Про фактор часу, обуславливающем процес очищення нафтопромислових стічних вод з використанням закручених потоків Анотація Дослідженнями створені установки очищення нафтопромислових стічних вод (НСВ) за технологічними схемами: гидроциклон відстійник (БГО); гидроциклон -циліндричні камери на верхньому і нижньому сливах гідроциклону відстійник (БГКО). Різні схеми «гидроциклон камери зливів »утворюють гідродинамічні каплеобразователі (ГКС). В закручених потоках гідроциклону і камер зливів відбувається руйнування бронюють оболонок, коалесценція і зменшення полідисперсності крапель нафти при дії різних факторів в певній послідовності, величиною і протягом певного часу. У статті наведено результати досліджень часу перебування (гідродинамічної обробки) НСВ в гидроциклоне, ГКС і в цілому БГКО. Встановлено, що час гідродинамічної обробки НСВ в гидроциклоне становить 1-3 с, в ГКС 30-50 с, що сприяє підвищенню ефекту і стабільності очищення НСВ на установках БГО і БГКО.

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Адельшин А. А., Адельшин А. Б., Бусарєв А. В.


Область наук:

  • Енергетика і раціональне природокористування

  • Рік видавництва: 2012


    Журнал: Известия Казанського державного архітектурно-будівельного університету


    Наукова стаття на тему 'About the time factor, that may influence the process of cleaning oil-field waste water using a swirling flows'

    Текст наукової роботи на тему «About the time factor, that may influence the process of cleaning oil-field waste water using a swirling flows»

    ??вул ВОДОПОСТАЧАННЯ, КАНАЛІЗАЦІЯ, БУДІВЕЛЬНІ СИСТЕМИ ОХОРОНИ ВОДНИХ РЕСУРСІВ

    УДК 628.3 622.5

    Адельшин А.А. - кандидат технічних наук, доцент

    Адельшин А.Б. - доктор технічних наук, професор

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Бусарєв А.В. - кандидат технічних наук, доцент

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Казанський державний архітектурно-будівельний університет

    Адреса організації: 420043, Росія, м Казань, вул. Зелена, буд. 1

    Про фактор часу, обуславливающем процес очищення нафтопромислових стічних вод з використанням закручених потоків Анотація

    Дослідженнями створені установки очищення нафтопромислових стічних вод (НСВ) за технологічними схемами: гидроциклон - відстійник (БГО); гидроциклон циліндричні камери на верхньому і нижньому сливах гідроциклону - відстійник (БГКО).

    Різні схеми «гидроциклон - камери зливів» утворюють гідродинамічні каплеобразователі (ГКС). У закручених потоках гідроциклону і камер зливів відбувається руйнування бронюють оболонок, коалесценція і зменшення полідисперсності крапель нафти при дії різних факторів в певній послідовності, величиною і протягом певного часу.

    У статті наведено результати досліджень часу перебування (гідродинамічної обробки) НСВ в гидроциклоне, ГКС і в цілому БГКО. Встановлено, що час гідродинамічної обробки НСВ в гидроциклоне становить 1-3 с, в ГКС 30-50 с, що сприяє підвищенню ефекту і стабільності очищення НСВ на установках БГО і БГКО.

    Ключові слова: нафтопромислове стічна вода, гидроциклон, камери зливні, закручений потік, гідродинамічна обробка, час перебування, очищення.

    Створення, розробка технології та установок очистки нафтопромислових стічних вод (НСВ) для утилізації в системах наведення нафтових пластів є актуальною проблемою. Нафтовидобувна промисловість є великим водоспоживачів і об'єктом освіти величезної кількості (по країні понад 1,2 млрд. М3 на рік) НСВ. В даний час близько 90% нафти видобувається на родовищах, що розробляються з використанням методів заводнення нафтових пластів для підтримки пластового тиску (ППД).

    Нафтопромислові стічні води (НСВ) мають суспензійного-емульсійний характер, відносяться до мінералізованих полідисперсністю мікрогетерогенних системам. Властивості НСВ, особливо стан бронюють оболонок на краплях дисперсної фази нафти, визначають методи руйнування, очищення НСВ протягом певного часу.

    Очищення НСВ для цілей заводнення продуктивних горизонтів полягає у видаленні з них до заданих норм нафти і механічних домішок. Утилізація очищених НСВ в системах заводнення нафтових пластів є єдиним економічно і екологічно вигідним шляхом їх ліквідації на промислах Російської Федерації.

