Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Обзор теоретических исследований объемов накопления, причин и источников образования, физико-химических свойств вторичного углеводородного сырья 12
1.2 Анализ современных методов утилизации и обезвоживания нефтесодержащих отходов (нефтешламов) 17
1.3 Обзор способов и аппаратов, применяемых для разделения водонефтяных эмульсий 20
1.4 Обзор теоретических исследований процессов течения неньютоновской жидкости по поверхности центробежных насадок 22
1.5 Обзор процессов диспергирования жидкостей в центробежном поле и конструкций распыливающих устройств 38
1.6 Постановка задачи 45
Глава 2 Теоретические исследования процесса центробежной фильтрации вторичного углеводородного сырья 46
2.1 Физическая модель процесса 46
2.2 Математическая модель процесса 51
2.3 Анализ математической модели 59
2.4 Растекание капли нефтешлама по поверхности жидкости (воды) 83
2.5 Определение основных гидродинамических параметров центробежной проницаемой криволинейной насадки 90
Вывод по главе 2 92
Глава 3 Экспериментальные исследования. Проверка адекватности математической модели 93
3.1 Экспериментальное исследование реологического уравнения состояния вторичного углеводородного сырья 93
3.1.1 Требования к экспериментальной установке 94
3.1.2 Описание экспериментальной установки 95
3.2 Проверка адекватности реологической модели и полученных экспериментальных данных 103
3.3 Сравнение результатов расчетов математической модели с экспериментальными данными 107
Вывод по главе 3 114
Глава 4 Методика инженерного расчета центробежной фильтрационной установки криволинейной формы 115
4.1 Алгоритм инженерного расчета центробежной фильтрационной насадки с криволинейным профилем и переменной проницаемости 117
4.2 Энерго — экономические расчеты применения центробежной проницаемой насадки с криволинейным профилем и переменной проницаемостью для разделения структуры нефтешлам-вода 125
Вывод по главе 4 132
Заключение по работе 133
Библиографический список 134
Приложение 151
- Анализ современных методов утилизации и обезвоживания нефтесодержащих отходов (нефтешламов)
- Растекание капли нефтешлама по поверхности жидкости (воды)
- Проверка адекватности реологической модели и полученных экспериментальных данных
- Энерго — экономические расчеты применения центробежной проницаемой насадки с криволинейным профилем и переменной проницаемостью для разделения структуры нефтешлам-вода
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из существенных источников загрязнения окружающей среды являются нефтешламы. В то же время они являются источником углеводородного сырья, т.к. в них содержится 50–60% чистой нефти.
Существуют технологические проблемы в процессах разделения нефтешламов, которые представляют собой структурированные жидкости с неньютоновскими свойствами. По данным ВолгоградЛУКОЙЛа ежегодно на предприятиях отрасли образуется 400–450тыс. тонн нефтешлама, а суммарный их объем, накопленный в шламоотстойниках по России, составляет около 7,6 млн. тонн. Обычно нефтешлам представляет собой структурную систему вода в нефти (1020 – 9080%), которую возможно расслоить только при высоких напряжениях: например с помощью вибрации или скорости деформации. В данной работе предложено разрушать эту структуру напряжениями, воздействующими при центробежной фильтрации на неньютоновскую жидкость, текущую по поверхности вращающейся проницаемой криволинейной насадки.
Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты химических производств» ГОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета по тематическому плану НИР, проводимой по заданию Федерального агентства по образованию №01200500650 (теме №1.121.04 «Разработка теоретических основ процессов разделения неоднородных систем») и по заказам промышленных предприятий г. Волгограда.
Цель работы. Целью работы является разработка физической и математической моделей, алгоритмов, программ и методики инженерного расчета основных гидродинамических параметров центробежного течения неньютоновских жидкостей на проницаемых насадках произвольной формы для интенсификации процессов разделения вторичного углеводородного сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ методов, связанных с разрушением структуры нефтешламов и математических моделей течения вторичного углеводородного сырья, обладающего неньютоновскими свойствами;
- физическое и математическое моделирование течения неньютоновской жидкости по поверхности центробежной, проницаемой насадки произвольной формы;
- анализ дифференциальных уравнений течения и неразрывности с переходом на численные методы расчетов кинематических, динамических и энергетических характеристик центробежной фильтрации неньютоновской жидкости на центробежных насадках с произвольным профилем;
-экспериментальное определение реологических свойств вторичного углеводородного сырья;
-проверка математической модели на адекватность;
-разработка алгоритмов и программ для расчета и оптимизации центробежного течения неньютоновских жидкостей по поверхности с различным профилем и степенью проницаемости;
-разработка инженерной методики расчета процесса центробежной фильтрации неньютоновской жидкости на проницаемой насадке криволинейной формы.
