Химия природных энергоносителей и углеродных материалов
Характеристические точки кипения нефтяных фракций. Суть давления насыщенных паров. Перемешивание газонефтяных смесей разного состава. Расчет коэффициента сжимаемости нефти. Зависимость вязкости сепарированной маслянистой горючей жидкости от температуры.
| Рубрика | Химия |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.11.2016 |
| Размер файла | 688,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Решение. По (2.6) определяют массовую долю растворенного газа
.
Молярная доля растворенного газа не может быть рассчитана по (2.7) и (2.8) из-за недостатка исходной информации.
Однако известно, что молярный объем газа в стандартных условиях в первом приближении можно принять равным 24 м3/кмоль, т. е.
.
Следовательно, из (2.8) получают
,
.
Соответственно для молярной массы пластовой нефти в первом приближении из (2.9) следует
,
.
2.3 Зависимость вязкости сепарированной нефти от температуры
Удовлетворительная связь между вязкостью сепарированной нефти и температурой описывается известным уравнением Вальтера
,
где нн - относительная кинематическая вязкость сепарированной нефти при температуре t, численно совпадающая с кинематической вязкостью нефти, выраженной в квадратных миллиметрах на секунду;
а1, а2 - эмпирические коэффициенты, зависящие от состава нефти.
Для применения (2.10) необходимо знание экспериментальных значений вязкости нефти при двух температурах, подставляя которые в (2.10), можно определить коэффициенты а1 и а2.
Используя два экспериментальных значения вязкости нефти при температуре 20 и 50 єС, температурную зависимость динамической вязкости нефти можно описать
,
где м20, м50, мt - относительные динамические вязкости нефти при атмосферном давлении и температурах 20, 50 и t єC соответственно, численно равные соответствующим значениям динамической вязкости сепарированной нефти, выраженной в миллипаскалях в секунду.
Если известно только одно экспериментальное значение вязкости нефти при какой-либо температуре t0, то значение ее при другой температуре можно определить по формуле
,
где ;
мt, - динамическая вязкость нефти при температуре t и t0 соответственно, мПа•с;
а, С - эмпирические коэффициенты.
Если м ? 1000 мПа•с, то
С=10 ; а=2,52•10-3 1/ єС;
если 10 ? м ? 1000 мПа•с, то
С=100 ; а=1,44•10-3 1/ єС;
если м 10 мПа•с, то
С=1000 ; а=0,76•10-3 1/ єС.
При отсутствии экспериментальных данных для ориентировочных оценок вязкости нефти при 20 єС и атмосферном давлении можно воспользоваться следующими формулами:
Если 845 сн 924 кг/м3,
;
если 780сн845 кг/м3,
,
где мн, сн - вязкость и плотность сепарированной нефти при 20 єС и атмосферном давлении, мПа и кг/м3, соответственно.
Пример 2.4. Определить вязкость сепарированной нефти при 73 єС, если известна только ее плотность при 20 єС в поверхностных условиях, равная 919 кг/м3.
Решение. По (2.13) оценивают вязкость нефти при 20 єС и атмосферном давлении
Затем по рассчитывают вязкость нефти при 73 єС.
Так как 10мн1000 мПа•с, то
; а=1,44•10-3 1/ єС,
а показатель степени
.
Таким образом, вязкость нефти при 73 єС будет
.
2.4 Вязкость газонасыщеной нефти
По формуле Чью и Коннели можно рассчитать вязкость газонасыщенной нефти при давлении насыщения
,
где мs - вязкость нефти, насыщенной газом, при температуре t и давлении насыщения, мПа•с;
мt - вязкость сепарированной нефти при температуре t, мПа•с;
А, В - эмпирические коэффициенты, определяемые по формулам
,
.
Пример 2.5. Рассчитать динамическую вязкость нефти, если давление насыщения уменьшилось от 14,2 до 2 МПа (при температуре 42 єС) с соответствующим уменьшением газонасыщенности от 68,2 до 10 м3/м3 и последующим затем охлаждением нефти на 18 єС.
Известно, что вязкость сепарированной нефти при 20 и 50 єС соответственно составляет 23,6 и 8,3 мПа•с.
Решение. Если известно два значения вязкости сепарированной нефти, то можно рассчитать вязкость сепарированной нефти при 42 и 24 єС (на 18 єС ниже) по (2.11):
,
откуда .
Аналогично при 24 єС
,
откуда .
По (2.16) и (2.17) находят коэффициенты А и В при газонасыщенности 68,2 м3/м3:
при газонасыщенности 10 м3/м3
По (2.15) рассчитывают вязкость газонасыщенной нефти при температуре 42 єС и давлении насыщения
и при остаточной газонасыщенности 10м3/м3
Справочное значение вязкости нефти при температуре 42 єС, газонасыщенности 68,2 м3/м3 и давлении 14,5 МПа составляет 3,5мПа•с, что совпадает с расчетным ее значением при давлении 14,2 МПа. Влиянием незначительного различия давления на вязкость нефти можно пренебречь.
Охлаждение газонасыщенной нефти вызывает не только увеличение ее вязкости, но и снижение давления насыщения. Информации для расчета снижения насыщения недостаточно, поэтому определяют вязкость частично дегазированной нефти после ее охлаждения до 24 єС по той же формуле (2.15)
Полученная расчетная вязкость 16,1 мПа•с несколько завышена из-за не учета сжимаемости нефти при давлении выше давления насыщения.
2.5 Молярная масса нефти
Молярная масса сепарированной нефти (кг/кмоль) в результате ее однократного разгазирования при 20 єС до атмосферного давления может быть рассчитана по формуле
,
где - вязкость сепарированной нефти при стандартных условиях, мПа•с.
В определенном диапазоне плотности сепарированной нефти удовлетворительные результаты дает известная формула Крэга
,
где - отношение плотности сепарированной нефти при 15,5 єС к плотности воды при той же температуре;
если ,
, если
или по двухпараметрической формуле
.
Пример 2.6. Найти молярную массу сепарированной нефти, если ее плотность - 893 кг/м3, вязкость - 41,2 мПа•с при 20 єС и атмосферном давлении.
Решение. По (2.18).
кг/моль.
Молярную массу сепарированной нефти определяют по формуле Крэга (2.19), для этого находят относительную плотность нефти при температуре 15,56 єС. Коэффициент термического расширения нефти плотностью 893 кг/м3 равен , тогда плотность нефти при 15,56 єС будет
.
Так как относительная плотность по воде в 1000 раз меньше, то по формуле Крэга:
.
3. ГРАВИТАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ФАЗ
При сборе и подготовке нефти на промыслах приходится иметь дело с самыми разнообразными смесями, образующими суспензии, эмульсии, пены. При достаточном различии плотностей дисперсной и дисперсионной фаз наиболее простым методом их разделения является отстаивание [15-17].
В поле тяжести на оседающую (всплывающую) частицу действуют:
- разность силы тяжести и подъемной силы Архимеда
,
где - разность плотностей частицы и окружающей среды;
g - ускорение свободного падения;
d - диаметр частицы;
- сила сопротивления сплошной среды
,
где - коэффициент гидравлического сопротивления сплошной среды движению в ней одиночной частицы;
- скорость движения одиночной частицы относительно сплошной среды;
- плотность сплошной среды;
Допустим, что температура во всех точках аппарата гравитационного разделения (отстойника) одинакова, тогда конвекционные токи отсутствуют. При постоянной скорости движения частицы в среде
.
Откуда, с учетом (3.1) и (3.2), следует
,
,
- динамическая вязкость сплошной среды;
Ar - критерий Архимеда,
,
- кинематическая вязкость сплошной среды;
- плотность дисперсной фазы (частицы, капли).
В условиях стесненного осаждения (всплытия) частиц, т. е. при взаимодействии между частицами, имеем аналогично (3.4) равенство
,
где - коэффициент гидравлического сопротивления для дисперсной фазы в эмульсии;
Reд - критерий Рейнольдса в условиях стесненного потока.
Так как правые части (3.4) и (3.7) одинаковы, то
.
Пусть
,
где - коэффициент гидравлического сопротивления сплошной среды для одной частицы в условиях стесненного потока;
- объемная доля дисперсной фазы в системе.
Экспериментальными исследованиями показано, что скорость оседания частицы в условиях свободного осаждения и стесненного потока связаны соотношением
,
где - скорость осаждения частицы относительно сплошной среды в условиях стесненного потока; - скорость свободного осаждения частицы.
Поэтому
.
Экспериментально также установлено, что при Re < 500
,
,
- коэффициент формы частицы, равный отношению площадей поверхностей сферической частицы и реальной частицы одинакового объема. Для сферических частиц =1, следовательно, С=24.
Из (3.8) и (3.9) следует
.
Откуда, с учетом (3.12), получают
.
При малых Re из (3.11) и (3.15) следует
При Re>500 коэффициент сопротивления не зависит от скорости, следовательно, , поэтому из (3.14)
.
.
Экспериментальными исследованиями установлено, что , определяемая по (3.16) и (3.18), изменяется от до , следовательно, в первом приближении принимают, что
.
Поэтому вместо (3.10) можно записать
.
Известны также следующие эмпирические формулы для учета влияния стесненности [7]:
при
,
.
Пример 3.1. Сопоставить расчетные относительные скорости оседания капель воды в нефти в зависимости от ее обводненности, определенной по выражениям (3.20)-(3.22).
Решение. Пусть обводненность водонефтяной эмульсии равна 5 %, тогда по (3.20)
;
Разность результатов расчетов составляет
0,7858-0,7319=0,0539.
Результаты аналогичных расчетов для других обводненностей представлены в табл. 3.1.
Как следует из табл. 3.1, сравниваемые формулы дают близкие результаты, поэтому пользоваться можно любыми из них.
Таблица 3.1 - Сопоставление результатов расчетов
|
Обводненность, % |
Результаты расчетов по формулам |
Разность |
|||
|
(3.20) |
(3.21) |
(3.22) |
|||
|
5 |
0,7858 |
0,7319 |
- |
0,0539 |
|
|
10 |
0,6095 |
0,5327 |
- |
0,0768 |
|
|
20 |
0,3504 |
0,2768 |
- |
0,0736 |
|
|
30 |
0,1871 |
- |
0,1406 |
0,0465 |
|
|
40 |
0,0906 |
- |
0,0664 |
0,0242 |
|
|
50 |
0,0385 |
- |
0,0308 |
0,0077 |
|
|
60 |
0,0135 |
- |
0,0131 |
0,0004 |
|
|
70 |
0,0035 |
- |
0,0047 |
-0,0012 |
3.1 Расчет скорости осаждения капель при известном их диаметре
Область ламинарного режима осаждения характеризуется следующими значениями параметра Рейнольдса:
.
Соответственно коэффициент гидравлического сопротивления среды движению капли при этом режиме равен
.
Из (3.4), с учетом (3.24), следует
.
Используя граничные значения критерия Рейнольдса, из (3.23) по (3.25) легко рассчитать граничные значения критерия Архимеда в области ламинарного режима осаждения капель
.
В области переходного режима осаждения
,
а коэффициент гидравлического сопротивления среды осаждению капли определяют по формуле Аллена
.
