CC BY
67
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ №26 2011
nrnv
ИМ. В. Г. БЕЛИНСКОГО
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA IMENI V.G. BELINSKOGO PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES №26 2011
УДК: 537.84
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОКОАЛЕСЦЕНЦИИ КАПЕЛЬ ВОДЫ В НЕФТИ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ ЭЛЕКТРОДОВ
© К.В. ТАРАНЦЕВ1, Е.Г. КРАСНАЯ2, А.В. КОРОСТЕЛЕВА3 1Пензенский государственный университет, кафедра “Технология машиностроения” e-mail: [email protected] 2Пензенская государственная технологическая академия, кафедра “Биотехнологии и техносферная безопасность” e-mail: [email protected] 3Пензенская государственная технологическая академия, кафедра “Биотехнологии и техносферная безопасность” e-mail: [email protected]
Таранцев К. В., Красная Е. Г., Коростелева А. В. — Моделирование процесса электрокоалес-ценции капель воды в нефти при различной геометрии электродов // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 641—645. — Численным моделированием определены оптимальные значения напряженности электрического поля, формы и размеров электродов для обработки водонефтяных эмульсий. Показана целесообразность применения электродов с геометрией типа трубы Вентури для разрушения эмульсии в электрическом поле.
Ключевые слова: численные методы расчета, электрокоалесценция, электрическое поле, электроды, электрогидродинамические устройства
Tarantsev K. V., Red E. G., Korosteleva A. V. — Simulation of the process of elektrokoalestsentsii water droplets in oil at different electrode // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo.
2011. № 26. P. 641—645. — Numerical simulation determined the optimal value of the intensity of the electric field strength, shape and size of electrodes for treatment of oil-water emulsions. The efficiency of the electrodes with the geometry of the Venturi tube type to break the emulsion in an electric field was shown.
Keywords: numerical methods of calculation, elektrokoalestsentsiya, electric field, the electrodes electrohydrodynamic device
В мировой практике подготовки нефти одним из наиболее перспективных способов интенсификации процесса разрушения эмульсий считается применение электрического поля. Широкое распространение электрокоалесцирования объясняется его универсальностью и возможностью комбинации с тепловым и химическим способами. При этом до сих пор не решены вопросы выбора оптимальных размеров и формы электродов [1-7].
Целью данной работы является моделирование процесса электрокоалесценции капель воды в нефти при различной геометрии электродов.
Моделирование процесса электрокоалесценции выполнено на основании уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока описывающих течение несжимаемой жидкости между электродами [8-12], для схемы, изображенной на рисунке 1.
( РЖ + Р(и • V)« = V • [-Р7 + П(^“ + (V«)7)] + Ея{ + рд + Е \ V-и = 0
где и - скорость потока (м/с); р - плотность (кг/м3); п - динамическая вязкость (Па-с); р - давление (Па); д - ускорение свободного падения (м/с2); - силы поверхностного натяжения (Н/м3); Е - любые
дополнительные силы в объеме (Н/м3).
[10]:
Рисунок 1 - Схема модели Для отслеживания движение фаз на границе раздела нефть-вода, использована система уравнений
( Ц = V-3X1^
1 ф = —V • є2V* + (*2 — 1)*
где а - коэффициент поверхностного натяжения (н/м); £ - числовой параметр (м), который определяет толщину границы раздела между жидкостями, то есть, область, где фазовая переменная ^ изменяется от -1 (вода) до 1 (нефть); х - числовой параметр, характеризующий подвижность границы раздела. Электрический потенциал V рассчитывали как:
-V • (£0£гVV) = 0,
где £0 - диэлектрическая постоянная вакуума; £г - относительная диэлектрическая проницаемость среды.
Электрическую силу, входящую в уравнение Навье-Стокса, определяли дивергенцией тензора напряжений Максвелла
Е = V • Т
Тензор напряжений Максвелла Т определяли по формуле:
Т = Е£Т - 1(Е • Т)1, где Е - напряженность электрического поля; Б - электрическая индукция поля:
Е = -V•V;
В = є0 єг Е.
Т =
'-уу
В двухмерных моделях, рассчитанных в ходе математического эксперимента, тензор Максвелл определялся в следующем виде:
£0£гЕХ - 1 £0£г (ЕХ + ЕУ ) £0£гЕхЕу
£0£г Еу Ех £0£г ЕУ - 1 £0£г (ЕХ + ЕУ )
Относительную диэлектрическую проницаемость определяли в зависимости от внутренних объемных долей каждой жидкости:
£г = £г1 Vf 1 + £г2 Vf2,
здесь £г1 и £г2 - относительные диэлектрические проницаемости нефти и воды соответственно; Vf1 - объемная доля первой жидкости (вода); Vf2 - объемная доля второй жидкости (нефть).
