Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 8
1.1. Нефтесодержащие отходы и загрязнение окружающей среды 8
1.2. Способы разделения водонефтяных эмульсий 12
1.3. Принцип работы устройств для разделения водонефтяных эмульсий с применением электрических полей 18
1.3.1. Классификация аппаратов для электрического обезвоживания воды 19
1.3.2. Конструкция, эксплуатация и перспективы применения электрокоалесценторов 21
1.3.3. Конструкция и эксплуатация вертикальных электродегидраторов 31
1.3.4. Конструкция и эксплуатация шаровых электродегидраторов с электродами типа концентрических колец 44
1.3.5. Конструкция и эксплуатация горизонтальных электродегидраторов 45
1.3.6. Пути повышения эффективности горизонтальных электродегидраторов 52
1.4. Физические основы процесса дегидратации нефтяных эмульсий 54
Выводы по главе и постановка задач исследования 62
Глава 2. Математическая модель электрогидродинамических течении в слабопроводящих средах 68
2.1. Решение уравнений Лапласа и Пуассона 68
2.2. Основы метода конечных разностей 69
2.3. Модель распределения потенциала 71
Выводы по главе 2 78
Глава 3. Исследование воздействия электрического поля на гидродинамические характеристики процесса разрушения эмульсии 79
3.1. Методика проведения расчетов 79
3.2. Моделирование процесса электрокоалесценции капель воды в нефти при различной геометрии электродов 82
3.3. Влияние гидродинамических параметров на процесс слияния капель воды в нефти 93
Выводы по главе 3 99
Глава 4. Практические рекомендации по внедрению результатов исследования 100
Выводы по главе 4 107
Основные выводы и практические результаты работы Список использованной литературы 110
Приложение 1. Акт внедрения в ОАО «Средневолжский научно исследовательский институт по нефтепереработке» 121
Приложение 2. Акт внедрения в ООО «Агентство инженерно экологического проектирования» 122
Приложение 3. Акт о внедрении в учебный процесс 123
Приложение 4. Справка об использовании результатов НИР 125
- Конструкция, эксплуатация и перспективы применения электрокоалесценторов
- Физические основы процесса дегидратации нефтяных эмульсий
- Моделирование процесса электрокоалесценции капель воды в нефти при различной геометрии электродов
- Практические рекомендации по внедрению результатов исследования
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В процессе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов образуется большое количество водонефтяных эмульсий. Попадая в окружающую среду, они загрязняют поверхностные и подземные воды, изменяют состав почв.
После разделения водонефтяных эмульсий на воду и нефтепродукты, вода может быть использована для технологических нужд, а нефтепродукты после их дегидратации вторично использованы. Это позволит добиться существенной экономии водных ресурсов и снизить антропогенное воздействие объектов нефтехимических отраслей промышленности на окружающую среду. В связи с этим актуальна разработка эффективных технологий разделения водонефтяных эмульсий и извлечения из них нефтепродуктов с разработкой соответствующих инженерных решений по защите окружающей среды.
Существующие механические, термические и физико-химические способы разрушения водонефтяных эмульсий являются затратными и не всегда позволяют достичь необходимого качества очищаемой воды и извлекаемых нефтепродуктов.
Перспективным методом разделения водонефтяных эмульсий является разрушение их в электрическом поле. Исследованиям в данном направлении посвящены работы Frederick G. Cottrell, Harmon F. Fisher, Гуреева A.A., Левченко Д.Н., Мартыненко А.Г., Панченкова Г.М., Цабека Л.К., Гершуни С.Ш., Проскурякова В.А., Смирнова О.В., Апфельбаума М.С., Буткова В.В., Дритова Л.А., Таранцева К.В.
Параметрами, влияющими на разделение водонефтяных эмульсий, являются: скорость и режим течения эмульсии, дисперсный состав, напряженность электрического поля, электропроводность, вязкость, плотность, поверхностное натяжение на границе раздела жидкостей, форма и размеры электродов и рабочей зоны и др.
