Расчет теплоизоляции аппаратов для разделения и нагрева водонефтяной эмульсии

М. Г. Кузнецов, О. В. Козулина, Е. Ю. Ермакова,

Ю. Ф. Коротков, А. Н. Николаев

РАСЧЕТ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ АППАРАТОВ

ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ И НАГРЕВА ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ

Ключевые слова: нефть; водонефтяная эмульсия; обезвоживание; промежуточный теплоноситель; деэмульсатор; жаровая

труба.

Рассмотрены особенности работы аппаратов совместного сбора, подготовки и транспорта попутного нефтяного газа, нефти и пластовой воды в районах с суровыми климатическими условиями. Приведен расчет теплоизоляции аппарата.

Keywords Oil; a water oil emulsion; dehydration; the intermediate heat-transfer medium; a heat pipe.

Features of work of devices of joint assembly, preparation and transport of passing petroleum gas, oil and sheet water in areas with severe environmental conditions are considered. Calculation of a heat insulation of the device is resulted.

В районах с суровыми климатическими условиями аппараты совместного сбора, подготовки и транспортирования попутного нефтяного газа, нефти и пластовой воды, размещенные на открытых площадках, теплоизолируют. Особенность работы теплоизолированного аппарата заключается в том, что температура окружающего воздуха может достигать минус 50°С, а температура нефти в аппарате не должна быть ниже 5°С [1].

При расчете теплоизоляции необходимо учитывать такие факторы, как большая площадь поверхности теплообмена аппарата с окружающим его воздухом, большой перепад температур внутри и снаружи аппарата и резкое возрастание вязкости нефти при ее охлаждении. Для снижения вязкости обводненной нефти и сокращения времени на обезвоживание ее нагревают и обрабатывают химреагентами в аппаратах для разделения и нагрева водонефтяной эмульсии - деэмульсаторах.

В деэмульсаторе с использованием промежуточного высокотемпературного теплоносителя [2] (например, глицерина, = 400 °С) нефтяную

эмульсию без особо больших энергозатратах можно нагреть до температуры 20°С и выше путем сжигания в жаровой трубе деэмульсатора попутного нефтяного газа, отбираемого из этого же аппарата.

В деэмульсаторе с использованием промежуточного высокотемпературного теплоносителя исключаются контакт продуктов сгорания топлива с нагреваемой нефтью, прогар жаровой трубы и образование отложений на внутренней стенке кожуха, в котором циркулирует промежуточный теплоноситель. С этой точки зрения деэмульсатор с использованием промежуточного высокотемпературного теплоносителя является наиболее пожаровзрывобезопасным.

Исходными данными для определения толщины слоя теплоизоляции считаются вязкость нагретой до требуемой температуры водонефтяной эмульсии, пропускная способность деэмульсатора, рабочее давление в нем и температура окружающего аппарат воздуха.

Как правило, скорость рабочей среды в деэмульсаторе небольшая и перенос тепла к внутрен-

ней стенке аппарата от медленно движущегося потока вязкой водонефтяной эмульсии происходит в условиях проявления слабых конвективных токов. Теплота от наружной стенки теплоизоляции в окружающую среду передается путем естественной конвекции.

На рис. 1 показано изменение температуры при переносе теплоты от нагретой до средней температуры / =^н + ^ = 5 + 35 = 20°С водонефтяной 1 2 2 эмульсии в аппарате к окружающему воздуху.

Удельный тепловой поток от ядра потока жидкости к внутренней стенке рассчитывается по уравнению:

<71-2 =«ж

где а - коэффициент теплоотдачи для жидкости,

Вт/(м2К); ^, 12 - температуры жидкости в ядре потока и на поверхности внутренней стенки аппарата, °С.

Ч

Рис. 1 - Картина изменения температуры при переносе теплоты от жидкой среды через теплоизолированную стенку аппарата в окружающую среду: 1 - стенка аппарата; 2 - теплоизоляция

Задавшись перепадом температур Л^2 = ^ -12 , можно рассчитать для каждого значения этого перепада удельный тепловой поток

ql-2

В стационарном режиме работы аппарата удельный тепловой поток от нагретой до температуры ^ жидкости через теплоизолированную стенку

аппарата к окружающему воздуху остается постоянным, т.е. q1-2 = д2-з = дэ-4 = д4-5 , Вт/м2.