    В процесі розробки нафтових родовищ відбувається зміна параметрів і властивостей видобутих флюїдів, властивостей пластових вод, продуктивних пластів, залишкових запасів нафти, технічного і технологічного стану нафтопромислового обладнання, в т.ч. апаратів, споруд, в цілому установок очистки НСВ. Ці фактори зумовлюють необхідність модернізації вдосконалення, реконструкції систем заводнення, в т.ч. установок очистки НСВ.

    Робота в'толнена за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки РФ в рамках ФЦП «Наукові та науково-педагогічні кадри інноваційної Росії» (ГК №16.740.11.0672 від 7 червня 2011 року).

    Сутність і успішність процесу очищення НВВ полягає в досить повному і швидкому зниженні агрегативной і кінетичної стійкості НСВ шляхом, головним чином, руйнування адсорбційної бронюючої оболонки на краплях нафти, режиму руху НСВ, що забезпечує укрупнення цих крапель. Ці процеси здійснюються найбільш повно і інтенсивно при попередній певною мірою турбулізації потоку НСВ в порожнині різних гідродинамічних каплеобразователей з подальшим відстоюванням. Високий і стабільний ефект очищення НСВ може бути досягнутий за рахунок попередньої гідродинамічної обробки її в закрученому потоці.

    Впровадження індустріальних методів облаштування нафтових родовищ передбачає широке застосування обладнання, апаратів, установок очистки НСВ в блочному виконанні з високим ефектом очищення і високою одиничною потужністю апаратів (установок) при обмеженому обсязі, герметичності, транспортабельності і високою індустріальності у виготовленні і монтажі. Одним з напрямків у вирішенні зазначених вимог є: створення нових методів, апаратів, установок очистки НСВ, вдосконалення конструкції розподільних і збірних пристроїв і поліпшення гідродинаміки потоку в відстійниках; інтенсифікація та вдосконалення технологічних процесів, в т.ч. застосування спеціальних конструкцій і пристроїв для попереднього руйнування бронюють оболонок і укрупнення крапель емульгованої нафти; розробка методів розрахунку конструювання, проектування, будівництва та експлуатації споруд очистки НСВ.

    Дослідженнями створена технологія очищення НСВ, яка передбачає попереднє руйнування бронюють оболонок на краплях нафти, укрупнення і зменшення полідисперсності крапель нафти гідродинамічної обробкою вихідної НСВ з використанням закручених потоків. Для очищення НСВ розроблені і реалізовані у виробництві установки, що працюють за технологічними схемами: блок гидроциклон - відстійник (БГО), блок гидроциклон - циліндричні камери на верхньому і нижньому сливах гідроциклону - відстійник (БГКО) [1-4].

    Різні схеми «гидроциклон - циліндричні камери зливів» по ​​суті утворюють гідродинамічні відцентрові каплеобразователі (надалі скорочено апарат ГКС). В конструктивних рішеннях установок БГКО гідродинамічний каплеобразователь ГКС скомпонований в єдиний блок з відстійником і призначений для інтенсифікації, підвищення ефекту очищення НСВ при подальшому відстоюванні. При цьому гидроциклон служить для попередньої гідродинамічної обробки НСВ: руйнування стабілізованих частинок домішок, що бронюють оболонок нафтових крапель і їх коалесценції і зменшення полідисперсності крапель нафти. У складі апарату ГКС гидроциклон є також пристроєм для отримання закрученого потоку в камерах зливів в результаті тангенціальною подачі НСВ в гидроциклон.

    У справжніх дослідженнях масштаб лінійних і кутових розмірів гідроциклону в моделі і натурних умовах прийнятий 1: 1. Конструктивні параметри гидроциклонов, застосованих в складі промислових установок БГО і БГКО (в т.ч. ГКС), складають: діаметр Д = 75 мм, кут конусності а = 5 °; діаметр: вхідного патрубка = 15 мм, верхнього зливу yoв. сл. = 20 мм, нижнього зливу ен. сл. = 26 мм, глибина занурення верхнього зливного патрубка ьн = 48 мм. Режим руху рідини в гидроциклоне характеризується числом Рейнольдса по радіусу в межах 30000-40000. Тиск на вході в гидроциклон склало Рвх. = 0,2 МПа [1, 2].

