СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОДНОРОДНОЙ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ ЖИДКОСТЕЙ С ЗАДАННЫМ СООТНОШЕНИЕМ ВЗАИМНОНЕРАСТВОРИМЫХ КОМПОНЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ
METHOD OF CREATION OF UNIFORM TWO-COMPONENT MIXTURE OF LIQUIDS WITH SET RATIO OF MUTUALLY INSOLUBLE COMPONENTS OF DIFFERENT DENSITY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению, в частности к экспериментальной гидравлике, и может быть использовано в стендах для гидравлических исследований и испытаний измерительных приборов. Преимущественной сферой применения предлагаемого технического решения являются технологии испытаний средств измерений нефти и нефтепродуктов, в частности, с целью их аттестации, калибровки и поверки.
Основное назначение технического решения по настоящему изобретению - создание в исследовательской части контура непрерывного потока двухкомпонентной смеси жидкостей с заданным соотношением компонентов для испытаний, связанных с опробованием, поверкой, калибровкой средств измерений количественных и качественных показателей двухкомпонентной смеси жидкостей.
Уровень техники
Известно решение по патенту РФ 2477393, опубликованному 10.03.2013, и РФ 2477394, опубликованному 10.03.2013, согласно которым создание смеси жидкостей с заданным соотношением компонентов осуществляется в замкнутом контуре, включающем емкость рабочей жидкости, центробежный насос, емкости хранения компонентов рабочей жидкости. После поступления в емкость отмеренного количества каждого компонента многокомпонентная рабочая жидкость многократно перемешивается центробежным насосом до получения смеси требуемого состава. Для решения поставленной задачи и достижения технического результата по патенту РФ 2477393 используют также исследовательский контур, бак-отстойник, контур разделения рабочей жидкости.
Недостатками этого способа являются сложность его реализации, большая металлоемкость, высокая приборная насыщенность, что связано с большими финансовыми затратами.
Известен также способ создания однородной смеси жидкостей с заданным соотношением компонентов, описанный в статье «Многофазная расходомерная установка» (Известия вузов. Нефть и газ. 2006. №6. с. 51-53; УДК 622.276; 681.121). Данная многофазная расходомерная установка представляет собой замкнутый контур, включающий емкости жидких компонентов смеси, центробежный насос, исследовательские участки трубопроводов и сепаратор. Регулирование соотношения жидких компонентов в смеси и общего расхода смеси осуществляется регуляторами расхода. Смесь проходит через исследовательскую часть контура и собирается в сепараторе, в котором происходит ее разделение на составляющие компоненты. Для ускорения процесса сепарации в смесь добавляют деэмульгатор.
Данная установка позволяет моделировать поток многокомпонентной смеси с различными расходами и концентрациями компонентов. Недостатками этого способа являются сложность его реализации и большая металлоемкость.
В Вестнике Тюменского государственного университета №6 за 2010 г. опубликована статья «Экспериментальный стенд для изучения течения многофазных потоков при различных температурах» (УДК 532.575.2), содержащая описание стенда. Постановка задачи здесь наиболее близка техническому решению настоящего изобретения. Стенд состоит из двух частей. Первая часть представляет собой установку для приготовления многофазной смеси. Вторая - исследовательскую линию. Описанная в статье установка для приготовления многофазной смеси включает сосуд высокого давления, в котором готовится многофазная смесь, емкости хранения жидких компонентов и насосы для их подачи. Предусмотрен нагрев смеси. Подготовленная многофазная смесь заданного состава из сосуда высокого давления поступает через переходник в исследовательскую линию. Циркуляция многофазного потока по контуру обеспечивается с помощью насоса.
Использование данного стенда позволяет проводить разнообразные фундаментальные и прикладные исследования, связанные с изучением особенностей течения многофазных потоков при различных температурах, а также испытание, настройку и поверку одно- и многофазных расходомеров.
Это решение принято в качестве наиболее близкого аналога предложенного технического решения.
Однако чтобы из емкости можно было непрерывно получать смесь жидкостей с заданным соотношением компонентов, необходимо организовать в ней мощный процесс перемешивания, так как при перемещении по контуру смесь неизбежно будет расслаиваться и терять однородность. Это усложняет оборудование и вызывает нагрев жидкости в процессе работы.
