СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SEPARATION OF GAS-LIQUID MIXTURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам разделения водонефтяной эмульсии и устройствам для его осуществления, а именно к способам непрерывного разделения посредствам создания напряжения сдвига и разрежения в жидкой среде, гидроакустического воздействия, и может быть использовано в нефтяной, химической, нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности, в первую очередь для подготовки нефти, в частности для обезвоживания и обессоливания водонефтяной эмульсии, а также для переработки нефтяных отходов и дегазации нефти.
Известен способ разделения водонефтяной эмульсии методом гидроакустического воздействия и последующей сепарации, осуществленный в устройстве [1].
Однако в этом способе жидкость находится все время под давлением, что препятствует процессу росту и коалесценции пузырьков газа, и снижает интенсивность разделения и последующего обезвоживания.
Известен способ непрерывного разделения жидкости, которую подвергают диспергированию с использованием центробежных сил и разрежению, осуществленный в устройстве [2].
Способ имеет неглубокую степень разделения жидкости, вследствие малой величины свободной поверхности жидкости, а также из-за того, что часть жидкости растекается тонкой пленкой по движущейся поверхности и не подвергается распылу.
Известен способ разгазирования и разделения водонефтяной эмульсии и устройство для его осуществления, заключающийся в том, что с целью повышения эффективности процесса, необходимо соблюдать определенные условия режиму течения смеси на вводе в аппарат и виброобработке продукции [3].
Данный способ имеет небольшую производительность, дополнительную операцию по необходимости создания пробкового течения, сложность конструкции, реализующей способ.
Наиболее близким техническим решением является акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате, заключающийся в гидромеханическом и акустическом воздействии на обрабатываемую среду безканальным дискообразным ободом ротора, совершающего колебания, а также, акустическим воздействием на обрабатываемую среду безканальным дискообразными ободами статоров, совершающих колебания. [4].
Однако известный способ малоэффективен, так как имеет ограниченную производительность вследствие того, что напряжение сдвига в дисперсной среде носит локальный характер, наличие трудно обтекаемых лопаток повышает турбулизацию, способствует раздроблению дисперсной фазы на мелкие капли и получению устойчивой эмульсии, металлоемкость и сложность конструкций, реализующих данный способ, низкая глубина обезвоживания и дегазации жидкости, вследствие малой величины свободной поверхности обрабатываемой жидкости и того, что жидкость подается неравномерно по поверхности.
Технический результат состоит в повышении эффективности обезвоживания и обессоливания водонефтяной эмульсии, ее разделению за счет создания условий, позволяющих получать высокое напряжение сдвига и разрежение в жидкой среде, а также возбуждать
гидроакустические колебания, что снижает стабильность эмульсии и сокращает время распада.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, достигается тем, что создают постоянный расход смеси и подают ее в зазор между поверхностями, характерный размер и расстояние между которыми обеспечивает создание критической резонансной толщины образованного слоя жидкости, вследствие максимального достижения величины напряжения сдвига по всей толщине слоя и площади формирующих его поверхностей, это позволяет существенно снизить величину предельного критического напряжения разрушения бронирующей оболочки дисперсной фазы водонефтяной структуры, что не только способствует отделению дисперсной фазы, но и облегчает проникновение к ней эмульгатора. Кроме того, снижается эффективная вязкость жидкости до наименьшего значения [5]. Величина толщины слоя, соответствующего резонансному поглощению возвратно поступательных или крутильных колебаний, обеспечивает действие максимальных напряжений сдвига по всему слою образованного зазора вследствие обеспечения условий максимального поглощения в слое энергии колебания [6], что позволяет достигать максимальной эффективности и производительности способа. Эти условия позволяют провести глубокое разделение жидкости, а также повысить дегазацию. После этого отводят разделившуюся жидкую и газовую фазы.
На чертежах представлены схемы устройств для реализации способа: на фиг. 1 схематически изображено устройство с горизонтальным расположением сливных полок; на фиг. 2 - устройство с наклонным расположением сливных полок; на фиг. 3 - устройство с наклонным расположением сливных полок, имеющие отверстия для создания гидроакустических колебаний; фиг. 4 - вид по стрелке А-А; фиг. 5 - вид по стрелке Б-Б; фиг. 6 – устройство, снабженное механизмом вертикально-возвратного движения; фиг. 7 - устройство с вертикальным расположением сливных полок.
