СПОСОБ КОАГУЛЯЦИИ И УДАЛЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА
METHOD OF COAGULATING AND REMOVING FERROMAGNETIC PARTICLES FROM STREAM OF LIQUID OR GAS

Изобретение относится к области магнитной обработки жидкости или газа и может использоваться для удаления ферромагнитных частиц из потока жидкости или газа.
Ферромагнитные частицы, в частности различные модификации полисульфидов железа, содержащиеся в перекачиваемых по трубопроводам жидкости или газе, способствуют интенсификации коррозии металла труб, стабилизации водонефтяных эмульсий. Такие методы удаления ферромагнитных частиц, как отстаивание, циклонирование и фильтрование, не всегда достигают требуемого эффекта. Коагуляция в магнитном поле ферромагнитных частиц позволяет повысить эффективность их удаления фильтрованием из жидкости и газа.
Известен способ извлечения магнитных частиц из жидких, газообразных и сыпучих сред с использованием осадительных элементов путем воздействия на среду неоднородного магнитного поля со стороны магнитной системы, расположенной внутри осадительных элементов, при обтекании их средой [1]. Поток среды формируют с учетом топологии магнитного поля, пропорционально магнитной силе в зонах осадительных элементов, таким образом, чтобы в зонах минимального силового воздействия на частицу со стороны магнитной системы сечение для движения потока среды сужалось.
Недостатком данного способа является то, что при формировании потока среды пропорционально магнитной силе в случае минимальной магнитной силы для создания минимальной силы потока среды сужают сечение для движения потока, но это осуществимо только в том случае, если при сужении сечения режим течения меняется с ламинарного на турбулентный, что конструктивно сложно выполнимо, так как величина сужения сечения в этом случае существенна. Если же сужение сечения незначительное, то режим течения не изменится, скорость же течения увеличится, и тогда уже сила лобового сопротивления, наоборот, увеличится, что уже противоречит предложению в вышеуказанном способе.
Данный вывод по формированию потока среды можно сделать на основании формулы, определяющей силу лобового сопротивления потока [2, 3]:
где S - площадь миделева сечения частицы,
W - скорость потока,
х
с - коэффициент лобового сопротивления,
ж
ρ - плотность среды.
Коэффициент лобового сопротивления зависит от формы частицы и числа Рейнольдса (режима течения). При ламинарном режиме течения значение коэффициента значительно больше, чем при турбулентном, поэтому, несмотря на увеличение скорости потока, из-за значительного снижения коэффициента лобового сопротивления при турбулентном режиме сила потока будет меньше, чем при ламинарном. В случае же, когда сужение сечения невелико, режим течения не изменится, т.е. коэффициент лобового сопротивления не изменится, а скорость течения увеличится, следовательно, увеличится сила потока.
Наиболее близким к заявляемому (прототип) является принцип действия устройства для коагуляции ферромагнитных частиц жидкости [4], включающего корпус, внутри которого размещены перегородки в виде пластин с закрепленными на них постоянными магнитами. Устройство посредством сварного или фланцевого соединения устанавливается на трубопровод, поток жидкости направляется к рабочим поверхностям точечных постоянных магнитов, где градиент магнитного поля максимален, что позволяет притягивать ферромагнитные частицы. Накопленные на поверхности магнита частицы притягивают к себе из потока жидкости другие ферромагнитные частицы, коагулируя, таким образом, до определенных размеров, достигнув которых, срываются и уносятся потоком жидкости в виде более крупных частиц (агломератов). Коагулированная форма частиц сохраняется в потоке за счет явления остаточного намагничивания и связующих свойств присутствующих в жидкости компонентов, например смол, парафинов и асфальтенов.
Недостатком работы данного устройства является то, что не учитывается режим течения потока, тогда как при ламинарном режиме течения частица малой магнитной восприимчивости не осаждается на магнитной поверхности, так как магнитная сила меньше силы сопротивления потока. Также в случае очистки потока от механических примесей при отсутствии компонентов, обладающих связующими свойствами, остаточной намагниченности может быть недостаточно для сохранения агломерата.
Задача изобретения - эффективное удаление ферромагнитных частиц разной магнитной восприимчивости из потока жидкости или газа.
Поставленная задача решается тем, что способ коагуляции и удаления ферромагнитных частиц из потока жидкости или газа включает пропускание потока жидкости или газа через устройство для коагуляции ферромагнитных частиц с установленными точечными постоянными магнитами, на поверхности которых накапливаются ферромагнитные частицы и срываются потоком в виде укрупненных агломератов. Управление процессом накопления частиц на поверхности точечных постоянных магнитов осуществляется путем изменения режима течения потока жидкости или газа у поверхности точечных постоянных магнитов. В поток жидкости или газа перед устройством для коагуляции ферромагнитных частиц с установленными точечными постоянными магнитами подается связующий компонент.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого способа. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Сначала в поток жидкости или газа перед устройством для коагуляции ферромагнитных частиц подается связующий компонент, благодаря которому в потоке сохранятся коагулированные агломераты. Затем поток поступает в устройство, где происходит коагуляция ферромагнитных частиц под действием магнитного поля.
Началом процесса коагуляции является осаждение и закрепление частицы на магнитной поверхности.
