Байков Н.М., Позднышев Г.Н., Мансуров Р.И. Сбор и промысловая подготовка нефти, газа и воды
Подождите немного. Документ загружается.
дисперсной фазы да, размером капель и расстоянием между их
центрами описывается выражением [63]
w = 6,2 (r/rf)3. (83)
Можно оценить силы диполь-дипольного взаимодействия для
эмульсий с различной обводненностью. Пример такого расчета
для кубической упаковки глобул приведен в табл. 31.
Таблица 31
Относительная сила диполь-дипольного взаимодействия
монодисперсных капель воды в эмульсии
Содержание воды в
эмульсии, %
Отношение расстояния
между центрами капель
к их'диаметру (rf/2r)
Величина относитель
ной силы взаимодей
ствия диполей
52
I (контакт)
—
7
2
F
2 3 F/5
I
4
FjXb
ол
8
Fl 256
Из табл. 31 видно, что существует естественное самоограни
чение для дипольной коалесценции капель воды вследствие сни
жения обводненности эмульсии до 0,2—0,1 %.
Из формулы (82) также следует, что сила взаимодействия
между каплями быстро возрастает с увеличением их размеров
и напряженности внешнего электрического поля.
Однако для интенсификации процесса коалесценции капель
напряженность поля может быть повышена лишь до определен
ного значения, поскольку для каждой конкретной системы суще
ствует критическое значение напряженности поля Ек, выше ко
торого капли становятся неустойчивыми, т. е. диспергируются
на более мелкие под действием электрических сил. Соотноше
ние между Evt и максимальным стабильным размером капель
г дается выражением
Ek = A У<1/ег, (84)
где а — межфазное поверхностное натяжение; е — диэлектриче
ская проницаемость эмульсии; А — коэффициент, постоянный
для данной эмульсии, равен 0,380 для одиночной капли, 0,391 —
для 10 %-ной эмульсии.
Оценка стабильного размера капель воды по формуле (84)
дает для промысловых эмульсий (аж15ХЮ _3 Дж/м2) при E =
= 10 кВ/см, г = 100 мкм, при E в пределах I—3 кВ/см г имеет
порядок миллиметров.
120
Поэтому на практике применяют напряженности полей в пре
делах 0,54-5,0 кВ/см, а в конструкциях электродегидраторов
обычно предусматривают оседание укрупнившихся капель в зоны
с меньшей напряженностью поля.
Дальнейшими исследованиями механизма дипольной коалес
ценции было показано [2], что слияние частиц радиуса г в од
нородном электрическом поле возможно только до некоторой
напряженности, превышение которой приводит к разрядке ка
пель и последующему разрыву образовавшегося между ними
контакта. Сущность этого явления, названного контактно-разъ
единенной зарядкой, заключается в том, что при сближении
капель определенного размера в электрическом поле повышен
ной напряженности происходит пробой нефтяной прослойки на
таком расстоянии, что силы взаимодействия молекул воды
между сближающимися поверхностями еще не в состоянии вы
звать коалесценцию капель. Ho поскольку электрический кон
такт уже установлен, происходит перераспределение зарядов и
электрические силы отталкивают капли.
В работе [2] предложен критерий коалесценции капель
где E0— напряженность внешнего поля; о — межфазное поверх
ностное натяжение; в — относительная диэлектрическая прони
цаемость среды; 80 — абсолютная диэлектрическая проницае
мость вакуума (ео = 8,85-10” 12 Ф/м); г — радиус капель.
Таким образом, коалесценция в электрическом поле не мо
жет привести к образованию капли большего размера, чем это
следует из условия электрического диспергирования. Поэтому
авторы [2] предлагают рассматривать процесс диспергирования
капель в электрическом поле как частный случай контактно-
разъединенной зарядки.
Рассмотренный механизм диполь-дипольного взаимодей
ствия капель в равной мере относится к полям постоянного и
переменного (промышленной частоты) токов. Однако воздей
ствие поля постоянного тока на эмульсию значительно разно
образнее.
