Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных работ по воздействию физических полей на водонефтяную эмульсию 6
1.1. Физико-химические и теплофизические свойства эмульсий 6
1.2. Способы деэмульсации водонефтяных эмульсий 11
1.3. Деэмульсация нефти электромагнитными полями. 15
Глава 2. Электромагнитный нагрев одиночной эмульсионной капли с учетом конвективных течений, индуцированных электрическим полем . 27
2.1. Постановка задачи. 27
2.2. Выбор численной схемы решения . 29
2.3. Анализ результатов и вычислений 31
Выводы к 2 главе 46
Глава 3. Исследование нагрева СВЧ ЭМ полем одиночной эмульсионной капли в поле сил тяжести с учетом конвективных течений жидкости 47
3.1. Математическая модель. 47
3.2. Уравнение состояния среды, поверхностные силы 49
3.3. Численная реализация. Метод VOF. 51
3.4. Приведение системы уравнений к безразмерному виду. 53
3.5. Численная схема решения задачи. Метод контрольного объема и алгоритм SIMPLE. 55
3.6. Тестовые расчеты 64
3.6.1. Течение изотермической жидкости в цилиндрическом канале 64
3.6.2. Свободная конвекция 68
3.6.3. Поступательное движение жидкой сферы 75
3.7. Анализ результатов и вычислений. 77
Выводы к 3 главе 120
Заключение 122
Литература 124
- Способы деэмульсации водонефтяных эмульсий
- Выбор численной схемы решения
- Уравнение состояния среды, поверхностные силы
- Течение изотермической жидкости в цилиндрическом канале
Способы деэмульсации водонефтяных эмульсий
Эмульсии являются одним из примеров метастабильных коллоидов [19]. Коллоиды составляют весьма широкий класс материалов. Их базовая структура состоит из диспергированной одной фазы в другой, в которой дисперсная фаза имеет масштаб от нескольких молекул до нескольких микрон. Некоторые виды коллоидов термодинамически стабильны и образуются самопроизвольно, в то время как другие – метастабильные – требуют энергии для образования и поддержания их специфических свойств. Как правило, эмульсии состоят из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых рассеяна в другой в присутствии поверхностно-активных веществ.
Капли эмульсии обладают классическими характеристиками метастабильных коллоидов: броуновское движение, обратимый фазовый переход как результат взаимодействия капель, и необратимые переходы, как правило, предполагающие разрушение эмульсии. Объемная доля капель может варьироваться от нуля до почти единицы: плотная эмульсия иногда называется двухжидкостной пеной поскольку их структура очень похожа на клеточную структуру воздушно-жидкостной пены, для которой непрерывная фаза очень незначительна. Эмульсии, в зависимости от того разбавленные они или высококонцентрированные, обладают различной внутренней динамикой и механическими свойствами. Когда эмульсия сильно разбавлена капли испытывают броуновское движение, и жидкость ведет себя как вязкая ньютоновская жидкость. Когда эмульсия концентрированная, а именно в случае плотной упаковки - объемная доля составляет 64 % для монодисперсных капель, внутренняя динамика строго ограничена и жидкость ведет себя как вязкоупругое твердое тело [30, 21]. Простые прямые эмульсии состоят из капель масла, диспергированных в воде (М/В), в то время как обратная эмульсия состоит из капелек воды, диспергированных в масле (В/М). В целом эмульсия состоит из двух несмешивающихся фаз, для которых поверхностное натяжение ненулевое, и в принципе может включать другие гидрофильные или липофильного типа флюиды (липофильность – способность химических соединений растворяться в жирах, маслах, липидах, неполярных растворителях) в присутствии соответствующих поверхностно-активных веществ, каждая из фаз может состоять из многочисленных компонентов. Например, простая эмульсия может содержать мелкие капли непрерывной фазы, рассеянные внутри каждой капли дисперсной фазы. Такие системы называются двойными эмульсиями [5]. Простые эмульсии также могут содержать твердые частицы в каждой капле [1, 115].