Для повышения эффективности разделения водонефтяных эмульсий необходимо проведение исследований по определению степени влияния гидродинамических и электрофизических факторов на эффективность процесса электродегидратации с целью разработки электродегидраторов (аппаратов для разделения водонефтяных эмульсий) и совершенствования методов проектирования технологических систем разделения водонефтяных эмульсий.
Цель работы: установление закономерностей процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и определение оптимальных параметров процесса электродегидратации с разработкой на их основе технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий и конструкции электродегидратора.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
1. Анализ существующих методов разделения водонефтяных эмульсий для выбора эффективного метода разрушения эмульсий и разработки инженерных решений по защите окружающей среды на его основе.
Установление закономерностей процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и определение оптимальных параметров процесса электродегидратации.
Моделирование процесса электрогидродинамического разрушения эмульсий с целью выбора оптимальных инженерных решений по схеме разделения водонефтяных эмульсий и конструкции электродегидратора.
Разработка технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле.
Разработка электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами.
Объект исследования: водонефтяные эмульсии, образующиеся в ходе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов.
Предмет исследования: электрогидродинамический метод разделения водонефтяных эмульсий и инженерные решения на его основе по конструктивному оформлению процесса и технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий.
Методы исследования: в ходе работы над диссертацией были использованы натурные испытания, численное моделирование с использованием пакета COMSOL, регрессионный анализ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлены закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии.
Впервые создана математическая модель слияния капель в электрическом поле, позволяющая определить зависимость времени от гидродинамических (формы и размеров электродов, конфигурации рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических (напряженности электрического ПОЛЯ, частоты приложенного тока) параметров рабочих сред.
Созданы математические модели для определения оптимальных режимов электродегидратации как вновь создаваемых, так и существующих электродегидраторов, позволяющие моделировать происходящие в них процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.
Практическую значимость работы составляют:
Результаты моделирования процесса слияния капель воды в электрическом поле, позволяющие определять оптимальные параметры процесса электродегидратации водонефтяных эмульсий.
Технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле на основе полученных закономерностей.
Разработанные конструкции электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами
Рекомендации по организации процессов в электродегидраторах с целью повышения степени разделения эмульсий в электрическом поле без дополнительных затрат.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментальных исследований и численного моделирования процесса слияния капель воды, позволяющие определить степень влияния на процесс электродегидратации следующих параметров: формы; размеров рабочей зоны; скорости течения эмульсии; напряженности электрического поля; частоты приложенного тока и разработать новые конструкции электродегидраторов.
Установленные закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии.
Математические модели, описывающие влияние гидродинамических параметров и электрофизических свойств эмульсий на процесс их разрушения в электрическом поле, и позволяющие моделировать происходящие в электродегидрато-рах процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.
Инженерные решения по изменению гидродинамических условий и структуры электромагнитного поля в аппаратах для разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле с учетом результатов моделирования.
Технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле на основе полученных закономерностей.
Разработанные конструкции электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами и рекомендации по выбору режимов их работы.
Регрессионная модель, описывающая влияние гидродинамических (формы и размеров рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) параметров эмульсий на процесс их электродегидратации.
Реализация результатов работы.
Теоретические и практические результаты работы диссертации используются: в ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке" при проведении экспериментальных исследований, конструкторских и технологических расчетов; в ООО "Агентство инженерно-экологического проектирования" для моделирования процессов в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств с помощью численных методов и математических моделей; в учебном процессе Пензенской государственной технологической академии, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием современных методов исследования, результатами практического использования предложенных в диссертации методов и устройств, актами об использовании и внедрении результатов работы, а также апробацией работы на конференциях различного уровня.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и образования" (2008, Пенза); VII Всероссийской научно-методичес-
кой конференции "Инновации в науке, образовании и бизнесе: Технические науки, экология и защита в ЧС" (2009 г., Пенза); II Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" (2010 г., Санкт-Петербург); Международной научно-практической конференции "Молодёжь. Наука. Инновации" (2010 г., Пенза); IV Научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и образования" (2011 г., Пенза).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 - в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 134 наименований. Основное содержание диссертации включает 125 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 7 таблиц, 4 приложения на 5 с.
Благодарность. Автор и научный руководитель выражают благодарность Стишкову Юрию Константиновичу, доктору физико-математических наук, профессору физического факультета, заведующему лабораторией электрогидродинамики Научно-исследовательского института радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета и его сотрудникам за консультации в процессе создания математических моделей и предоставленную возможность проведения расчетов в среде COMSOL.
Конструкция, эксплуатация и перспективы применения электрокоалесценторов
Принцип работы электрокоалесценторов заключается в следующем. Между заземленным электродом и электродом, на который подается высокое напряжение, создается рабочая зона. В этой зоне капли воды приобретают заряды и, сталкиваясь между собой, сливаются и увеличиваются в размерах. Обработанная нефть из коалесцентора направляется в осадительный резервуар, где крупные капли выпадают на дно, образуют слой воды, который удаляется по отводящим трубам. Очищенная нефть скапливается в верхней части резервуара, откуда затем удаляется для дальнейшей обработки. Процесс прекращается, если происходит короткое замыкание электродов, поэтому для надежной работы аппарата необходимо сохранить диэлектрический барьер между электродами.
Первое практическое применение электростатических полей для обезвоживания эмульсий сырой нефти и первое решение этой проблемы было предложено Frederick Gardner Cottrell [80] (рисунок 6).
Принцип электрической дегидратации, предложенный Frederick Gardner Cottrell [80], является основой большинства запатентованных в дальнейшем конструкций и заключается в следующем: если тонкий слой эмульсии воды в нефти поместить в емкость и опустить туда два электрода, выбрав при этом расстояние между ними значительно больше, чем то, на котором наблюдается короткое замыкание, то под микроскопом можно наблюдать, как капли воды в нефти начинают выстраиваться в структуры, простирающиеся от одного электрода к другому. К цепочке капель, в основном на свободном конце, притягиваются новые капельки, а капли, самые близкие к электроду, укрупняются. Процесс происходит и в постоянном и в переменном поле, но в практических случаях последнее имеет ряд преимуществ. Постоянный ток используется для случая, где на образование цепочки капель жидкости от одного электрода до другого расходуется менее секунды. Катафорез, т.е. течение жидкости вдоль наиболее интенсивных силовых линий поля, разрушает цепь капель, предотвращая их формирование и соединение.
На рисунке 6 показана предложенная установка [80]. Водонефтяная эмульсия поступает по трубопроводу Р, нагревается до температуры обеспечивающей ее требуемую вязкость инжекцией острого пара по трубопроводу Q. Другое входное отверстие V служит для введения или уже очищенной нефти, или отделенной воды, или просто воды. Смесь входит в верхнюю часть корпуса через форсунки Рх, Р2, Р3 и Р4, установленные по касательной. Вводимая таким образом эмульсия течет вниз через кольцевое пространство вокруг внутреннего электрода, где в основном и происходит электрическая обработка и выводится из нижней части аппарата через трубу D, имеющую достаточно большой диаметр, чтобы обеспечить медленный поток без перемешивания, которое могло бы повторно превращать в эмульсию отделившиеся жидкости. Труба D направляет поток в нижнюю часть резервуара Е. Здесь осуществляется заключительное разделение нефти и воды. Вода вместе с любыми другими загрязнениями выводится через трубопровод F, а очищенная нефть - через сливное устройство G, которое позволяет регулировать положения границы раздела вода - нефть в пределах резервуара. Причем уровень в резервуаре Е определяет уровень в корпусе А.
Корпус А электрокоалесцентора выполнен в виде конуса, расширяющегося вверх, чтобы предотвратить возможность воды собираться в поверхностных слоях и короткое замыкание электродов. Активная часть электродов глубоко погружена в нефть при обработке. Граница раздела непрерывно возобновляется и размешивается притоком свежей нефти, которая является лучшим изолятором, чем та, что находится на стадии образования цепочек в более глубоких слоях жидкости. Нисходящее вращающееся движение потока между активными электродами предотвращает опасность коротких замыканий между электродами.