Получение смеси жидкостей подобными способами широко используется при пуско-наладочных работах и метрологической аттестации стационарных и мобильных замерных установок, использующихся при измерении дебита нефти и воды на устье скважин и кустах добычи нефти и газа, а также при калибровке, аттестации и поверке поточных расходомеров, влагомеров, плотномеров, использующихся при трубопроводной транспортировке жидкостных смесей.
Сущность изобретения
Техническим результатом настоящего изобретения является способ получения постоянного потока однородной двухкомпонентной смеси взаимно нерастворимых жидкостей с заданными характеристиками (соотношение, расход), который не будет обладать недостатками аналога. При этом достигается простота и эффективность технической реализации: не требуются большие емкости и мощные перемешивающие устройства, можно оперативно изменять режим.
Для достижения вышеуказанного технического результата был разработан способ создания двухкомпонентной жидкости с заданным соотношением взаимно нерастворимых компонентов различной плотности, включающий следующие этапы:
a) подают двухкомпонентную жидкость в накопительную емкость, объем которой достаточен для образования в верхней и нижней ее частях смесей жидкостей требуемых концентраций при условии прокачивания двухкомпонентной жидкости с максимально возможным расходом;
b) отбирают в замкнутый контур циркуляции жидкости с разных уровней накопительной емкости по раздельным каналам;
c) смешивают жидкости, отобранные с разных уровней накопительной емкости, регулируя соотношение расходов в направлении устранения рассогласования между заданным и замеренным в замкнутом контуре соотношением компонентов;
d) возвращают смешанные жидкости в накопительную емкость после прохождения ими исследовательской части контура.
Излишняя для исследований часть жидкости может быть возвращена в накопительную емкость, минуя исследовательскую часть контура, по байпасной линии.
Стартовое соотношение компонентов двухкомпонентной жидкости, подаваемой в накопительную емкость, может определяться расчетно-экспериментальным путем в зависимости от диапазонов расхода и соотношения компонентов, заданных для планируемого эксперимента.
Раскрытие изобретения
При решении научных и производственных задач нередко требуется измерение соотношения объемов или масс различных по физическим свойствам (по плотности, по вязкости, по диэлектрической проницаемости и пр.) и взаимно нерастворимых компонентов, входящих в состав жидкой смеси. В зависимости от области применения измеряемую величину называют по-разному: соотношением компонентов, концентрацией, влажностью и др. Приборы, измеряющие эти величины, нуждаются в калибровке. Для калибровки или поверки приборов готовят смеси жидкостей с заданными соотношениями компонентов. В предлагаемой заявке для подготовки смеси с заданным соотношением компонентов необходимо, чтобы компоненты отличались друг от друга по плотности, чем сильнее, тем лучше. Количественное соотношения компонентов задается в зависимости от условий эксперимента.
По существу в предлагаемом способе используется известное явление природы, заключающееся в том, что ограниченно растворимые и взаимно нерастворимые жидкости разной плотности, находящиеся в одной емкости, с течением времени подвергаются гравитационному расслоению, вследствие которого жидкость меньшей плотности собирается сверху, а жидкость большей плотности снизу. Поэтому, отбирая жидкости сверху и снизу емкости и смешивая их в заданном соотношении, можно получать двухкомпонентную смесь жидкостей с заданным соотношением компонентов.
Предлагаемый способ создания однородной двухкомпонентной смеси жидкостей с заданным соотношением взаимно нерастворимых компонентов различной плотности может быть реализован согласно схеме, показанной на фиг. 1.
Накопительную емкость 2 наполняют соответствующими двумя взаимно нерастворимыми компонентами (например, вода и масло) через заправочный трубопровод 1, т.е. подают двухкомпонентную жидкость в накопительную емкость. Объем накопительной емкости достаточен для образования в верхней и нижней ее частях смесей жидкостей требуемых концентраций при условии прокачивания двухкомпонентной жидкости с максимально возможным расходом. Таким образом, для работы способа накопительная емкость имеет достаточную высоту, чтобы в ней происходила гравитационная стратификация компонентов. Т.е. под действием гравитации жидкостная смесь в накопительной емкости разделяется на слои (страты), каждый из которых имеет свои существенные для исследователя и достаточно выраженные свойства (например, химический состав, плотность, вязкость или др.). Высота и объем накопительной емкости выбирается из условия, чтобы в нижней и верхней ее частях в приемлемое при эксплуатации время образовались («отстаивались») слои жидкости с необходимыми свойствами, которые технически возможно забрать и откачать в нужных количествах (в частности, они должны иметь достаточную толщину, чтобы их можно было отобрать, не прихватывая соседний слой). Чем быстрее будет происходить сертификация, тем меньше потребный объем емкости для эффективной работы способа. Для разных смесей жидкостей и разных расходов требуется разное время пребывания в емкости (выбирается экспериментально).