Из (3.4), с учетом (3.28), для критерия Рейнольдса получается
.
По аналогии с выводом (3.26) из (3.29), с учетом граничных значений критерия Re (3.27), следует, что соответствующие граничные значения критерия Архимеда в области переходного режима осаждения капель будут
,
т. к. критерий Рейнольдса
,
при известном диаметре частицы и значении Re (3.31)
.
Таким образом, в области ламинарного режима скорость осаждения частицы равна
,
в области переходного режима осаждения -
Итак, для расчета скорости свободного осаждения капель при известном их диаметре вначале рассчитывают критерий Архимеда
,
Пример 3.2. Рассчитать скорости свободного осаждения капель воды 12 размеров в нефти, если вязкость нефти , плотность . Размеры капель воды (плотностью ) следующие: 3, 4, 5, 10 , 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 1100 мкм.
Решение. Пусть капля воды диаметром 20 мкм. По (3.35) определяют критерий Архимеда
.
Так как , то по (3.33) рассчитывают скорость свободного осаждения капель воды диаметром 20 мкм нефти
.
Варианты заданий и результаты аналогичных расчетов для других размеров капель воды, осаждающихся в нефти, даны в Прил. 25.
Пример 3.3. Рассчитать скорости стесненного осаждения капель воды по условиям примера 3.2 для следующей обводненности эмульсий: 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 %.
Решение. Исследованиями установлено, что при объемном содержании дисперсной фазы более 5 % необходимо учитывать стесненность осаждения (всплытия) капель.
По (3.20) для условий примеров 3.2 и 3.3 получим
.
Значения берут из решения примера 3.2, а комплекса - из примера 3.1. Например, пусть диаметр капли воды равен 50 мкм, скорость ее свободного осаждения равна 45,9 см/ч, а параметр равен при 50 %-й обводненности 0,0385, следовательно
,
т. е. скорость стесненного осаждения при 50 %-й обводненности эмульсии в 26 раз меньше скорости свободного осаждения капель.
Скорости стесненного осаждения капель воды для других размеров капель и ряда обводненности даны в Прил. 26.
Пример 3.4. Рассчитать динамику обводненности полидисперсной эмульсии по высоте отстойника периодического действия, если в ней содержатся капли воды следующих размеров: 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 200 мкм с относительным числом их в эмульсии соответственно 5, 15, 20, 18, 15, 8, 5, 3, 3, 2, 2, 4.
Решение. Допустим, что распределение капель воды в нефти после заполнения отстойника равномерно. Следовательно, обводненность эмульсии в любом сечении ее одинакова и равна исходной обводненности В. Относительная скорость стесненного осаждения частиц воды диаметром в соответствии с (3.20) равна
.
Зависимость суммарного объема от относительного размера капель воды в эмульсии хорошо аппроксимируется уравнением
где dmax - максимальный размер капли.
В выделенном объеме эмульсии содержание воды составляет
,
где n - число капель воды в эмульсии (для нашей задачи n=100);
Vв - объем воды в эмульсии.
Аналогично
,
где - объем воды во всех тех, каплях, размеры которых меньше или равны , т. е.
.
По определению обводненность эмульсии есть отношение
.
Откуда
.
Аналогично для обводненности в слое эмульсии
Подставляя (3.42) и (3.43) в (3.37), с учетом (3.38) и (3.39), получают следующее равенство:
,
.
Подставляя (3.45) в (3.36) и преобразовывая, имеют
.
Таким образом, по (3.46), в отличие от (3.36), определяют относительную скорость осаждения капель воды в слое эмульсии с обводненностью , которая меньше начальной обводненности эмульсии вследствие опережающего движения капель размером больше . Следовательно, по (3.46) можно рассчитать спектр скоростей стесненного осаждения капель воды с учетом изменения обводненности эмульсии по высоте отстойника.
На момент времени после начала гравитационного расслоения эмульсии нижняя граница слоя эмульсии, содержащей капли размером и меньше, может быть найдена по формуле
.
Если общая высота эмульсии в емкости h, то относительная высота очищенного слоя эмульсии, содержащего капли размером и меньше, будет равна
.
Динамику послойной обводненности эмульсии в результате гравитационного разделения рассчитывают по (3.45).
При В=0,2; =20 мкм и
%,
т. е. обводненность слоя эмульсии, в котором остались только капли диаметром 20 мкм и меньше, равна 0,13 %.
Для диаметров капель воды 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 200 мкм в результате аналогичных расчетов для обводненности соответствующих слоев эмульсии получаются следующими: 0,03; 0,13; 0,28; 0,50; 0,79; 1,14; 2,04; 3,24; 20 %.
Пример 3.5. Исследовать влияние обводненности эмульсии на относительную скорость стесненного осаждения капель воды.
Решение. Формула (3.46) выведена из условия опережающего движения капель воды по отношению к каплям меньшего диаметра. Соответственно капли меньшего диаметра оседают в слое эмульсии меньшей обводненности и, как следствие, увеличивают скорость осаждения. Формула (3.46) учитывает послойное изменение обводненности эмульсии вследствие опережающего движения крупных капель, если зависимость суммарного объема капель воды от их относительного размера аппроксимируется уравнением (3.37).
Допускают, что (3.37) справедливо. Тогда отношение к равно
,
если скорость свободного осаждения капли определяют по формуле Стокса.