Принцип действия конструкции Cottrell и последующих ее модификаций был основан на предположении, что эмульсия является множеством электрических конденсаторов, электродами которых являются капли воды, а диэлектрическим слоем служит непрерывная нефтяная фаза. Под влиянием переменного электрического поля высокой напряженности заряженные капли воды разрывают окутывающие их адсорбционные пленки и сливаются, формируя большие скопления (агломераты). Последующая регистрация протекающих процессов на кино- и фотопленку подтвердила это предположение.
Изобретение Frank М. Seibert и John D. Brady [61] основано на применении постоянного тока. Авторами предложено расслоение эмульсий с малым потреблением энергии с использованием катафореза.
Часть нефти, предварительно отделенную от смеси нагреванием, отстаиванием или осаждением в центробежном поле, и оставшуюся эмульсию подавали между двумя электродами, подключенными к источнику постоянного тока. Под действием сил электрического поля нефть перемещалась к одному полюсу, в то время как капли воды - к другому. Эмульсия воды в нефти имеет относительно высокое сопротивление, но как только происходило разделение и формировались капли воды достаточного размера, возникали условия для короткого замыкания. Электролиза стремились избегать, поскольку это приводило к потери мощности, коррозии электродов, нагреву и изменению состава нефти.
Электрокоалесцентор был выполнен в виде короткой трубы закрепленной концентрически в трубе большего диаметра, обе трубы были изолированы друг от друга (рисунок 7,а). Внешняя и внутренняя трубы связаны с источником постоянного тока. Эмульсия перемещалась между внутренней и внешней трубами и проходила обработку электрическим полем. Отделившаяся нефть удалялась через внутреннюю трубу, в то время как вода, или соляной раствор, и грязь выходили из внешней трубы. Можно было использовать вместо пары цилиндрических труб два концентрических конических элемента (рисунок 7,6), которые позволяли бы регулировать расстояние между электродами, а, следовательно, и напряженность электрического поля.
В патентах Harmon F. Fisher [65 - 68] предлагалось создать барьерный слой относительно обезвоженной нефти между электродами, а электроды электрокоалесцентора изготовить такой формы, чтобы электрическое поле в рабочей зоне между электродами было существенно неоднородным.
В работе [65] автор предлагает конструкцию электрокоалесцентора (рисунок 8), в котором для предотвращения образования структур из капель воды и электрического пробоя рабочего пространства используется объем циркулирующей обезвоженной нефти с температурой выше поступающей эмульсии.
Эмульсия, поступающая по трубе 16, имеет температуру ниже, чем температура нефти, образующей диэлектрический барьер между электродами. Обезвоженная нефть вводится в аппарат и разогревается до подачи эмульсии. Из-за разности плотностей в аппарате происходит циркуляция обезвоженной нефти, показанная стрелками. Обработанная эмульсия выводится по трубе 57 в отстойник 56, где завершается процесс разделения эмульсии на нефть и воду.
Физические основы процесса дегидратации нефтяных эмульсий
Современные исследования позволяют утверждать, что механизм проводимости жидких диэлектриков является ионным и жидкие диэлектрики являются слабыми неводными электролитами. Контактные процессы на границе электрод - жидкость, с точки зрения ионизационно-рекомбинационного механизма зарядообразования, рассмотрены в работах [54,56 - 58,93]. В соответствии с традиционными представлениями о зонном механизме проводимости полупроводников и диэлектриков для жидкого состояния, не обладающего кристаллической структурой, однако сохраняющего ближний порядок взаимодействия между молекулами, зонные представления вводятся для отдельных групп молекул, объединенных внутримолекулярными связями. Но и для вещества с неупорядоченной структурой энергетические зоны оказываются несколько сдвинутыми относительно друг друга. У жидкого диэлектрика энергетическая величина запрещенной зоны остается много больше энергии теплового движения, поэтому избыточный электрон, оказавшийся в той или иной группе молекул достаточно долгое время остается связанным и в объеме жидкости имеет место ионная, а не электронная, или дырочная проводимость.
