CC BY
23ПОДГОТОВКА НЕФТИ
УДК 622.279.42
Ю.В. Пахаруков, д. ф-м.н., профессор, e-mail: [email protected]
А.С. Симонов, Н.С. Корнеева, Тюменский государственный нефтегазовый университет
К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКОСТИ В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ
В настоящее время сокращение потерь жидкой фазы решается путем применения многоступенчатых методов дегазации с обязательным плавным изменением давления в широком диапазоне. Использование объемных гравитационных трапов и гидроциклонов позволяет частично решать эти задачи. Однако низкая скорость движения газа, невысокая степень дегазации в объемных трапах делают эти методы малоэффективными.
В существующих в настоящее время конструкциях гидроциклонов для дегазации нефти отделение свободного газа происходит в основном за счет сил гравитации, а центробежные силы используются недостаточно эффективно.
Технологии вихревого разделения многофазных углеводородных смесей в вихревых камерах позволяют за счет оптимального использования энергии потока значительно увеличить производительность оборудования, снизить его металлоемкость и стоимость, повысить качество обработки продукции нефтегазовых скважин. Справедливости ради необходимо отметить, что гидроциклоны тоже обладают рядом достоинств, присущих вихревым камерам, - это низкая металлоемкость, малые габариты, простота конструкции, долговечность и др. Поэтому вышеперечисленные недостатки (по сравнению с вихревыми камерами) требуют изучения механизма дегазации, разработки теории аналитического расчета технологических параметров работы и конструктивных размеров новой конструкции вихревого аппарата, позволяющей реализовывать более эффективно все преимущества вихревого движения как технологического приема, обеспечивающего более полную дегазацию нефти и конденсата [1].
На ее основе должна быть создана принципиально новая технология получения легких углеводородов на ста-
дии подготовки нефти и конденсата к транспортировке или к глубокой переработке.
В основе физических методов дегазации, как правило, лежит образование и удаление пузырьков растворенного газа из жидкости. Одним из перспективных направлений процесса дегазации является использование энергии потока жидкости. Проведенные исследования [1] позволяют предположить, что использование вихревого эффекта может быть перспективным в потоке фазового разделения. Считается, что процесс образования газового пузырька является результатом фазового перехода первого рода вследствие потери устойчивости системы жидкость-газ. Из термодинамики следует, что фазы жидкость и газ могут находиться в равновесии друг с другом только при условии выполнения равенства давлений Р£=РГ и химических потенциалов це=ц,. (£ - индекс жидкости, г - индекс газа). Если система по какой-либо причине переходит в неустойчивое состояние, то под воздействием флуктуации неизбежно возникают отклонения от начального состояния, нарастающие со временем. При этом критический размер зародыша новой фазы определяется условием:
R=
2о |Р-Р'|'
(1)
где |Р - Р'| - разность давления в жидкости и внутри зародыша. Следовательно, представляется, что достаточно реа-
лизовать в системе перепад давления, чтобы пошел процесс дегазации. В простейшем случае процессу дегазации можно поставить в соответствие стохастическое уравнение:
^=-cm + /(t)n,
(2)
где а - постоянная скорость растворения молекул газа в жидкости, /(I) - случайная скорость дегазации, п - концентрация выделенного газа. Выделим условия, при которых п будет неограниченно возрастать. После интегрирования (2) получим [2]:
(3)
n(t) = eWexp(i/(t')dt')).
Будем считать, что время жизни зародыша газового пузырька при КЖк, больше времени процессов молекулярных взаимодействий на границе пузырька. В этом случае будет справедливо адиабатическое приближение, означающее, что за время перестройки движение границы пузырька будет медленнее, чем изменение концентрации газа вокруг зародыша. Тогда справедливо представить процесс дегазации как наложение независимых очагов выделения газа длительностью т0 и интенсивностью 1
/(t)=lJ,e(t-u
(4)
где 0(t)=1, при 0<t<T0; 0(t)=O, при t<0,
t>To.
44 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № В \\ август \ 2003
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 8 \\ август \ 2009
Выберем среднее число очагов т,
тогда:
<ехр(|/(1')с11')^
= ехр^ш1'(1-ехр(110,(1:,-1)(1п,))л[. (5)
Это даёт возможность получения возрастания концентрации в среднем
(б)
.пф^поехр (m(exp(Jx0-l)-a)t).
При 1т0«1 выделение газа является слабым. С другой стороны, при 1т0»1 мы имеем режим сильного центра размножения, когда прирост газовыделения происходит лишь вблизи пузырька. В простейшем случае можно записать уравнение, соответствующее газовыделению:
dn dt
= -an + /(r,t) + DAn,
(7)
где Б - коэффициент диффузии, ^гД) -флуктуирующее поле газовыделения. Если можно пренебречь то газовыделение будет целиком определяться диффузионными процессами, а весь процесс газовыделения будет иметь экспоненциальную зависимость. Однако возможен и иной режим, когда
Рис. 1. Зависимость газовыделения от времени дегазации:
1-дегазирование жидкости в вихревой камере
2-дегазация нефти при перепаде давления [3].
функция размножения газовых пузырьков не будет быстро спадать при г>г0 (г0 - радиус пузырька). В этом случае процесс дегазации не будет определяться только диффузией. Следовательно, скорость дегазации должна иметь не экспоненциальную зависимость. На рис. 1 приводится экспериментальная зависимость интенсивности газовыделения от времени дегазации. Из графика следует, что процесс дегазации нефти [3], вызванный перепадом давления, демонстрирует экспоненциальную зависимость, а это согласуется с выражением (6). На этом же рисунке приведена зависимость дегазации от
времени пребывания в вихревой камере для газа СО2, растворенного в воде. Из сравнения результатов следует, что процесс дегазации в вихревой камере развивается не по экспоненциальной зависимости. Следовательно, в анализе механизма дегазации в вихревом потоке нельзя ограничиваться только диффузионным переносом. Таким образом, кинетическая зависимость процесса дегазирования жидкости в вихревой камере требует проведения дальнейшего теоретического анализа, в ходе которого должен быть выяснен механизм дегазирования, связанный с неустойчивостью состояния жидкость-газ.
Литература
1. Г.В. Бахмат, Ю.В. Пахаруков, Е.Н. Ка-бес. Разделение газожидкостных смесей в вихревых аппаратах. Тюмень: ТГУ, 2007, 203с.
2. А.С. Михайлов, И.В. Упоров. Критические явления в средах с размножением, распадом и диффузией.// УФН. 1984.Т.144. №1
3. Ю.А. Гордюхин. Исследование фазовых равновесий при совместном трубопроводном транспорте нефти и газа: Автореф. дис. к.т.н. М.: МИНХ и ГП, 1974. Ключевые слова: дегазация, вихревые камеры, подготовка нефти, разделение газожидкостных смесей.
450059, г. Уфа, ул. Р. Зорге, 35 тел./факс: (347) 223-74-15, 223-74-17 e-mail: [email protected] www.armgarant.ru
