Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СТАТИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ (НЕФТЬ – ВОДА) ДЛЯ ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТИ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ

Сидоров Г.М. 1 Яхин Б.А. 2 Ахметов Р.Ф. 1
1 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
2 ООО «НТ-ЦЕНТР»
Наличие минеральных солей в нефти вызывает коррозию нефтепромыслового оборудования, повышает устойчивость эмульсий и затрудняет ее переработку. Отложение хлористых солей в трубопроводах уменьшает их проходное сечение, повышает гидравлическое сопротивление и снижает пропускную способность. Существующие конструкции смесителей в процессах обессоливания нефти имеют недостаточную эффективность перемешивания и требуют большого расхода промывочной воды. Увеличение глубины обессоливания нефти 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. Поэтому разработка эффективных смесителей нефти с промывной водой с использованием современных инженерных методов расчета является актуальной. В данной статье подводятся итоги моделирования работы статического смесителя с закручивающим устройством с использованием программного комплекса ANSYSCFX. На основе данных моделирования процесса с использованием пакета CFD анализа была разработана конструкция высокоэффективного статического смесителя нефти с водой для процесса обессоливания нефти, проведено опытно-промышленное испытание на установке подготовки нефти. В ходе проведения ОПИ струйный гидравлический смеситель показал высокую эффективность работы даже в нестационарных режимных условиях.
нефть
статический смеситель
обессоливание
вода
эффективность
моделирование
1. Ахметов Р.Ф., Сидоров Г.М., Рахимов М.Н., Беркань В.О. Совершенствование конструкции винтового закручивающего устройства методом CFD-анализа // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11–4. – С. 647–653.
2. Ахметов Р.Ф., Зайцев Ю.Н., Сидоров Г.М., Ахметов А.Ф. Моделирование процесса смешения нефти и воды в статических смесителях методом CFD анализа // Нефтегазопереработка-2016: Международная научно-практическая конференция (Уфа, 24 мая 2016 г.): Материалы конференции. – Уфа: Издательство ГУП ИНХП РБ, 2016. – С. 177.
3. Ахметов Р.Ф., Сидоров Г.М. Влияние длины закрутки винтового закручивающего устройства на эффективность сепарации трехпоточной вихревой трубы // Актуальные проблемы науки и техники-2015. Материалы VIII Международной научно-практической конференции молодых ученых. Том I. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. – С. 370–373.
4. Жолобова Г.Н., Хисаева Е.М., Сулейманов А.А., Галиакбаров В.Ф. Теоретические основы движения жидкости в вихревых устройствах // Нефтегазовое дело. – 2010. – С. 1–6.
5. Жолобова Г.Н., Хисаева Е.М., Сулейманова А.А., Галиакбаров В.Ф. Анализ конструкций смесителей для обессоливания нефти // Нефтегазовое дело. – 2010. – С. 1–7.
6. Николаев Е.А. Статические и динамические смесители для компаундирования нефтепродуктов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2011. – № 3. – С. 29–35.
7. Пат. 2178449 Российская Федерация, МПК7, С10 G33/04,33/06. Состав для обезвоживания и обессоливания нефти и способ его применения в устройстве для разрушения водонефтяных эмульсий / Галиакбаров В.Ф., Галиакбаров М.Ф., Лопатин И.Ф., и др. (РФ) 2000121188/12; Заявлено 07.08.2000; Опубл. 20.01.2002.
8. Хафизов Н.Н. Разработка технологии обессоливания нефти на промыслах: дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. – Уфа: УГНТУ, 2009. – 143 с.
9. Хуторянский Ф.М. Современное состояние и варианты совершенствования установок подготовки нефти. Основные направления перспективных научно-исследовательских работ в области глубокого обессоливания нефти // Технологии нефти и газа. – 2010. – № 6. – С. 33–39.

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.

sid1a.tif sid1b.tif sid1c.tif

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.

sid2.tif

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).

sid3.tif

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).

sid4.tif

Рис. 4. Распределение объемной доли нефти в водонефтяном потоке в смесителе с закручивающим устройством

sid5.tif

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.

sid6.tif

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: 08.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685