Гидродинамические коалесценторы (каплеобразователи)
Гидродинамические каплеобразователи предназначены для разрушения бронирующих оболочек на глобулах пластовой воды, укрупнения глобул и расслаивания потока на нефть и воду перед отстаиванием эмульсии. Укрупнение капель происходит непосредственно в потоке нефти, на стенках каплеобразователей или на встроенных гидрофильных элементах под воздействием турбулентных пульсаций.
Различают объемные и трубчатые каплеобразователи (рис. 7.26). Объемные каплеобразователи бывают полыми или с жесткими гидрофильными элементами. В полых объемных каплеобразователях столкновение и коалесценция глобул достигаются путем ввода эмульсии в объем аппарата через сопла, направленные под различными углами друг к другу, или турбулизацией потока внутри аппарата механическими или другими средствами. Для интенсификации процессов коалесценции глобул в поток эмульсии вводят дополнительные коалесцирующие элементы, например, в виде капель дренажной воды, которые легко удаляются из потока при последующем отстое и не создают проблемы их регенерации (в отличие от стружки, стекла и др.). Возможен вариант интенсивной коалесценции капель путем турбулизации эмульсии в объеме дренажной воды (гидрофильная среда) механическими средствами. Перспективно применение объемных каплеобразователей с развитой гидрофильной коалесцирующей поверхностью из гофрированных пластинчатых или трубчатых элементов, работающих, в отличие от других веществ (шарики, стружки), в режиме самоочищения.
Трубчатые каплеобразователи конструктивно выполняются из пакетов труб расчетной длины и диаметра. Различают линейные и секционные трубчатые каплеобразователи. Линейные каплеобразователи выполняются из труб одинакового диаметра, в секционных диаметр труб от секции к секции увеличивается.
Это позволяет осуществлять последовательное укрупнение капель до заданных размеров. Как и в объемных, в секционных каплеобразователях возможно применение подвижной гидрофильной коалесцирующей среды в виде капель дренажной воды, центробежных завихрителей потока, отбрасывающих глобулы на стенки каплеобразователей, и встроенных жестких пластинчатых или трубчатых коалесцирующих элементов, работающих в режиме самоочищения.
Рис. 7.26. Принципиальные схемы гидродинамических каплеобразователей и трубчатых отстойников. Объемные каплеобразователи (а, б, в, г, д, е, ж): 1 - ввод эмульсии, 2 - корпус каплеобразователя; 3 - сопла; 4 - корпус отстойника; 5 -торцевой распределительный ввод и вывод жидкости; 6 - сброс воды; 7 - ввод дренажной воды, 8 - распределительная перегородка; 9 - отстойник; 10 - перемешивающее устройство; 11 -листовые коалесцирующие элементы; 12 - трубчатые коалесцирующие элементы. Трубчатые каплеобразователи (з, и, к):1 - трубчатый каплеобразователь с отстойником; 2 - отстойник; 3 - вход эмульсии. Блок трубчатого отстойника (л): 1 - вход эмульсии; 2 - вертикальный распределитель; 3 - горизонтальный распределитель; 4 - секции каплеобразователя; 5 - горизонтальный сборный коллектор; 6 - вертикальный сборный коллектор; 7 - выход эмульсии
Достоинствами объемных гидродинамических каплеобразователей являются: высокая удельная производительность, небольшие размеры, низкая металлоемкость, возможность их использования в качестве автономного или встроенного в отстойник элемента, а также возможность применения на объектах с небольшими размерами технологических площадок и в особо стесненных условиях. Преимущества линейных и секционных трубчатых каплеобразователей: возможность их использования одновременно как в качестве коалесцирующих аппаратов, так и в качестве коммуникационных линий между теплообменной и отстойной аппаратурой, отстойниками первой и последующей ступеней, отстойниками и резервуарами товарных парков и т.д. Преимущества гидродинамических каплеобразователей перед электрическими коалесценторами состоят в следующем: возможность осуществления расчета укрупнения капель до заданного диаметра; возможность управления (регулирования) процессом коалесценции путем включения и отключения необходимого числа секций; низкие стоимость и металлоемкость; небольшой расход электроэнергии; простота и безопасность обслуживания; надежность в работе.
Оценка возможности завершения в трубопроводах массообменных процессов и разрушения бронирующих оболочек на каплях пластовой воды.
Необходимые исходные данные: средняя длина промысловых трубопроводов от места подачи реагента до пункта сбора L (м); диаметр трубопровода D (см); производительность трубопровода по жидкости Q (млн.т/год); вязкость нефти n (Ст). Кроме того, для определения длины трубопровода, на которой окажутся завершенными массообменные процессы и будут разрушены бронирующие оболочки глобул воды, необходимо располагать данными об осредненных размерах капель, участвующих в массообменных процессах. В зависимости от свойств нефти, воды и параметров движения эмульсии размер капель может изменяться в самых широких пределах. Когда размер капель неизвестен, для упрощения расчетов принимают, что при фиксированной обводненности эмульсии капли имеют наибольший размер, представленный на номограмме рис. 7.27 (25 мкм).