Поскольку токопрохождение через жидкий диэлектрик обычно не сопровождается растворением электродов или осаждением на них веществ, новообразование протекает по окислительно-восстановительному механизму. На границе раздела металл - диэлектрик, а также металл - электролит образуется заряженный слой, обусловленный различием работы выхода электрона из контактирующих веществ. Прохождение электрического тока через контактный слой на границе металл - диэлектрик сопровождается туннели-рованием электронов через барьер.
Автором [85] показаны два существенно отличных типа объемно-зарядовой поляризации органических жидкостей. В одних жидкостях в процессе прохождения тока формируется униполярный отрицательный объем ный заряд, а в других - униполярный положительный объемный заряд. Установлено характерное для функциональных производных жидких углеводородов свойство терять электрическую нейтральность в процессе прохождения тока вследствие формирования униполярного объемного заряда, представляющего по существу электростатический домен. Установлено, что электростатический домен формируется с момента наложения электростатического поля вплоть до установления стационарного значения тока.
В соответствии с теорией Гуи - Чепмена пространственное построение двойного слоя в водных растворах [43] следующее: в формировании поверхностного заряда существенную роль играет специфика поверхности, проявляющаяся либо в наличии ионогенных групп, либо в специфичности адсорбции ионов, а механизм формирования компенсирующего слоя ионов осуществляется за счет сил электростатического притяжения к поверхностному заряду, т.е. носит физический характер. Причем ионы, непосредственно прилегающие к поверхности, находясь в мощном силовом поле последней, не способны к перемещению вдоль нее, так что в электрокинетических явлениях принимает участие лишь часть ионов диффузионного слоя.
Согласно модели Штерна двойной слой делится на две части - внутреннюю и внешнюю. При этом во внешнем районе адсорбционные силы и конечный размер ионов игнорируются, что позволяет воспользоваться теорией Гуи. Внутренний район - это адсорбционный мономолекулярный слой ионов, который Штерн описывает на основании теории мономолекулярной адсорбции на активных центрах, обобщенной для случая ионов.
Считается [33], что штерновский слой - это слой хемосорбированных ионов. Подобно первичному слою, связанному с малыми катионами и анионами в объеме электролита на заряженных поверхностях должен быть гид-ратный слой, в котором адсорбированные молекулы воды имеют преимущественную ориентацию. Гидратированные катионы не способны проникать в гидратные слои на поверхности электрода, и центры адсорбированных катионов находятся на расстоянии от поверхности. На сегодняшний день трудно осуществить выбор между различными моделями, характеризующими надмолекулярную структуру воды. Однако общим для всех теорий является вывод о наличии относительно крупномасштабных флуктуации в воде и других ассоциированных жидкостях, и эти флуктуации в особенности проявляются вблизи поверхностей раздела.
Разрушение водонефтяной эмульсии электрическим полем представляет собой сложный процесс и зависит от многих факторов: диэлектрической проницаемости и электропроводности воды и нефти, от поверхностного натяжения на границе фаз, вязкости нефти, характера и величины электрического поля и т. д. [41,44,59].
Одиночная капля воды в нефти под влиянием поверхностного натяжения приобретает форму, при малых размерах близкую к форме шара. Такая форма обусловливается капиллярным давлением, которое можно рассчитать по формуле [41,59]: где о - поверхностное натяжение на границе раздела фаз; г - радиус капли.
Согласно (1.1), чем меньше радиус капли, тем больше давление поверхностного натяжения, стягивающего ее, и тем устойчивее ее шаровая форма.
При внесении взвешенной в нефти капли воды в электрическое поле поведение капли будет зависеть не только от ее электропроводности и избыточного электрического заряда, но и от того, является ли поле постоянным или переменным, однородным или неоднородным.