На рисунках 2-6 представлены результаты численного моделирования процесса электрокоалесцен-ции капель воды в нефти для электродов различной геометрии. Моделирование проведено для двух капель воды диаметром 3,2 мм и 2,4 мм в межэлектродном пространстве размером 10х30 мм, заполненном нефтью. Временной интервал между приведенными на слайдах результатами расчетов составляет 0,01 с и 0,02 с, соответственно.
а)
б)
Рисунок 2 - Результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти в системе электродов плоскость-плоскость: разность потенциалов между электродами 10 В, интервал 0,02 с (а); 25 кВ и 0,01 с (б).
Согласно результатам расчета контакт капель воды при разности потенциалов между электродами 10 В происходит на 0,14 секунде (рис.2а), тогда как после создания поля с разностью потенциалов 25 кВ этот процесс наблюдается на 0,03 секунде (рис.26).
а)
б)
Рисунок 3 - Результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти для системы расходящихся электродов (диффузор): разность потенциалов между электродами 10 В, интервал 0,02 с (а); 25 кВ и 0,01 с (б).
а)
б)
Рисунок 4 - Результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти для системы сходящихся электродов (конфузор): разность потенциалов между электродами 10 В, интервал 0,01 с (а); 25 кВ, 0,01 с (б).
б)
Рисунок 5 - Результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти для системы электродов в резко сужающемся потоке: разности потенциалов между электродами 10 В, интервал 0,02 с (а); 25 кВ, 0,02 с (б).
б)
Рисунок 6 - Результаты численного моделирования процесса электрокоалесценции капель воды в нефти для системы электродов в плавно сужающемся потоке: разность потенциалов между электродами 10 В, интервал 0,02 с (а); 25 кВ, 0,02 с (б).
Исследования показали, для того чтобы обеспечить обезвоживание нефти необходимо, чтобы капли воды были больше критического диаметра Стокса. В этом случае они отделятся от нефти под действием гравитационных сил.
Для слияния мелких водных капель требуется напряжение электрического поля выше критического, достаточного для создания электростатических сил способных преодолеть силы отталкивания капель. Однако дальнейшее увеличение напряжения приведет к увеличению электростатических сил, которые могут вызвать диспергирование капель. Поэтому, прикладываемое напряжение должно быть выше уровня напряжения разрыва капелек, но ниже начала диспергирования. Этот диапазон напряжения можно считать рабочим диапазоном для процесса электродегидрирования.
Выводы.
1. Использование электрического поля существенно интенсифицирует процесс разрушения водонефтяных эмульсий.
2. Существуют оптимальные значения напряженности электрического поля и формо-размеров электродов для обработки эмульсий.
3. Результаты численного моделирования показывают на целесообразность применения электродов типа трубы Вентури, для разрушения эмульсии в электрическом поле.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дритов Л. А., Мещеряков А. С., Таранцев К. В. Процесс электрогидродинамического диспергирования при получении топливных эмульсий // Электронная обработка материалов. 1992. № 2. С. 30-33.
2. Апфельбаум М. С., Бутков В. В., Дритов Л. А., Таранцев К. В. Электрогидродинамические течения и их влияние на процесс диспергирования // Электронная обработка материалов. 1995. № 1. С. 53-56.
3. А.с. 1813485 СССР. Горизонтальный электродегидратор / Л. А. Дритов, A. M. Раззорилов, К. В. Таранцев. Опубл. 07.05.93. Бюл. № 17.
4. Пат. 1780822 РФ. Электрогидродинамический диспергатор / В. В. Бутков, К. В. Таранцев. Опубл. 12.03.93. Бюл. № 46.
5. Таранцев К. В., Таранцева К. Р. Алгоритм расчета электрогидродинамического эмульгатора // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2001. № 11. С. 7-9.
6. Таранцев К. В., Таранцева К. Р. Конструкции электрогидродинамических эмульгаторов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. № 8. С. 7-9.
7. Таранцев К. В., Таранцева К. Р. Оптимизация параметров электрогидродинамических эмульгаторов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. № 10. С. 6-8.
8. Bailes Philip J., Freestone D., Sams, G. W., Pulsed DC Fields for Electrostatic Coalescence of Water-in-Oil Emulsions, The Chemical Engineer. 1997. 23 October. Р. 34-39.
9. Ivanitskii K. Modeling of deformation and breakup of drops moving in liquid, Heat Transfer Research. 1998. N 29. P. 225-234.
10. Benselama A., Achard J.L., Pham P. Numerical simulation of an uncharged droplet in a uniform electric field. 2004. 5e Congres Int. d’electrohydrodynamique, Poitiers, France, P. 289-294.
11. Lundgaard L.E., Berg G., Ingebrigtsen S., Atten P. Electrocoalescence for oil-water separation: Fundamental aspects, in Emulsions and emulsion stability, J. Sjoblom. 2006. Vol. 132. Р. 549-592.
12. Saksono P.H., Peric D. On finite element modeling of surface tension // Comp. Mech. 2006. N 38. Р. 265-281.