Так как при этом массообменные процессы происходят значительно медленнее, ошибка будет иметь положительное значение. По известному значению dср и W в квадранте А номограммы находят точку их пересечения, от которой проводят вправо горизонталь до пересечения с кривой 1 квадранта Б. Опуская из полученной точки перпендикуляр на ось Lпp , отсчитывают значение длины трубопровода, на которой массообменные процессы окажутся завершенными.
Полное значение длины трубопровода определяется с учетом коэффициента режима движения a1 (квадрант В), учитывающего реальную вязкость системы, диаметр трубопровода, его производительность.
Значение a1 определяется с помощью вспомогательного графика номограммы по известному значению числа Рейнольдса, рассчитываемого по формуле
,
где mэ - динамическая вязкость эмульсии, сП.
Полная расчетная длина трубопровода определяется из выражения
.
Принимая, например, L = 4,5 км, w = 10%, dср = 25 мкм, D = 15 см, Q = 1 млн.т/год, mэ = 30 сП, по номограмме рис. 7.27 определяем Lпp = 47 м. При расчетном значении Re = 17944, a = 0,84, Lp = 0,84 х 47 = 39,5 м.
Сравнивая L и Lp видно, что реальная длина трубопровода более чем в 100 раз превышает необходимую для осуществления массообменных процессов. Следовательно, в данном случае промысловая система трубопроводов является идеальным аппаратом для завершения массообменных процессов, гарантирующим их осуществление с большим коэффициентом «запаса прочности». При более высокой обводненности продукции скважин массообменные процессы происходят еще быстрее, что позволяет завершить их на коротких участках трубопроводов. Так как в подавляющем большинстве случаев длина промысловых трубопроводов намного превышает необходимую длину массообменных участков, расчеты целесообразно осуществлять, принимая наибольшие значения dср и наименьшие значения w.
Рис 7.27. Номограмма для определения длины трубопровода, на которой в основном завершаются процессы по доведению реагента до глобул пластовой воды: w - обводненность нефти, %; dср - средний размер капель, мкм; Lпр - промежуточное значение длины, м; a1 - коэффициент, учитывающий режим движения эмульсии.
Определение размеров капель в трубопроводах
и коммуникациях установок
Определение размеров капель, до которых возможно их укрупнение в присутствии деэмульгатора в процессе транспортирования по трубопроводам промысловой системы сбора, осуществляется с помощью номограммы (рис. 7.28).
По известным значениям диаметра трубопровода D и его производительности Q (см. стрелки) в квадранте А находят точку I, от которой проводят горизонталь в квадрант Б до встречи с одной из кривых, соответствующих значениям поверхностного натяжения на границе раздела фаз нефть-вода 5-10-20-30 дин/см, получая таким образом точку II. Выбор кривой определяется значением поверхностного натяжения, полученного в лабораторных условиях на сталлогмометре при обработке эмульсии заданным количеством деэмульгатора q.
Промежуточные положения точек, соответствующие другим значениям поверхностного натяжения, определяются интерполяцией. Опуская перпендикуляр на ось dму, отсчитывают промежуточное значение диаметра капель (точка III), от которой в квадранте В проводят кривую, параллельную линиям, корректирующим значение вязкости нефти. Вязкость нефти находят в квадранте Г. Проводя горизонталь от заданного значения вязкости в квадрант В, находят точку ее пересечения с корректирующей линией IV. Опуская из точки IV перпендикуляр на ось dмуп, отсчитывают значение диаметра капель, укрупнившихся в эмульсии в процессе ее транспортирования по трубопроводу.
Пример 1. Полагая, что диаметр сборного трубопровода D=22 см, Q =3 млн.т/год, вязкость нефти при температуре T=30 0С равна 29 сП (нефть ромашкинская, угленосная), находим dмy =38 мкм.
Из приведенного примера следует, что в трубопроводе промысловой системы сбора с принятыми параметрами могут существовать капли диаметром 38 мкм.
Однако, чтобы такое укрупнение стало возможным, необходимо, чтобы в трубопроводе на участке коалесценции поддерживалась температура не менее той, которая принята в расчетах. Вместе с тем, известно, что температура нефти в направлении от скважин до сборных пунктов снижается, поэтому важно знать длину участка, на котором коалесценция может быть завершена.