Далее производят отбор из накопительной емкости 2 жидкостей, содержащих преимущественную долю того или иного компонента, одновременно по двум каналам - из поверхностной 3 и придонной 4 зон емкости (например, в соотношении 50/50 массовых долей). Жидкость из поверхностной зоны содержит преимущественную долю масла, из придонной зоны - преимущественную долю воды. Далее схема предоставляет возможность регулировать расходы этих жидкостей (с помощью регуляторов 5) - по результатам определения соотношения компонентов на выходе из насоса 6. Регулирование соотношения расходов жидкостей, отбираемых с разных уровней накопительной емкости, осуществляется на базе сравнения с заданными значениями соотношения расходов компонентов в результирующей смеси. Потоки жидкостей далее смешивают. Смешивание взаимно нерастворимых жидкостей различной плотности, поступивших из одной емкости 2, обеспечивают путем подачи их на вход центробежного насоса 6. По данным поточных измерений на выходе насоса 6 любым известным способом производят определение соотношения компонентов в смеси жидкостей (в качестве средства измерения 7 может быть использован как плотномер, так и влагомер - в зависимости от избранной методики измерений). При получении смеси жидкостей с соотношением компонентов, отличным от заданного (например, в соотношении 60:40), увеличивают расход той жидкости, которая содержит преимущественную долю недостающего компонента (например, увеличивают расход воды, чтобы достичь заданного соотношения 50:50). Например, если в полученной смеси недостаточно масла, увеличивают расход жидкости из поверхностной зоны емкости, и наоборот, тем самым создавая заданные соотношения компонентов в соответствии с условиями исследований. Из вышесказанного следует, что устраняют рассогласование между заданным и замеренным в замкнутом контуре соотношением компонентов, т.е. рассогласование устраняют путем регулирования расхода каждого из компонентов в направлении (увеличения или уменьшения), при котором устраняется обнаруженное рассогласование между измеренными и заданными показателями соотношения компонентов.
Полученную смесь жидкостей далее направляют в исследовательскую часть контура 11. В обеспечение заданного расхода смеси в исследовательской части контура и его гибкого регулирования часть потока смеси жидкостей с помощью трехходового крана 8 направляют в емкость 2 по линии перепуска (трубопровод 9), минуя исследовательскую часть контура 11. Как правило, смесь с заданными свойствами требуется для испытания средств измерения во всем диапазоне расходов, который возможен при его эксплуатации. Т.е. рассматриваемый способ обеспечивает регулирование не только соотношения компонентов, но и общего расхода смеси. При этом излишнюю смесь, полученную на выходе центробежного насоса 6, перепускают обратно в накопительную емкость 2, минуя исследовательскую часть контура 11.
Требуемый расход жидкости в исследовательской части контура контролируют расходомером 10. Смесь, использованную в исследовательской части контура, возвращают обратно в емкость 2 (по трубопроводу 12), после чего цикл повторяют, чем обеспечивается непрерывность процесса исследований. В отличие от прототипа для реализации предлагаемого способа используют только одну емкость небольшого размера; останавливать испытание для изменения соотношения компонентов в смеси не требуется.
Стартовое соотношение компонентов двухкомпонентной жидкости, подаваемой в накопительную емкость, определяют расчетно-экспериментальным путем в зависимости от диапазонов расходов и соотношения компонентов, заданных для планируемого эксперимента. Эксперимент в нашем случае производится в потоке смеси жидкостей, циркулирующих по замкнутому контуру. Диапазоны расходов и соотношения компонентов прокачиваемой жидкости определены заданием. Для того, чтобы подготовить систему к проведению эксперимента, ее заправляют жидкостями - в количествах, необходимых для обеспечения испытаний во всем диапазоне расходов. Количество заправляемых жидкостей определяется расчетом, а расчет проверяют экспериментально.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, тем самым изобретение является промышленно применимым. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.