При помещении малообводненной эмульсии типа вода в масле
в однородное электростатическое поле капельки воды под дей
ствием поля начинают двигаться к одному из электродов. На
правление и скорость движения капелек определяются величи
ной g-потенциала. Эта скорость мала по величине и опреде
ляется уравнением Генри
где f — функция толщины двойного электрического слоя и раз
мера частиц; ео — диэлектрическая проницаемость вакуума,
Ф/м; к] — динамическая вязкость дисперсионной среды [П а-с].
в виде
E0 < 0,24 д/а/ еоег»
<85>
(86>
121
Однако если капля воды при движении в поле со скоростью
Vi коснулась электрода, то она приобретает заряд, одноимен
ный заряду электрода и равный
где q — электрический заряд.
Величина этого заряда во много раз больше заряда, обус
ловленного наличием g-потенциала, поэтому зарядившаяся
капля устремляется к противоположному электроду с большой
скоростью [49]:
где е — эксцентриситет капли, трансформированной под дей
ствием электрического поля в эллипсоид вращения.
При движении от электрода к электроду заряженные капли
сталкиваются как с капельками, имеющими противоположный
заряд и двигающимися навстречу, так и с незаряженными кап
лями. Причем вероятность столкновения капель воды вследст
вие кулоновского взаимодействия увеличивается для капель,
имеющих разноименные заряды, и уменьшается для одноименно
заряженных капель. Если прочность бронирующей оболочки
капли мала, то происходит слияние столкнувшихся капель.
Знак заряда новообразовавшейся капли определяется знаком
сохранения заряда. Таким образом, в поле постоянного тока
к обычному диполь-дипольному взаимодействию капель добав
ляется кулон-кулоновское взаимодействие, сопровождаемое ин
тенсивным встречным движением заряженных капель. Именно
с этими явлениями связывают более эффективную обработку
эмульсий различных нефтепродуктов в поле постоянного тока
по сравнению с их обработкой в полях переменного тока.
Следут отметить, что описанное явление наблюдается только
в полях постоянного тока и только в малообводненной эмуль
сии, имеющей дисперсионную среду с высоким удельным элек
тросопротивлением. Тем не менее некоторые авторы [9, 57],
обосновывая необходимость и эффективность применения элек
тростатических полей для промысловой подготовки нефтей, пе
реносят механизм кулон-кулоновского взаимодействия капель и
на водонефтяные эмульсии и предлагают соответствующие кон
струкции аппаратов.
Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее. Сырые нефти,
в отличие от очищенных нефтепродуктов, имеют довольно высо
кие значения удельных проводимостей, лежащие в пределах
IO- 5 IO- 8 1/Ом-м, что на 4—5 порядков выше, чем у дистил-
латов. Заряд тела, помещенного в среду с заметной электро
проводностью, уменьшается со временем по закону
1,64 £г2,
(87)
(88)
(89)
122
где <7о — начальный заряд, который капля получает при кон
такте с электродом, К\ у — электропроводность системы,
1/Ом-м.
Величина
*9 = ee0/Y
называется временем релаксации и соответствует промежутку
времени, в течение которого заряд капли уменьшается в е раз.
Если оценить по формуле (89) величину q для капель воды
в светлых нефтепродуктах (у= 10“ 12 Ом^-м-1) и нефтях (у не
менее 10~7 Om-1^m-1), то получим соответственно десятки се-
кунд и IO-4 с. Столь малое время существования зарядов на
каплях воды в нефтяной среде не должно оказывать заметного
влияния на механизм коалесценции и эффективность обработки
эмульсии в электрическом поле. С учетом закона стекания за
ряда получено выражение для максимального расстояния лгщах,
проходимого заряженной каплей в среде с известной электро
проводностью: -Яшах = (*ее0£)2г/9 т}7 , (90)
где E — напряженность внешнего поля, В/м; ц — динамическая
вязкость среды, кг/(м*с), г — радиус капли, м.