Положения, выносимые на защиту:
1.Физическая модель разрушения структуры нефтешламов при центробежной фильтрации на насадках произвольного профиля с изменяющейся проницаемостью.
2.Математические модели, алгоритмы и программы для расчета течения и фильтрации нефтешламов, как структурированной системы неньютоновской жидкости в центробежном поле на проницаемых насадках произвольной формы.
3.Инженерная методика расчета геометрических размеров и технологических параметров течения жидкости по поверхности криволинейных проницаемых насадок.
Научная новизна:
1. Разработаны математические модели, в которых рассматриваются течения нелинейно–вязкой жидкости по поверхности проницаемой насадки, с новыми граничными условиями и уравнением фильтрации, что позволяет создать более эффективный метод для разделения вторичного углеводородного сырья от мелкодисперсной воды.
2. Разработаны алгоритмы и программы для расчета течения нелинейно–вязкой жидкости по насадке с изменяющейся проницаемостью и произвольным профилем.
3. Разработана методика инженерного расчета центробежных проницаемых насадок с различным профилем поверхности, позволяющая автоматизировать процесс выбора необходимой насадки и ее оптимальных режимов работы.
Практическая ценность. Полученные математические модели, алгоритмы и программы расчетов использованы на трех предприятиях, использующих разработанную методику инженерного расчета вышеназванных насадок и позволяют оптимизировать технологические режимы эксплуатации (акты внедрения приложены в диссертации) и может быть использована в ВУЗах, проектных и научно-исследовательских организациях, КБ предприятий, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой, микробиологической промышленности и других отраслей производства, в том числе в экологические процессы вторичного извлечения полезных компонентов из нефтешлама. Для в каждого конкретного случая необходимо проводить исследования реологических свойств перерабатываемых сред.
Предложен эффективный метод разделения нефтешламов как неньютоновских жидкостей, основанный на предварительной их обработке касательными напряжениями(скоростями деформации), и позволяющий после разрушения структуры избавиться от находящейся в нефтешламе мелкодисперсной воды.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: 8-я Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, 2003г., г. Волгоград; 11-я Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии», 2006г., г. Самара; 2-я Межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов «Теория, практика и перспективы развития современного сервиса», 2007г., г. Волгоград; Международная конференция «Информационные технологии в образовании, технике и медицине», 2009г., г. Волгоград.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 5 в журналах, рекомендованных ВАК, 3 в сборниках научных трудов и получен патент на полезную модель.
Все статьи написаны в соавторстве. Никулину И.А. принадлежат материалы, касающиеся литературного и патентного обзора, проведения экспериментов и обработки полученных экспериментальных результатов, корректировки математической модели под частный случай течения нелинейно-вязкой жидкости, разработки алгоритмов и программ, проведения расчетов, создание инженерной методики расчета течения жидкости по поверхности криволинейной проницаемой центробежной насадки.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 155 источников и приложений. Содержание диссертации изложено на 161 странице машинописного текста, включая 36 рисунков и таблиц.
Анализ современных методов утилизации и обезвоживания нефтесодержащих отходов (нефтешламов)
В конце 19-го и в первой половине 20-го столетия общепринятыми способами утилизации нефтяных шламов были следующие [157]: сжигание слоя плавающей в амбарах нефти с дальнейшей технической рекультивацией амбара. В некоторых случаях перед рекультивацией жидкая часть содержимого амбара откачивалась на рельеф местности; естественное (биохимическое) разложение путем "разбрасывания" нефтяного шлама на поверхность почвы или откачки на поля орошения; компостирование, заключающееся в перемешивании нефтешлама с различными наполнителями (торф, солома, древесная стружка, щепа, почва и др.), что ускоряет процесс биохимического разложения нефти; захоронение шлама в самом амбаре или в специально отведенном месте, в том числе на промышленных и бытовых свалках.
Представленная ниже сводная таблица 1.3 всех существующих на данный момент методов утилизации и очистки нефтешлама показывает их преимущества и недостатки, а также неспособность их решить задачу по выделению мелкодисперсной воды, которая находится в нефтешламе, и оказывает негативное влияние на человека и экологию в целом.
