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
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
1.4. Технологические схемы подготовки нефти 18
1.5. Микроволновое обезвоживание
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
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
3.2.1. Метод учета взаимной связи излучателей 74
3.2.2. Анализ полученных результатов
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
- Электрокоагуляционные методы
- Допустимая неравномерность температурного поля
- Метод учета взаимной связи излучателей
- Испытания промыслового микроволнового комплекса микроволновой обработки
Электрокоагуляционные методы
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.
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.
Для разрушения эмульсий [11-23] применяются, в основном следующие приемы и методы:
Гравитационное холодное разделение применяется при высоком содержании воды в эмульсии. Отстаивание производится в отстойниках периодического и непрерывного действия.
В качестве отстойников периодического действия обычно используются сырьевые резервуары, аналогичные резервуарам для хранения нефти. После заполнения резервуаров эмульсией, свободная вода осаждается вниз.
В отстойниках непрерывного действия отделение воды осуществляется при непрерывном прохождении обрабатываемой смеси через отстойник. Одним из вариантов отстойника непрерывного действия является концевой делитель фаз (КДФ) [32]. КДФ представляет собой трубу диаметром до 1 метра, в которой параллельно расположены некоторое количество труб меньшего диаметра (как правило, 25 мм или 12,5 мм).
Принцип работы отстойника непрерывного действия условно показан на рисунке 1.1. На вход отстойника, например КДФ, подается неразделенная эмульсия, которая проходит всю длину КДФ с определенной скоростью потока за некоторый интервал времени, которое обеспечивает отделение капель заданного размера. При этом высоту зоны отстоя выбирают равной не диаметру трубы КДФ, а диаметру малых труб, что способствует более быстрому оседанию капель дисперсной фазы.
Сущность метода внутритрубной деэмульсации заключается в том, что в смесь нефти и воды добавляется специальное вещество — деэмульгатор. Деэмульгатор разрушает бронирующую оболочку на поверхности капель воды и тем самым обеспечивает условия для их слияния при столкновениях. В последующем эти укрупнившиеся капельки относительно легко отделяются в отстойниках за счет разности плотностей фаз.
Допустимая неравномерность температурного поля
Результаты расчета распределения температурных полей, для установившегося режима, дают хорошее взаимное совпадение, что говорит о возможности, в ряде случаев, пренебрегать теплопроводностью. Также результаты расчета показывают, что температура обрабатываемого движущегося материала достигает своего максимального значения не сразу на границе раздела сред, а на расстоянии, равном глубине проникновения электромагнитного поля в диэлектрик. Это говорит о том, что для осуществления СВЧ нагрева не обязательно использовать большие установки микроволновой обработки с рабочими камерами большого объема. Для достижения требуемой температуры нагрева вполне достаточно использование камер с небольшим внутренним объемом. Ожидаемые удельные энергетические затраты оказались равны 1,2-3,2 [кВт/град].
Моделирование СВЧ нагрева движущейся жидкости является задачей решения системы уравнений в частных производных. Применительно к СВЧ нагреву ВНЭ, такая задача сводится к нагреву жидкой смеси, в простейшем случае двухкомпонентной. При объемном нагреве движущейся двухкомпонентной жидкости температурное поле будет описываться уравнением переноса тепла, которое в общем случае запишется в виде: (Y + zv) = -div [y+ -(va )-AAr + рт\ + -ст]к -&ху(кЬТ) (2.29) Где s - энтропия, v - вектор скорости, е/у - внутренняя энергия единицы объема обрабатываемой жидкости, ш - тепловая функция ат = єш+р/р (р - давление), сгд - вязкий тензор напряжений, Л - теплопроводность.
Для решения вышеприведенного уравнения переноса тепла также необходимо найти решение полной системы гидродинамических уравнений для жидкой смеси. Число уравнений в этой системе на единицу больше, чем в случае чистой жидкости, поскольку имеет место еще одна неизвестная функция - концентрация. Эти уравнения запишутся в виде: Где rj - динамическая вязкость, с - концентрация одной из компонент, і - диффузионный поток вещества, q - тепловой поток в жидкости, -коэффициент вязкости (часто эту величину называют второй вязкостью), д, - химический потенциал смеси.