Рис. 7.28. Номограмма для расчета диаметра массообменной секции каплеобразователя, размера капель и других параметров: Q - производительность; D - диаметр каплеобразователя; dмуп - максимальный устойчивый диаметр глобул (промежуточное значение). dму - максимальный устойчивый диаметр глобул; m - вязкость дисперсионной среды (нефти). Нефть: 1 - ромашкинская (угленосная); 2 - бавлинская (угленосная); 3 - ромашкинская (девонская); 4 - западно-сургутская; 5 - усть-балыкская; 7 - мангышлакская; 8 - орланская: 9 - красноярская
Определение длины участка коалесценции
Искомая длина может быть найдена с помощью номограммы рис.7.29.
Для этого на оси D находят известное значение диаметра трубопровода и из полученной точки опускают перпендикуляр, пересекая ряд кривых равных диаметров капель до встречи с кривой, соответствующей расчетному значению параметра капель (точка I). Проводя от полученной точки горизонталь вправо до пересечения с кривой заданной производительности (промежуточные значения определяются интерполяцией) в квадранте Б, получают точку II. Опуская из точки II перпендикуляр на ось L, отсчитывают промежуточное значение длины участка трубопровода. На вспомогательном графике (квадрант В) по известному значению вязкости n находят значение коэффициента a2. Общая длина участка, на которой завершается процесс коалесценции, определяется из выражения L2 = a2Lпр.
Рис. 7.29. Номограмма для определения длины секции коалесценции каплеобразователя или технологического трубопровода: L - диаметр секции, dL - размер капель, до которого необходимо укрупнить глобулы; L2пp - промежуточное значение длины секции, a2 - поправочный коэффициент на вязкость n; 1, 2, 3, 4, 5 - расход 0,5, 1, 2, 5; 10 млн.т/год.
Пример 2. При D = 30 см, dмy = 370 мкм, Q = 2 млн.т/год, Lпp = 49 м, n = 20 сСт, a2 = 1,07, L2 = 49х1,07 = 52,4 м.
Отсюда видно, что коалесценция капель завершается на небольшом участке трубопровода, снижением температуры на котором можно пренебречь. При транспортировании эмульсии по длинным трубопроводам из-за снижения температуры потока критические размеры капель уменьшаются. Поэтому укрупнение капель и последующий сброс воды целесообразно осуществлять на таком этапе движения эмульсии, когда возможно сохранение естественного тепла потока. Это позволит избежать непроизводительных затрат. В наиболее общем случае в расчетах учитывается температура эмульсии в месте сброса воды. Например, при использовании дренажной воды температура потока повышается, что и учитывается в расчетах. Таким образом, промысловый трубопровод выполняет роль коалесцирующего аппарата и позволяет практически без затрат решить задачу укрупнения капель перед операцией сброса воды из нефти. Зная размеры капель, легко рассчитать необходимую отстойную аппаратуру для осуществления предварительного сброса или глубокого обезвоживания нефти. Однако прежде чем переходить к такому расчету, необходимо оценить возможность расслоения потока на нефть и воду в трубопроводе расчетного диаметра.
Расчет возможности расслоения потока
Проведение расчетов сводится к следующему. По известному значению n выбирают одну из номограмм рис.7.23 и по известным значениям Q и D определяют положение точки I относительно точки пересечения кривых Q и Q'. Если точка I оказывается ниже соответствующей критической точки, то капли не могут седиментировать и находятся в потоке во взвешенном состоянии, если же выше - то в потоке возможно расслоение на нефть и воду.
Одновременно с этим, проведя влево до оси d горизонтальную линию, можно определить порядок размера капель, существование которых возможно в потоке, а также и перед расслоением, если оно происходит.
Пример 3. При n = 30 сСт, D = 20 см, Q = 0,5 млн.т/год расслоение невозможно, так как точка I оказалась ниже точки Г, соответствующей пересечению кривых 1-1'.
Выяснив возможность (или невозможность) расслоения потока, можно принять два решения:
- осуществить сброс воды без дополнительных средств интенсификации и рассчитать необходимую отстойную аппаратуру, исходя из расчетного значения dмy;
- применить средства интенсификации (нагрев, монтаж концевого делителя фаз для расслоения потока) и осуществить глубокое обезвоживание. В соответствии с этим проводится расчет отстойных аппаратов.
Рис.7.30. Номограммы для оценки возможности взвешивания капель потоком: а - вязкость 0,3 Ст; б - вязкость 0,5 Ст; 1 - 7 - максимальные размеры капель, которые могут существовать в потоке при производительности 0, 5, 1, 2, 6, 8, 10 млн.т/год; 1' - 7' - размеры капель, взвешиваемых потоком в тех же условиях; D - диаметр трубопровода
Дата добавления: 2016-03-27; просмотров: 3375;