Как показано на чертежах, устройства состоят из корпуса 1 с вводным штуцером 2 и штуцерами выхода газа 3, нефти 4 и воды 5, сливных полок 6, напорного трубопровода 7, устройства постоянного расхода 8, устройства для отбора выделившихся газов 9, насоса 10.
Способ реализуется следующим образом.
С помощью устройства 8 создают постоянный расход водонефтяной смеси (фиг. 1). Смесь по напорному трубопроводу 7 поступает через вводной штуцер 2 по оси в зазор между двумя поверхностями сливных полок 6.
Осуществляется создание критической резонансной толщины пограничного слоя смеси, при которой возникают слои жидкостей и уменьшается вязкость, вследствие изменения напряжения сдвига, что обеспечивается при условии создания постоянного расхода жидкости на входе в зазор между поверхностями сливных полок 6, то есть
вх
вых
G=G,
вx
где G - массовый расход газожидкостной смеси нефти, воды и газа, поступающей в устройство;
вых
1
2
3
1
2
3
G=G+G+G - G(t), G(t), G(t) - массовые расходы газа, нефти и воды, выходящих из устройства, кг/с.
В соответствии с уравнением неразрывности струи и уравнением закона сохранения энергии (уравнение Бернулли) применительно к сечениям в начале и в конце устройства имеем:
вх
2
где f - площадь потока на входе, м, определяемая по соотношению
где D - внутренний диаметр трубопровода, м;
вх
вых
_
V-V скорость потока в сечениях на входе и выходе устройства, м/с;
вх
вых
Р- Р - давление потока на входе и выходе устройства, МПа;
вых
_
2
f площадь потока выходе, м:
где d - диаметр потока на выходе из устройства, м;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
2
g - ускорение силы тяжести, м/с.
После подстановки соотношений (3) в уравнение (1) и совместного решения его с уравнением (2) получим:
вых
кр
V не должно превышать V - некоторой критической скорости развития кавитации.
Размер зазора между сливными полками изменяется в зависимости от физико-химических характеристик поступающей водонефтяной смеси. Кроме того, при растекании смеси между поверхностями сливных полок 6 вследствие создания разрежения образуются жидкая и газовая фазы. Поддержание разрежения в объеме между поверхностями сливных полок обеспечивается за счет увеличения площади проходного сечения между ними.
Если в качестве водонефтяной смеси используется водогазонефтяная смесь, то после прохождения ее по устройству, очищенная нефть удаляется через штуцер 4 с помощью насоса 10. Выделенную газовую фазу через штуцер 3 отводят с помощью устройства 9. Вода удаляется из устройства через штуцер 5.
Возможно, что поверхности сливных полок 6 выполнены под наклоном (фиг. 2), что дифференцирует разделение фаз по радиусу сливных полок и увеличивает скорость разделения водонефтяной смеси, а также способствует увеличению выхода газовой фазы [7, 8].
Возможно, что смесь подвергают воздействию напряжения сдвига (фиг. 3) с помощью привода 11, передачи 12, валов 13, 14, камеры подачи смеси 15, крепления сливных полок 16 (фиг. 4), приводят поверхности сливных полок 6 в параллельное движение относительно друг друга, что ведет к уменьшению динамической вязкости [9, 10], изменению напряжения сдвига, образованию критической резонансной толщины междисковых слоев жидкости, а также снижается сопротивление выделению пузырьков газа [11], обеспечивая более интенсивное разделение жидкой и газовой фаз.
Возможно, что поверхности сливных полок 6 выполнены под наклоном (фиг. 3), что способствует более полному разделению
водонефтяной смеси, а также выделению газовой фазы, т.к. под действием центробежных сил на смесь изменяется напряжение сдвига и повышается степень разделения жидкой и газовой фаз, а также повышается скорость растекания по поверхности сливных полок 6.
Возможно, что смесь подают на поверхности сливных полок, в которых выполнены прорези 17 и они поочередно совпадают (фиг. 3, фиг. 5). В результате этого смесь приобретает пульсирующее движение, генерируемые в жидкости акустические колебания осуществляют дополнительное воздействие, способствуют снижению напряжения сдвига. Одновременно при гидроакустическом воздействии происходит нагревание смеси, которое уменьшает динамическую вязкость и повышает глубину разделения смеси.
Возможно, что сливные полки 6 вращают в противоположные стороны для создания напряжения сдвига (фиг. 3), что приводит к снижению динамической вязкости (например: для нефти с 58 до 3,8 МПа⋅с [5]).
Возможно, что в корпусе создают разрежение вакуумным насосом 9 (фиг. 1) и отводят газовую фазу из устройства.
Возможно, что поверхности сливных полок 6 снабжены электродами 18 (фиг. 6) и жидкость обрабатывается высоковольтным током, что повышает глубину разделения смеси [11].
Возможно, что поверхности сливных полок 6 совершают вертикально-возвратные движения относительно друг друга с помощью механизма 19 и привода 20 для усиления эффекта разделения смеси в области резонансных колебаний (фиг. 6).
Возможно, что для ускорения процесса разделения смеси вводят деэмульгирующее вещество, которое способствует разрыву окружающих дисперсные частицы фазы межфазовой пленки и коалисценции этих частиц.
Возможно, что жидкость задерживают в устройстве (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 6), на начальном этапе работы устройства, на определенное время до некоторого уровня жидкости, а затем с помощью насоса 10 откачивают ее, в результате чего создается дополнительное разрежение в устройстве.
Возможно, что поверхности сливных полок 6 расположены вертикально и совершают вращательное движение с помощью привода 11 (фиг. 7), что способствует более полному разделению на жидкую и газовую фазы, т.к. под действием центробежных сил жидкость разбрызгивается, создается дополнительное разрежение в потоке, в результате чего повышается разделение жидкой и газовой фаз.
При сравнении способов разделения водонефтяной эмульсии использовалась нефтегазовая смесь с одинаковыми реологическими и техническими параметрами, включая объемный расход нефти, газосодержание, перепад давлений, плотность нефти и газа, температуру и вязкость нефти. Сравнение производится с учетом конструкций устройств, которые реализуют способы разделения смеси.
Для исследования использовалась нефть, взятая после концевой сепарации из емкости товарной нефти.
Экспериментально установлено, что при динамическом способе разделении смеси с использованием роторного ультразвукового устройства разделение на фазы ускорилось (фиг. 3) в 2, 3 раза, по сравнению с традиционным.
Таким образом, изобретение позволяет повысить степень и интенсивность разделения водонефтяной эмульсии, а также производительность.
Список использованных источников
1 А.с. СССР №1669484, B01D 19/00, Бюл. №30, 1991.
2 Патент РФ №2048160, B01D 19/00, Бюл. №32, 1995.
3 А.с. СССР №1507417, B01D 19/00, Бюл. №34, 1989.
4 Патент на изобретение №2354445, В01F 7/00, 2007.
5 Девликамов В.В. Аномальные нефти. – М.: Недра, 1975, рис. 25, стр. 63; рис. 26, стр. 66; рис. 28, стр. 69.
6 А. Нашиф, Д. Джоунс и др. Демпфирование колебаний. – М.: Мир, 1988, рис. 6.3; 6,4; стр. 43; рис. 208, стр. 280-281.
7 Маринин Н.С. Разгазирование и предварительное обезвоживание нефти в системах сбора. - М.: Недра, 1982. - Стр. 10-16, 65-71, 80-85.
8 Персиянцев М.Н. Совершенствование процессов сепарации нефти от газа в промысловых условиях. - М.: Недра, 1999, - 283 с.
9 А.с. СССР №1669521 B01F 7/00, Бюл. №30, 1991.
10 Карташов Л.П. Центробежные реосепараторы. - Екатеринбург, 1997. Стр. 20-32.
11 Кафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств. - М.: Высшая школа, 1991. - Стр. 149-152.