Смесительное жидкостное устройство
MIXING LIQUID DEVICE

Предложение относится к смесительным устройствам для смешения компонентов при их транспортировке по магистральным трубопроводам и может использоваться в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
Известно смесительное устройство (патент RU №2454272, МПК B01F 5/06, опубл. 27.06.2012 Бюл. №18), содержащее корпус с патрубком для подачи потока первого жидкого компонента и патрубком для подачи второго жидкого компонента, на котором смонтировано устройство для подачи второго жидкого компонента в корпус смесительного устройства, причем устройство для подачи второго жидкого компонента представляет собой трубу, на которой установлена распределительная головка, состоящая из несущей трубы и установленных на ней многолучевых дисков с отверстиями, при этом распределительная головка жестко фиксируется по отношению к корпусу.
Недостатками данного устройства являются сложная конструкция и, как следствие, высокая металлоемкость и стоимость, а также узкая область применения, так как оно предназначено только для смешения потока жидкостей.
Известно также устройство для получения смеси, по крайней мере, двух жидкостей (патент RU №2435839, МПК C12G 3/04, B01F 5/06, B01F 5/16, опубл. 10.12.2011 Бюл. №34), содержащее корпус с вставкой с отверстием, выполненным в виде сопла, и втулкой, установленными в нем с образованием камер предварительного и окончательного перемешивания, и патрубками подачи первой и второй жидкостей в камеру предварительного перемешивания, при этом патрубок подачи первой жидкости, корпус, вставка и втулка выполнены соосными, и патрубок подачи второй жидкости расположен перпендикулярно патрубку подачи первой жидкости, причем внутренняя поверхность втулки выполнена в виде сопла, обращенного сужающейся частью в сторону камеры окончательного перемешивания, а камера окончательного перемешивания разделена на секции, частично отгороженные друг от друга пластинками, выполненными в виде полос с закругленными под внутреннюю поверхность корпуса концами и закрепленными неподвижно на оси, проходящей по всей длине камеры окончательного перемешивания, с угловым смещением относительно друг друга, при этом ось закреплена одним концом через первую пластинку на втулке, а другим концом через планку на фланце, закрепленном на торце выходного канала корпуса.
Недостатками данного устройства являются сложная внутренняя конструкция и, как следствие, высокая металлоемкость и стоимость, а также узкая область применения, так как оно предназначено только для смешения потока жидкостей.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для получения смеси, по меньшей мере, двух жидкостей (патент на ПМ RU №139436, МПК B01F 5/06, опубл. 20.04.2014 Бюл. №11), выполненное в виде трубопровода, включающего функциональные камеры: приемную камеру с патрубками подачи смешиваемых жидкостей, камеру перемешивания, снабженную завихрителями в виде пластин удлиненной формы, стационарно закрепленных на оси, проходящей по всей длине камеры перемешивания, с угловым смещением относительно друг друга и на фиксированном расстоянии друг от друга, причем дополнительно содержит камеру созревания, сообщенную с камерой перемешивания, расположенную над камерой перемешивания и выполненную в виде змеевика, состоящего из секций в виде прямолинейных участков, соединенных между собой фасонными соединительными элементами, причем выходной патрубок камеры созревания расположен ниже уровня камеры перемешивания или на одном уровне с ней.
Недостатками данного устройства являются сложная внутренняя конструкция и, как следствие, высокая металлоемкость и стоимость, а также узкая область применения из-за невозможности использования при подготовке нефти, так как оно предназначено только для смешения потока жидкостей и успокоения жидкости без предварительного отстоя.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание простого и дешевого смесительного жидкостного устройства, позволяющего производить за счет гидродинамических свойств смеси жидкостей смешение потоков за счет турбулентности в камере смешения для разрушения бронирующих оболочек на глобулах воды, перехода потока между турбулентным и ламинарным потоком жидкости в переходной камере для укрупнения глобул нефти и ламинарного потока в камере успокоения для расслаивания потока на нефть и воду при ламинарном потоке жидкости, что должно приводить к улучшению обессоливания и обезвоживания пластовой продукции при подготовке нефти.
