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)

F_вн = 3/4 πa³gΔρ (1)

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

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

F_с = 6πμ_эфaV_с (2)

где V_с — скорость седиментации (осаждения); μ_эф — 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

μ_эф = μ[2μ+3μ_в]/3(μ+μ_в) (3)

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

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

V_c = 2ga²Δρ/gμ_эф

При ρ_в=1000кг/м³ и ρ_нефти=850 кг/м³ получим скорость седиментации равной V_c=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

q_k = 12πε₀a²E (4)

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

F_э = q_kE = 12πε₀a²E² (5)

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

V_E = gε₀aE²/μ_эф (6)

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

V_E/V_c = ε₀E²/gaΔρ(7)

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

Таблица 1

Комментарии запрещены.