Характеристики эмульсий. Основными характеристиками нефтяных эмульсий являются степень разрушения за определенный период времени, эффективная вязкость, средний поверхностно-объемный диаметр капель воды [72]. По этим параметрам можно оценить, с какой интенсивностью происходит эмульгирование нефти, ее физико-химические свойства и адсорбцию эмульгатора. Содержание парафина, смол и асфальтенов позволяют оценить интенсивность разрушения водонефтяной эмульсии [98].
Для определения таких характеристик эмульсий, как размер частиц, их концентрация и физическое состояние частиц, чаще всего используют электронную микроскопию. В последнее время появились новые способы оценки характеристик эмульсий, например, ультразвуковое сканирование, которое позволяет не только определить основные характеристики, но и наблюдать кинетические процессы, происходящие в эмульсиях (слияние капель, дробление и т.д.) [15]. Образование эмульсий.
Лиофобные эмульсии (лиофобность – нерастворимость в жирах, маслах, липидах, неполярных растворителях) получаются путем диспергирования одной жидкости в другой в присутствии поверхностно-активного вещества [19]. Самообразование эмульсии происходит в случае, когда условия образования эмульсии приближены к условию образования лиофильных коллоидных систем [4]. Это возможно, например, если образуется сильное поверхностно-активное соединение на границе раздела двух жидких сред при взаимодействии двух жидкостей, каждое из которых растворимо в одной из соприкасающихся фаз. Протекающая в таких существенно неравновесных условиях адсорбция образующегося вещества способна приводить к резкому снижению поверхностного натяжения и самопроизвольному диспергированию. После завершения химической реакции образования на межфазной поверхности заметных количеств поверхностно-активных веществ его адсорбция при стремлении к равновесным условиям падает, и поверхностное натяжение может снова возрасти выше критического значения.
При механическом эмульгировании двух жидкостей та фаза, чей объем больше становится дисперсионной средой. В случае, если объемное содержание двух жидкостей примерно равно, то возникают обе эмульсии – прямая и обратная. Соотношение стабильности прямой и обратной эмульсий, а, следовательно, и тип эмульсии, образующейся при эмульгировании, определяются в таком случае природой введенного стабилизатора [84].
Выбор численной схемы решения
Однако полного разрушения эмульсии не наблюдается даже при совпадении частот. Данный факт объяснен тем, что в процессе отслоения воды резонансная частота для эмульсии смещается в область высоких частот. Тогда частота воздействия после выхода её из области ширины резонансной кривой эмульсии уже не дает ожидаемого эффекта, поэтому необходимо смещение частоты воздействия для дальнейшего разрушения эмульсии. По результатам этих исследований был разработан способ обезвоживания водонефтяных эмульсий электромагнитным полем [99].
Nour А. Н., Yunus R. М. [23, 24] считают, что СВЧ нагрев водонефтяной эмульсии представляет собой диэлектрический нагрев с уникальными характеристиками быстрого, объемного и эффективного нагрева и имеет потенциал, чтобы стать альтернативой при деэмульсации нефти. Проведенные эксперименты подтверждают эффективность данного метода обезвоживания. Также автор отметил, что при СВЧ воздействии на эмульсию проявляются и нетепловые явления, которые получили название «микроволновые эффекты».
Основной целью работы [10] являлось изучение влияния различных параметров эмульсий тяжелой нефти, таких как соленость и ph, содержание воды и асфальтенов, стабильность на эффективность деэмульсации микроволновым электромагнитным полем. Также учитывались и условия разделения эмульсий: температура, количество и тип деэмульгатора, время воздействия и энергия СВЧ поля. Результаты показали, что наибольшая эффективность достигается при концентрации воды 45%, ph=7 и минимальной солености. Также было отмечено, что повышенные соленость и ph с одной стороны стабилизирует эмульсию, а с другой увеличивает поглощение СВЧ-энергии средой.