Как следует из табл. 3.2, при определенном сочетании общей обводненности эмульсии и диаметров капель, опережающего движения более крупных капель не происходит. Например, для эмульсии обводненностью В=0,7 скорость осаждения капли диаметром 200 мкм всего в 15,5 раза больше скорости осаждения капли диаметром в 3 мкм, т. е. эмульсия не должна расслаиваться до коагуляции капель. Для эмульсии обводненностью B=0,1 опережающее движение более крупных капель происходит практически во всем диапазоне их размеров.
Таблица 3.2 - Относительные скорости стесненного осаждения капель
|
Отношение скорости стесненного осаждения капель максимального размера к скоростям осаждения капель меньшего размера при следующей общей обводненности эмульсий |
||||||||
|
В=0,1 |
В=0,2 |
В=0,3 |
В=0,4 |
В=0,5 |
В=0,6 |
В=0,7 |
||
|
0,015 |
2708,9 |
1557,9 |
831,5 |
403,0 |
171,1 |
60,0 |
15,5 |
|
|
0,020 |
1523,8 |
876,1 |
467,8 |
226,7 |
96,3 |
33,7 |
8,7 |
|
|
0,025 |
975,3 |
560,8 |
299,5 |
145,2 |
61,6 |
21,6 |
5,6 |
|
|
0,05 |
243,9 |
140,4 |
75,0 |
36,4 |
15,5 |
5,4 |
1,4 |
|
|
0,10 |
61,1 |
35,2 |
18,9 |
9,2 |
3,9 |
1,4 |
||
|
0,15 |
27,2 |
15,8 |
8,5 |
4,2 |
1,8 |
|||
|
0,20 |
15,4 |
9,0 |
4,9 |
2,4 |
1,1 |
|||
|
0,25 |
9,9 |
5,8 |
3,2 |
1,6 |
||||
|
0,30 |
6,9 |
4,1 |
2,3 |
1,2 |
||||
|
0,40 |
4,0 |
2,4 |
1,4 |
|||||
|
0,50 |
2,6 |
1,6 |
||||||
|
0,60 |
1,9 |
1,2 |
||||||
|
0,70 |
1,4 |
|||||||
|
0,80 |
1,2 |
|||||||
|
0,90 |
1,0 |
|||||||
|
0,99 |
Таким образом, из данных табл. 3.2 и кинетики расслоения водонефтяных эмульсий видно, что решающим фактором в механизме расслоения эмульсии при большой обводненности является коагуляция преимущественно наиболее крупных капель и последующее быстрое выпадение их в осадок. В результате обводненность эмульсии уменьшается, вероятность столкновения крупных капель воды снижается и начинает преобладать механизм безкоагуляционного осаждения капель с возможным захватом более мелких частиц. При обводненности эмульсии более 10 % возникают благоприятные условия (увеличение концентрации относительно крупных капель) для коагуляции капель, т. е. уменьшение дисперсности эмульсии в локальном слое. Коагуляция капель облегчается при использовании поверхностно-активных веществ для уменьшения прочности «брони» на каплях и при уменьшении вязкости нефти.
Следовательно, разделение эмульсии можно представить идущим одновременно как бы в двух направлениях:
- опережающем оседании крупных капель, переходе их в водную фазу, т. е. уменьшении обводненности верхних слоев эмульсии по отношению к исходной;
- увеличении относительных размеров остающихся капель на фоне общего уменьшения их абсолютных размеров.
Таким образом, при расчете гравитационных отстойников разделяемые эмульсии можно классифицировать следующим образом:
1) разбавленная с обводненностью 5 % и меньше, т. е. стесненностью осаждения капель можно пренебрегать;
2) двухслойная, содержащая в верхнем слое разбавленную эмульсию, в нижнем - более концентрированную, характеризующуюся стесненным осаждением;
3) концентрированная, т. е. осаждение капель происходит в стесненных условиях;
4) с изменяющейся дисперсностью, т. е. преобладает коагуляция или диспергирование капель.
Пример 3.6. Исследовать характер зависимости суммарного объема капель воды от их относительного размера, используя экспериментальные данные, представленные в работе [15] (табл. 3.3).
Решение. Для установления возможной корреляционной связи между относительным диаметром капель и суммарным их вкладом в общий объем дисперсной фазы представляют данные табл. 3.3 в виде табл. 3.4. Максимальный диаметр частиц в эмульсиях у скважины и перед газонефтяным сепаратором равен 200 мкм, а после сепаратора и после дожимного насоса - 15 мкм. Нормирование диаметров во всех эмульсиях произведено по максимальному диаметру в эмульсии.
Таким образом, относительный диаметр капель воды в водной эмульсии в промысловой системе сбора равен
.
Таблица 3.3 - Экспериментальные данные распределения дисперсной фазы водонефтяной эмульсии
|
Диаметр капель, мкм |
Доля объема эмульгированной в виде капель воды в эмульсии в местах отбора проб, % |
||||
|
у скважины |
перед сепаратором |
после сепаратора |
после дожимного |
||
|
1 |
- |
0,0001 |
0,0002 |
0,0003 |
|
|
3 |
0,0002 |
- |
1,16 |
3,9 |
|
|
5 |
0,0008 |
0,0003 |
4,32 |
5,6 |
|
|
10 |
0,0070 |
0,0006 |
28,84 |
11,22 |
|
|
15 |
0,0120 |
- |
65,70 |
79,20 |
|
|
25 |
0,1500 |
0,7890 |
- |
- |
|
|
50 |
2,0300 |
1,2100 |
- |
- |
|
|
200 |
98,000 |
98,0000 |
- |
- |
|
|
Средневзвешенный радиус капель, мкм |
116,800 |
74,2 |
8,6 |
7,7 |
Таблица 3.4 - Связь относительных диаметров капель с их суммарным вкладом в общий дисперсный объем дисперсной фазы
|
Относительный диаметр капель |
Суммарный относительный объем капель воды в дисперсной фазе, % |
||
|
у скважины |
перед сепаратором |
||
|
0,005 |
- |
0,0001 |
|
|
0,015 |
0,0002 |
- |
|
|
0,025 |
0,0010 |
0,0004 |
|
|
0,050 |
0,0080 |
0,0010 |
|
|
0,075 |
0,0200 |
- |
|
|
0,125 |
0,1700 |
0,7900 |
|
|
0,250 |
2,2000 |
2,0000 |
|
|
1,000 |
100,0000 |
100,0000 |
|
|
после сепаратора |
после насоса |
||
|
0,067 |
0,0002 |
0,0003 |
|
|
0,200 |
1,16 |
3,90 |
|
|
0,330 |
5,48 |
9,50 |
|
|
0,670 |
34,32 |
20,72 |
|
|
1,000 |
100,00 |
100,00 |
Суммарный относительный объем капель воды (%) в дисперсной фазе определяется по выражению
,
где Nj - число капель диаметром dj;
n - общее число капель в эмульсии;
Ni - суммарное число капель диаметром di и меньше.