м
c
тр
с
тp
м
Соотношение магнитной силы F и лобового сопротивления F позволяет либо закрепляться частице на магните, либо препятствует этому процессу. Для того, чтобы частица закрепилась на магнитной поверхности в начальный момент необходимо выполнения условия F>F, причем F=kF, где k - коэффициент трения [5].
Магнитная сила, создаваемая точечными постоянными магнитами [3]:
у
где Н - напряженность магнитного поля,
у
dH/dу - градиент магнитного поля,
χ - магнитная восприимчивость частицы,
V - объем частицы,
0
µ - магнитная постоянная.
cp
Так, например, для устройства [6] при следующих характеристиках потока: средняя скорость W=1,8 м/с, число Рейнольдса 42001, толщина ламинарного слоя 558 мкм, коэффициент лобового сопротивления в ламинарном слое 4,9, на фиг.2-4 показана возможность удержания на магните в потоке воды частиц разной магнитной восприимчивости: магнетита (χ=6,36) и гематита (χ=0,019) диаметром от 10 до 100 мкм.
х
х
На фиг.2 видно, что сила трения для магнетитовой частицы превышает силу лобового сопротивления, поэтому в данном потоке на магните могут удерживаться частицы магнетита. А для гематитовой частицы размером 10-100 мкм сила лобового сопротивления превышает силу трения (фиг.3). Эти частицы находятся в ламинарном слое, где высокое значение силы лобового сопротивления формируется за счет большого значения коэффициента лобового сопротивления (с=4,9 в ламинарном слое, с=0,4 в турбулентном слое), тогда как скорость потока на уровне миделева сечения частиц W меняется незначительно. На частицы магнетита по сравнению с гематитовыми действует на много большая магнитная сила за счет значительно большей его магнитной восприимчивости, поэтому частицы магнетита удерживаются на магнитной поверхности, а частицы гематита в связи со слабой магнитной силой на магнитной поверхности не удерживаются.
При изменении режима течения у магнитной поверхности меняется коэффициент лобового сопротивления и скорость потока и соответственно сила лобового сопротивления, а при изменении диаметра магнита меняется магнитная сила, действующая на частицу. Изменяя параметры магнита и режим течения можно добиться условий, когда и частицы с низкой магнитной восприимчивостью будут удерживаться на магните. Так при турбулентном течении у магнитной поверхности на магните диаметром 3 мм удерживаются частицы гематита диаметром 10-100 мкм (фиг.4). Режим течения у поверхности магнита можно изменить, например, установив турбулизаторы, с тем, чтобы у поверхности магнита отсутствовал ламинарный слой.
Магнитное поле, создаваемое точечными постоянными магнитами, невозможно изменять в процессе эксплуатации, но создавая различный режим течения потока и тем самым формируя различную силу лобового сопротивления потока, можно создать условия, когда осаждаться на магнитную поверхность будут частицы заданной магнитной восприимчивости χ.
При срыве агломератов с магнита важно обеспечить их целостность в турбулентном потоке. Для визуальной оценки процесса коагуляции был разработан стенд, включающий стеклянный трубопровод. Вода из бака подавалась центробежным насосом в стеклянный трубопровод и далее в сливной бак. Модель коагулятора состояла из стеклянного корпуса, в котором размещались постоянные магниты. От коагулятора до сливного бака протяженность трубопровода составляла 10 м. Расходомером контролировался расход жидкости. В бак подавались в первом случае ферромагнитные частицы размером около 10 мкм, во втором - ферромагнитные частицы и связующий компонент, в качестве которого использовали индустриальное масло И-20 в количестве 0,1% от массы частиц. Скорость потока в трубопроводе составляла 1…2 м/с. Частицы из потока воды скапливались на магните, коагулировали, а затем в виде агломерата срывались потоком (срыв агломерата происходит, когда сила лобового сопротивления становится больше силы трения). На фиг.5, 6 представлено, что после прохождения коагулятора агломераты сохраняются в потоке как для чистых частиц (фиг.5), так и частиц с маслом (фиг.6).
В стендовых условиях визуально, с использованием высокоскоростной съемки, было подтверждено, что агломераты не распадаются после срыва с поверхности магнита. В присутствии связующего компонента формируются более крупные агломераты. Коагулированные скопления частиц сохраняются в потоке вследствие действия сил остаточной намагниченности и связующих свойств веществ, присутствующих в жидкости. Например, в воде системы поддержания пластового давления присутствует незначительное количество нефти, которая будет связывать укрупненные агломераты.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет эффективно очищать поток жидкости или газа от ферромагнитных частиц. Так как в процессе магнитной обработки образуются агломераты ферромагнитных частиц, а добавляемый связующий компонент позволяет формировать более крупные агломераты и сохранять их в потоке, что важно для дальнейшего удаления фильтрованием из потока жидкости или газа агломератов ферромагнитных частиц.
Источники информации
1. Патент РФ №221192, В03С 1/00, B01D 35/06, C02 F1/48, 2003.
2. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Недра, 1980, 278 с.
3. Патент РФ №2263548, В03С 1/00, 2005.
4. Патент РФ №32485 U1, C02F 1/48, 2003.
5. Гидравлика и гидропривод / В.Г.Гейер, B.C.Дулин, А.Г.Боруменский, А.Н.Заря. Учебник для вузов. М.: Недра, 1981, 295 с.
6. Патент РФ №71976 U1, C02F 1/48, 2007.