Под действием однородного постоянного электрического поля сферическая капля поляризуется и вытягивается в эллипсоид вращения, внутри которого также возникает электрическое поле. Поляризация капли объясняется тем, что молекулы воды, представляя собой жесткие диполи со значительно смещенными центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов, отличаются большой полярностью. Под влиянием внешнего поля молекулы воды стремятся повернуться таким образом, чтобы векторы их дипольных моментов совпали по направлению с силовыми линиями поля. Эта ориентация тем более полная, чем сильнее электрическое поле и чем слабее тепловое движение молекул, т. е. чем ниже температура [41,59].
Несмотря на поляризацию, любой элемент объема капли, содержащий достаточно большое число молекул, остается нейтральным. Это обусловлено взаимной компенсацией противоположных по знаку зарядов диполей, расположенных один возле другого. Однако в тонких слоях у поверхности капли часть поверхности, в которую входят силовые линии внешнего поля, имеет избыток отрицательных зарядов. У противоположной поверхности, из которой выходят силовые линии, возникает избыточный положительный заряд.
Таким образом, на противоположных участках поверхности капли возникает скопление избыточных зарядов: отрицательных - на входе силовых линий, положительных - на выходе.
Следовательно, каплю в целом можно рассматривать как большой упругий диполь, момент которого увеличивается с повышением напряженности электрического поля. Силы поля, действующие на противоположные заряды диполя, равные по величине и направленные в противоположные стороны, стремятся увеличить расстояние между разноименными поляризационными зарядами, приводя этим самым к вытягиванию капли вдоль силовых линий поля. Чем выше напряженность электрического поля, тем более вытянутой становится капля, а при достаточно высокой напряженности поля силы, вытягивающие каплю, становятся настолько большими, что в состоянии разорвать ее в средней части, преодолев силы поверхностного натяжения.
Согласно расчетам [59], критическая напряженность внешнего электрического поля, при которой капля разрывается, равна: где А постоянная, равная для одиночной капли 0,38, а для эмульсии обводненностью 20 % она равна 0,4; є - усредненная диэлектрическая проницаемость.
Моделирование процесса электрокоалесценции капель воды в нефти при различной геометрии электродов
Компьютерное моделирование процесса слияния капель воды в нефтепродукте под воздействием электрического поля проводилось на модели, созданной в среде COMSOL Multiphysics, включающей в себя 2 модуля: AC/DC Module и Microfluidics Module. AC/DC Module предназначен для моделирования электромагнитных процессов как постоянного, так и переменного тока. Он позволяет моделировать постоянное и переменное электрическое поле в рабочей зоне различной формы и размеров, определять распределение в пространстве и времени таких параметров, как электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Microfluidics Module содержит приложения, описывающие динамику потока, как в однородной, так и в многофазной жидкости в рабочей зоне под действием различных объемных сил.
Моделирование процесса электрокоалесценции выполнено на основании уравнений Навье - Стокса и неразрывности потока, описывающих течение несжимаемой жидкости между электродами [115,116,122,124,126], для схемы, изображенной на рисунке 36.
Согласно результатам численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти, протекающей по каналу постоянного сечения, контакт капель воды при отсутствии электрического поля происходит на 0,08 секунде. После создания поля с разностью потенциалов 5 кВ этот процесс за время, рассчитанное в модели, не наблюдается и характер движения капель указывает на расхождение их траекторий. После создания постоянного электрического поля с разностью потенциалов 7 кВ этот процесс наблюдается на 0,04 секунде, но при этом явно присутствует образование структуры между электродами, что на физической модели приведет к замыканию электродов. После создания переменного электрического поля с разностью потенциалов 7 кВ и частотой 100 Гц этот процесс наблюдается на 0,04 секунде, но при этом образование структуры между электродами отсутствует, что на физической модели позволит избежать замыкания электродов. На рисунках 43 и 44 представлены результаты численного моделиро вания процесса коалесценции капель воды в нефти, протекающей по каналу разной формы. Моделирование проведено для двух капель воды диаметром 3,2 мм и 2,4 мм между электродами, расходящимися под углом 20 градусов и сходящимися под углом 20 градусов.
Результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти, протекающей по каналу с углом раскрытия 20 градусов диффузора и 20 градусов конфузора. В замедляющемся потоке крупная капля отстает от мелкой капли, кроме того их несколько растаскивает друг от друга, а в ускоряющемся потоке крупная капля догоняет мелкую каплю и сжимающийся поток их сближает. Эти гидродинамические явления способствуют процессы сближения, а затем и слияния капель.
На рисунках 45 и 46 представлены результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти, протекающей по каналу разной формы при разности потенциалов между электродами 5кВ. Моделирование проведено для двух капель воды диаметром 3,2 мм и 2,4 мм, перемещающимися между электродами расходящимися под углом 20 градусов, и сходящимися под углом 20 градусов.
На рисунках 47 и 48 представлены результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти, протекающей по каналу, при разности потенциалов между электродами 7 кВ. Моделирование проведено для коалесценции двух капель воды диаметром 3,2 мм и 2,4 мм между электродами расходящимися с углом 10 градусов, и сходящимися под углом 10 градусов.
На рисунках 49 и 50 представлены результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти, протекающей по каналу, при разности потенциалов между электродами 5 кВ и частоте электрического поля 50 Гц. Моделирование проведено для коалесценции двух капель воды диаметром 3,2 мм и 2,4 мм, между электродами расходящимися под углом 20 градусов и сходящимися под углом 20 градусов.
На рисунках 51 и 52 представлены результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти, протекающей между электродами, выполненными в форме трубы Вентури, при различной напряженности приложенного электрического поля.
Для слияния мелких водных капель требуется напряжение электрического поля выше критического, достаточного для создания электростатиче ских сил, способных преодолеть силы отталкивания капель. Однако дальнейшее увеличение напряжения приведет к увеличению электростатических сил, которые могут вызвать диспергирование капель. Поэтому прикладываемое напряжение должно быть выше уровня напряжения разрыва капелек, но ниже начала диспергирования. Этот диапазон напряжения можно считать рабочим диапазоном для процесса электродегидрирования.
Таким образом, использование электрического поля существенно интенсифицирует процесс разрушения водонефтяных эмульсий. Существуют оптимальные значения напряженности электрического поля и формо-размеров электродов для обработки эмульсий. Результаты численного моделирования показывают на целесообразность применения электродов типа трубы Вентури для разрушения эмульсии в электрическом поле.
Практические рекомендации по внедрению результатов исследования
На основе проведенных расчетов были предложены способы модернизации существующих горизонтальных электродегидраторов и разработана новая конструкция электродегидратора с двумя зонами контакта фаз, которые предлагается внедрить в уже существующую технологическую схему обезвоживания (обессоливания) нефти.
Существующая аппаратурно-технологическая схема обессоливающей установки (ЭЛОУ) представлена на рисунке 58. Электрообессоли-вающие установки проектируют двухступенчатыми: в электродегидрато-рах I ступени удаляется 75 - 80 % (масс.) соленой воды и 95 - 98 % (масс.) солей, а в электродегидраторах II ступени - 60 - 65 % (масс.) оставшейся эмульсионной воды и примерно 92 % (масс.) оставшихся солей. Число устанавливаемых электродегидраторов при двухступенчатом обес-соливании зависит от объема и качества (т. е. содержания воды, солей и стойкости эмульсий) обрабатываемой нефти, от типа и производительности аппарата. Для современных электрообессоливающих установок проектируют только горизонтальные электродегидраторы.
Преимуществами горизонтальных аппаратов являются: большая площадь электродов, следовательно, и большая удельная производительность (объем нефти на единицу сечения аппарата); меньшая вертикальная скорость движения нефти, а значит, и лучший отстой воды; возможность проведения процесса при более высоких температурах и давлениях.