При исследовании затухания СВЧ волн частотой от 10 МГц до 4 ГГц для водных капель диспергированных в диэлектрической среде Holtze C., Sivaramakrishnan R., Antjnietti M., Tsuwi J. [17] было выявлено, что микроволновое поглощение проходит через максимум, который зависит от типа ионов, их концентрации и размеров капель.
Теоретические исследования воздействия электромагнитных полей на дисперсные системы
Задача об осаждении и всплывании пузырьков в электрическом поле плоского конденсатора была рассмотрена Гогосовым В.В. в работе [55]. На основе работ [54, 53, 56] Гогосовым В.В. и Налетовой В.А. выведена многоскоростная модель движения дисперсной среды, каждая из фаз которой, поляризуется по своему закону [54]. Вызываемое движением дисперсной фазы, перераспределение ее объемной концентрации изменяет диэлектрическую проницаемость среды, степень взаимодействия среды с электрическим полем и само поле, делая его неоднородным.
В работе Моррисона [77] рассмотрен процесс нестационарного тепло-и массообмена между каплей и окружающей средой в присутствии электрического поля, а в работе [104] отмечено, что в микроволновых полях эмульсионные капли типа «вода в масле» подвергаются специфическому воздействию теплового и механического характера. В работе Низаевой И.Г. [79] рассматривается движение жидкости внутри и вне капли, а также температурное поле в системе «капля - бронирующая оболочка – нефть» при воздействии ВЧ ЭМ поля. В работе Ersoy G., Yu M., Sarica C. [7] разработана математическая модель, использующая фундаментальную термодинамику и законы сохранения масс.
Закирьяновой Г.Т., Ковалевой Л.А., Насыровым Н.М. в работе [62] приведены результаты двумерного численного моделирования ВЧ воздействия на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе с учетом пондеромоторных сил, перекрестных эффектов тепломассопереноса и силы тяжести. Результаты показали, что распределения концентрации капель воды и температуры по высоте конденсатора близки к равномерному распределению: пондеромоторные силы сдвигают капли воды к внутренней обкладке конденсатора, где и происходит сближение и коагуляция капель, и при условии разрушения их бронирующих оболочек – разрушение эмульсии.
В работе Анфиногентова В.И. [43] рассмотрено математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков, параметры которых зависят от температуры. В результате найден первый интеграл одного нелинейного уравнения в частных производных, моделирующего процесс теплообмена при СВЧ нагреве диэлектрика. Анфиногентовым В.И. [44] решена задача определения температурного поля в полубесконенчой среде с постоянными параметрами при падении на нее плоской электромагнитной волны при снятом ограничении на условие адиабатического приближения. В качестве примера рассмотрено моделирование СВЧ нагрева грунта энергией электромагнитного поля. В результате получено, что чем больше время нагрева грунта, тем выше температура. С увеличением глубины температура нагрева грунта уменьшается по экспоненте в связи с большим затуханием электромагнитного поля в верхних слоях грунта.
В работе Сысоева С.М. и Кислицына А.А. [102] численно исследовался нагрев высоковязкой нефти в пласте СВЧ - излучением. Показано, что при удачном выборе конструкции излучателя можно достичь достаточно высокой эффективности направленного действия антенны, когда 94 % энергии излучения поглощается внутри пласта, а лишь 6 % - в окружающих породах.
В работе Яковенко В.А. [116] приведена модель процесса теплообмена водонефтяной эмульсии в каналах разного поперечного сечения под действием СВЧ-энергии, построенная с учетом физических характеристик вязкопластичного материала. Разработан метод решения задачи нестационарного конвективного теплообмена, основанный на конечных интегральных преобразованиях. Показано, что предложенная модель может быть применена для исследования теплообмена в каналах, сечения которых имеют правильную геометрическую форму.
