1.1 Седиментация капель воды в нефти

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

F_вн = πr³gΔρ (2)

где r - радиус капли,

g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения,

Δρ - разность значений плотности воды и нефти (Δρ = ρ_в - ρ_н).

В силу большой вязкости нефти 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_эфrV_c (3)

где V_c - скорость седиментации (осаждения);

μ_эф - эффективная вязкость среды.

Эффективная вязкость в формуле (3) отличается от вязкости среды (нефти) из-за того, что движение капли относительно нефти 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+3μв]/3(μ+μв) (4)

где μ = (1÷10)·10^-2 Па - вязкость нефти в зависимости от ее сорта;

μ_в= 10^-3 Па - вязкость воды.

Приравнивая (2) и (3), получим выражение для скорости седиментации

V_c = 2gr²Δρ/gμ_эф (5)

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

V_c=5·10⁴r².

Таким образом, скорость осаждения капель в нефти растет пропорционально квадрату радиуса капель.

2.2 Процессы укрупнения капель воды

Процессы укрупнения капель воды в нефти играют очень важную роль, так как приводят к существенному возрастанию скорости седиментации. Процесс слияния капель воды, или коалесценция, может происходить в результате соударения частиц разного размера при седиментации, при взаимодействии поляризованных частиц в электрическом поле или при соударении частиц, участвующих в турбулизированном движении среды[8].

Число соударений при седиментации растет при увеличении относительной скорости сближения частиц. Как следует из (5)

V_отн = r₁²- r₂²

где r₁ и r₂ - соответственно радиусы взаимодействующих частиц.

Таким образом ясно, что эффективность коалесценции растет с увеличением радиуса частиц при одновременном увеличении различия в их размере.

На процесс слияния капель воды при столкновении оказывает влияние слоя нефти, который препятствует этому слиянию.

Разрушение тонкого слоя нефти на поверхности капли обеспечивается воздействием химическими веществами - деэмульгаторами. Действие деэмульгатора приводит к снижению сил поверхностного натяжения и, таким образом, облегчает их слияние.

Основным недостатком процесса удаления влаги за счет седиментации являются:

1. Большая длительность процесса седиментации.

2. Необходимость содержания больших объемов нефти в специальных отстойниках.

2 Аппараты для предварительного сброса воды

В настоящее время существует 2 типа аппаратов, применяемых для предварительного сброса воды: вертикальные стальные резервуары (РВС) емкостью от 1000 до 5000 м³ и горизонтальные цилиндрические емкости объемом 100 и 200 м³ (булиты), а также в последнее время стали использовать трубные водоотделители нефти.