Расчет по этой формуле показывает, что значение лгт ах даже
для крупных капель воды в легких нефтях, электропроводность
которых равна IO^8 Ом“ 1-м-1, не превышает линейных размеров
самой капли. Это говорит о том, что встречным движением ка
пель и их кулон-кулоновским взаимодействием в реальных неф
тях в поле постоянного тока практически можно пренебречь.
Преимущество поля постоянного тока по сравнению с пере
менным при обработке водонефтяных эмульсий — это сниже
ние расхода электроэнергии. Потери ее в процессе разрушения
водонефтяной эмульсии определяются полным сопротивлением
эмульсии, которое состоит из суммы активного (определяемого
тока прямой проводимости) и реактивного (возникающего при
v=5^0) сопротивлений. Очевидно, что в постоянном электриче
ском поле потери электроэнергии будут меньше. Это положение
получило подтверждение на опыте. Оборудование электродегид
раторов на переменном токе более простое и доступное.
Потребление электрической энергии электродегидратором
зависит от проводимости нефти, содержания в ней воды, тем
пературы обработки, гидродинамических характеристик пото
ков в аппарате, площади и конфигурации электродов, величины
приложенного напряжения и т. д. Поэтому в зависимости от
конкретных условий потребляемая энергия может колебаться
в очень широких пределах. При этом только весьма малая часть
сообщаемой эмульсионной системе энергии расходуется на по
лезную работу по преодолению вязкостного сопротивления неф
тяной среды при деформации и сближении капель воды и раз
рушение стабилизирующих оболочек на них. Основная часть
1 2#
энергии расходуется паразитно вследствие проводимости непре
рывной фазы. Поэтому при обработке легких нефтей, имеющих
низкую электропроводность, потребляемая мощность сравни
тельно мала. Например, для отечественных электродегидрато
ров 1ЭГ-160 она составляет примерно 15—25 кВт, для сред
них нефтей — 30 ч-50 кВт, для тяжелых — до 100 кВт и более.
По данным американских специалистов, стоимость электриче
ской энергии для процессов электрообработки нефти составляет
~ I цент (США) на 4,5 т нефти.
Многие исследователи указывали на большую роль гидро
динамики потоков в работе электродегидраторов. Гидродинами
ческие характеристики потоков должны быть согласованы
с действием электрического поля и особенностями физико-хими
ческих свойств обрабатываемых систем. В нашей стране в по
следние годы проведены работы по исследованию гидродинами
ческих характеристик электродегидраторов с использованием
радиоактивного изотопа, выполнены работы по совершенствова
нию конструкций электродегидраторов, повышению их работо
способности и эффективности.
Метод использования электрических полей в промысловой
подготовке нефти легко поддается автоматизации и управлению
с помощью компьютеров, позволяет создать достаточно ком
пактные эффективные аппараты большой единичной производи
тельности, удобные и надежные в эксплуатации. Расчет пока
зывает, что в электрических полях при соответствующих усло
виях коалесценция капель воды происходит в десятки и сотни
раз эффективнее, чем, например, в трубчатых каплеобразовате-
лях. Иногда в электрических полях удается разрушать даже
агрегативно-устойчивые эмульсии. Применение электрических
полей позволяет уменьшить расход реагентов-деэмульгаторов,
снизить температуру обработки, расход пресной воды на обес
соливание, улучшить качество товарной нефти.
ОТСТАИВАНИЕ
Процесс отстаивания укрупнившихся капель воды, лишен
ных бронирующих оболочек, является важным, обычно завер
шающим звеном в технологии обезвоживания и обессоливания
нефтей. Гравитационное отстаивание эмульсий на промыслах
происходит в аппаратах предварительного сброса, отстойни
ках различных конструкций, резервуарах, электродегидраторах
и т. д.
При расчете отстойной аппаратуры обычно пользуются изве
стным законом Стокса
* = (рв — р„) 4 /1 8 т)„, (91)
где V — скорость осаждения капель; d — диаметр капель; рв;
рн — плотность воды и нефти; г|н — вязкость нефти.