В ряде работ рассматривались течения, индуцированные электрическим полем, возникающими внутри и вне эмульсионной капли. Одной из первых работ в этом направлении является работа Дж.Дж. Тейлора [32], который получил выражения для компонентов вектора скорости движения жидкости внутри и вне капли путем выражения через функцию тока Стокса при следующих допущениях: капля радиуса r0 имеет нулевой полный заряд, находится во взвешенном состоянии в несмешивающейся жидкости, имеет нулевую плавучесть и помещена в однородное постоянное электрическое поле.
Уравнение состояния среды, поверхностные силы
Используя uth , оценим погрешность численных решений. В качестве вязкой жидкости выберем воду с плотностью =1000 кг/м3 и вязкостью =0,001 Пас; высоту канала примем равной z=0.01 м, а радиус основания R=0.01 м. Постоянный перепад давления примем равным Р=1 Па. Течение является ламинарным для данных параметров, так как число Рейнолдса, посчитанное по максимальной скорости, равно Re=830. которая является «невязкой» дискретного аналога уравнения (уравнение для поправки давления), которое определяет, удовлетворяют ли поля и уравнению неразрывности, by - локальная «невязка» в контрольном объеме, Imax и Jmax количество узлов сетки в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно. Если выполняется условие Аь єь =\0 6, то поле скоростей является физичным. Считается, что при достижении данного условия получены физичные поля давления и скоростей на данном шаге по времени.
Введем величину и по норме пространства 12 для определения установившегося поля течения на данном временном шаге: - max " max которая оценивает близость полей гидродинамических величин на соседних временных слоях. В качестве критерия установившегося течения примем условие Аи єи =10 8.
Динамика погрешности во времени: абсолютной (а) и относительной (б), t=4 10-3 c Абсолютная и относительная погрешность на различных сетках для размерного шага интегрирования по времени t=10-3 c
Абсолютная и относительная погрешность на различных сетках для размерного шага интегрирования по времени t=4 10-3 c
На Рис. 3.7.-3.8. представлены графики динамики абсолютной (а) и относительной (б) погрешностей со временем на сетках 10х10, 20х20, 30х30, 50х50, 80х80, для размерных шагов интегрирования по времени t=10-3 c, t=4 10-3 c. Несложно заметить, что обе погрешности вначале убывают до какого-то критического значения, затем возрастают и стремятся к некоторому постоянному значению. В табл. 3.1-3.2. приведены стационарные значения абсолютной и относительной погрешностей.
Из Рис. 3.7.-3.8. видно, что чем более мельче сетка, тем быстрее устанавливается течение. Также стоит отметить, что шаг по времени не оказывает сильного влияния на время установления течения. Таким образом, можно сказать, что только количество узлов в расчетной области имеет значительное влияние на сходимость задачи. Из табл. 3.1-3.2. видно также, что стационарные значения абсолютной и относительной погрешностей, при различных размерных шагах интегрирования по времени, практически одинаковы. Анализ приведенных результатов показывает, что относительно установившихся решений метод имеет первый порядок точности по времени.
Рассмотрим задачу о свободной конвекции несжимаемой вязкой жидкости в квадратной ячейке. Свободно-конвективные течения описываются следующей системой уравнений: ди ди ди постоянные коэффициенты динамической вязкости, плотности, удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности, соответственно; (3 - коэффициент термического расширения жидкости.
В первой задаче жидкость нагревалась слева (Т2),а охлаждалась справа (Ті). Горизонтальные границы считались адиабатическими. Для скоростей на всех границах задавалось условие прилипание. Граничные условия с учетом постановки задачи примут следующий вид: На левой границе (5с = 0):
Во второй задаче подогрев осуществлялся снизу (Т2), охлаждение происходило сверху (Т1). На боковых границах задавалось условие адиабатичности. Граничные условия в этом случае принимают следующий
Система уравнений (3.51) с краевыми условиями (3.53)-(3.56) решалась численно, методом контрольного объема с использованием алгоритма SIMPLE. На Рис. 3.11.-3.12. представлены картины линий тока и изотерм, полученные в результате решения поставленной задачи в случае подогрева с правой стороны. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
Решения получены при Pr=7.1 и различных значениях числа Ra. При значениях Ra 104 вклад конвекции очень мал. Из рис. 3.11.-3.12. видно, как происходит эволюция течения, в ходе которой у границ формируются тепловые и скоростные пограничные слои, а в центре области – изоградиентное ядро [103]. При увеличении числа Релея происходит увеличение вклада конвекции в теплопроводность, вследствие чего происходит искажение изотерм.
