Моделирование механизма инверсии фаз в струйном аппарате

УДК 622.24.065

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ИНВЕРСИИ ФАЗ В СТРУЙНОМ АППАРАТЕ

М. А. КУЗНЕЦОВА, А.Я. МУТРИСКОВ

Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрено моделирование механизма инверсии фаз в струйном аппарате с газонасыщенной рабочей средой.

Одна из актуальных проблем современной энергетики - максимальная утилизация попутного нефтяного газа, высококалорийного энергетического топлива и ценного химического сырья.

В целях ликвидации потерь легких углеводородов в системах нефтегазосбора применяются газовые и жидкогазовые струйные аппараты.

Перспективным методом интенсификации выделения легких углеводородов из нефти в этих аппаратах является использование эффекта инверсии фаз.

Возможность обращения (инверсии) фаз появляется в струйном аппарате при использовании газонасыщенной нефти в качестве рабочей среды.

Разработка промышленных конструкций инжекторных блоков связана с определением рациональной протяженности зоны разгазирования,

продолжительности десорбции (т ) и пребывания жидкости в зоне

разгазирования (т ), масштаба диффузионного потока, наибольшего диаметра капель (возможно после дробления). Размеры капель после дробления ориентировочно можно найти из равенства динамического давления (р2м / 2) набегающего потока и противодавления, вызванного капиллярными силами (с/й) (й - диаметр капли, м; с - поверхностное натяжение, Н/м).

Оптимальные относительные размеры струйного аппарата определяются из соотношений [1]:

где /1, /2, /з - сечение сопла, приемной камеры и камеры смешения; ¥, ¥2 -исходный и локальный газовый фактор; Р1, Р2 - плотность рабочего и

© М.А. Кузнецова, А.Я. Мутрисков Проблемы энергетики, 2005, № 7-8

тор1 = [в)2 -в2];

в = ^, т = /з, иг = /з, р = , Д¥ = ¥ - ¥•,

С1 /1 /2 Р1

инжектируемого потоков; Л = 2 - ф + ^3^3 , где ф - коэффициент полезной отдачи

й з

диффузора; X - коэффициент трения; /3, й 3 - длина и диаметр камеры смешения.

В процессе подготовки нефти важное место занимает ее разгазирование. Газовыделение из нефти, обусловленное градиентом давления Ар, сопровождается переходом системы из гомогенного состояния в гетерогенное с дисперсной газовой фазой.

Эффекты неоднофазности существенно осложняют исследование. При этом детальное описание внутрифазных и межфазных взаимодействий в гетерогенных средах порою чрезвычайно сложно, а для получения обозримых результатов и их понимания здесь особенно необходимы рациональные схематизации, приводящие к решаемым уравнениям [2].

Дисперсные системы относятся к объектам с внутренним источником вязкости. Вязкость среды, содержащей дисперсные включения, превышает вязкость чистой жидкости вследствие появления срезывающих напряжений при движении частиц. В связи с этим оценивалась эффективная вязкость среды при дегазации нефти. Значения эффективной вязкости определялись по формулам Адамара и Тейлора. При этом выявлена связь между эффективной вязкостью

(Па-с), и кратностью газонасыщенной нефти (т ) (отношение объема

газонасыщенной нефти к объему содержащейся в ней нефти). При вязкости дисперсной фазы д2 = 0,11*10-4 Па-с, и сплошной фазы ^ = 4,00-10-3 Па-с, Н = 1,25, = 2,4-10-3 Па-с; а при Н = 5,00, ^ = 1 Па-с.

Из приведенных данных следует, что при Н = 1,25 фэ < д1, это может вызывать «спонтанную» конвекцию. Подобное явление наблюдается в условиях разгазирования нефти при малых давлениях (0,4 - 0,5) МПа [3]. Когда Н > 1,25, увеличение вязкости среды приводит к снижению констант кинетики переноса. В этих условиях фактором, снижающим диффузионные ограничения, является инверсия фаз.

При истечении газонасыщенной рабочей среды в камере смешения происходит первичный распад струи на капли (первичная инверсия фаз), что обуславливает отделение свободного газа и начало спонтанного образования в каплях зародышевых пузырей растворенного газа. Образование большого количества зародышевых пузырей (радиус которых имеет порядок 10-7 10-8 м) в

каплях вновь переводит гомогенную среду капель (нефть) в дисперсную (вторичная инверсия фаз).

Скорость гомогенного зародышеобразования определяется подвижностью молекул. В случае максвелловского распределения молекул по скоростям распределение указанных микрообразований по числу входящих в них молекул N описывается формулой Гиббса:

5г( N)'

К (В)Т _

где КВ) - 1,381-10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; 5г(N - работа по созданию

микрообразования из N молекул.

В случае только сферических микрообразований

т * N = 4/ 3па 3р2 т * N = цт / N

© Проблемы энергетики, 2005, № 7-8

N(N ) ~ ехр

где m* - масса одной молекулы; цm - молекулярный вес рассматриваемого

вещества; N(A) = 6,002102( ’ кмоль-1 - число Авогадро; а - радиус микрообразования, м; р 2 - плотность газовой фазы, кг/м3.

Для изобарно-изотермических флуктаций работа bz

Sz = 43 па 3р 2Az + 4па2!; Дг = Z2

где Дг - перепад удельных термодинамических потенциалов зарождающейся z2 и исходной zi фаз; Е - фаза очень тонких поверхностных зон раздела фаз, массой, импульсом и кинетической энергией которой можно пренебречь [2].

В теории зародешеобразования используется безразмерное число Гиббса G( для оценки метастабильности жидкости

G. = E * =________________1бп^3____________

г К(B)T1 3K(B)7i(p - ps)2(1 - р2S/P1S)1 ,

где Е - параметры на межфазной границе (Е - фаза); ps, рs - давление и плотность фазы в насыщенном состоянии.

Полученные результаты служат научной основой разработки энергосберегающей аппаратуры струйного типа.

Sammary

This work deals with modeling the phase inversion mechanism in jet blower with gas-saturated working medium.

Литература

1. Маминов О.В., Мутрисков А.Я. К расчету газожидкостных аппаратов с дискретной жидкой фазой // Вторая Всесоюзная научная конференция по современным машинам и аппаратам хим. производств: тезисы докладов.- Т. 2.1980 - С.185-187.

2. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1. - М.: Наука. Гл.ред.физ. - мат.лит., 1987. - 464с.

3. Сравнительная оценка газовых факторов / В.П. Тронов, Б.М. Радин, Н.Н. Усков, А.В. Кривоножкин // Труды ТатНИПИнефть.- 1975.- Вып. 33.- С.176-187.

Поступила 07.06.2005

© Проблемы энергетики, 2005, № 7-8