Расчет отстойной аппаратуры

Технологический расчет отстойной аппаратуры заключается в определении пропускной способности отстойника или его размеров.

Если скорость слияния капель воды с водной подушкой - слоем воды в отстойнике меньше скорости накопления частиц на водонефтяном разделе, то между нефтью и водной подушкой образуется переходной слой, толщина которого уменьшается к выходу от отстойника.

Обводненность нефти на выходе из отстойника определяют по содержанию мелких капель воды, время осаждения которых больше времени осевого перемещения разделяемой эмульсии в отстойнике.

Допустим, что распределение капель воды в нефти после заполнения отстойника равномерно. Следовательно, обводненность эмульсии в любом его сечении одинакова и равна исходной обводненности В.

Зависимость суммарного объема воды от относительного размера капель воды в эмульсии хорошо аппроксимируется уравнением:

(1)

где V_B – объем воды в эмульсии;

d_i - диаметр капель воды в эмульсии;

d_max- максимальный диаметр капель воды в эмульсии;

V_Bi – объем воды в каплях, размеры которых меньше или равны d_i:

(2)

По определению обводненность эмульсии есть отношение

% (3)

откуда

(4)

Аналогично для обводненности в слое эмульсии:

(5)

Подставляя V_B и V_Bi в (1), получим следующее равенство:

(6)

откуда

(7)

Подставляя (7) в выражение (см (4.50) в лекциях):

(8)

и преобразовывая, имеем:

(9)

Таким образом, по (9), в отличие от (8), определяют относительную скорость осаждения капель воды в слое эмульсии с обводненностью В_i, которая меньше начальной обводненности эмульсии В вследствие опережающего движения капель размером больше d_i. Следовательно, по (9) можно рассчитать спектр скоростей стесненного осаждения капель воды с учетом изменения обводненности эмульсии по высоте отстойника.

На момент времени  после начала гравитационного расслоения эмульсии нижняя граница слоя эмульсии, содержащей капли размером d_i и меньше, h_i, может быть найдена по формуле:

(10)

где _{од i} – скорость стесненного оседания капель воды диаметром d_i.

Необходимая длина зоны отстоя эмульсии при непрерывной подаче эмульсии в отстойник определяется:

• допустимым остаточным содержанием воды в эмульсии;

• горизонтальной составляющей скорости движения эмульсии;

• скоростью расслоения эмульсии.

Из-за перехода части воды из эмульсии в водную фазу через поверхность раздела фаз вода-нефть, горизонтальная скорость перемещения эмульсии непрерывно уменьшается, поэтому:

(11)

где l – длина зоны отстоя эмульсии, м;

_Г – горизонтальная скорость движения эмульсии на входе в отстойник, м/с;

 - время пребывания эмульсии в отстойнике, с.

Время пребывания эмульсии в отстойнике может быть определено как отношение:

(12)

где h – высота слоя водонефтяной эмульсии на входе в отстойник;

_i – время оседания частиц диаметром d_i, т.е. время прохождения их через слой эмульсии высотой h.

Подставляя (12) в (11) с учетом (9), получаем:

(13)

где _С – вязкость среды, Пас;

d_i – минимальный диаметр капель воды, которые будут осаждаться в отстойнике, м;

 = _В - _{Н ,}

_В, _Н – плотности воды и нефти, соответственно, кг/м³;

d_max - максимальный диаметр капель воды в эмульсии на входе в отстойник, м;

l_i – длина зоны отстоя капель воды диаметром d_i.

Рассмотрим пример

Рассчитать необходимую длину зоны отстоя и обводненность эмульсии на выходе из отстойника при непрерывной ее подаче в отстойник, если обводненность эмульсии В = 0,2; высота слоя эмульсии на входе 1,75 м; горизонтальная составляющая скорости эмульсии на входе _Г = 10 м/ч; вязкость нефти 3 мПас; плотность нефти 820 кг/м³; плотность воды 1100 кг/м³. Размеры частиц представлены в таблице 1:

Таблица 1 Размеры частиц воды в эмульсии

di, мкм

10

20

30

40

50

60

80

100

200

Решение

1. По формуле (13) рассчитываем длину зоны отстоя для частиц всех заданных размеров: пусть d_i = 100 мкм, тогда

При длине зоны отстоя эмульсии 11,2 м, будут осаждаться все капли воды диаметром 100 мкм и более. Следовательно, в эмульсии на выходе из отстойника будут содержаться капли воды диаметром менее 100 мкм.

2. По формуле (7) рассчитываем обводненность эмульсии на выходе из отстойника. При этом требуется принять максимальный размер капель воды, покидающих отстойник в составе эмульсии. Пусть d_i = 80 мкм^* и меньше.

Результаты аналогичных расчетов для частиц других диаметров приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчетов

di, мкм	10	20	30	40	50	60	80	100	200
li , м	957	40	108	61	40	28	16,5	11,2	6,8
Вi-1 , %	-	0,03	0,13	0,28	0,50	0,79	1,14	2,04	3,24

Таким образом, при длине зоны отстоя не более 7 м обводненность эмульсии на выходе из отстойника составляет 3,24 %. Дальнейшее увеличение длины зоны отстоя и, следовательно, длины отстойника, не существенно снижает содержание остаточной воды в эмульсии. Например, увеличение длины зоны отстоя почти в 2 раза – до 11,2 м уменьшает обводненность нефти на выходе всего на 1,2 %.

^* Принимаемый максимальный размер капель воды, покидающих отстойник в составе эмульсии (остающихся в эмульгированном состоянии), должен быть меньше минимального диаметра капель воды, которые будут осаждаться в отстойнике.