Пример 3.7. Рассчитать необходимую длину зоны отстоя при непрерывной подаче эмульсии в отстойник, если ее обводненность В=0,2, распределение частиц по размерам представлено в примере 3.4, высота слоя эмульсии на выходе - 1,75 м, горизонтальная составляющая скорости эмульсии на входе , вязкость нефти 3мПа•с, плотность нефти - 820 кг/м3, плотность воды - 1100 кг/м3.
Решение. Необходимую длину зоны отстоя эмульсии определяют остаточной водонасыщенностью, горизонтальной составляющей скорости движения эмульсии и скоростью расслоения эмульсии.
Поэтому
,
где - длина зоны отстоя эмульсии, м;
- горизонтальная скорость движения эмульсии на выходе в отстойник, м/с;
- время пребывания эмульсии в отстойнике, с.
Время пребывания эмульсии в отстойнике может быть определено как отношение
,
где h - высота слоя водонефтяной эмульсии на выходе в отстойник;
- скорость стесненного оседания капель воды диаметром ;
- время оседания частиц диаметром , т. е. время прохождения их через слой эмульсии высотой h.
Подставляя (3.53) в (3.52), с учетом (3.46), получают
,
где - вязкость среды;
- максимальный диаметр капель воды, которые могут содержаться в эмульсии на выходе из отстойника,
,
- плотность воды и нефти соответственно, кг/м3;
- максимальный диаметр капель воды в эмульсии на выходе в отстойник, м;
- длина зоны отстоя капель воды диаметром более , м.
Пусть =100 мкм, тогда
.
Если зона отстоя эмульсии - 11,2 м, то осаждаются все капли воды в эмульсии диаметром 100 мкм и более. Следовательно, в эмульсии на выходе могут содержаться только капли воды диаметром меньше 100 мкм. В соответствии с заданным распределением капель воды в эмульсии по размерам на выходе из отстойника с длиной зоны отстоя 11,2 м содержатся капли воды диаметром 100 мкм и меньше.
Обводненность эмульсии на выходе из отстойника может быть рассчитана по (3.45), принимая размеры капель воды, покидающих отстойник в составе эмульсии, 80 мкм и меньше:
.
Результаты расчетов и Вi-1 для осаждения различных диаметров приведены в Прил. 27.
3.2 Расчет отстойной аппаратуры
Технологический расчет отстойной аппаратуры заключается в определении пропускной способности отстойника или его размеров.
Если скорость слияния капель воды с водной подушкой (слоем воды) в отстойнике меньше скорости накопления частиц на водонефтяном разделе, то между нефтью и водной подушкой образуется переходной слой, толщина которого уменьшается к выходу от отстойника.
Обводненность нефти на выходе из отстойника определяют по содержанию мелких капель воды, время осаждения которых больше времени осевого перемещения разделяемой эмульсии в отстойнике. Скорость движения эмульсии вдоль отстойника от входа до выхода непрерывно уменьшается от значения на входе
,
,
где - количество жидкости (эмульсии), непрерывно поступающее в отстойник для разделения за единицу времени;
- площадь поперечного сечения, занятая слоем нефти (эмульсии) на входе в отстойник;
- количество эмульсии с остаточным содержанием воды, непрерывно вытекающее из отстойника в единицу времени.
За время прохождения эмульсии от входа до выхода из отстойника концентрация дисперсной фазы в эмульсии изменяется. В верхней части отстойника она уменьшается по сравнению с первоначальной концентрацией. Следовательно, вязкость эмульсии по высоте в отстойнике переменна, причем в верхней части отстойника она уменьшается вдоль горизонтальной оси от входа до выхода. По вертикали в каждом сечении отстойника вязкость эмульсии возрастает от минимальной у верхней образующей отстойника до максимальной на границе с водной подушкой.
Принимая время осаждения максимальных капель воды, выносящихся потоком нефти, равным времени движения эмульсии вдоль зоны отстоя, получаем возможность рассчитать пропускную способность отстойника
,
где R - радиус отстойника;
h - высота слоя воды в отстойнике;
- средняя скорость движения эмульсии;
- скорость осаждения капель воды диаметром в эмульсии из которой выносятся потоком нефти все отставшие капли меньшего размера;
- часть длины отстойника от сечения, где начинается гравитационное разделение эмульсии (ввод), до сечения, где оно прекращается (выход).
Из (3.55) следует
.
Пропускная способность отстойника из (3.54) определяется как
.
Так как средняя скорость движения эмульсии в отстойнике может быть принята как средняя арифметическая на выходе, то
,
,
или, с учетом,
.
Таким образом, пропускная способность в отстойнике будет
.
Из материального баланса работы отстойника, пренебрегая захватом нефти дренажной водой, можно показать, что
.
Следовательно, из (3.59), с учетом (3.60), после преобразований имеем
.
Подставляя (3.58) в (3.61), получим
Так как скорость стесненного осаждения капель равна
,
для свободного при Re<2 соответственно
,
а пропускная способность отстойника будет
,
где F(B, Bвых) - функция обводненности на входе и выходе из отстойника,
,
где , - плотность воды и нефти в отстойнике соответственно, кг/м3;
- длина зоны отстоя, м;
h - максимальная высота водной подушки в отстойнике в зоне отстоя, м;
- вязкость нефти в отстойнике, Па•с;
- максимальный диаметр капель воды, которые вместе с каплями меньшего размера могут выноситься из отстойника потоком нефти, м;
В, Ввых - обводненность эмульсии на входе в зону отстоя и выходе из нее;
- максимальный размер капель воды в эмульсии на выходе в зону отстоя, м.
Из (3.44) следует, что
,
,
где - максимальный диаметр капель, выносимый из отстойника с потоком нефти.
Связь между и максимальным диаметром капли, выносимым из отстойника можно установить следующим образом.
Перед выходом нефти из отстойника в зоне отстоя в дренаж уходит последняя капля , которая являлась для остающихся капель максимальной, поэтому обводненность слоя эмульсии с каплями может быть представлена в виде
.
Представим (3.63) в виде
.
.
Необходимо отметить, что доля воды в потоке нефти на выходе из отстойника является функцией высоты водяной подушки, пропускной способности отстойника и его конструктивных параметров. Поэтому расчет пропускной способности отстойника по (3.68) достаточно приближенный.
Пример 3.8. В продукцию скважин на групповом сборном пункте вводят ПАВ-деэмульгатор и насосом откачки его подают на дожимную насосную станцию, оборудованную двумя буферными емкостями диаметром по 2 м и объемом 115 м3 с отводами для предварительного сброса воды. Нагрузка на каждую буферную емкость колеблется от 2000 м3/сут с обводненностью 37,7 % до 1500 м3/сут с обводненностью 36,6 %. Высоту водяной подушки в емкостях поддерживают на постоянном уровне - 60 см.
Оценить содержание воды в нефти на выходе из буферных емкостей, если вязкость нефти - 5 мПа•с, плотность нефти - 860 кг/м3, а воды - соответственно 1050 кг/м3.
Решение. Зная объем буферной емкости, находят его длину
.
Так как длина зоны отстоя меньше емкости на суммарную длину секций ввода и вывода эмульсии, принимают длину зоны отстоя .
Время задержки эмульсии в емкости определяют длиной зоны и скоростью ее движения в емкости:
,
где - площадь поперечного сечения в емкости, занятая нефтью, м2;
- нагрузка на емкость по жидкости, м3/с. Так как высота слоя воды в емкости , то , следовательно,
.
Зная нагрузку на первую емкость по жидкости 2000 м3/сут., находят время задержки эмульсии в ней
.
Очевидно, что время оседания капель воды в буферной емкости равно времени задержки эмульсии в ней, т. е. . С другой стороны, время оседания капель воды в эмульсии в емкости равно
,
где - скорость стесненного оседания капли эмульсии размером , м/с.
Откуда можно найти скорость :
.
Из (3.44) можно выразить через :
.
Как следует из условий задачи, в продукцию скважины на групповом сборном пункте попадают ПАВ и затем ее перекачивают насосом откачки до дожимаемой насосной станции. Промысловый трубопровод от группового сборного пункта до ДНС можно рассматривать как своеобразный каплеобразователь - укрупнитель [15, 17] и принять, поэтому, максимальный размер капель в эмульсии на входе в буферную емкость в диапазоне .
Таким образом, можно записать следующее равенство:
.
Результаты решения равенства (3.70) приведены в Прил. 28, из данных которого следует, что, подставляя числовое значение известных величин, входящих в это равенство, при =325 мкм получим
,
в котором содержится только одно неизвестное - остаточная обводненность нефти после осаждения капель размером больше .
В зависимости от величины в эмульсии, входящей в отстойник, на выходе из отстойника получают нефть с различным содержанием воды: при обводненность нефти на выходе из отстойника меньше 12,5 %, а при выходная обводненность продукции меньше 8 %.
Таким образом, для оценки содержания воды в эмульсии на выходе из отстойника необходимо знать максимальный диаметр капель в эмульсии на входе в зону гравитационного отстоя.
В Прил. 29 - множители и приставки в системе СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц.
В Прил. 30 даны некоторые соотношения между единицами однородных физических величин [18].
В Прил. 31 - перевод внесистемных единиц в единицы СИ [4].
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Химия нефти. Руководство к лабораторным занятиям: Учеб. пособие для вузов / И.Н. Дияров и др. - Л.: Химия, 1990. - 240 с.
2. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учеб. пособие для вузов. - Уфа: Гилем, 2002. - 672 с.
3. Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа. - Минск: Высш. шк. - 1989. - 122 с.
4. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. - 3-е изд. - СПб.: Интеграл, 2008. - 267 с.
5. Миронов В.М. Расчет физико-химических свойств газов и жидкостей: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 156 с.
6. Jean-Pierre Wauquier. Petroleum Refining V.1: Crude Oil. Petroleum Products. Process Flowsheets. - Paris: Editions Technip, 1995. - 471 p.
7. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: справочник / Г. Г. Рабинович, П. М. Рябых, П. А. Хохряков, Ю. К. Молоканов; Под ред. Е. Н. Судакова. -- 3-е изд., перераб. и доп. -- М.: Химия, 1979. -- 566 с.
8. Рыбак Б.М. Анализ нефти и нефтепродуктов. - М.: Гостоптехиздат, 1962. - 888 с.
9. Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. - М.: Химия, 1985. - 459 с.
10. Основы технологических расчетов в нефтепереработке и нефтехимии: учебное пособие / Р. Т. Эмирджанов, Р. А. Лемберанский. -- М.: Химия, 1989. -- 192 с.
11. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Ч. 2. - М.: Химия, 1980. - 398 с.
12. Физический энциклопедический словарь /Под ред. А.М. Прохорова. М: Большая Российская энциклопедия, 1995. - 928 с.
13. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. -- 3-е изд. -- М. : Старс, 2006. -- 720 с.
14. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Химия, 2001. - 568 с.
15. Сборник задач по сбору и подготовке нефти, газа и воды на промыслах: учебное пособие для вузов / Г. С. Лутошкин, И. И. Дунюшкин. -- 3-е изд., стер. -- М.: Альянс, 2007. -- 135 с.
16. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1982. - 315 с.
17. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. - Казань: Изд-во ФЭН, 2000. - 416 с.
18. Химическая энциклопедия в 5 т. т.1. - Сов. энциклопедия, 1988. - 623 с.
Дополнительная
19. Танатаров М.А. и др. Технологические расчеты установок переработки нефти. - М.: Химия, 1987. - 352с.
20. Мановян А.К. и др. Лабораторная перегонка и ректификация нефтяных смесей. - М.: Химия, 1984. - 240с.
21. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. - М.: Химия, 1974. - 439с.
22. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. - М.: Химия, 1981. - 352с.
23. Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982. - 592с.
24. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. - Л.: Химия, 1967. - 388с.
25. D. Green, R. Perry. Perry's Chemical Engineers' Handbook, Eighth Edition. - McGraw-Hill Professional; 8 edition. - 2400 p.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Средние температурные поправки плотности на 1 °С для нефти и нефтепродуктов
|
Плотность |
Поправка |
|
|
0,6900-0,6999 |
0,000910 |
|
|
0,7000-0,7099 |
0,000897 |
|
|
0,7100-0,7199 |
0,000884 |
|
|
0,7200-0,7299 |
0,000870 |
|
|
0,7300-0,7399 |
0,000857 |
|
|
0,7400-0,7499 |
0,000844 |
|
|
0,7500-0,7599 |
0,000831 |
|
|
0,7600-0,7699 |
0,000818 |
|
|
0,7700-0,7799 |
0,000805 |
|
|
0,7800-0,7899 |
0,000792 |
|
|
0,7900-0,7999 |
0,000778 |
|
|
0,8000-0,8099 |
0,000765 |
|
|
0,8100-0,8199 |
0,000752 |
|
|
0,8200-0,8299 |
0,000738 |
|
|
0,8300-0,8399 |
0,000725 |
|
|
0,8400-0,8499 |
0,000712 |
|
|
0,8500-0,8599 |
0,000699 |
|
|
0,8600-0,8699 |
0,000686 |
|
|
0,8700-0,8799 |
0,000673 |
|
|
0,8800-0,8899 |
0,000660 |
|
|
0,8900-0,8999 |
0,000647 |
|
|
0,9000-0,9099 |
0,000633 |
|
|
0,9100-0,9199 |
0,000620 |
|
|
0,9200-0,9299 |
0,000607 |
|
|
0,9300-0,9399 |
0,000594 |
|
|
0,9400-0,9499 |
0,000581 |
|
|
0,9500-0,9599 |
0,000567 |
|
|
0,9600-0,9699 |
0,000554 |
|
|
0,9700-0,9799 |
0,000541 |
|
|
0,9800-0,9899 |
0,000528 |
|
|
0,9900-1,0000 |
0,000515 |
Приложение 2
Зависимость относительной плотности жидких нефтепродуктов от температуры
Приложение 3
Зависимость «плотность-температура» для жидких нефтяных фракций при постоянном давлении (область низких плотностей)
Приложение 4
Номограмма для определения индекса вязкости смазочных масел
Приложение 5
Номограмма для определения температуры кипения нефтепродуктов в зависимости от давления
Приложение 6
Значения к формуле (1.37)
|
Температура, єС |
Температура, єС |
|||
|
-40 |
12,122 |
240 |
3,144 |
|
|
-30 |
11,363 |
250 |
3,031 |
|
|
-20 |
10,699 |
260 |
2,924 |
|
|
-10 |
10,031 |
270 |
2,821 |
|
|
0 |
9,448 |
280 |
2,724 |
|
|
10 |
8,914 |
290 |
2,630 |
|
|
20 |
8,421 |
300 |
2,542 |
|
|
30 |
7,967 |
310 |
2,456 |
|
|
40 |
7,548 |
320 |
2,375 |
|
|
50 |
7,160 |
330 |
2,297 |
|
|
60 |
6,800 |
340 |
2,222 |
|
|
70 |
6,660 |
350 |
2,150 |
|
|
80 |
6,155 |
360 |
2,082 |
|
|
90 |
5,866 |
370 |
2,005 |
|
|
100 |
5,595 |
380 |
1,952 |
|
|
110 |
5,343 |
390 |
1,891 |
|
|
120 |
5,107 |
400 |
1,832 |
|
|
130 |
4,885 |
410 |
1,776 |
|
|
140 |
4,677 |
420 |
1,721 |
|
|
150 |
4,480 |
430 |
1,668 |
|
|
160 |
4,297 |
440 |
1,618 |
|
|
170 |
4,124 |
450 |
1,569 |
|
|
180 |
3,959 |
460 |
1,521 |
|
|
190 |
3,804 |
470 |
1,476 |
|
|
200 |
3,658 |
480 |
1,432 |
|
|
210 |
3,519 |
490 |
1,339 |
|
|
220 |
3,387 |
500 |
1,348 |
|
|
230 |
3,263 |
Приложение 7
Плотность и теплоемкость воздуха и воды при нормальном давлении
|
Температура, єС |
Воздух |
Вода |
|||
|
Плотность, кг/м3 |
Удельная теплоемкость, кДж/(кг К) |
Плотность, кг/м3 |
Удельная теплоемкость, кДж/(кг К) |
||
|
0 |
1,293 |
1,005 |
999,9 |
4,2295 |
|
|
20 |
1,205 |
1,005 |
998,2 |
4,1868 |
|
|
40 |
1,126 |
1,009 |
992,2 |
4,1793 |
|
|
60 |
1,059 |
1,009 |
983,2 |
4,1864 |
|
|
80 |
0,999 |
1,009 |
971,8 |
4,1973 |
|
|
100 |
0,945 |
1,013 |
958,4 |
4,2094 |
Приложение 8
График для определения изменения теплоемкости нефтяных паров с повышением давления
Приложение 9
График для определения теплоты испарения углеводородов
Приложение 10
Значение коэффициента для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов по формуле (1.56)
|
t,°C |
а, кДж/кг |
t,°C |
а, кДж/кг |
t,°c |
а, кДж/кг |
|
|
0 |
0,00 |
170 |
336,07 |
340 |
770,28 |
|
|
10 |
17,05 |
180 |
358,91 |
350 |
798,86 |
|
|
20 |
34,44 |
190 |
382,08 |
360 |
827,81 |
|
|
30 |
52,16 |
200 |
405,59 |
370 |
857,06 |
|
|
40 |
70,26 |
210 |
429,43 |
380 |
886,68 |
|
|
50 |
88,66 |
220 |
453,60 |
390 |
916,39 |
|
|
60 |
107,38 |
230 |
478,12 |
400 |
946,94 |
|
|
70 |
126,78 |
240 |
503,00 |
410 |
977,56 |
|
|
80 |
145,93 |
250 |
528,19 |
420 |
1008,53 |
|
|
90 |
165,71 |
260 |
553,75 |
430 |
1039,83 |
|
|
100 |
185,82 |
270 |
579,60 |
440 |
1071,50 |
|
|
110 |
206,27 |
280 |
605,83 |
450 |
1103,47 |
|
|
120 |
227,05 |
290 |
632,39 |
460 |
1135,82 |
|
|
130 |
248,17 |
300 |
659,29 |
470 |
1164,48 |
|
|
140 |
269,66 |
310 |
686,53 |
480 |
1201,48 |
|
|
150 |
291,45 |
320 |
714,10 |
490 |
1234,83 |
|
|
160 |
313,62 |
330 |
742,00 |
500 |
1268,52 |
Приложение 11
Скорости стесненного осаждения капель
|
Диаметр капель, мкм |
Скорость осаждения (см/ч) при различной обводненности, % |
||||||||
|
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
||
|
10 |
1,41 |
1,10 |
0,63 |
0,34 |
0,16 |
0,07 |
0,02 |
0,006 |
|
|
20 |
5,74 |
4,45 |
2,56 |
1,337 |
0,66 |
0,28 |
0,10 |
0,05 |
|
|
30 |
12,89 |
10,00 |
5,75 |
3,07 |
1,49 |
0,63 |
0,22 |
0,06 |
|
|
40 |
23,18 |
18,01 |
10,34 |
5,52 |
2,67 |
1,13 |
0,40 |
0,10 |
|
|
50 |
36,07 |
27,97 |
16,08 |
8,59 |
4,16 |
1,77 |
0,62 |
0,16 |
|
|
60 |
51,78 |
40,16 |
23,09 |
12,33 |
5,97 |
2,54 |
0,89 |
0,23 |
|
|
80 |
92,09 |
71,43 |
41,06 |
21,92 |
10,62 |
4,51 |
1,58 |
0,41 |
|
|
100 |
143,88 |
111,59 |
64,15 |
34,25 |
16,60 |
7,04 |
2,47 |
0,64 |
|
|
200 |
575,59 |
446,43 |
256,64 |
137,01 |
66,39 |
28,18 |
9,87 |
2,55 |
Единицы температуры
|
Единица |
Градусы |
|||
|
К |
єС |
єF |
||
|
Т, К (градусы Кельвина) |
1 |
tц+273,15 |
1,8 tф+255,37 |
|
|
tц , єС (градусы Цельсия) |
Т-273,15 |
1 |
(tф-32)/1,8 |
|
|
tф , єF (градусы Фаренгейта) |
1,8 (Т-255,37) |
1,8 tц+32 |
1 |
Приложение 12
Перевод внесистемных единиц в единицы СИ
|
Единицы измерения массы |
||
|
1 фунт (английский, 1 lb) |
0,45359237 кг |
|
|
Единицы измерения расстояния |
||
|
1 фут (1 ft) |
0,304799472 м |
|
|
1 дюйм (1 in) |
0,0254 м |
|
|
Единицы измерения объема |
||
|
1 баррель (американский нефтяной) |
0,158988 м3 |
|
|
Единицы динамической вязкости |
||
|
1 П (пуаз) |
0,1 Па·с |
|
|
Единицы кинематической вязкости |
||