Температура 13 наружной стенки аппарата определяется из уравнения:

- 3 = КК ( 2 - *3 ),

8

где д 2 - 3 - удельный тепловой поток через стенку аппарата, Вт/м2; 8С - толщина стенки аппарата, м; ЛС - коэффициент теплопроводности для стальной стенки, равный 6,5 Вт/(мК).

Температура 14 наружной стенки теплоизоляции определится из уравнения:

?4-5 = ав

где д4 - 5 - удельный тепловой поток от наружной стенки теплоизоляции к воздуху, Вт/м2; ав - коэффициент теплоотдачи для воздуха в условиях естественной конвекции, равный 9 Вт/(м2К); ¿5 = - 45°С

- температура воздуха снаружи аппарата.

Толщина стенки 8и теплоизоляции определится из уравнения:

* -

?3-4 =

•Д/3

где д3-4 - удельный тепловой поток через стенку теплоизоляции, Вт/м2; Ли - коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/(мК); Л*3 - 4 = /3 - /4 - перепад температур на наружной и внутренней стенках теплоизоляции, °С.

Зависимость удельного теплового потока д от перепада температур показана на рис.2.

Вт

Рис. 2 - Зависимость удельного теплового потока от перепада температур

Параметры

К

и ай в (1)-(3) харак-

3 - д4-5 (от наружной стенки теплоизоляции к воздуху).

При ¿1 = 20 °С и принятом перепаде температур Л^_2 = ¿1 - ¿2 = (20 -19,9) = 0,1 град. удельный тепловой поток равен:

?1-2 = аж • Л/1-2 = 600 • 0,1 = 60 Вт/м2.

При Л^ 2 = (20 -19) = 1 град.

д1-2 = 600 • 1 = 600 Вт/м2.

Таким образом, на графике д^2 = /

- прямая.

Аналогично построены прямые

д2 - 3 = /(л 2 - 3 ) и д 4 - 5 = /((4 - 5 ).

Температура ¿2 эмульсии у поверхности внутренней стенки деэмульсатора должна быть близкой к 20°С, поэтому температура наружной стенки аппарата равна:

(3 = - д1-2 '8с + ¿2 = - 60 •0,018 +19,9 = 19,7 °С,

3 АС 46,5

Температура воздуха на наружной стенке теплоизоляции

^4 =-

^ - /5 =- 60 - 45 = -38,4 °С' К 9

Толщина стенки теплоизоляции, например, из стекловаты

0,05 -[19,7 -(- 38,4)]

8 = К ' *3-4

и ~

Яъ-4

60

[ = 005 м-

Таким образом, толщина слоя стекловаты, которой должен быть обернут деэмульсатор при дх_ 2 = д2 - 3 = д3 - 4 = д4 - 5 = 60 Вт/м2, равна 50 мм.

Без теплоизоляции температура наружной стенки была бы равна:

_______= _ 60

13 = 0 14

,3'=-*-1 - /'=- 60 - 45 = -38,4 °С

3 К 4 9

а внутренней стенки

<71-2 -8

/2=-

К

- 4=-

60 • 0,018 6,5

= -38,4 °С,

где /4 - температура воздуха снаружи у стенки аппарата, °С.

Водонефтяная эмульсия в спокойном состоянии при такой температуре в аппарате станет очень сильной вязкой жидкостью.

Литература

1. Забродин А.Г., Алибеков С.Я., Маряшев А.В., Сальманов Р.С., Филимонов С.С. Анализ физико-механических свойств мазута и устройство для его эффективной подготовки и сжигания //Вестник Вестник Казан. Технол. ун-та. - 2013. - Т.16. - №5. - С.226. - 233.

2. Коротков Ю.Ф., Ермакова Е.Ю., Козулина О.В., Кузнецов М.Г., Панков А. О. Обустройство нефтяных промыслов //Вестник Казан. Технол. ун-та. - 2013. - Т.16. -№5. - С.234-235.

теризуют наклоны прямых 1 (стальная стенка); 2 (водонефтяная эмульсия) и 3 (воздух).

Для водонефтяной эмульсии

аж = 600 Вт/(м2-К) [2].

1 - д2 - 3 (через стенку аппарата);

2 - д1-2 (от водонефтяной эмульсии к внутренней стенке аппарата);

© М. Г. Кузнецов - к.т.н., доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ, opp-srv@rambler.ru; О. В. Козулина - к.т.н., доц. той же кафедры; Е. Ю. Ермакова - инженер, ОАО «Тат НИИнефтемаш»; Ю. Ф. Коротков - к.т.н., доц. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; А. Н. Николаев - д.т.н., проф., зав. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ.