Научная статья на тему 'Оценка влияния нестационарных процессов при моделировании электрокоалесценции водонефтяных эмульсий'

Оценка влияния нестационарных процессов при моделировании электрокоалесценции водонефтяных эмульсий Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
92
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИДРОДИНАМИКА / ДИФФУЗИЯ / ЭМУЛЬСИЯ / МОДЕЛИРОВАНИЕ / ЭЛЕКТРОКОАЛЕСЦЕНЦИЯ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Харламов Сергей Николаевич, Зайковский Всеволод Викторорвич

Представлены результаты математического и численного моделирования магнитогидродинамических процессов, сопровождающих течение дисперсных систем, испытывающих на себе выраженное действие инерционно диффузионных механизмов переноса и электромагнитных сил. Определена роль нестационарного фактора в изменении динамических параметров среды. Уяснены особенности пространственного распределения поля скорости при взаимодействии дисперсных сред с внешним магнитным полем. Даны рекомендации к учету процессов электрокоалесценции, энерго-разделения в водонефтяных эмульсиях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Харламов Сергей Николаевич, Зайковский Всеволод Викторорвич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ESTIMATE OF INFLUENCE OF NONSTEADY PROCESSES AT MODELLING OF THE ELECTROCOALESCENCE OF WATER OIL EMULSIONS

Results of mathematical and numerical modeling of magnetic and hydrodynamic processes accompanying flow of disperse systems and testing on themselves the expressed activity of inertial and diffusive mechanisms of transport and electromagnetic forces are presented. The role of the unstationary factor in change of dynamic parameters of medium is determined. Features of a spatial distribution of velocity field are clarified at interaction of dispersion media with an exterior magnetic field. Recommendations to the account of processes of an electro coalescence, power separation in water oil emulsions are made.

Текст научной работы на тему «Оценка влияния нестационарных процессов при моделировании электрокоалесценции водонефтяных эмульсий»

УДК 532.5

© С.Н. Харламов, В.В. Зайковский, 2013

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОКОАЛЕСЦЕНЦИИ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Представлены результаты математического и численного моделирования магнитогидродинамических процессов, сопровождающих течение дисперсных систем, испытывающих на себе выраженное действие инерционно - диффузионных механизмов переноса и электромагнитных сил. Определена роль нестационарного фактора в изменении динамических параметров среды. Уяснены особенности пространственного распределения поля скорости при взаимодействии дисперсных сред с внешним магнитным полем. Даны рекомендации к учету процессов электрокоалесценции, энергоразделения в водонефтяных эмульсиях. Ключевые слова: гидродинамика, диффузия, эмульсия, моделирование, электрокоалесценция

Введение. В современной практике подготовки нефти остро стоит проблема разрушения водонефтяных эмульсий, обусловленная необходимостью обезвоживания и обессоливания нефти [1, 2]. Для разрушения высокоустойчивых эмульсий широко используется способ разделения эмульсии на нефть и воду совместным действием переменного электромагнитного поля тока низкой и высокой частоты, а также воздействием пульсирующего электромагнитного поля постоянного тока [2, 3]. При этом наиболее распространенным на сегодняшний день способом демуль-сификации является обработка электромагнитным полем переменного тока низкой (промышленной) частоты.

Физическая и математическая постановка задачи. Одним из наиболее важных вопросов при исследовании полной модели процессов, происходящих в установках по электромагнитному разделению водонефтяных эмульсий (электродегидраторах) является вопрос о распределении поля скорости водной фазы, так как именно водная фаза получает основное ускорение за счет диэлектрофореза -силы, возникающей вследствие различного по величине воздействия неоднородного электрического поля на водный диполь.

Вследствие высокой скорости распространения электромагнитных возмущений, математическое моделирование и численный анализ процессов в среде целесообразно проводить в небольшом временном интервале, близком к начальному. Предполагаем, что электродегидратор представляет собой цилиндрический конденсатор, работающий лишь в спектре низких частот. На начальном промежутке времени концентрация водной фазы однородная и равномерная в силу незначительного относительного перемещения фаз. Капли воды имеют сферическую форму.

Данные допущения позволяют существенно упростить математическую формулировку задачи и представить ее в виде одномерного нестационарного уравнения к определению поля скорости, которое следует из закона сохранения количества движения, описывающего движения реологически сложных электро-, маг-нитодинамических течений во внутренних системах [2-7]:

Р

ду

"дГ

Ра

ду

3ку с д(есЕ2)

дг

к = влцг

)

4пг

дг

£ =-

дс

£ = « )с (£)'

и

Е = -

г 1п ^

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

где рв - плотность воды, кг/м3; V - скорость капель, м/сек; ц0 -динамическая вязкость нефти, Пасек; г0 — радиус капель воды, м; в0 - электрическая постоянная, Ф/м; е№' — диэлектрическая проницаемость воды, Ф/м; ео' — диэлектрическая проницаемость нефти, Ф/м; с - объемная концентрация воды; Е - напряженность электрического поля, В/м; и - разность потенциалов, В; г1 и г2 — внутренний и внешний радиусы цилиндрического конденсатора, м.

