждения капли [м/с]. Силе тяжести противодействует сумма Архимедовой силы и сила гидравлического сопротивления: FT=FA+FS (2.9)
Помимо вышеперечисленных сил, на скорость осаждения также влияют сила инерции присоединенной массы (сила Тейлора), силы Басе, Магнуса-Жуковского, Стеффмана и ряда других. Влияние некоторых из перечисленных сил можно учесть с помощью коэффициента гидравлического сопротивления.
Анализ работ, посвященных изучению гидравлического сопротивления элементов дисперсной фазы, проведенный в [42] показывает, что если для твердых частиц имеется достаточное число расчетных формул, хорошо согласующихся с экспериментом, то для жидких капель нет достаточно точных зависимостей для расчета гидравлического сопротивления, которые совпадали бы с экспериментом. Исходя из этого, расчет скорости осаждения будем осуществлять по приближенным формулам, полученными разными исследователями на основе экспериментальных данных.
Проблеме изучения зависимости скорости движения (осаждения или всплытия) одиночных капель V.» от их диаметра посвящены работы [10,42-47]. В работах [42,44,45] предлагают осуществить классификацию осаждаемых капель по трем группам: 1. Мелкие - Rec«l, скорость движения пропорциональна квадрату диаметра капли (Rec - критическое число Рейнольдса, при обтекании капли дисперсной фазы бесконечной сплошной фазой); 2. Средние, сферические \ Rec Re , (критическое число Рейнольдса), 3. Крупные Re ReKp, Vao=const; Число Рейнольдса, в общем случае [49], равно: Ке = с1Л = иЛ (2.10) где рс - плотность дисперсной среды; Гда - скорость осаждения; /-характерный линейный размер; v - кинематическая вязкость дисперсной фазы; у. - динамическая вязкость.
Скорость осаждения капли воды, находящейся в ползущем течении, в [49] вычисляется по выражению: l .g-bpfa+Mo) 2Л1) З-ЯсЧ2 +3-/ ) где R - радиус капли, Ар - разница плотностей фаз, рс и juD динамическая вязкость дисперсной среды и дисперсной фазы.
Если в составе эмульсии присутствуют различные ПАВ, то скорость осаждения существенно уменьшается [10,42,50,51]. Наличие ПАВ приводит к подавлению циркуляции жидкости внутри капель, вследствие уменьшения подвижности ее поверхности
Многоэлементное возбуждение
Если подставить приближенное решение (2.50) в дифференциальную задачу, то результатом будет не тождественный нуль, а некоторая функциональная невязка Rn(x,y,z) по расчетной области П и невязка Rr(x,y,z) - по границе Г рассматриваемой области Q. С помощью различных методов (например, взвешенных невязок), функциональная невязка -минимизируется. В результате получается система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно значений искомой функции в нумерованных узлах, коэффициентами в которой являются интегралы по всей расчетной области и их производных. Решение полученной СЛАУ является решением исходной задачи.
Используя метод конечных элементов, был осуществлен расчет распределения удельной поглощенной мощности для указанной геометрии. Результаты расчета представлены на рисунках 2.9-2.14. Из результатов моделирования следует, что на равномерность формируемого электромагнитного поля большее влияние оказывает удельная проводимость обрабатываемого материала, а не его относительная диэлектрическая проницаемость. Также видно, что при малых потерях (о =0,001 сим/метр), по объему камеры имеются несколько ярко выраженных максимумов, причем, чем выше диэлектрическая проницаемость, тем их больше, при увеличении потерь (о 0,01 сим/метр) эти максимумы, хотя и сохраняются, но размываются, отсутствуют выраженные провалы. Как можно видеть, увеличение удельной проводимости ВНЭ влечет за собой снижение равномерности удельной поглощенной мощности, но максимум этой величины в рассматриваемом объеме увеличивается. Немаловажным также является тот факт, что практически при любых параметрах ВНЭ (малые потери и малое значение относительной диэлектрической проницаемости характерны для обезвоженной нефти) основные потери, следовательно, и нагрев, происходит в ограниченной области. Размеры этой области не превышают 40 см. В связи с этим, возникает вопрос о возможности обеспечения равномерности температурного поля, при данной конфигурации устройства ввода и рабочей камеры. Для этого необходимо найти решение гидродинамической задачи для той же рабочей камеры.
Профиль потока скоростей полностью описывается системой уравнений в частных производных (2.39)-(2.41). Как было замечено ранее, указанные уравнения в частных производных будут включать в себя уравнение непрерывности, уравнение Навье-Стокса для несжимаемой жидкости, уравнение изменения энтропии, с соответствующими граничными условиями: Ы 8v /..„w —+(vV)v =—grad(p)+—A\ dt р р (2.51) dt + div(psv) = На выходе из трубопровода (на границе 1): VI =6.26 "I ГРАНИЦА ( м2ї і- [мм/сек] (2.52) На входе в патрубки (на границе 3): V\ =200 "ІГРАНІІЦА i-L) ] [мм/сек] (2.53)
Где R - радиус трубы. Поскольку рабочая камера, заполненная обрабатываемой эмульсией, отделена от тракта ввода СВЧ энергии устройством ввода, на диафрагме (граница 2) выполняются такие же граничные условия как на остальных границах (область с воздухом исключается из расчета).
Во время проведения расчетов, параметры жидкости были выбраны идентичными параметрам ВНЭ (р=900 [кг/м ], 7/=0.0027 [Па-сек], Ср=3150 [кДж/кгК]). Моделирование было осуществлено в предположении о независимости параметров жидкости от температуры. Результаты моделирования показаны на рисунках (2.15)-(2.22). Можно заметить, что в профиле потока рабочей камеры, можно выделить четыре основные области: 1. область 1 - профиль скоростей не является осесимметричным (соответствует значениям 0 z 20 см.); 2. область 2 - профиль скоростей соответствует ламинарному потоку между двумя соосными цилиндрами (20 z 60 см); 3. область 3 - поток по оси камеры имеет заметный минимум (60 z 65 см); 4. область 4 - профиль скоростей соответствует ламинарному потоку в трубе и, с точностью до постоянного коэффициента, описывается равным выражению (2.53).
Сопоставляя результаты гидродинамического расчета (рис. 2.15-2..22) с результатами электродинамического расчета (рис. 2.9-2.14), можно сделать один очень важный вывод: при данной конструкции устройства ввода СВЧ энергии, максимум температуры нагрева будет достигаться не по оси (г=0) рабочей камеры, а будет существенно смещен от оси рабочей камеры. Можно предположить, что на оси (при г=0) будет ярко выраженный минимум температурного поля. Для обеспечения требуемой равномерности температурного поля (для данной конструкции рабочей камеры) необходимо обеспечить такой расход ВНЭ на входе, при котором провалы, по оси рабочей камеры, будут сосредоточены как можно в меньшей области. Это потребует снижения расхода ВНЭ, что повлечет ограничение мощности. Оба эти фактора снижают производительность всего комплекса. Для обеспечения допустимой неравномерности температурного поля необходимо использовать другую конструкцию узла ввода СВЧ энергии.