Эксплуатация электродегидраторов связана с определенными трудностями. Электродегидраторы чувствительны к изменению состава сырья, обводненности, скачкам производительности. Особенно трудно поддерживать электрический режим при обессоливании нефтей, образующих устойчивые эмульсии. Во многих случаях качество обессоливания нефти на НПЗ не отвечает современным требованиям.
При выборе оптимальной конструкции электродегидратора необходимо учитывать гидродинамические параметры (форму и размеры электродов, скорость прохождения эмульсией рабочей зоны), электрофизические параметры (напряжение, частота, сила тока, полярность электродов); назначение (обезвоживание "сухого" или "влажного" нефтепродукта).
В случае первичного разрушения эмульсии система чаще всего полидисперсная с высоким содержанием воды, причем необходимо учитывать наличие крупных включений. Рационально произвести первичное обезвоживание другим способом, а затем, используя несколько ступеней электрогидродинамической обработки с промежуточным отстаиванием, добиться требуемой степени обезвоживания. От ступени к ступени изменяется расстояние между электродами и напряженность в зоне электрокоалесцировамия.
Для получения напряженности поля более 20 кВ/см (при напряжении питания 20 кВ) необходимо, чтобы между плоскими электродами было расстояние менее 1 см. В этом случае даже капля диаметром 3-5 мм достаточна для замыкания электродов. Чтобы создать такую напряженность при расстоянии между электродами, достаточном для слияния капель без замыкания электродов, нужно сильно неоднородное поле.
Предложены варианты модернизации для наиболее распространенных в РФ горизонтальных электродегидраторов с плоской системой электродов (рисунки 59).
Предложено в дополнение к существующей плоской системе электродов устанавливать дополнительную - состоящую из конфузора и диффузора (рисунок 60). Это позволит увеличить степень разрушения эмульсии при малых затратах.
Допускается их дополнительная установка к существующей плоской системе электродов, т.е. организация двухступенчатого процесса разделения водонефтяной эмульсии.
Практика показывает, что в существующих конструкциях электродегидрато-ров (рисунок 59) после прохождения зоны разрушения в эмульсии все еще остается большое количество воды, т.е. не всегда достигается требуемая степень обезвоживания. Кроме того, в данных аппаратах сложно поддерживать характеристики электрического поля, в связи с непостоянством свойств поступающей в аппарат нефти, связанным с различной степенью ее обводненности.
При высокой обводненности нефти первичное обезвоживание рационально произвести другим способом, а затем, используя несколько ступеней электрогидродинамической обработки с промежуточным отстаиванием, добиться требуемой степени обезвоживания, меняя от ступени к ступени расстояние между электродами и напряженность в зоне электрокоалесцирования.
Анализ используемых в мировой практике для разделения водонефтя-ных эмульсий форм и размеров электродов, позволил выбрать для конструктивного воплощения элсктрокоалесценторы с системой электродов, подобной трубе Вентури.
На основе произведенных расчетов предложено в существующих элек-тродегидраторах в дополнение к плоской системе электродов установить электроды, образующие каналы для прохождения нефти вначале через кон-юзфузор, затем через зону постоянного сечения и, на последнем этапе, через диффузор, и организовать процесс с возвратом части выходящего потока сухого нефтепродукта. Это позволило изменить структуру потоков в электро-дегидраторе и увеличить степень обезвоживания нефтепродукта. Результаты расчета электрического поля для существующей конструкции электродегид-ратора представлены на рисунке 61.
На рисунке 62 показано поле скорости течения жидкости, рассчитанное для модернизированного варианта. В указанных условиях наблюдаются высокая напряженность электрического поля и благоприятные условия для слияния капель силами электрического поля, а возникающие при этом дополнительные электрогидродинамические течения существенно интенсифицируют процесс. Однако при малых скоростях в данной системе электродов эмульсия продавливается снизу вверх лишь при превышении скорости поступающей через верхние форсунки эмульсии выше 50 мм/с. В этих условиях начинается необходимое для нормальной работы конструкции течение эмульсии между электродами сверху вниз.