Во всех известных до настоящего времени промышленных процессах обезвоживания и обессоливания нефтешламов основным оборудованием является аппарат для разделения водонефтяной эмульсии [120]. Разделение происходит путем отстаивания эмульгированной воды. Попадая в нижнюю часть аппарата, капли переходят в сплошной слой воды, так называемую дренажную воду, которую выводят из аппарата. В процессе осаждения на границе раздела фаз нефть - вода капля как бы останавливается и, в зависимости от ее размеров, величины межфазного натяжения и чистоты межфазной поверхности, может в течение длительного времени (от секунд до десятков минут) «жить» на этой границе до момента коалесценции со сплошной фазой [35, 36, 54]. При таком замедлении движения капель они накапливаются выше границы раздела фаз, образуя эмульсионный промежуточный слой, концентрация воды в котором может быть значительно выше концентрации исходной эмульсии.
Коалесценция в процессе разделения эмульсии необходима. Именно она обусловливает переход оседающих капель через границу раздела фаз. Чем слабее коалесценция, тем больше высота эмульгированного промежуточного слоя. Начиная с некоторого ее значения, верхняя часть этого слоя начнет захватываться потоком и выносится из аппарата вместе с товарной нефтью, что приведет к «срыву» процесса обезвоживания.
Таким образом, скорость процесса разделения водонефтяных эмульсий в отстойнике определяется осаждением взвешенных капель и их коалесценци-ей. На скорости этих процессов влияют температура подогрева разделяемой эмульсии и добавляемые в нефть реагенты - деэмульгаторы. К управляющим параметрам можно отнести и химические вещества, называемые флокулянтами [36, 129]. Они так же, как и деэмульгаторы, способствуют коагуляции (или флокуляции) диспергированных капель, т.е. объединению их в группы, что в свою очередь приводит к ускорению процесса коалесценции. На скорость процесса коалесценции можно влиять и другими способами: применением электрических полей, коалесцирующих фильтров, ультразвука, магнитных полей и др. [54, 60, 87, 92, 129, 141]. Однако из всех этих способов при подготовке нефти применяют в основном только электрические поля и реже - коа-лесци-рующие фильтры.
Аппараты для разделения водонефтяных эмульсий с применением электрических полей называются электродегидраторами. По типу используемого напряжения их делят на электродегидраторы, работающие на напряжении промышленной частоты, и электростатические дегидраторы (или разделители), работающие на постоянном электрическом токе. В начале 50-х годов делались попытки создать высокочастотные электродегидраторы [129], однако практического применения они не нашли.
Так же, как и термохимические отстойники, электродегидраторы могут объединяться конструктивно с блоками подогрева нефти и блоками газосепарации. Такой аппарат фирмы С-Е NATCO представлен на рисунке 1.1.
Растекание капли нефтешлама по поверхности жидкости (воды)
Растекание капли нефтешлама возможно только в том случае, если работа адгезии превышает работу когезии растекающегося нефтешлама, то есть капля нефтешлама растекается, если ее межмолекулярные связи разрушаются в результате адгезии [161].
Капля нефтешлама, нанесенная на поверхность воды, в которой она не растворяется, при равновесии принимает форму линзы (рис. 2.18).
Условие равновесия в проекции на горизонтальную поверхность воды запишется в виде [55]: где G] - поверхностное натяжение нефтешлама; о 2- поверхностное натяжение воды; о"з - межфазовое натяжение на поверхности нефтешлама — вода; в і — угол между поверхностью натяжения нефтешлама и воздухом; в2 - угол между поверхностью натяжения воды и воздухом; вз - угол между поверхностью натяжения нефтешлама и водой.
Капля нефтешлама будет растекаться, если углы в].з будут стремиться к нулю. В этом случае напряжение растекания определяется из зависимости (проекция сил на ось х):
Из уравнения (2.64) следует, что растекание будет происходить, если капля мазута имеет поверхностное натяжение меньше, чем поверхностное натяжение воды, и чем выше разность поверхностных натяжений, тем легче и быстрее идет растекание.