    Теоретичними і експериментальними дослідженнями отримані функції розподілу часу перебування рідини для гидроциклона при вищенаведених параметрах [1, 2].

    За експериментальними даними побудовано криві відгуку на імпульсні збурення (рис. 1 а, б) відповідно до методики [5, 6]: теоретичні 1 і експериментальні 2 криві відгуку для нижнього зливу (див. Рис. 1 а); б - для верхнього зливу (див. рис. 1 б). Значення С! - поточні концентрації індикатора (розчин хімічно чистого хлористого натрію) для верхнього і нижнього зливів гідроциклону при експериментах визначалися за допомогою кондуктометра типу АНІОН 4120 і обчислювалися за методикою та формулами, наведеними в роботі [1, 2], при зміні часу від 0 до 5 з з інтервалом 0,1 с. Отримані значення С1. нормувалися за максимальним значенням (Сг / Стах).

    час перебування, з часом перебування, з

    Мал. 1

    Як видно з рис. 1, час перебування частинок нафти в закручених потоках в порожнині гідроциклону становить 1,1-3 з.

    Спільний аналіз гідродинамічних процесів і факторів, що обумовлюють процес руйнування НСВ і механізму руйнування НСВ в гидроциклоне, показав що час перебування частинок нафти в гидроциклоне недостатньо для найбільш повної реалізації відомих стадій механізму руйнування НСВ [3].

    З метою збільшення часу перебування частинок нафти в обсязі апарату з закрученим плином, тобто збільшення часу гідродинамічної обробки НСВ в закрученому потоці в складі апарату ГКС установки БГКО, передбачені досить довгі циліндричні камери на сливах гідроциклону. Залежно від геометричних і технічних параметрів гідроциклону, діаметр і довжина зливних камер можуть бути різними. Зливні камери виконують транспортні та технологічні функції по руйнуванню НСВ, в яких утворюється складне закручене турбулентний плин, про який кількісна та якісна інформація практично відсутня. Після гідроциклону в камерах зливів його гідродинамічна обробка НСВ здійснюється послідовно у всіх областях закрученого потоку - в зонах: розширення закрученого струменя, стабільного

    закрученого течії, загасання закрученого течії, перехідного і осьового потенційного течії, циркуляційних і тороїдальних. Зазначені області течії характеризуються різними якісними і кількісними параметрами течії, що змінюються в часі по довжині і обсягом в цілому зливних камер. У зливних камерах НСВ піддається найбільш універсальною комплексною гідродинамічної обробки по найбільш повним числу, якості і тривалості впливу різних видів сил, факторів на частки нафти в НСВ [3, 4].

    Спільний аналіз гідродинамічних процесів і механізму руйнування НСВ по схемі БГКО показує, що тут максимально досягається повнота умов впливу чинників і необхідну технологічне час для очищення НСВ і реалізуються всі етапи механізму руйнування, очищення НСВ при впливі більше 12 багаторазово діючих інтенсифікують факторів - сил: тяжіння,

    відцентрових, набігаючого потоку, зіткнення крапель, турбулентних пульсацій, тяжіння до стінки, косого удару, гідродинамічного впливу, тиску потоку на стінку, розриву частинок, поверхневого натягу, різниці динамічних напорів у стінки, що змінюються за величиною і напрямком градієнти швидкості і тиску, а також існування зон циркуляції, в т.ч. центральні тороїдальні; існування рухомих інверсірующіх поверхонь нульових швидкостей, меж розширення і звуження потоку, процесує вихрового ядра [1-3].

    Проведено експериментальні дослідження, візуалізація і кількісна оцінка параметрів закручених потоків в циліндричних камерах зі скляних труб діаметрами 50, 80, 100 мм, довжиною 3 м кожна на сливах гідроциклону діаметром 75 мм, і іншими вищенаведеними конструктивними і технологічними параметрами [3, 4]. Для реалізації в складі ГКС установки БГКО рекомендовані циліндричні камери діаметром 100 мм, так як тільки при такому діаметрі закручені струмені

    верхнього і нижнього зливів як для вільного виливу, так і при зливі з підприєм по всій довжині камер зберігають геометричні характеристики, властиві поширенню закручених струменів [3].

    Проведено також експериментальні дослідження розподілу часу перебування рідини в зливних камерах діаметром 100 мм, різної довжини від 40 см з кроком 40 см до 240 см при тиску на вході гідроциклону Р = 0,4 МПа і протитиску на сливах Р »0,2 МПа.

    Встановлено, що подальше збільшення довжини камер незначно впливає на функцію розподілу часу перебування рідини в камерах. За оптимальну довжину (Ь) камер нижнього і верхнього зливів в складі ГКС установки БГКО прийнято значення Ь = 2 м [3, 4], тобто масштаб розмірів камер в моделі і натурних умовах склав 1: 1.

    Відповідно до теоретичними дослідженнями гідродинаміки апарату ГКС і установки БГКО [3] експериментальні дослідження проводилися за технологічними схемами: гидроциклон - циліндрична камера нижнього зливу; гидроциклон циліндричні камера верхнього зливу; гидроциклон - циліндрична камера нижнього і верхнього зливів - відстійник, при величинах тиску на вході в гидроциклон 0,4 МПа (4 атм) і протитиску 0,2 МПа (2 атм) на виходах камер нижнього і верхнього зливів. Введення індикатора в систему проводився імпульсним методом [5, 6], а концентрація його в воді визначалася за допомогою кондуктометра АНІОН 4120.

    На малюнках 2, 3, 4 представлені функції С (т) розподілу часу перебування рідини відповідно для нижнього і верхнього зливів, а також на виході з відстійника.

    С (т)

    0,8 0,6

    0,4 0,2 0

    0 10 20 30 40

    Мал. 2. Нижній злив:

    -----теорія; • - експеримент

    С (т)

    0,8 0,6

    0,4 0,2 0

    0 10 20 30 40 50 т'с

    Мал. 3. Верхній слив:

    -----теорія; • - експеримент

    Про 10 20 30 40 х. хв

    Мал. 4. БГКО:

    ----теорія; • - експеримент

    Порівняння досвідчених кривих з теоретичними показує, що закономірність їх зміни практично однакова. При цьому тривалість комплексної гідродинамічної обробки НСВ в закрученому потоці за схемою «гидроциклон -камери зливів» становить 30-50 с, що в середньому більш ніж в 20 разів більше тривалості гідродинамічної обробки НСВ в закрученому потоці в порожнині гідроциклону (див. Рис. 1 а , б).

    У камерах зливів гідроциклону ГКС гідродинамічні параметри потоків у всіх областях сприяють отриманню найбільш монодисперсної системи частинок нафти найбільшого розміру. При цьому основними факторами процесу коалесценції є: витрата, діаметр, в'язкість середовища, поверхневий натяг, концентрація і ступінь полідисперсності частинок нафти. Очевидно, в камерах зливів необхідно виключити можливість розшарування емульсії, гравітаційного осадження нафтових глобул, що обумовлює тривалість впливу, максимальне зближення, число зіткнень, злиття, зменшення полідисперсності частинок нафти, тобто в цілому ефективну коалесценцію. Для запобігання розшарування емульсії в камерах зливів слід підтримувати в них турбулентний режим в автомодельної області (Re > 10000) та досить високе значення параметра закрутки, щоб швидкість турбулентних пульсацій потоку перевищувала швидкість гравітаційного осадження частинок нафти [3, 4].

    Експериментально знайдені оптимальне співвідношення довжини (L) і діаметрів (Д) зливних камер (L / D = 20-30), а також рекомендовані значення універсального параметра закрутки (0) потоків для верхньої (0в = 20-33) і нижньої (0н = 16-18,5) зливних камер, що дозволяють ефективно здійснювати процес руйнування, очищення НСВ, в тому числі коалесценции нафтових крапель. Кількісна оцінка дисперсного складу емульгованої нафти в НСВ показала високу ступінь коалесценции і крапель нафти при гідродинамічної обробки емульсії за схемою «гидроциклон - камери зливів (ГКС)» [3].

    Експериментально встановлено, що ефект очищення НСВ (вугленосного типу, сероводородосодержащая нафтопромислового стічна вода високої стійкості) після обробки в ГКС і двогодинного відстоювання досягає 94,5%, що на 8-10% перевищує ефективність очищення за схемою «гидроциклон - відстійник» і на 20 -25% перевищує ефективність відстоювання необробленої в ГКС [3].

    Аналіз зібраного фактичного матеріалу по методам очищення і факторів інтенсифікують процес очищення НСВ показав, що всі фактори діють в певній послідовності, визначеною величиною і протягом певного часу.

