Аналитическое исследование воздействия переменного электромагнитного поля на процесс коагуляции воды в водоуглеводородных эмульсиях

УДК 665.622.43.001.57:

Е. Г. Мурсалов

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС КОАГУЛЯЦИИ ВОДЫ В ВОДОУГЛЕВОДОРОДНЫ1Х ЭМУЛЬСИЯХ

Перед транспортировкой нефти на нефтеперерабатывающий завод производится её промысловая обработка. Один из основных процессов подготовки нефти - разделение водоуглеводородной дисперсной смеси (ВУДС) в промысловых деэмульсаторах, являющихся частью установки комплексной подготовки нефти. От эффективной работы деэмульсаторов во многом зависит качество промысловой подготовки нефти.

В основе процесса разделения ВУДС лежит процесс осаждения взвешенных капель и их коалесценции (коагуляции). На скорость этих процессов влияют температура подогрева разделяемой эмульсии и добавляемые в нефть реагенты - деэмульгаторы. К управляющим параметрам можно отнести и химические вещества, называемые флокулянтами. Они, так же как и деэмульгаторы, способствуют коагуляции (или флокуляции) диспергированных капель, т. е. объединению их в группы, что, в свою очередь, приводит к ускорению процесса коалесценции. На скорость процесса коалесценции можно влиять и другими способами: использованием электрических и электромагнитных полей, коалесцирующих фильтров и др.

В связи с этим актуальным представляется исследование термомагнитной обработки ВУДС как способа разделения ВУДС, изучение особенностей тепло- и массообмена при воздействии магнитных полей на ВУДС и разработка математической модели процесса коагуляции и осаждения глобул жидкости в водонефтяных дисперсных смесях.

Переменное магнитное поле вызывает поляризацию капелек (глобул) воды (рис. 1, а) и их взаимное притяжение, что в сочетании с термическим воздействием приводит к значительному ускорению коалесценции (коагуляции) капель воды (рис. 2) и их быстрому отстою. Рассмотрим модель осаждения глобулы воды произвольной формы с удельным весом угв в нефти с удельным весом ун. Характерным размером частицы Д, может быть, например, наибольший габаритный размер - её диаметр. Если удельный вес глобул воды больше удельного веса нефти, то капли жидкости будут осаждаться в нефти, в противном случае - всплывать. Кроме изменения направления движения частицы, принципиального различия между этими двумя случаями нет.

При гравитационном осаждении глобулы перемещаются в нефти под действием силы тяжести. В процессе осаждения глобулы жидкости соприкасаются между собой, происходит разрушение сольватной оболочки и слияние глобул в более крупные, что, в свою очередь, увеличивает их удельный вес и скорость осаждения.

Рассмотрим кинетику движения капель воды произвольной формы. В этом случае на них действуют: сила тяжести О, подъемная (архимедова) сила А и сила трения Я.

О - А-Я = ш — .

Ж

В развернутом виде это уравнение можно записать так:

ёп

где с1 - коэффициент, учитывающий форму капель (для капель сферической формы с1 = 1);

ц - коэффициент динамической вязкости; - градиент скорости движения жидкости.

Жп

Уравнение (2) представляет собой дифференциальное уравнение процесса осаждения под действием сил тяжести. Данное уравнение не может быть решено в общем виде обычным математическим способом, поскольку количество неизвестных превышает число уравнений в системе. Его решают методом теории подобия, в результате чего оно имеет вид

Re = а

Уравнение (3) представляет собой критическое уравнение процесса осаждения в общем виде,

3

где критерий Архимеда Aг = ёТэ ——; критерий Рейнольдса Re = Ун—А> = РнМ!Тэ = —А> ;

^ Ун ёт т V

с

коэффициент формы глобулы воды ¥ = —- .

с2

Чтобы пользоваться уравнением (3) для определения скорости осаждения процесса, необходимо иметь числовые значения коэффициента а и показателя степени п, которые могут быть получены только экспериментальным путем.