Рассмотрим условия растекания жидкости 1 (вторичное углеводородное сырье) по поверхности жидкости 2 (вода). Эти условия сводятся к росту межфазной поверхности и поверхности растекающейся жидкости 1 на границе с воздухом (фаза 3), а также уменьшению поверхности воды 2 на границе с воздухом 3. Принимая это во внимание, изменение энергии Гиббса можно записать следующим образом [67]:
Из соотношения (2.66) следует, что уменьшение межфазного натяжения 5\2 (увеличение работы адгезии) и поверхностного натяжения нефтешлама ст способствует растеканию нефтешлама по поверхности воды. Если разность 23 — Оіз выразить через работу адгезии (уравнение Дюпре ) [66], то получим:
Таким образом, растекание капли одной жидкости по поверхности другой (первая жидкость не растворяется во второй) происходит в том случае, если работа адгезии превышает работу когезии растекающейся жидкости, т.е. жидкость растекается, если ее межмолекулярные связи разрушаются в результате адгезии.
Способность жидкости растекаться в большой степени зависит от когезии наносимой на поверхность другой жидкости. Например, многие органические вещества растекаются по поверхности воды, а вода не растекается на органических веществах, что обусловлено значительно большой когезией воды.
На поверхности ртути, имеющей большое поверхностное натяжение, почти все жидкости растекаются.
Термодинамическое условие растекания одной жидкости (ж1, нефтеш-лам) по поверхности другой жидкости (ж2, вода) аналогично условие полного смачивания гладкой поверхности твердого тела, а именно [67]: где ажуг и (тЖ2/г — поверхностное натяжение нефтешлама и воды с воздухом соответственно; вжі/ж2 — поверхностное натяжение на границе раздела жидкостей.
Для анализа смачивания жидких поверхностей часто используется размерный коэффициент растекания:
Коэффициент растекания также можно выразить через работу адгезии Wa и работу когезии W .
Если коэффициент растекания S 0, происходит полное смачивание: капля растекается по жидкой подложке, образуя в пределе мономолекулярную пленку. Если S 0, капля приобретает краевой угол и не растекается.
Наряду с коэффициентом растекания S для прогноза характера контактного взаимодействия жидкостей используется критическое поверхностное натяжение жидкости-подложки окр. Для этой цели определяют зависимость коэффициента растекания S от поверхностного натяжения жидкостей, относящихся к одному гомологическому ряду. Обычно при этом имеет место линейная зависимость. Экстраполяция этой прямой до пересечения с прямой 5& =0 (этот момент соответствует переходу от ограниченного смачивания к полному)
Проверка адекватности реологической модели и полученных экспериментальных данных
Адекватность математической модели, реологического уравнения состояния вторично углеводородного сырья проверяли при температуре 50 С. Результаты эксперимента, а так же среднее значение касательных напряжений представлены в таблице 3.4 и на рисунке 3.7. Для проверки адекватности проводили три параллельных независимых эксперимента. Было получено 12 эксперимен-тальных точек.
Адекватность полученных результатов проверялась методом Фишера. Для расчета адекватности была написана программа на языке Fortran (Приложение, программа 6), и результаты представлены в таблице 3.5 и таблице 3.6, где rt - расчетное значение касательного напряжения, d % — в процентах разница между расчетным и средним экспериментальным значением касательных напряжений, Socm — остаточная дисперсия, Seocn - дисперсия воспроизводимости, FPac4 — расчетный критерий Фишера, кип- расчетные значения константы кон-систентности и индекса течения.
Принцип проверки адекватности заключается в сравнении разброса опытных данных относительно расчетных с ошибкой эксперимента, найденных из параллельных опытов. Разброс, характеризующий отклонение опытных данных от расчетных, называется остаточной дисперсией (3.1)[14]: где/- число степеней свободы одного эксперимента, которое равно п-2, в нашем случае п=12 - число экспериментальных точек и/=10.
Разброс результатов в параллельных опытах оценивается по дисперсии воспроизводимости (3.2): J1 где / -число степеней свободы в параллельных опытах, которое равно т-1, в нашем случае т=3 - число экспериментов и/=2.
Для проверки адекватности рассчитаем дисперсионное соотношение (критерий Фишера) (3.3):
Сравним полученный нами критерий Фишера с табличным значением, равным 19.4, с достоверностью 95%, учитывая степени свободы/и/. В нашем случае критерий Фишера равен 3.76. Так как Fpac4 ГтабЛ, полученные нами данные адекватны.
Учитывая большое наличие экспериментальных данных по определению гидродинамических параметров работы центробежных насадок, полученных в Казанской школе (Казанский химико-технологический университет) и Волгоградской школе (Волгоградский Государственный технический университет), а также зарубежных авторов [1,4-8,10,12,13,16,18,19 и др.], было решено сравнить результаты, полученные при анализе предложенной нами математической модели течения вторичного углеводородного сырья по внутренней поверхности центробежной криволинейной насадки, с экспериментальными данными других авторов.
