Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.03.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Технология подготовки и переработки нефти и газа»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 5

Название работы

Расчет аппаратов для разделения водонефтяных эмульсий

Вариант

Вариант 24

По дисциплине

Основы проектирования процессов переработки природных энергоносителей

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
2Д12	Чижова Анастасия Васильевна

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Самборская М.А.	к.т.н.

Томск – 2025 г.

Цель работы: научиться рассчитывать аппараты для разделения водонефтяных эмульсий

Теоретическая часть

1 Технологический расчет отстойников

Исходными данными для расчета аппарата обычно служат: производительность установки по сырью, м³/ч; плотность воды, кг/м³; плотность нефти, кг/м³; вязкость нефти динамическая, мПа*с; вязкость воды динамическая, мПа*с; начальная обводненность эмульсии, % масс.; конечная обводненность эмульсии, % масс.; диаметр капель, мкм.

Сначала рассчитывают плотность эмульсии по правилу аддитивности:

и определяют массовый расход эмульсии:

Затем рассчитывается материальный баланс аппарата, откуда находят количества удаленной воды и обезвоженной нефти:

где – массовый расход эмульсии, кг/с; – массовый расход воды, кг/с; – начальная обводненность эмульсии, масс.доли; – обводненность эмульсии после обезвоживания, масс.доли

На этом же этапе можно рассчитать значение объемной обводненности.

Далее определяем режим движения отстаиваемой эмульсии и рассчитываем линейную скорость осаждения.

Известно, что коэффициент гидравлического сопротивления среды для осаждения твердой сферической частицы связан со скоростью осаждения уравнением:

где – коэффициент гидравлического сопротивления среды.

Проведем преобразование:

Для того, чтобы получить обобщенное уравнение для определения скорости осаждения , перемножим левую и правую части уравнения на . Получим:

или:

где – критерий Архимеда. Уравнение называют обобщенным уравнением осаждения. Критерий Архимеда:

При осаждении капель воды в водонефтяной эмульсии эффективная динамическая вязкость эмульсии рассчитывается по формуле:

Подставив в уравнение Архимеда значение , можно найти для всех режимов движения частицы: ламинарный, переходный, турбулентный.

Область ламинарного режима осаждения частицы характеризуется значениями параметра Рейнольдса:

Коэффициент гидравлического сопротивления средф движению капли при этом режиме равен:

C учетом уравнения Архимеда для ламинарного режима:

Граничные значения критерия для ламинарного режима осаждения капель:

В области переходного режима осаждения:

Для турбулентного режима:

Определив критерий Рейнольдса для соответствующего режима, находим скорость осаждения Т.к. критерий Re:

то при известно диаметре частицы и Re, скорость осаждения частицы:

Таким образом, чтобы рассчитать скорость свободного оседания капель при известном диаметре капель необходимо рассчитать: 1) ; 2) .

Скорость свободного осаждения мелких капель в ламинарном режиме часто рассчитывают по уравнению Адамара, что является более правильным из-за особенностей поведения капли:

Уравнение Адамара применимо, когда критерий Рейнольдса для капли Re < 1.

Исследованиями было установлено, что при содержании дисперсной фазы более 5 % об. необходимо учитывать стесненность осаждения (всплытия) капель. Скорость стесненного осаждения является функцией скорости свободного осаждения и концентрации суспензии, которая в расчетных формулах выражается через объемную долю сплошной фазы в суспензии ε:

где и – объем соответственно сплошной и дисперсной фазы.

Для расчетов могут быть использованы следующие уравнения:

Скорость стесненного осаждения можно рассчитать также, исходя из следующей зависимости для критерия Рейнольдса:

На основе приведенных уравнений можно рассчитать скорость стесненного осаждения одинаковых по размеру шарооб­разных частиц. При осаждении частиц иной формы полученное значение следует умножить на поправочный коэффициент формы φ (φ<1), значения которого определяют опытным путем. Кроме того, при расчетах скоростей осаждения нешарообразных частиц в качестве их диаметра следует использовать диаметр эквивалентного шара.

Расчет скоростей осаждения для суспензий, содержащих частицы различного диаметра, не может быть выполнен с достаточной точностью. В этих случаях необходима постановка экспериментов.

На практике для расчета стесненной скорости осаждения капель пользуются отношением:

или для более точного расчета:

где – скорость стесненного осаждения частицы; – объемная доля дисперсной фазы в системе, т.е. обводненность эмульсии; – скорость свободного осаждения частицы; n – в первом приближении может быть принят равным +4,7.

Тогда в области ламинарного режима осаждения, относительную скорость оседания капель воды в нефти в зависимости от ее обводненность можно определить:

где В – обводненность нефти (доли объемн.).

Обычно, аппарат проектируют так, чтобы скорость течения жидкости в корпусе аппарата не превышала нескольких миллиметров в секунду, и режим течения был ламинарным, что предупреждает смешение фаз и улучшает процесс отстаивания. Таким образом, можно заведомо использовать формулу Стокса для расчета скорости, а затем проверить находится ли число Рейнольдса в пределах ламинарного режима для спроектированного аппарата.

По известному значению скорости определяем площадь поверхности осаждения:

где – объемный расход эмульсии.

Далее рассчитываем конструктивные размеры аппарата. Методики для расчета вертикальных и горизонтальных отстойников несколько отличаются.