Извлекаемая из нефтяных скважин жидкость представляет сложную смесь, состоящая из нефти, попутного нефтяного газа, воды и механических примесей. Наличие минеральных солей в нефти вызывает сильную коррозию нефтеперекачивающего и нефтеперерабатывающего оборудования, трубопроводов, повышает устойчивость эмульсий и затрудняет переработку нефти. Содержание солей в нефти обычно составляет 300–600 мг/л, но иногда достигает 2000–3000 мг/л, в отдельных случаях доходит до 0,4–0,3 %.
Отложение хлористых солей, как правило, происходит на внутренней поверхности трубопроводов и теплообменников, на контактных устройствах колонного оборудования. В змеевиках нагревательных печей и теплообменниках растворенные в воде соли выделяются в основном при испарении воды, при этом часть выкристаллизовавшихся солей прилипает к горячей поверхности, оседая на ней в виде прочной корки. В процессе работы эти соляные корки отламываются под воздействием потока нефти и воды, далее осаждаются в застойных зонах трубопровода, в емкостных и колонных аппаратах. Отложение солей в трубопроводах уменьшает их проходное сечение, повышает гидравлическое сопротивление и снижает их пропускную способность.
Таким образом, подготовка нефти на промыслах необходима не только для обеспечения определенных показателей качества сырья для переработки на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, но и для создания таких условий, при которых вредные компоненты в нефти не будут оказывать серьезного отрицательного влияния на срок службы емкостного и насосного оборудования нефтепромыслов, магистральных нефтепроводов [8, 9].
Подготовка нефти на промыслах занимает одно из важных положений среди процессов, связанных с добычей, сбором и транспортированием товарной нефти на нефтеперерабатывающие заводы или на экспорт. Эффективность и надежность работы магистральных трубопроводов, резервуарных парков и насосного оборудования также зависит от качества подготовленной нефти.
По литературным данным известно, что снижение содержания хлористых солей в нефти с 40–50 до 8–10 мг/л позволяет до 1,5 раза увеличить продолжительность работы установок подготовки, хранения и перекачки нефти, а также снизить требования к выбору материалов для изготовления аппаратуры.
Одним из способов увеличения глубины обессоливания нефти является интенсификация ее промывки с водой. Это возможно в таких аппаратах, как статические смесители. Высокая степень диспергирования воды в нефти в статических смесителях достигается турбулизацией и смешением двух жидкостей за счет особой конструкции аппарата.
Основная причина широкого распространения статических смесителей в процессах подготовки нефти заключается в их простоте конструкции, низкой стоимости, отсутствии движущихся частей и безопасности эксплуатации.
На сегодняшний день статические смесители представлены различными конструкциями. Широкое распространение для гомогенизации жидкостей получили статические смесители с насадочными устройствами, работа которых основана на особой геометрии смесительных элементов. Неоднородный поток, попадая на смесительные элементы, многократно рассеивается на отдельные струи, которые впоследствии рассеиваются. В качестве насадок используются кольца Рашига, фирменные насадки Sulzer и т.д.
Несмотря на высокую эффективность при различных значениях числа Рейнольдса, применение статических смесителей с насадкой нежелательно при смешении сырой нефти и воды из-за возможного загрязнения, высокого гидравлического сопротивления [6].
На рис. 1 приведены фотографии статического смесителя для обессоливания нефти, на которых видно засорение посторонними включениями. Существующие традиционные гидродинамические способы и устройства для диспергирования промывочной воды в нефть в процессах обессоливания нефти: смесительные клапаны, задвижки и др., плохо управляемы, образуют грубодисперсные эмульсии и требуют большого перепада давления между жидкостями, что приводит к низкой эффективности перемешивания и большому расходу промывочной воды.
Рис. 1. Фотографии статического смесителя
В последнее время широкое распространение получили струйные гидродинамические смесители особой конструкции, где с целью повышения эффективности смешения осуществляют встречное контактирование воды и нефти [4, 5, 7].
Бурное развитие вычислительных мощностей персональных компьютеров и разработка современных программных комплексов в последние десятилетия позволяет проводить исследования сложных химико-технологических процессов посредством математического моделирования. Для оптимизации работы статических смесителей исследователи широко применяют CFD-анализ. Современные пакеты CFD-анализа позволяют моделировать процесс с высокой точностью как однофазные, так и многофазные потоки при различных режимах течения [1–3]. Использование мощных вычислительных комплексов и программных средств позволяет существенно сократить время и материальные ресурсы на разработку современных высокоэффективных статических смесителей нефти с водой и другими реагентами для процесса подготовки нефти.
Поэтому в настоящее время задача создания эффективных смесителей нефти с промывной водой с использованием современных инженерных методов расчета является актуальной.
С этой целью проводилось моделирование работы статического смесителя с закручивающим устройством использованием программного комплекса ANSYSCFX. Двухфазное течение жидкости описывалось Эйлер-Эйлеровским методом (Eulerian-Eulerianmethod).
На рис. 2 приведена компьютерная модель смесителя и схемы движения потоков.
Рис. 2. Схема движения потоков нефти и воды в модели смесителя
Встречное контактирование потоков нефти и воды реализовано как в струйном гидродинамическом смесителе, описанном в литературе [4, 5, 7]. Конструкция смесителя предусматривает дополнительную турбулизацию потока нефти в закручивающем устройстве (рис. 3).
Рис. 3. Струйный гидродинамический смеситель с закручивающим устройством
Устройство работает следующим образом: нефть закручивается в закручивающем устройстве с тангенциальными соплами, закрученная струя расширяется в диффузоре и соударяется со струей пресной воды, подаваемой из распылительных сопел, расположенных соосно с закручивающим устройством. Встречное соударение закрученной струи нефти и струи пресной воды способствует хорошей диспергации воды в нефти.
По результатам моделирования были получены поля распределения объемной доли нефти в водонефтяном потоке и генерации турбулентной энергии.
Численный анализ устройства показал достаточно хорошее перемешивание потоков нефти и воды (рис. 4). Средняя генерация турбулентной энергии почти в 100 раз выше, чем в статических смесителях без закручивающего устройства, и равна 0,46 Дж/кг (рис. 5).
Рис. 4. Распределение объемной доли нефти в водонефтяном потоке в смесителе с закручивающим устройством
Рис. 5. Генерация турбулентной энергии в аппарате с закручивающим устройством
На основе данных моделирования процесса при различных режимах использованием пакета CFD-анализа была разработана конструкция высокоэффективного статического смесителя нефти с водой для процесса обессоливания нефти.
С целью определения эффективности работы струйного гидравлического смесителя (нефть – вода) и достижения интенсивного перемешивания нефти с промывочной водой для эффективного обессоливания нефти в рамках опытно-промышленного испытания (ОПИ) нами были изготовлены и смонтированы смесители на первой и второй ступенях обессоливания установки подготовки высокосернистой нефти, производительностью 3500 тонн в сутки. На установке перерабатывают нефть (смесь девон и карбон) из более 20 различных скважин. Схема установки смесителей приведена на рис. 6.
Рис. 6. Схема установки смесителя перед электродегидраторами
Необходимость проведения опытно-промышленных испытаний (ОПИ) вызвало недостаточное обессоливание нефти в процессе подготовки нефти по существующей технологии. Остаточное содержание солей в товарной нефти составляло более 100 мг/л, что превышало допустимую норму для первой группы нефти, при условии подачи промывной воды более 10 % на нефть.
Несмотря на постоянное изменение содержания солей в нефти в течение суток в несколько раз (от 350 до 4000 мг/л) за счет использования нового смесителя, достигнуто 15–40 кратное уменьшение содержания солей в товарной нефти.
В процессе проведения ОПИ было достигнуто содержание солей в нефти на выходе из электродегидратора второй ступени менее 50 мг/л при значении содержания солей в исходной нефти 350–2000 мг/л. При этом расход воды составил 5–7 % на нефть. Кроме этого, использование в смесителях закручивающих устройств для нефти и воды, эффективной диспергации смешиваемых потоков, за счет использования центробежной силы удалось достичь снижения остаточного содержания воды в товарной нефти с 0,20–0,35 до 0,09–0,15 %.
В ходе проведения ОПИ струйный гидравлический смеситель показал высокую эффективность работы по сравнению с существующими смесителями даже в нестационарных режимных условиях. Смеситель обеспечивает: интенсивное перемешивания нефти с промывочной водой и эффективное обессоливание нефти; снижение удельного расхода электроэнергии за счет уменьшения объема рециркуляции дренажей внутри установки; увеличение производительности установки подготовки нефти на 40–45 %.
Библиографическая ссылка
Сидоров Г.М., Яхин Б.А., Ахметов Р.Ф. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СТАТИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ (НЕФТЬ – ВОДА) ДЛЯ ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТИ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 2. – С. 152-156;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36378 (дата обращения: 19.04.2024).