Тестирование алгоритма выполнено на классе тривиальных решений о течении вязкой несжимаемой жидкости в замкнутой области и позволяет заключить о его корректности и эффективности.

Результаты исследования и их анализ.

Численное решение строится с привлечением метода конечных разностей. Для проведения вычислений был написан программный код в системе компьютерной алгебры МаШешайса.

Таблица 1

Исходные данные к расчету поля скорости

г1, м г2, м мПасек с Г0 , м и, В е1, Ф/м Ф/м А, сек А, м

0,12 0,40 100 0,2 0,001 220 81 2,5 0,0005 0,0028

В результате расчетов были получены данные о развитии поля скорости с течением времени и по сечению цилиндрического конденсатора. Динамика развития профиля скорости во времени представлена на рис. 1.

о.ооооз

0.000025 0.00002 0.000015 0.00001 5.x ю 6

о

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Рис. 1. Динамика профиля скорости водной фазы в цилиндрическом элек-тродегидраторе при воздействии электромагнитного поля низкой частоты. 1 — г = 0.0025 сек, 2 — г = 0,01 сек, 3 — г = 0,0175 сек, 4 — г = 0,025 сек, 5 — г = 0,0325 сек

Результаты исследования показывают, что основные особенности распределения скорости наблюдаются в области внутренней стенки конденсатора, что объясняется логарифмическим характером распределения главной движущей силы — напряженности электрического поля. Наибольшее возрастание скорости наблюдается у внутренней стенки конденсатора, при этом скорость значи-

тельно падает при приближении к внешней стенке и с течением времени увеличивается у внешней стенки слабо. Из данных рисунка видно, что установление профиля происходит за крайне короткий промежуток времени — гораздо меньший, чем необходим для того, чтобы произошло полное разделение эмульсии.

H о = ^, (6)

tL

где Ho — критерий гомохронности, tL — время, необходимое на перемещение частицы воды от внутренней до внешней стенки («104 сек), tst — время, за которое происходит установление профиля скорости («0,1 сек).

Используя соотношение (6) для определения значения критерия гомохронности Ho, характеризующего отношение временных масштабов перемещения в объеме цилиндрического конденсатора и установления профиля скорости водной фазы, получим:

H о = ^ = = 10-5.

0 tst 10000

Параметрические исследования показывают следующее. Полученные малые значения Ho свидетельствует о том, что при исследовании процессов разделения водонефтяных эмульсий в цилиндрическом электродегидраторе в отсутствии движения несущей фазы, вполне обоснованно можно пренебречь динамикой установления профиля скорости и рассматривать процессы элек-трокоалесценции в установившемся режиме. Это позволяет существенно снизить степень дискретизации математической модели при прогнозе пространственных развивающихся процессов при движении дисперсных систем в замкнутых системах и расширить границы применимости модели в классе устойчивых и переходных явлений в водонефтяных эмульсиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубопроводный транспорт нефти. Том 1 / Под ред. С.М. Вайн-штока. - М.: НЕДРА, 2002. - 408 с.

2. Kharlamov S.N., Zaykovsky V.V. Mathematical modeling of oil dehydration under the influence of flow frequency electromagnetic field // Proceedings of the 8th International Forum on Strategic Technology (IFOST

2013). June 28 — July 01. 2013. Mongolian University of Science and Technology. Ulaanbaator, Mongolia. 2013. Vol 1, p. 784-786.

3. John S. E. et al. Electrostatic enhancement of electrocoalescence of water droplets in oil: a review of current understanding. Chemical Engineering Journa., 2001. № 8, p. 173-192.

4. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория жидкостей и газа. - М.: Изд-во иностранной л-ры, 1961. -930с.

5. Ватажин А.Б., Любмов Г.А., Регирер С.А. Магнитогидродина-мические течения в каналах. — М.: Гл. ред. физ. - мат. л-ры, Наука, 1970. -672с.

6. Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. — М.: Гл. ред. физ. - мат. л-ры, Наука, 1970. -380с.

7. Закирьянова Г.Т., Ковалева Л.А., Насыров Н.М. Исследование процессов тепломассопереноса и динамики расслоения эмульсии при воздействии электрических полей // Вестник ЮУрГУ. Челябинск, 2009. № 22, c. 59 - 65.

УДК 622.24 © А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, 2013

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАССЫ БОЙКА НА ФОРМИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ В КОЛОННЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Приведены результаты аналитического и экспериментального исследования влияния массы бойка на амплитуду силового импульса в бурильной колонне.

Ключевые слова: стержень, боёк, масса, силовой импульс, волна напряжений.

Представление о явлениях и характере динамических процессов при вращательно-ударном способе бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок станками с мощными ударными механизмами, расположенными вне скважины, даёт основание для эффективного и широкого применения данного способа бурения не только в горном деле, но и при геологоразведочных работах [5, 6].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.