Диффузионный поток вещества и тепловой поток возникают в результате наличия в жидкости градиентов концентрации и температуры. В ситуации, когда указанные градиенты невелики, величины обоих потоков будут определяться выражениями [49]: соответственно, Q - функция тепловых потерь СВЧ излучения, D коэффициент диффузии, связанный с подвижностью через температуру. D = T-b (2.36) Поскольку ВНЭ представляет собой одну жидкость (в данном случае нефть), в которой взвешены капли другой жидкости (вода), диффузионный поток (2.34) запишется в виде: (к к Л \ = PD Vc+ VT+ Vp +рсМ (2.37) У т Р ) В общем случае, СВЧ нагрева жидкой смеси, функция тепловых потерь также входит во внутреннюю энергию единицы объема обрабатываемой жидкости. Тогда тепловая функция уравнения (2.25) также зависит от распределения ЭМП. Для нахождения распределения ЭМП необходимо решить систему нестационарных уравнений Максвелла, совместно с материальными уравнениями: rotH = l+aE + Je CT Bt rou=_ml-j (2.38) div(saE)=Re d\\{fiaH)=Rm Где Re и Rm - мгновенные значения электрического и магнитного зарядов. Поскольку параметры материала (эмульсии) существенно изменяются во времени, в том числе и комплексная диэлектрическая проницаемость, применить метод комплексных амплитуд не представляется возможным. Также существенным является наличие зарядов (Re) на поверхности осаждаемых капель, плотность которых изменяется в зависимости от подвижности (Ь) и мгновенного значения напряженности электрической составляющей {E(r.t)) ЭМП. Это существенно усложняет задачу анализа.
Строгий анализ процесса разрушения ВНЭ при её СВЧ обработке, осуществляемой в потоке, описывается довольно сложной системой уравнений в частных производных. Зависимость очень многих параметров от температуры известна, но зависимость этих параметров от напряженности ЭМП, на настоящий момент, не изучена, хотя известно, что некоторые из параметров моделирования, например, подвижность капель воды, взвешенных в нефти, существенно зависят от напряженности. Это вынуждает ограничиться упрощенной моделью процесса СВЧ нагрева, а именно рассмотрением системы уравнений в частных производных для несжимаемой вязкой жидкости, совместно с уравнением переноса тепла и уравнениями Максвелла с материальными уравнениями. Указанные уравнения будут рассмотрены для однородной изотропной среды, хотя очевидно, что среда будет существенно неоднородной, а учитывая эффект перколяции можно предположить, что среда окажется анизотропной. Упрощенная система уравнений СВЧ нагрева будет включать в себя:
Метод учета взаимной связи излучателей
Значения KCBi при заданной конфигурации перехода, т.е. при заданной совокупности параметров {А„}, можно определить, используя современные
методы вычислительной электродинамики, в том числе реализованные в пакетах прикладных программ мультифизического моделирования, например ANSYS или COMSOL Multiphysics (FEMLAB). Однако, без специальной организации процесса оптимизации, вычисления, согласно критерию (3.11) становятся чрезвычайно громоздкими, что делает практически невозможным осуществление описанного процесса оптимизации.
Ввиду большой сложности решения поставленной задачи, оптимизации согласующего перехода, с использованием строгих методов вычислительной электродинамики, в качестве первого приближения можно использовать решение задачи оптимизации формы согласующего перехода в одномодовом приближении. Пусть рабочая камера МВТУ представляет собой прямоугольный волновод или резонатор. Ввод СВЧ энергии осуществим с помощью прямоугольного волновода через согласующий переход. Будем изменять форму перехода вдоль узкой стенки волновода. Тогда, считая, что форма перехода не зависит от координаты х, можно записать: простой несогласованный и некомпенсированный переход (рисунок ЗЛО). Представляет практический интерес ступенчатый переход, с небольшим числом ступенек. В этом случае каждый участок согласующего перехода можно представить в виде частично заполненного волновода. Нормированная матрица передачи его можно определить согласно [35,58]. Нормированная матрица передачи перехода соответствует каскадному соединению таких элементарных четырехполюсников и имеет вид: [т]=ПІП (ЗЛ5) Согласно данной методике был осуществлен синтез ступенчатого перехода, согласно критерию (3.12). Длина рабочей камеры менялась в пределах (0-10) метров с шагом 0.1 метр. Диэлектрическая проницаемость материала при этом изменялась в пределах от 2 до 15; проводимость - в пределах 0.001...1 Сим/метр. Всего использовалось по 100 точек диэлектрической проницаемости, и проводимости материала с общим числом вариантов комплексной диэлектрической проницаемости равным 104, частота 915 МГц, сечение волновода равно 108 220 мм. В расчетах выбор числа ступенек соответствует условию: N = ent(KCB ,a)) (3.16) где є и т - наиболее вероятные значение диэлектрической проницаемости и удельной проводимости материала; (при равной вероятности выпадения значений берется среднее значение). При этом КСВ рассчитывается для случая скачкообразного перехода от тракта ввода СВЧ энергии к рабочей камере (Рис. ЗЛО), при условии, что рабочая камера представляет собой бесконечный волновод. Значения коэффициентов \ An \ находятся путем стохастического поиска - путем генерирования случайных равновероятных чисел в пределах {0-1}, с последующей перенормировкой, для выполнения условия (3.14). При этом, значение координаты Zn -определяется исходя из длины каждой ступеньки: а длина ступенек 4 задается путем генерирования случайных чисел по правилу: /4=(1+га/и/(0,1))-- (3.18)
Согласно описанному подходу (3.7)-(3.18), была осуществлена серия из 1000 численных экспериментов по определению формы перехода обладающей наименьшей вероятностью превышения порога КСВ, для случая, когда длина камеры равна 1 метр. В результате определена возможная форма такого перехода: № ступеньки 1 2 3 4 5 6 7 8 Длина [метр] 0.172 0.169 0.129 0.132 0.129 0.072 0.137 0.124 Высота (от нуля) [метр] 0.026 0.040 0.056 0.060 0.070 0.090 0.093 0.093
Для данной формы перехода были рассчитаны значения КСВ в диапазоне заданных значений комплексной диэлектрической проницаемости. Результаты аналогичных расчетов, соответствующие рабочим камерам различной длины, представлены на рисунках 3.11-3.21. Сравнение результатов, полученных в одномодовом приближении (Рис. 3.11-3.20), и более строгое решение (Рис. 3.21) показывают их заметное различие. Однако, интегральный результат вероятность превышения заданного порога КСВ (равного 1.5) оказались практически одинаковыми. При использовании одномодового приближения эта величина оказалась равной р 0,035, а при использовании МКЭр 0,037. При этом время счета, потраченное KCB=f(s,o)
Длина [См] Рисунок 3.22. Вероятность превышения порога КСВ, в зависимости от длины рабочей камеры (одномодовое приближение) на решение задачи с использованием МКЭ, составляет 24 часа, а при использовании предложенного подхода составило примерно 8 минут (при одинаковых длинах рабочей камеры). Также удалось установить, что вероятность превышения порогового значения КСВ, хотя и снижается с увеличением длины рабочей камеры, но это снижение, при длине более 1 метра, оказывается несущественным (Рис.3.22), что подтверждает возможность создания камер небольшой длины. Использование предложенных переходов, при числе ступенек равном 8 и длине перехода менее 1 метра, позволяет обеспечить требуемое согласование при изменении значений комплексной диэлектрической проницаемости в заданных пределах.
К результатам главы 3 можно отнести предложенные алгоритмы и методы анализа и построения устройств СВЧ нагрева, а именно:
Показано, что в ситуациях, когда формирование требуемого распределения ЭМП играет решающую роль и в этих целях используется принцип многоэлементного возбуждения, при его осуществлении необходим учет взаимной связи излучателей. Предложен практический способ его осуществления, пригодный для СВЧ-камер произвольной конфигурации. В условиях наличия значительных разбросов электрофизических параметров ВНЭ, неконтролируемых в условиях промысловых комплексов, предложен способ согласования генератора с нагрузкой, малочувствительный к указанный разбросам. Также предложен вероятностный критерий, позволяющий характеризовать степень рассогласования адекватно с точки зрения снижения энергозатрат. Разработана методика расчета согласующих устройств согласно предложенному способу и критерию эффективности осуществления согласования.
Испытания промыслового микроволнового комплекса микроволновой обработки
Для исключения перегрева ВНЭ необходимо постоянное движение эмульсии. Очевидно, что скорость расхода эмульсии существенно влияет на разрушение эмульсии и на энергозатраты. Строгое математическое решение данной задачи практически, невозможно ввиду чрезвычайной громоздкости системы уравнений в частных производных, описывающих процесс микроволновой сепарации. Для определения оптимальных режимов были осуществлены промысловые испытания установки микроволнового обезвоживания на ПМВК-400, описанной выше. Результаты представлены в таблице 4.1: 2 98 вода Как видно из таблицы, в ряде случаев, сверху, на выходе нефти (выход III) и на пробоотборниках 1 и 2, появлялась вода, хотя внизу имелась нефть или газ. Это связано с геометрическими размерами мини КДФ и КЭО. Поскольку диаметр канала мини КДФ и КЭО оказался маленьким, газ, содержащейся в нефти, не успевает выделиться и уйти из КЭО в газоотводящий канал. Выделяясь после места отбора, газ способствовал перемешиванию отделенной воды и обезвоженной нефти, что приводило к указанным фактам.