    Список літератури

    1. Адельшин А.Б. Енергії потоку в процесах інтенсифікації очищення нафтовмісних стічних вод. Частина 1. Гідроциклони: Монографія. - Казань: КГАСУ, 1996. - 200 с.

    2. Адельшин А.Б. Інтенсифікація процесів гідродинамічного очищення нафтовмісних стічних вод / Дис. докт. техн. наук. - СПб., 1998. - 73 с.

    3. Адельшин А.А. Моделювання процесів і розробка установок очистки нафтовмісних стічних вод на основі використання закручених потоків // Дис. канд. техн. наук. - Пенза, 2009. - 181 с.

    4. Адельшин А.А., Адельшин А.Б., Урмітова Н.С. Гідродинамічне очищення нафтопромислових стічних вод на основі застосування закручених потоків. Монографія. - Казань: КГАСУ, 2011. - 245 с.

    5. Шифрін С.М., Мішуков Б.Г., Феофанов Ю.А. Розрахунок споруд біохімічної очистки міських і промислових стічних вод: Навчальний посібник. - Л .: Лісі, 1977. - 74 с.

    6. Закгейм А.Ю. Введення в моделювання хіміко-технологічних процесів. - М .: Хімія, 1973. - 224 с.

    Adelshin A.A. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Adelshin A.B. - doctor of technical sciences, professor Busarev A.V. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Kazan State University of Architecture and Engineering

    The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1

    About the time factor, that may influence the process of cleaning oil-field waste water using a swirling flows

    Resume

    Creation of technology and block installations of purification of oil-field sewage (OFS) for a waterflooding of oil layers is an actual problem.

    The high and stable effect of cleaning of OFS can be reached by a way of preliminary hydrodynamic processing it in the twirled stream. Researches created installations of cleaning of OFS with use of the twirled streams according to technological schemes: the block a hydrocyclone - a settler (BHS); the block a hydrocyclone - cylindrical chambers on top and bottom hydrocyclone drain - a settler (BCHS). Various schemes «a hydrocyclone - chambers» in effect are formed by hydrodynamic droplet formation (OC). Thus the hydrocyclone serves for preliminary hydrodynamic processing of OFS: destruction of the stabilized particles of the impurity, armouring shells, to a coalescence and reduction of polydispersion of drops of oil. As a part of OC the hydrocyclone is also the device for receiving the twirled stream in chambers.

    In article results of researches of time of stay in a hydrocyclone, the device OC and are given in the whole BCHS. It is established that emulsion destruction by hydrodynamic processing in a hydrocyclone makes 1-3 s, and in the device OC 30-50 s that promotes increase of effect and stability of cleaning of OC on BHS, BCHS installations.

    Keywords: oil-field sewage, hydrocyclone, chamber drains, twirled streams, hydrodynamic processing, residence time, purification.

    References

    1. Adelshin A.B. Energy of a stream in processes of an intensification of cleaning of the petrocontaining sewage. Part 1. Hydrocyclones: the Monography. - Kazan: KSABA, 1996. - 200 p.

    2. Adelshin A.B. The intensification of processes of oilfield wastewater hydrodynamic purification / Doctor of technical sciences dissertation. - Saint-Petersburg, 1998. - 73 p.

    3. Adelshin A.A. Modeling of processes and working out of installations of oilfield wastewater purification on the basis of swirling flows usage: Cand. Tech. Sci. dissertation. - Penza, 2009. - 181 p.

    4. Adelshin A.A., Adelshin A.B. Urmitova N.S. Hydrodynamic purification of oilfield wastewater on the basis of swirling flows usage. Monography. - Kazan: KSUAE, 2011. - 245 p.

    5. Shifrin S.M., Mishukov B.G., Feofanov Y.A. Calculation of the structures of biochemical purification of municipal and industrial wastewater: Tutorial. - L .: LCEI, 1977. - 74 p.

    6. Zakgeim A.Y. Introduction into the modeling of chemical and technological processes. -M .: Khimiia, 1973. - 224 p.


    Ключові слова: Нафтопромислові стічними ВОДА /Гідроциклони /КАМЕРИ зливного /закрученим ПОТІК /гідродинамічні ОБРОБКА /ЧАС ПЕРЕБУВАННЯ /ОЧИЩЕННЯ /OIL-FIELD SEWAGE /HYDROCYCLONE /CHAMBER DRAINS /TWIRLED STREAMS /HYDRODYNAMIC PROCESSING /RESIDENCE TIME /PURIFICATION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити