О методологии конструирования экспериментальной установки для дегазации нефти

Некачественная сепарация нефти ведет к тому, что остатки газа выделяются в процессе хранения и транспортировки нефти, выводят из строя оборудование промыслов, образуют взрывоопасные очаги и загрязняют окружающую среду.

Для реализации предложенного процесса барботажа разработана экспериментальная установка (рис.1), к которой впоследствии добавим подогреватель, что позволит значительно сократить расходы на сепарацию нефти (рис. 2). Процесс конструирования осуществляем в соответствии с одной из известных концепций научно-технического творчества:

1. Оценка научно-технического наследства;

2. Постановка проблемы и верификация-1, и формирование научно-технической задачи;

3. Трансформирование взятой за основу технологической схемы;

4. Моделирование и верификация-2 [1.,225].

Рис. 1 Барботер в аквариуме (а) и барботер в нефтегазовом сепараторе (б)

Методология трансформирования здесь следующая: метафора именная-1 или функциональная (перенос значения с функции насыщения воды кислородом, на функцию вытеснения кислорода из нефти), аналогия (заимствование соответствующей технологии барботажа), интеграционная метафора (добавляем к трубопроводу барботер), плоскостная метафора (аквариум, выполняющий роль цилиндра располагается горизонтально, а мы располагаем рабочий цилиндр вертикально).

Рис.2 От сепаратора с компрессором к сепаратору с нагревателем.

Методология трансформирования: именная-1 функциональная (перенос значения с функции насыщения воды кислородом, на функцию вытеснения кислорода из нефти), аналогия (заимствование соответствующей технологии барботажа), именная-2 (смысловая) – (добавляем такие свойства как устойчивость и большая производительность), интеграционная метафора (добавляем к трубопроводу барботер), плоскостная метафора (аквариум, выполняющий роль цилиндра располагается горизонтально, тогда, как мы располагаем рабочий цилиндр вертикально).

Устройство работает следующим образом. В закрытую емкость с нефтью (1), через штуцер ввода продукции (2), по наклонным желобам (3), подается нефтегазовая смесь. Одновременно с этим в емкость подается газ с предыдущей ступени сепарации через перфорированные трубы (4). Образующиеся в смеси пузырьки газа за счет подъемной силы всплывают в толще нефти. При их подъеме они соединяются с более мелкими, за счет действия сил поверхностного натяжения, двигающих маленький пузырек к большему. Происходит «слипание» пузырьков, при котором их разделяет стенка толщиной в молекулу нефти. Поскольку давление в газовом пузырьке обратно пропорционально его радиусу, меньший пузырек поглощается большим. Для уменьшения вязкости нефтегазовой смеси устройство оборудовано секционным трубчатым нагревателем (5). Нагреватель приводит к подъему потоку нефтегазовой смеси, снижению ее вязкости, увеличению размеров пузырьков газа, и ускорению их движения вверх. При этом нагреватель имеет одинаковую длину с емкостью сепаратора и установлен на неподвижных опорах (6). Одинаковая длина нагревателя и емкости позволяет увеличить площадь контакта с нефтегазовой смесью.

Выделившийся газ проходит через каплеотбойники (7) и собирается в газосборнике (8). Дегазированная нефть выводится через штуцер вывода (9). Таким образом, происходит сепарация нефти от газа.

Предложенное устройство позволяет эффективно сепарировать нефть от газа и уменьшать вязкость нефти.

Межфазная поверхность в слое смеси может варьироваться за счет изменения размеров пузырька. Задача движения и теплообмена для одиночного пузырька в слое жидкости рассматривается в одномерной системе координат, представленной на (рис.3).

Рис. 3. Схема сил, действующая на пузырек газа в жидкости.

На глубине h₀ от поверхности жидкости образуется пузырек радиусом r₀ с температурой газа T₀. Считается, что на пузырек при его всплытии кроме силы Архимеда и силы тяжести действует также сила гидродинамического сопротивления.

Уравнение движения пузырька вдоль оси х под действием перечисленных сил записывается в виде

mx= - mg - F_c - F_a

где g – ускорение свободного падения, m – масса газа в пузырьке, mg – сила тяжести, F_c – сила сопротивления, F_a – сила Архимеда.

Сила сопротивления, отнесенная к массе пузырька, для сферического пузырька находится из выражения

где

скорость движения пузырька,

r – радиус пузырька,

плотность газа и жидкости соответственно

коэффициент сопротивления в функции от числа Рейнольдса.

На рис.4 представлен график зависимости взаимодействия пузырьков газа от расстояния между ними, который рассчитывался по формуле Г. К. Гамакера

где

размеры малого и большего пузырька соответственно

постоянная Гамакера

квадрат расстояния между рассматриваемыми пузырьками.

Рис. 4. График зависимости взаимодействия пузырьков от расстояния.

В результате поведенных опытов получена зависимость усадки Н (мм) от времени обработки t (рисунок 5).

Рис. 5. График зависимости усадки Н (мм) от времени обработки t (мин).

Расчет D_max и u пузырька в растворе вязкостью ʋ = 6 м²/с (легкая нефть).

Значение скорости для соответствующего максимального диаметра Dmax.

Известно, что при подогреве вязкой жидкости конвективные потоки над горизонтальным нагревателем поднимаются почти вертикально вверх, а под свободной поверхностью образуется слой горячей жидкости.

Процесс подогрева вязкой жидкости в емкости можно представить в виде идеализированной физической модели. Согласно теории вертикальная составляющая скорости на оси струи

Критерий Грасгофа рассчитывается по следующей формуле

где

Gr_x – критерий Грасгофа

ʋ - кинематическая вязкость

х – вертикальная координата

β – температурный коэффициент объемного расширения

θ – величина с размерностью температуры

Про предварительным расчетам получен график зависимости скорости всплытия пузырьков от интенсивности нагрева (рис.6)

Рис. 6. Зависимость скорости всплытия u от подогрева жидкости.

На основании проведенных расчетных и экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что воздействие барботажа и подогрева на газожидкостную смесь снижает ее газосодержание, повышается интенсивность процесса сепарации в 1,5-2,0 раза. В дальнейшем предполагается повысить точность измерений и провести эксперименты на нефти и метане.

Список используемых источников

1. Мильштейн Л.М., Бойко С.И., Запорожец Е.П., Нефтегазопромысловая сепарационная техника: Справочное пособие. М.: Недра, 1992. – 236 с.

2. Персиянцев М.Н. Совершенствование процессов сепарации нефти от газа в промысловых условиях. М.: Недра, 1999. – 283 с.

3. Приставакин И.Н. О проблеме соотношения свободы и необходимости в техническом творчестве. / Каспийский регион: политика, экономика, культура. №2 (31). – Астрахань: «Астраханский университет», 2012. – с. 223-227.

4. "Нефтяное хозяйство". 2001, №3. – с. 85-94.

5. Б. Моцохейн, "Что происходит в нефтяной и газовой промышленности"// Нефтегазовые технологии, 2002, №2. - с.35-39.