Техническая задача решается смесительным жидкостным устройством, включающим приемную камеру с патрубками подачи смешиваемых жидкостей, трубопровод, состоящий из камеры смешения подаваемых жидкостей с получением смеси, камеру успокоения при ламинарном потоке смеси для отстоя жидкости, причем все камеры выполнены в виде змеевика, состоящего из секций в виде прямолинейных участков, соединенных между собой фасонными соединительными элементами.
Новым является то, что между камерой смешения и камерой успокоения располагают переходную камеру, для обеспечения перехода от турбулентного потока в камере смешения к ламинарному потоку в камере упокоения, для чего камеры выполнены различного проходного диаметра, последовательно увеличивающегося при помощи переходников от камеры смешения к камере успокоения, причем суммарную длину камеры смешения выбирают эмпирическим путем эмпирическим путем для получения максимально возможного разрушения бронирующих оболочек на глобулах воды, длину переходной камеры - для получения максимально возможного укрупнения глобул нефти, а камеры успокоения - для получения максимально возможного расслаивания потока на нефть и воду.
На фиг. 1 изображена схема смесительного жидкостного устройства.
2
На фиг. 2 изображен график изменения в течении месяца после пуска установки обезвоживания и обессоливания нефти АН РТ содержания воды (%), хлористых солей (мг/дм) и массы подготовленной воды (тыс.т/мес) до установки смесительного жидкостного устройства.
2
На фиг. 3 изображен график изменения в течении месяца после пуска установки обезвоживания и обессоливания нефти АН РТ содержания воды (%), хлористых солей (мг/дм) и массы подготовленной воды (тыс.т/мес) после установки смесительного жидкостного устройства.
Смесительное жидкостное устройство включает приемную камеру 1 (фиг. 1) (показана условно) с патрубками 2 (для продукции пласта), 3 (для пресной воды) и 4 (для реагентов из дозатора - не показан) подачи смешиваемых жидкостей (показаны условно), трубопровод, состоящий из установленных последовательно камеры смешения 5 подаваемых жидкостей с получением смеси, переходной камеры 6 для обеспечения перехода от турбулентного потока к ламинарному потоку и камеры успокоения 7 при ламинарном потоке смеси для отстоя жидкости и расслаивания жидкостей. Причем все камеры выполнены в виде змеевика, состоящего из секций в виде прямолинейных участков 8, соединенных между собой фасонными соединительными элементами 9. чего Камеры 5, 6 и 7 выполнены различного проходного диаметра, последовательно увеличивающегося при помощи двух переходников 10 от камеры смешения 5 к камере успокоения 7 через переходную камеру 6. При этом суммарную длину камеры смешения 5 выбирают эмпирическим путем для получения максимально возможного разрушения бронирующих оболочек на глобулах воды, длину переходной камеры - для получения максимально возможного укрупнения глобул нефти, а камеры успокоения - для получения максимально возможного расслаивания потока на нефть и воду. Приемная камера 1 может быть выполнена любой известной конструкции, например, в виде струйного насоса, гидроциклона, емкости и/или т.п. (авторы на это не претендуют). Переходники 10 также могут быть изготовлены с любым переходным углом α, так как при длине прямоугольных участков 8 камер 5, 6 и 7 более трех метров переходные процессы в переходниках 10 нивелируются и не влияют на работоспособность смесительного устройства, как и фасонные соединительные элементы 9.
Смесительное жидкостное устройство работает следующим образом.
Предварительно перед началом изготовления смесительного устройства определяют плотность ареометром (ρ) и динамическую вязкость (η) полученной смеси жидкостей (водонефтяной смеси). Для определения динамической вязкости смеси жидкостей (взятой пробоотборником) прогоняют через трубку (обычно стеклянную) с известными длиной и диаметром, при этом измеряя скорость потока данного раствора и давления в начале и в конце трубки. Исходя из формулы:
где v - скорость смеси жидкостей раствора вдоль трубки, м/с;
R - радиус трубки, м;
1
2
p-p=ΔP - разность давлений на входе и на выходе из трубки, Па;
η - динамическая вязкость смеси, Па⋅с или кг/(м⋅с);
L - длина трубки, м.
Из формулы [1] получаем:
где η - динамическая вязкость смеси, Па⋅с или кг/(м⋅с);
v - скорость смеси вдоль трубки, м/с;
R - радиус трубки, м;
1
2
p-p - разность давлений на входе и на выходе из трубки, Па;
L - длина трубки, м.