На рисунках 3.8-3.11 нанесены результаты экспериментальных и теоретических исследований ряда авторов по определению толщины пленки неньютоновской жидкости, как функции основных параметров работы центробежных насадок.
На рисунке 3.8 показано сравнение теоретических и экспериментальных данных по определению толщины пленки неньютоновской жидкости по длине образующей проницаемой конической насадки при угле наклона 90 и их сравнение с расчетами и экспериментами других авторов. Хорошая корреляция экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что проведенный анализ адекватно описывает рассматриваемый в диссертационной работе процесс течения, и говорит о корректности сформулированных физической и математической моделях и справедливости выбранного алгоритма решения. Расхождение с теоретическими данными, связано с тем, что решение системы дифференциальных уравнений искалось авторами методом перехода от уравнений в частных производных к системе уравнений в полных производных путем подбора специальной переменной. Это приводит к ошибкам, связанным с потерей части граничных условий, особенно при течении неньютоновской жидкости.
Энерго — экономические расчеты применения центробежной проницаемой насадки с криволинейным профилем и переменной проницаемостью для разделения структуры нефтешлам-вода
Определяем расход нефтешлама, вытекшего через проницаемую стенку центробежной насадки на выбранном элементе длины (qz); определяем расход нефтешлама, который остался на внутренней поверхности насадки и перетек в следующий элемент длины (qj).
Переход к і=і+1 и повторяем расчет. Аналогично определяем элементарную диссипацию энергии ADt для элементарного объема, имеющего ширину в одну сотую толщины hh высоту, в одну сотую высоты zk и длину 2ltRi
Таким образом, как видно из рисунка 4.4 и 4.5 при р=2 скорость фильтрации Vz постоянна, а значит и размер капель будет одинаковый и необходимый для отделения из нефтешлама мелкодисперсной воды и углеводородного сырья.
Как показывает расчет при со=100 рад/с наименьший градиент скорости равен 1582,56 с1, мощность установки 249,1 Вт. При снижении числа оборотов до 75 рад/с минимальный градиент скорости становиться равным 1001 с \ т.е. больше требуемого, при котором происходит разрушение нефтешламов. При этом мощность установки уменьшается в 1,84 раза и становиться равной 141,1Вт. Таким образом, можно подобрать оптимальный режим работы, при заданных геометрических параметрах центробежной проницаемой насадки любого профиля, обеспечивающий разрушение структуры нефтешлама и минимизацию затрат энергии.
По данному алгоритму реализована программа на языке Fortran, позволяющая автоматизировать процесс выбора необходимой центробежной насадки, ее геометрических размеров и оптимальных режимов работы для снижения энергозатрат, максимальной производительности и обеспечения необходимого градиента скорости. Программа применяется в учебном процессе при подготовке магистров по программе 15 043 5-«Машины и аппараты химических производств», в Волгоградском государственном техническом университете и на трех предприятиях России (акты внедрения представлены в приложении).
Как видно из таблицы 4.3, применение центробежного поля для разделения структурированных жидкостей обосновано, и позволяет, в процессе эксплуатации, сэкономить в год 360 000 рублей при работе установки в течение 250 дней в год при 8 часовой смене по сравнению с разделением такой структуры без использования центробежного поля.
Разработанный алгоритм позволяет рассчитать поля скоростей жидкости (меридиональная, тангенциальная, нормальная), изменения толщины пленки жидкости по длине образующей криволинейной насадки с произвольным профилем, т.е. на центробежной насадке с любым профилем боковой поверхности, как показано на рисунке 4.6, и изменяющейся проницаемостью. Результаты представлены в виде рисунков 4.7-4.9.
На рисунках 4.7 — 4.8 представлено распределение толщины пленки жидкости и меридиональной скорости по длине образующей проницаемой насадки с различным профилем боковой поверхности.
Рисунок 4.7 - Распределение толщины пленки жидкости по длине образующей проницаемой насадки (1—насадка с произвольным профилем, 2-параболическая форма, 3-вогнуто-параболическая, 4-коническая) {к=1.15Па сп, п=0.8, (о=100рад/с, к=1(Г7м, р=900 кг/м3)
Похожие диссертации на Математическое моделирование центробежной фильтрации вторичного углеводородного сырья