124
Эта формула справедлива для одиночных капель и мало-
обводненных нефтей (до 3—4 % ), при больших обводненно
стях следует пользоваться выражением для стесненного осаж
дения [21].
В настоящее время на промыслах страны применяют напор
ные отстойники в виде горизонтальных цилиндрических емко
стей (булитов) с разнообразным внутренним оборудованием.
Все многообразие конструктивных решений отстойников можно
условно разделить на два класса — аппараты с вертикальным
и горизонтальным движением потоков дисперсионной среды
(нефти).
Несмотря на кажущуюся простоту отстойных аппаратов, про
цессы, происходящие в них, довольно сложны и многообразны
и в определенных звеньях недостаточно изучены.
Отстаивание при вертикальном движении нефти
В этих аппаратах эмульсию вводят через трубчатые перфо
рированные маточники, расположенные в нижней части аппарата
в слое дренажной воды. В таких отстойниках можно выделить
основные этапы процесса: каплеобразование (распыление) водо
нефтяной эмульсии в водной фазе; всплывание крупных капель
эмульсии в воде; переход нефтяных капель, содержащих мел
кие глобулы воды, через границу раздела вода—нефть; про
хождение струек сырья через «промежуточный» слой высоко
концентрированной эмульсии и загрязнений, скапливающихся
выше границы раздела фаз; протекание поступающей эмульсии
через «кипящий» слой, состоящий из взвешенных глобул воды
выше «промежуточного» слоя. Собственно отстой капель воды
в соответствии с законом Стокса возможен лишь в верхней ча
сти аппарата, но в горизонтальных цилиндрических емкостях
все капли, попавшие в эту зону, должны выноситься вследствие
больших вертикальных скоростей потока нефти.
Образование капель
Работы Гаркинса (1916 г.) по изучению образования капель
в статических условиях из круглых наконечников, считаются
классическими, их результат и корреляция были приняты за
стандарт в этой области.
Изучение образования капель в динамических условиях было
начато значительно позднее. Работы Хайворта и Трейбала
(1950 г.), Батсона (1951 г.), Нулл и Джонсона (1958 г.), Хри-
стиансена и Хиксона (1957 г.) являются первыми в этой обла
сти. Экспериментальные исследования формирования капель
являются сложной задачей — намного труднее измерить объем
капель и межфазное поверхностное натяжение, которое может
125
меняться в течение образования капли вследствие миграции по
верхностно-активных веществ.
Процесс каплеобразования определяется многими перемен
ными, поэтому для практического применения на основе метода
теории размерностей и подобия получена формула Смирнова и
Полюта (1948 г.):
4-['-«+«-»(-г^гП(-вЬгГ
где d — диаметр капли, м; D — диаметр отверстия капилляра,
из которого вытекает капля, м; dB— плотность вещества, обра
зующего капли, кг/м8; dc — плотность среды, в которую проис
ходит истечение, кг/м3; а — межфазное поверхностное натяже
ние, Н/м.
Формула (92) получена для условий, близких к статическим.
Для определения диаметра капель, образующихся в отвер
стиях и соплах при относительно небольших скоростях дисперс
ной фазы и предварительном смачивании материала сплошной
фазой, предложено несколько корреляций.
Наиболее пригодным считается выражение Хейворта (1951г.),
справедливое для расчета размера капель в отверстии сопла
(диаметр не более 8 мм) при скоростях жидкости не более
0,1 м/с, а также объема наибольших капель при скоростях, не
превышающих 0,3 м/с. Была предложена [97] еще одна кор
реляция для определения размера капель из наконечников в об
ласти течения, ниже скорости образования струи:
в 6,203 (-A L f 036 (R e)"0-056 (W e)"0-222 (Fr)0-270 , (93)
V ff \
Pc /
где Df — диаметр отдельных капель, см; Dn — диаметр нако
нечника (сопла), см; Др— разность плотностей дисперсной и
непрерывной фазы, г/см3; рс — плотность сплошной фазы, г/см3;
Re — число Рейнольдса;
(R e=zV W i c);
We — число Вебера;
(we = /3w< 'РсА);
Fr — число Фруда;
(Fr=v%!qDN);
q — ускорение свободного падения; vN — скорость течения в на
конечнике, см/с; г]с — вязкость непрерывной фазы, г/см-с; Др /р —
симплекс плотности, безразмерный; о — межфазное поверхно
стное натяжение, Н/м.
Эта корреляция рекомендуется авторами (точность ± 1 0 % )
для диаметров наконечников 0,1—9,75 см и пределов парамет
ров: Др/р — 0,11-4-0,32, Re — 50н-795, W e - 0,001—7,5 и Fr —
0,001— 1,95.
126
Авторы указывают, что отклонения от предсказанного диа
метра становятся более или менее очевидными при высоких
отношениях DpIDn-
Следует отметить, что при малых скоростях истечения из
отверстий образуются достаточно крупные капли примерно оди
накового размера.
При больших скоростях впрыскиваемой жидкости капли из
мельчаются до очень малых размеров и имеют вероятностный
характер распределения по диаметрам.
Наиболее существенными работами последних десятилетий
являются исследования Христиансена и Никсона (1957 г.),
Мюссе (1955 г.), Фразера и др. (1962 г.).
В них рассмотрен механизм распада струй под действием
возникающих гидродинамических возмущений, вызывающих по
перечные и продольные волны в струе, приводящие к ее дефор
мации и разрушению. Из экспериментальных работ, посвящен
ных изучению распыления жидкости в другой жидкости, боль
шой интерес представляет исследование Плита и Мельниковой
[58], в которой они, обработав свои экспериментальные данные
по распылению воды и водных растворов (глицерина, сахара, со
лей) через механическую форсунку (диаметр от 1,9 до 5 мм)
в масляную фазу, дали корреляцию для среднего диаметра ка
пель. Для малых скоростей расчетное уравнение имеет вид
Критическая скорость перехода от одной зависимости к дру
гой определяется из совместного их решения:
При значениях критерия Рейнольдса меньше ReKp для рас
чета необходимо пользоваться уравнением (94), при значениях
Re > ReKp — уравнением (95).
В этих выражениях: v — скорость истечения диспергирован
ной жидкости, м/с; т)— вязкость среды, Па-с; рж — плотность
диспергируемой жидкости, кг/м; рср — плотность среды, кг/м3;
Лж — вязкость диспергируемой жидкости, Па>с; а — межфазное
X (I -0 ,1 8 а ), (94)
для больших:
(94)
(95)
Re ( Y * * I Ъ У *
\ С?ж & с ) I Рж / \ *)ж /
(96)
127
натяжение, Н/м; dcp — средний диаметр капель воды; dc — диа
метр сопла форсунки; а — угол конусности форсунки, рад.
В этих опытах скорость истечения жидкости (воды в масле)
изменялась в пределах 1,24—9,3 м/с.
Хотя выражения (94) и (95) охватывают достаточно широ
кий диапазон скоростей истечения, они получены для наконеч
ников (сопел), имеющих диаметр не более 5—7,5 мм. В рас
пределителях отстойников и электродегидраторов обычно
диаметр отверстия составляет 14-j-40 мм, что связано с воз
можностью засорения малых отверстий загрязнениями, содер
жащимися в нефти. Поэтому указанными корреляциями можно
пользоваться (за неимением других) лишь для оценочных
расчетов. Формула (95) достаточно хорошо пригодна для рас
чета диспергаторов (распылителей) промывочной воды в потоке
нефти при ее обессоливании.
Приведенный анализ показал, что некоторые аппараты про
мысловой подготовки нефти были сконструированы без учета
возможности вторичного диспергирования расслаивающейся
эмульсии вследствие высокой скорости истечения струй.
Всплывание капель эмульсии
Всплывание единичных капель органических жидкостей в ко
лонне, наполненной водой, подробно изучали Смирнов, Полюта,
Рубан (1949— 1953 гг.). Обработав экспериментальные данные
в критериальной форме, они получили выражения для скорости
всплывающих капель в ламинарном, переходном и турбулент
ных режимах.