Причем число Рейнольдса (Re) для труб определяют по формуле:
где Re - число Рейнольдса;
3
ρ - плотность смеси, кг/м;
v - скорость потока, м/с;
Γ
D - гидравлический диаметр (внутренний диаметр участка трубопровода 10), м;
η - динамическая вязкость среды - смеси, Па⋅с или кг/(м⋅с);
Зная, что для получения ламинарного течения жидкости в прямом трубопроводе Re≤2000, получаем из формулы [4] скорость, ниже которой получаем ламинарный поток смеси (для камеры успокоения 7), при Re>2000 - турбулентный [5] (для камеры смешения 5), а при Re≈2000 - переходный [6] (как показала практика, рекомендуется придерживаться отклонения от нуля до меньше 5% - для переходной камеры 6):
где v - скорость потока, м/с;
2000 - Re - граничное число Рейнольдса;
η - динамическая вязкость среды, Па⋅с или кг/(м⋅с);
3
ρ - плотность смеси, кг/м;
Γ
D - гидравлический диаметр соответствующей камеры 5, 7 и 6, м.
Для расчета выбирают переходную камеру 6, так как к ней самые жёсткие требования по параметрам согласно формуле [6].
Зная, что скорость потока жидкости в участке трубопровода определяют по формуле:
где v - скорость потока, м/с;
3
Q - расход жидкости в участке трубопровода, исходя из производительности установки обезвоживания и обессоливания нефти, м/ч;
Γ
D - гидравлический диаметр (внутренний диаметр участка трубопровода камеры 5, 6 и 7), м.
Γ
Подставляя формулу [7] в формулу [6] определяем расчетный гидравлический диаметр (D2) переходной камеры 6 по формуле:
Γ
где D2 - гидравлический диаметр (внутренний диаметр участка трубопровода камеры 6), м;
3
Q - расход жидкости в участке трубопровода, исходя из производительности установки обезвоживания и обессоливания нефти, м/ч;
3
ρ - плотность смеси, кг/м;
2000 - Re - граничное число Рейнольдса;
η - динамическая вязкость среды, Па⋅с или кг/(м⋅с).
Γ
Г
Из полученного из формулы [8] гидравлического диаметра D2 переходной камеры 6 выбирают из сортамента труб, например, для Алексеевского нефтяного месторождения Республики Татарстан (АН РТ) в трехступенчатой установке обессоливания и обезвоживания нефти для переходной камеры 6 смесительного жидкостного устройства определили гидравлический диаметр D2 = 100 мм, то есть труба сортамента (наружного диаметра) 114 мм.
Г
Г
Г
Г
Уменьшение гидравлического диаметра D менее 100 мм приводит к турбулентному потоку внутри труб камеры смешения 5 (в соответствии с формулой [5]), а увеличение - более 110 мм к ламинарному потоку внутри камеры успокоения 7 (в соответствии с формулой [4]). Однако практика показала (при снижении или увеличении расхода жидкости Q) для гарантированного соблюдения соответствующих потоков в камерах 5 и 7 и уменьшении габаритных размеров, было решено изготавливать эти камеры 5 и 7 из ближайшего сортамента труб с внутренним гидравлическим диаметром D1 и D3, отличающегося как минимум на 25% от гидравлического диаметра D2 соответственно в меньшую сторону для камеры 5, или большую - для камеры 7.
Г
Г
Для установки, применяемой на АН РТ, для камеры смешения 5 выбрали трубы наружным диаметром 89 мм с внутренним гидравлическим диаметром D1=73 мм (менее на 27%), а для камеры успокоения 7 - 159 мм с D3=139 мм (более на 39%).
Г
Г
Камеру смешения 5 с гидравлическим диаметром D1 соединяют с приемной камерой 1, оснащённой патрубками 2, 3 и 4, и в лабораторных условиях при прокачке с расходом жидкости Q пробами вначале камеры 5 и ее конце определяют ее суммарную длину, при которой перестают разрушаться за счет интенсивных соударений при турбулентном потоке бронирующие оболочки на глобулах воды (максимально возможное разрушение). Для установки, применяемой на АН РТ, для камеры смешения 5 с D1=73 мм, суммарная длина при которой перестали разрушаться бронирующие оболочки на глобулах воды составила 19 м. Для гарантированного получения результата принято решения суммарную длину камеры смешения сделать не менее 20 м (не практике - 23 м).
Г
Г
После чего к камере смешения 5 чрез переходник 10 подсоединили переходную камеру 6 с D2 и в лабораторных условиях при прокачке с расходом жидкости Q пробами вначале камеры 5 и ее конце определяют ее суммарную длину, при которой укрупняются глобулы нефти до максимально возможного размера за счет повышенного замедленного пристенного слоя (по сравнению с турбулентным потоком) и медленных соударения между собой в переходной камере 6. Для установки, применяемой на АН РТ, для переходной камеры 6 с D2=100 мм, суммарная длина, при которой перестали укрупняются глобулы нефти составила 16 м. Для гарантированного получения результата принято решения суммарную длину камеры смешения сделать не менее 17 м (не практике - 23 м для упрощения подготовки прямолинейных участков 8, соединенных между собой фасонными соединительными элементами 9).
Г
Г
После чего к переходной камере 6 через второй переходник 10 подсоединили камеру успокоения 7 с D3 и в лабораторных условиях при прокачке с расходом жидкости Q пробами вначале камеры 7 и ее конце определяют ее суммарную длину, при которой добились максимально возможного расслаивания потока на нефть и воду, что возможно только при ламинарном течении потока жидкости. Для установки, применяемой на АН РТ, для переходной камеры 6 с D2=139 мм, суммарная длина, при которой добились максимально возможного расслаивания потока на нефть и воду составила 18 м. Для гарантированного получения результата принято решения суммарную длину камеры смешения сделать не менее 19 м (не практике - 23 м для упрощения подготовки прямолинейных участков 8, соединенных между собой фасонными соединительными элементами 9).
В результате на разных установках суммарная длина работоспособных смесительных жидкостных устройств на различных установках обезвоживания и обессоливания нефти АН РТ составила 80-100 м (из-за человеческого фактора) с учетом приемной камеры 1, переходников 10 и фасонных соединительных элементов 9. Для простоты монтажа на объектах АН РТ смесительное жидкостное устройство уложили в горизонтальной плоскости.
Провели сравнительный анализ до установки смесительного жидкостного устройства (фиг. 2) и после (фиг. 3), что показало эффективность предлагаемого устройства, так как при росте массы подготавливаемой жидкости (смеси жидкостей) позволяет добиться стабильного опреснения воды и содержания хлористых солей в выходном продукте, не смотря даже на колебания перекачиваемой смеси. В результате внедрения смесительного жидкостного устройства на установках обезвоживания и обессоливания на УПН ЗАО «Алойл» позволило снизить на 30% концентрацию хлористых солей в товарной нефти, на 50% уменьшить расход пресной промывочной воды. Следовательно, снизились капитальные и эксплуатационные затраты на подготовку нефти, повысилась стабильность работы всей установки. Причем из-за отсутствия внутри смесительного жидкостного устройства дополнительных конструктивных элементов сопротивление потоку жидкости снизилось на 30-40% по сравнению с аналогами, при этом упростилось и удешевилось как изготовление, так и обслуживание этого устройства.
Также возможно использовать данное смесительное устройство как типовое для установок обессоливания и обезвоживания нефти с повышенной производительностью в виде последовательных одинаковых смесительных устройства (в виде секций), в соответствии с производительностью кратной расчетной установки. Например, при производительности установки обессоливания и обезвоживания нефти примерно в три раза больше расчетной установки используют три работающих последовательных смесительных устройства, которые для компактности могут располагаться друг над другом. Что также позволяет не рассчитывать специально каждое смесительное устройство для каждой установки отдельно.
Предлагаемое смесительное жидкостное устройство простое и дешевое как изготовлении, так и обслуживании, позволяет при этом производить за счет гидродинамических свойств смеси жидкостей смешение потоков за счет турбулентности в камере смешения для разрушения бронирующих оболочек на глобулах воды, перехода потока между турбулентным и ламинарным потоком жидкости в переходной камере для укрупнения глобул нефти и ламинарного потока в камере успокоения для расслаивания потока на нефть и воду при ламинарном потоке жидкости, что должно приводить к улучшению обессоливания и обезвоживания пластовой продукции при подготовке нефти.