Свободная конвекция жидкости при подогреве снизу Pr=7.1. Изолинии функции тока Ra=60000 Двухвихривое нелинейное движение под названием«кошачьи глаза» представлено на рис. 3.13. Течение на рис. 3.14. характеризуется существенным искажением изотерм и наличием ядра с малым градиентом температуры.
Сопоставление полученных результатов с результатами, приведенными в литературе [103], показывает хорошее согласование, что свидетельствует о правильности работы данного алгоритма и применимости его для дальнейшего решения иных задач тепловой конвекции.
3.6.3. Поступательное движение жидкой сферы.
Рассмотрим задачу о поступательном движении жидкой сферы. Данная задача необходима для тестирования алгоритма SIMPLE и метода VOF и их совместной работы.
Рассмотри жидкую сферу радиуса г0 вязкостью // и плотностью р , которая находится в центре цилиндрической емкости, заполненной несмешивающейся с ней жидкостью вязкости р и плотности р. При этом делались следующие допущения: цилиндр считается бесконечно глубоким, а его стенки удалены бесконечно далеко от жидкой сферы. Задача решалась методом контрольного объема с использованием алгоритма SIMPLE и метода VOF. В результате численного решения задачи определялась скорость поступательного движения жидкой сферы. Установившаяся скорость сравнивалась с аналитическим решением.
Течение изотермической жидкости в цилиндрическом канале
На первых двух этапах нагрева (3.46 а, б) вязкость жидкости вокруг капли постепенно уменьшалась к 20 сек. до 9 мПа с (рис. 3.50). При этом восходящее конвективное течение имеет меньшую интенсивность по сравнению с предыдущими случаями (q=7.5 107 Вт/м3, q=108 Вт/м3). Это хорошо видно из рис. 3.46, где отток тепла в область над каплей не столь значительный, чем в вышеприведенных случаях (q=7.5 107 Вт/м3, q=108 Вт/м3), и область прогрева меньше. Поэтому уменьшение мощности конвективного потока в окружающей жидкости и уменьшение силы сопротивления жидкости позволяет капле падать вниз под действием силы тяжести. Следует отметить, что капля двигается быстрее, чем в предыдущих случаях (рис. 3.23 и рис. 3.26), это объясняется тем, что в рассматриваемом случае дополнительная выталкивающая сила, возникающая за счет восходящего конвективного потока, очень мала, поэтому не препятствует движению капли.
Температурные профили в капле и окружающей жидкости при СВЧ ЭМ нагреве при температурном коэффициенте равным =0.08 1/К, q=2.5 107Вт/м3: а – горизонтальное сечение (z=0), б – вертикальное сечение (r=0). Синяя линия - t=5 сек., красная линия - t=15 сек., зеленая линия - t=25 сек., пунктирная черная линия - t=35 сек.
Из рис. 3.51-3.53 видно, что при данном режиме наблюдается слабый нагрев капли и окружающей жидкости. В момент времени t=35 сек. максимальная температура в капле составляет 400С, а максимальный температурный перепад 90С. С течениме времени рост температуры в капле замедляется и в системе «капля-окружающая жидкость» устанавливается термодинамическое равновесие (рис. 3.53 а, б). Капля в данном режиме находится в неподвижном состоянии.
Анализ приведенных выше результатов показывает, что основное влияние на нагрев и движение капли оказывают как мощность тепловых источников, так и физические свойства флюидов, в частности, значение температурного коэффициента вязкости окружающей жидкости. С практической точки зрения характер движения капель воды в эмульсии является важным фактором, т.к. разрушение эмульсий определяется, в конечном счете, подвижностью дисперсной фазы, которая в водонефтяных эмульсиях представлена в виде капель воды.
В результате проведенных расчетов было установлено, что чем выше температурный коэффициент вязкости окружающей жидкости, тем меньше значение мощности приложенного электромагнитного поля, необходимое для оседания капли. Однако диапазон изменения мощности тепловых источников, при котором капля совершает поступательное движение вниз, сужается с увеличением температурного коэффициента вязкости окружающей жидкости. Так, в случае =0.04 1/К мощность тепловых источников находится в диапазоне от 7.5 107 Вт/м3 до 108 Вт/м3. При =0.08 1/К мощность источников равна 5 107 Вт/м3. Это объясняется тем, что для того, чтобы капля могла двигаться, необходимо оптимальное соотношения двух сил: сила сопротивления жидкости, которая зависит от вязкости, и выталкивающая сила, которая зависит от интенсивности восходящего конвективного потока.
1. Разработана математическая модель нагрева одиночной эмульсионной капли СВЧ ЭМ полем в поле силы тяжести, с учетом тепловой конвекции и зависимости вязкости окружающей жидкости от температуры. По результатам численных расчетов выделены три характерных этапа рассматриваемого процесса: 1) преимущественный нагрев капли с кондуктивным переносом тепла в окружающую среду и зарождение конвективных течений внутри капли; 2) возникновение интенсивных конвективных течений внутри капли и в окружающей жидкости, падение капли при существенном уменьшении вязкости окружающей жидкости; 3) выход на стационарное значение скорости падения капли, преобладание конвективного переноса тепла в капле и окружающей жидкости.
2. Исследование динамики изменения температурного поля показало, что вследствие возникновения интенсивного конвективного течения происходит неоднородный нагрев капли и окружающей жидкости. Интенсивнее всего нагревается область вблизи поверхности нижней полусферы капли, а также зона над верхней полусферой капли, что связано с характером возникающих конвективных течений. Возникающие конвективные течения внутри капли переносят тепло из ее центра к поверхности, причем в большей степени к поверхности нижней полусферы; восходящее конвективное течение уносит тепло из области под нижней полусферой капли в зону над верхней полусферой капли.
3. Обнаружено, что с течением времени система «капля - окружающая жидкость» приходит в состояние термодинамического равновесия, при котором максимальная температура внутри капли не изменяется со временем.
4. Показано, что вязкость окружающей жидкость вблизи поверхности капли резко уменьшается уже в начальный период нагрева на один - два порядка в зависимости от мощности тепловых источников, что приводит к движению (оседанию) капли. При удалении от поверхности капли вязкость практически не изменяется. В зоне над верхним полюсом капли наблюдается обширная зона интенсивного уменьшения вязкости, что связано с активным притоком тепла в данную область.
5. В результате проведенных расчетов установлено, что чем выше температурный коэффициент вязкости окружающей жидкости, тем меньше значение мощности приложенного электромагнитного поля, необходимое для оседания капли. Однако диапазон изменения мощности тепловых источников, при котором капля совершает поступательное движение вниз, сужается с увеличением температурного коэффициента вязкости окружающей жидкости. Т.о. для эффективного разрушения эмульсии необходимо учитывать взаимное влияние тепловых и гидродинамических потоков, определяемых как внешним воздействием поля, так и свойствами среды. Так, в диапазоне принятых исходных данных оседание капли происходит при значении температурного коэффициента вязкости =0.04 1/К (что характерно, например, для низкопарафинистых нефтей) в диапазоне мощности тепловых источников от 7.5 107 Вт/м3 до 108 Вт/м3. При =0.08 1/К (что характерно для высокопарафинистой нефти) диапазон мощности источников сужается до величины, близкой к 5 107 Вт/м3.