Исследования показывают, что, как правило, при Re < 1,85 наблюдается ламинарный режим.

При Re < 1,85 или ¥Аг < 33

Re = ¥Аг/18.

По найденному при помощи уравнений (4) значению критерия Re определяется скорость осаждения глобул воды в жидкости под действием силы тяжести:

V

-0 = ^ тт.

тэ

Скорость осаждения глобул воды в нефти можно описать уравнением

-ос = ^ ^ ~),в

где ргв, рн - плотность глобул воды и нефти; dтв - диаметр глобулы воды; X - коэффициент сопротивления нефти.

Таким образом, анализ метода гравитационного отстаивания показывает, что он применим только для грубодисперсной ВУДС (Тг > 50 мкм), где сила тяжести превышает архимедову силу и отсутствует эффект «зависания» глобул.

Молекулы воды дипольны, однако капельки воды не обладают однородностью заряда, т. к. хаотическое расположение молекул воды в капле исключает самопроизвольное проявление в ней дипольных явлений.

Глобулы воды в ВУДС также не проявляют свойства дипольности. Картина резко меняется при наложении на ВУДС внешнего переменного магнитного поля, когда молекулы воды

в каплях получают строгую ориентацию и капли превращаются в диполи. Одинаковая напряженность магнитного поля во всех его точках, а также равенство отрицательного и положительного зарядов капли приводят к тому, что она растягивается. Это происходит до тех пор, пока силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать капле сферическую форму, не станут равными электростатическим силам внутреннего давления, стремящимся разорвать каплю.

Рассмотрим на примере поведения пары капель механизм их взаимодействия. Будем считать, что капли не деформируются, что эквивалентно замене их двумя жесткими сферами.

а б

Рис. 1. Схема поляризации глобул под действием магнитного поля с разной полярностью: а - позиция 1; б - позиция 2

Наличие растворенных минеральных солей позволяет считать капли проводниками; в переменном магнитном поле они поляризуются и начинают взаимодействовать друг с другом. Сила их взаимного притяжения пропорциональна вектору магнитной индукции В и существенно зависит от расстояния между каплями и их радиусов Я1 и Я2. Общее выражение для силы взаимного притяжения двух частиц можно записать в виде

Е = Б2 Я22

где - множитель, зависящий от отношения размеров капель к = Я1/Я2 и отношения расстояния между их поверхностями к радиусу меньшей капли.

Эффективность соударений глобул воды I, т. е. отношение числа соударений, приводящих к коагуляции, к общему числу соударений, выражается уравнением

I =-

івкОгШ

\

2

где г - радиус глобул; Т - коэффициент их диффузии; N - число глобул в единице объема;

V - энергия взаимодействия глобул; S = Н/г; Н - расстояние между поверхностями глобул; Т - абсолютная температура (рис. 2).

а б

Рис. 2. Водонефтяная эмульсия: а - до магнитной обработки; б - после

Таким образом, с учетом кинетической энергии, Дж,

.2

и энергии магнитного поля, Дж,

Е = —

2

Ы 2

= — , (10) можно предположить, что критерии Рейнольдса

Re = САг0,714КN ,

где С - эмпирический коэффициент; Кдт = — критерий, учитывающий влияние магнитного

Ы 2

поля на кинетическую энергию осаждающихся частиц.

В некоторый момент времени магнитное поле меняет свою полярность на противоположную (см. рис. 1, б). При этом поляризация капель также сменится на обратную. Сила притяжения между ними останется прежней, т. к. она не зависит от направления поля. Если поле изме-

няется с некоторой частотой, то сила притяжения капель станет изменяться с двойной частотой. Такое соответствие будет соблюдаться до тех пор, пока скорость процессов переполяризации капель, определяемых подвижностью ионов растворимых в воде солей и размерами капель, будет значительно больше скорости изменения поля. При увеличении частоты можно достигнуть такой области, где это условие нарушится; при этом сила взаимодействия капель уменьшится. Эти критические частоты имеют порядок мегагерц, поэтому для магнитных полей промышленной частоты влиянием частоты на силу взаимодействия капель можно пренебречь.

Дальнейшее экспериментальное исследование особенностей тепло- и массообмена ВУДС под действием магнитных полей (как переменного, так и постоянного) позволит более детально изучить и смоделировать процесс коалесценции глобул при совместном термическом и магнитном воздействии на ВУДС и обосновать такие параметры термомагнитной обработки, как скорость потока, температура, частота, напряженность магнитного поля, форма воздействия и др.

Заключение

1. Рассмотрена математическая модель процесса коагуляции и осаждения глобул жидкости в водонефтяных дисперсных смесях с наложением на эмульсию переменного магнитного поля.

2. Анализ литературы показывает, что при магнитной обработке обводненность нефтяной фазы существенно снижается. Средняя скорость расслоения увеличивается на 50 %: время максимального расслоения без магнитной обработки - 3 часа, при обработке - 1,5 часа.

3. Анализ методов деэмульсации позволил выявить наиболее перспективное направление совершенствования методов магнитной обработки ВУДС на базе промысловых деэмульсаторов -«термомагнитный метод», сочетающий в себе термическое и магнитное воздействие на ВУДС.

4. Получено критериальное уравнение, выражающее скорость осаждения глобул жидкости в ВУДС в зависимости от характеристик жидкости и параметров магнитного поля, связывающее критерий Рейнольдса, критерий Архимеда и критерий, учитывающий влияние магнитного поля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борсуцкий З. Р., Ильясов С. Е. Исследование механизма магнитной обработки нефтей на основе результатов лабораторных и промысловых испытаний // Нефтепромысловое дело. - 2002. - № 8. - С. 28-37.

2. Пивоварова Н. А. Природа влияния постоянного магнитного поля на нефтяные дисперсные системы // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2004. - № 10. - С. 20-26.

3. Пивоварова Н. А. Технологические аспекты выбора параметров магнитного активирования углеводородных систем // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - 2004. - № 9. - С. 142-146.

4. Классен В. И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982. - 216 с.

5. Логинов В. И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. - М.: Химия, 1979. - 216 с.

6. Чернова К. Ф., Имаева Э. Ш. Определение перспективных направлений совершенствования технологии магнитной обработки жидкостей в нефтедобыче / Уфим. гос. нефт. техн. ун-т // Нефтегазовое дело. - 2005 / http://www.ogbus.ru.

7. Чернова К. Ф. Совершенствование методов подготовки углеводородного сырья для процессов нефтехимии и нефтепереработки: дис. ... канд. техн. наук / Уфим. гос. нефт. техн. ун-т / http://www.diss.rsl.ru.

8. Шайдаков В. В., Каштанова Л. Е., Емельянов А. В. Лабораторное обоснование параметров установок магнитной обработки жидкостей / http:// www.Laboratory.ru.

Статья поступила в редакцию 28.04.2009

ANALYTICAL RESEARCH OF VARIABLE MAGNETIC FIELD'S INFLUENCE ON THE PROCESS OF WATER COAGULATION IN WATER-HYDROCARBON EMULSION

E. G. Mursalov

The magnetic processing of water-hydrocarbon dispersed mixture is one of the most universal, efficient and economical methods of oil dehydration. The analysis of the demulsification methods helped to find the most promising way of improvement of the method of the magnetic processing of water-hydrocarbon dispersed mixture on the basis of industrial demulsifiers - "the thermo-magnetic method" that combines thermal and magnetic impact. The criterial equation is received; it illustrates the speed of liquid globules’ sediment in the magnetic processing of water-hydrocarbon dispersed mixture according to the liquid characteristics and magnetic field parameters, which joins Reinolds’ criterion, Archimed’s criterion and criterion concerning the influence of the magnetic field.

Key words: demulsification, water-hydrocarbon dispersed mixture, emulsion, magnetic processing.