Движение вереницы капель исследовали Ехескаль и Кехат
(1971 г.), Раджавендр и Pao [105], Хаппель и Бренер [114]
и др. Эти авторы отмечают, что капли, движущиеся вертикаль
ной вереницей, перемещаются быстрее, чем отдельная капля.
При всплытии вертикальной вереницы относительный размер
следа по сравнению с единичной каплей на 2/з меньше. Это
объясняется тем, что вертикальная вереница капель, обволаки
ваясь общим пограничным слоем, который уменьшает волны
вихрей позади, движется вверх спирально и при движении
вызывает направленное вверх течение непрерывной фазы.
Трейбал (1966 г.) отмечает, что капли малого диаметра
движутся с большей скоростью, чем твердые сферы того же
размера. Мелкие капли имеют почти сферическую форму, но
уже при диаметре 2—3 мм их форма заметно отличается от
сферической. Крупные капли периодически осциллируют, при
нимая последовательно шарообразную и эллипсоидальную
форму. Форма очень крупных капель становится неопределен
ной, осцилляция их совершается беспорядочно.
Исследования группового движения капель, структуры двух
фазных жидкостных потоков ограничиваются в основном каче
128
ственным описанием явлений, поскольку для теоретического
анализа процессы являются слишком сложными.
Некоторые специалисты считают, что в процессе всплывания
в крупных каплях нефти отстаиваются мелкие глобулы воды,
содержащиеся внутри них, и затем переходят в родственную
фазу. Поскольку высота отстоя мала, то пропускание эмульсии
через достаточно толстый слой горячей дренажной воды дол
жно быть эффективным. Однако, учитывая осцилляцию капель,
циркуляцию жидкости внутри них, едва ли можно ожидать
удовлетворительного оттаивания глобул воды внутри них.
Лабораторные испытания в стеклянных колоннах на некото
рых модельных эмульсиях подтверждают это: эффект от «чис
той» промывки обычно не превышает 1,5%. При этом высота
промывочного слоя воды для исследованных систем практиче
ски не оказала влияния на процесс обезвоживания [18]. Воз
можно, что эффект промывки будет заметнее для очень тяже
лых нефтей, по плотности мало отличающихся от воды. В этом
случае при малых скоростях всплывания капель и достаточной
высоте промывочного слоя создаются более благоприятные ус
ловия для отстаивания глобул внутри капель.
Переход капель эмульсии через границу раздела жидкостей
Время «жизни» капель (до коалесценции с родственной фа
зой) зависит от физико-химических свойств жидкостей, от формы
(кривизны) границы раздела, размера капель и может состав
лять от нескольких секунд до многих часов. Процессу коалес
ценции способствуют малая вязкость дисперсионной среды,
большая разность плотностей жидкостей, большое межфазное
поверхностное натяжение и повышение температуры.
Нами качественно изучалось поведение крупной капли орга
нической жидкости, содержащей мелкие глобулы воды (обрат
ная эмульсия), приближающейся из водной фазы к границе раз
дела воды с этой же органической жидкостью. Изучался во
прос о движении мелких глобул воды («содержимого» капли)
в момент коалесценции крупной капли [45]. Опыты проводили
на нескольких прозрачных системах, ПАВ добавляли в водную
или масляную фазы. Применяли подкрашивание капель воды
в эмульсии.
Эксперименты показали, что содержимое крупной капли
впрыскивается внутрь масляной фазы через мельчайшее отвер
стие в месте контакта капли с плоской поверхностью раздела.
Из расчетов следует, что поверхностная свободная энергия
капли, благодаря которой происходит это впрыскивание, при
мерно на порядок превышает потенциальную энергию выталки
вающей силы Архимеда для этой капли. Поэтому процесс про
текает весьма быстро, и движение частиц впрыснутой струйки
в масляную фазу по форме напоминает «атомный гриб». После
9 Заказ N2 144
129