Кроме того, наличие в КЭО газа приводило к неравномерному нагреву устройства ввода. Это привело к тому, что низ диафрагмы нагрелся до 100 С, а вверх - всего до 30 С. Это обстоятельство также приводило к разрушению всех созданных устройств ввода. Разрушение первой созданной диафрагмы привело к разливу нефти. Для избегания подобных ситуаций, в узлах соединения волноводов были установлены диэлектрические пластины используемых в качестве защитных диафрагм (Рисунок 4.10). Также была смонтирована система аварийного слива ВНЭ из КЭО в случае разрушения согласующего устройства (Рисунок 4.11). Рис.4.11. Канал аварийного слива ВНЭ из тракта СВЧ.
Всего было изготовлено шесть согласующих диафрагм - пять из них разрушились по разным причинам, описанным в таблице 4.2.
Материалобтекателяоконечного каскада Конструктивные особенности Причина выхода Кварцевое стекло Покрытие и пропитка -отсутствует Перегрев поверхности обтекателя и высокое давление привело к полному разрушению обтекателя Армированный стеклотекстолит Покрытие - отсутствует Пропитка - спец. клей Выгорание герметика обеспечивающего соединениястеклотекстолита и металлического кольца, котороеобеспечивало герметичное соединение обтекателя и фланцаввода СВЧ энергии. (Рисунок 4.12).
Покрытие - отсутствуетПропитка - эпоксиднаясмола Сильный локальный перегрев обтекателя, вызванный наличием стоячей электромагнитной волны. (Рисунок 4.13).
Радиокерамика Покрытие и пропитка -отсутствует Нестабильность скорости подачи ВНЭ в КЭО, которое привело кнеполному заполнению канала ПМВК-400, что привело кперегреву на границе ВНЭ-воздух и как следствие этогорастрескивание обтекателя. (Рисунок 4.14) -II- Покрытие - спецлак Пропитка - отсутствует Сильный перегрев металлического кольца, вызванный большой плотностью тока. (Рисунок 4.15) -II- Покрытие - спецлак Пропитка - отсутствует Работает по настоящее время
Для обеспечения надежной работы ПМВК-400 был изготовлен второй вариант данного модуля, отличающийся, в первую очередь, диаметром КЭО и канала мини-КДФ, а также тем, что ввод эмульсии осуществлялся не только сверху, но и снизу. Схема второго варианта ПМВК-400 изображена на рисунках 4.16 и 4.17.
Новый вариант установки представляет собой Мини КДФ диаметром 300 мм (в первом варианте диаметр равен 200 мм), совмещенной с камерой электродинамической обработки (КЭО) диаметром 400 мм (в первом варианте диаметр равен 300 мм), длина камеры равна 120 см.
К конструктивным отличиям данного варианта ПМВК-400 следует отнести следующее: Наличие двух плеч (верхнее и нижнее) ввода ВНЭ в канал мини-КДФ. Эмульсия, как и раньше, забиралась с помощью пробоотборника с выхода большого КДФ. В цепь подачи ВНЭ добавлен теплообменник, позволяющий осуществлять нагрев ВНЭ с помощью водяного пара; Существенно была изменена схема сброса обработанной ВНЭ из канала мини-КДФ (Рисунок 4.18); На выходе из КЭО, в нижней её части, добавлен канал сброса ранее отделенной воды (Рисунок 4.19). Данный канал необходим для исключения стационарности состояния в нижней части КЭО. 4.4. Результаты испытаний Испытания второго варианта ПМВК-400 были осуществлены на ГУКПН НГДУ «Лениногорскнефть». В таблицах 4.3-4.8 представлены результаты исследования влияния СВЧ излучения, разной интенсивности, на разделение ВНЭ. Результаты испытаний высокоинтенсивного СВЧ - излучения на температуру сверху и снизу согласующей диафрагмы, а также в конце мини-КДФ для второго варианта ПМВК-400 представлены в таблицах 4.9-4.13.
Для определения сравнительных характеристик энергетической эффективности СВЧ нагрева был проведен сравнительный эксперимент нагрева ВНЭ, с массовой долей воды -30%, при помощи передвижной паровой установки (ППУ) и с помощью ПМВК-400. Высокая окружающая температура обеспечила полное разделение водонефтяной эмульсии до момента попадания в канал ПМВК-400, в связи с этим сравнение эффективности разделения эмульсии с помощью ППУ и ПМВК-400 не осуществлялось. Для нагрева сырой нефти с помощью ППУ, работниками ГУКПН был разработан и смонтирован
