Теоретические основы обезвоживания нефтепродуктов

Электоронно-ионные технологии применяются при обезвоживании сырой нефти и нефтепродуктов. Вода в нефть попадает при добыче нефти из нефтяных скважин, а также в ходе технологических процессов переработки нефти в нефтепродукты. Для обеспечения высокого качества нефтепродуктов необходимо в ходе технологического процесса обезвоживания вывести в максимально доступном количестве соли и воду из нефтепродукта.

Удаление воды из нефтепродукта может происходить в результате организации направленного движения капель воды из объема нефтепродукта.

Первым направлением является использование седиментации капель воды. Иными словами, в процессе отстоя капли воды под действием силы тяжести осаждаются на дно резервуара.

Второе направление — зарядка и организация движения частиц воды в электрическом поле таким образом, чтобы капли воды ушли за пределы объема нефтепродукта.

Капельки воды могут под действием сил электрического поля собираться на электродах или специальных пористых перегородках и стекать на дно сосудов. Удаление воды со дна резервуара производится путем слива.

Удаление воды из нефти основано на том, что вода имеет большую плотность, чем нефть, и в процессе отстоя капли воды падают на дно резервуара. Нефть всплывает и остается в верхней части резервуара. Эффективность процесса удаления воды из объема нефтепродукта зависит от вязкости нефтепродукта. Вязкость определяется температурой, и, чем выше температура, тем меньше вязкость и больше скорость седиментации. Также скорость процесса зависит в значительной мере от размера капель воды: чем больше радиус капли, тем выше скорость оседания капель.

Седиментация капель воды в нефтепродукте

Установившаяся скорость оседания капель воды в нефтепродукте определяется из условия равенства внешней силы F, действующей на каплю, силе сопротивления среды движению капли. Внешняя сила, действующая на каплю, находящуюся в нефтепродукте, равна разности между силой тяжести и архимедовой силой (силой плавучести)

Fвн = 3/4 πa3gΔρ (1)

где а — радиус капли, g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения, Δρ — разность значений плотности воды и нефтепродукта (Δρ = ρв — ρн).

В силу большой вязкости нефтепродукта и малых размеров капель воды их осаждение происходит в пределах стоксовского диапазона числа Рейнольдса (Rе ≤ 0,5) и сила сопротивления среды определяется по формуле Стокса

Fс = 6πμэфaVс (2)

где Vс — скорость седиментации (осаждения); μэф — эффективная вязкость среды.

Эффективная вязкость в формуле (2) отличается от вязкости среды (нефтепродукта) из-за того, что движение капли относительно нефтепродукта вызывает циркуляцию воды в капле и это приводит к некоторому уменьшению сопротивления среды по сравнению с движением твердой сферической частицы. Тогда

μэф = μ[2μ+3μв]/3(μ+μв) (3)

где μ = (1-10)×10-2 Па — вязкость нефтепродукта в зависимости от его сорта; μв= 10-3 Па — вязкость воды.

Приравнивая (1) и (2), получим выражение для скорости седиментации

Vc = 2ga2Δρ/gμэф

При ρв=1000кг/м3 и ρнефти=850 кг/м3 получим скорость седиментации равной Vc=5×104a2. Таким образом, скорость осаждения капель в нефтепродуктах растет пропорционально квадрату радиуса капель.

Движение заряженных капель в электрическом поле в нефтепродукте

Скорость движения капель в электрическом поле в нефтепродукте определяется из равенства силы, действующей в электрическом поле на каплю, и силы сопротивления среды движению капли.

Допустим, что в нефтепродукте присутствуют ионы одного знака. Тогда в электрическом поле капля приобретает, как было показано ранее, наибольший возможный заряд равный

qk = 12πε0a2E (4)

Соответственно, сила, действующая на каплю в электрическом поле, будет равна

Fэ = qkE = 12πε0a2E2 (5)

Приравнивая (5) силе сопротивления среды по (2) получим формулу для скорости движения капель в электрическом поле:

VE = gε0aE2эф (6)

Сопоставим скорость движения капель под действием электрического поля и в результате седиментации. Отношение значений скорости по (6) и (3) записывается в виде:

VE/Vc = ε0E2/gaΔρ(7)

В табл. 1 представлены значения скорости седиментации VC, времени осаждения капель на расстояние 1м tотс (L=1м) в часах и отношения VE/Vс по (7) для следующих условий Е=3 кВ/см, Δρ =150 кг/м3 в зависимости от размера капель.

Таблица 1


а, (мкм) 5 10 100 500 1000
Vс, (м/с) 1,25×10-6 5×10-6 5×10-4 1,25×10-2 5×10-2
tотс (L=1м), (час) 220 55 0,55 0,022 5,5×10-3
VE/Vc 1100 550 55 11 5,5


Из табл. 1 следует, что время отстоя для частиц радиусом менее 100 мкм существенно превышает 1 час, которое представляется предельно целесообразным. Для частиц менее 100 мкм движение в электрическом поле может рассматриваться как более предпочтительный механизм удаления капель влаги из объема нефтепродукта. Даже для крупных капель движение в электрическом поле остается достаточно эффективным.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru