2.5. Расчет основного оборудования

Целью расчетов, проводимых в настоящем разделе, является определение необходимых размеров используемого технологического оборудования на установках подготовки нефти, выбор типа аппаратов и расчет их количества.

2.5.2. Блок отстоя

Технологический расчёт отстойной аппаратуры заключается в определении их пропускной способности и 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. Скорость движения эмульсии вдоль отстойника от входа до выхода непрерывно уменьшается от значения на входе w_вх до значения на выходе w_вых:

w_вх = Q_v^сеп / f; w_вых = Q_vн^от / f, (2.27)

где f – площадь поперечного сечения отстойника, занятая эмульсией на входе, м²;

Q_v^сеп, Q_vн^от – объёмная производительность эмульсии на входе в отстойник и некондиционной нефти на выходе из отстойника, соответственно, м³/ч.

Очевидно, что для проведения расчётов необходимо знать такие физико-химические характеристики эмульсии на входе в блок отстоя, как плотность и динамическую вязкость, в качестве которой принимаем рассчитанную в предыдущем пункте: _эм = 0,19344 кг/(м×с). Для определения величины воспользуемся вышеизложенной методикой.

Таблица 2.23

Состав эмульсии блока отстоя

На входе		На выходе
	% масс			% масс
Эмульсия, в том числе: нефть вода	29,96 70,04		Некондиционная нефть, в том числе: нефть вода	96 4

Для проведения расчёта необходимо знать плотность нефтяной эмульсии. Известно, что нефтяная эмульсия состоит из воды (65% масс) и нефти (35% масс). Плотность можно определить по правилу аддитивности (2.27):

, (2.28)

где - весовая концентрация компонента в смеси;

- плотность компонентов, кг/м³.

Таблица 2.24.

Массовая доля и плотность компонентов нефти

Компонент смеси	Массовый состав нефти из сепаратора ( , табл.5.5)	Массовая доля	Плотность компонентов при нормальных условиях ( ), кг/м3
CH4	15,38	0,003446	406,9 (-150°С)
С2Н6	49	0,01098	561,2 (-100°С)
С3Н8	175,98	0,039435	579,4 (-40°С)
изо-С4Н10	101,16	0,022669	557,3
н-С4Н10	430,6	0,096492	578,9
изо-С5Н12	68,96	0,015453	619,6
н-С5Н12	140,2	0,031417	626,2
С6Н14+	3481,28	0,780108	659,4
Итого	Miн=4462,56	1

Плотность нефти составляет = 640,36 кг/м³,

Плотность пластовой воды – 1019,6 кг/м³ (производственные данные).

Плотность нефтяной эмульсии на входе в блок отстоя – и на выходе из него – , по правилу аддитивности, соответственно составит:

кг/м³,

кг/м³.

Полученные значения пересчитаем на рабочую температуру отстойников – 25⁰С с учётом температурных поправок  = 0,633 и 0,9:

= 865,95 – 0,633 ^.(25-20) = 862,8 кг/м³,

= 650 – 0,9 ^.(25-20) = 645,5 кг/м³.

Объёмная производительность эмульсии на входе Q_v^сеп и нефти на выходе Q_{н v}^от составит:

Q_v^сеп = 441940,5 / 862,8 = 512,2 м³/ч;

Q_нv^от= 145635,5/ 645,5 = 225,6 м³/ч.

Кинематическую вязкость нефти при t=25^oC определим по формуле Гросса:

, (2.29)

где , - кинематические вязкости при разных температурах (м²/с);

_{- кинематическая вязкость нефти при 20°С.}

- коэффициент, равный 1,084.

,

=9,34∙10^-6 м²/с.

_н = 645,5 ^. 9,34∙10^-6 = 6,03^.10^-3 кг/(м*с)

кг/(м*с). (2.30)

В результате для расчета имеем следующие исходные данные:

- объёмная производительность эмульсии на входе в блок отстоя Q_v^сеп;

- обводнённость входящей эмульсии B = 70,04%;

- плотность входящей эмульсии _эм;

- динамическая вязкость входящей эмульсии _э;

- объёмная производительность нефти на выходе из блока отстоя Q_нv^от;

- требуемая обводнённость нефти на выходе B₁ = 4%;

- плотность нефти на выходе _эм1.

Рассчитаем диаметр и длину отстойной секции гравитационного отстойника, обеспечивающего заданную пропускную способность и степень разделения эмульсии на нефть и воду. Эффективное разделение фаз в гравитационном отстойнике происходит при условии соблюдения в зоне отстоя ламинарного режима течения эмульсии, т.е. при Re  2300. Следовательно:

w

(2.31)

_ж*D_э*_эм / _эм  2300

w_ж = Q_v^сеп/ S_н; S_н = *D_э²/ 4

(2.33)

(2.32)

(2.34)

где D_э, S_н – эквивалентный гидравлический диаметр и площадь поперечного сечения потока эмульсии в отстойнике на входе в зону отстоя, соответственно: м, м².

S_н  0,25 ^.3,14 ^.0,55412 ² = 0,241м².

Принимая во внимание то, что требуемая степень разделения эмульсии очень велика, необходимо обеспечение минимальной линейной скорости течения эмульсии в зоне отстоя. В связи с этим допускаем восьмикратное увеличение параметра S_н относительно минимально допустимого:

(2.33)

S_н  8 ^. 0,241 = 1,928 м²

м.

В свою очередь, эквивалентный диаметр может быть представлен следующим выражением:

(2.34)

,

где  - относительная высота водяной подушки в отстойнике. Экспериментально установлено, что пропускная способность гравитационного отстойника максимальна при  = 0,46. В этом случае приведенное выражение примет вид:

D = D_э / 0,90926

Принимаем ближайший диаметр из стандартного ряда диаметров выпускаемых промышленностью отстойников:

D = D_ст = 3,4 м  D_э = 3,092 м  S_н = 7,505 м².

Необходимую длину отстойника рассчитаем исходя из требуемого значения обводнённости нефти на выходе – B₁. Длина зоны отстоя определяется скоростью движения эмульсии в отстойнике w_ср и временем, необходимым для осаждения капель воды _ос.

Для реализации процесса необходимо, чтобы время нахождения эмульсии в отстойнике .

(2.35)

; ,

где L - длина зоны отстоя, м;

h- высота зоны отстоя, м;

- скорость стесненного осаждения капель воды диаметром , м/с.

Для предельного случая, когда , длина зоны отстоя составит:

(2.36)

(2.37)

м/с.

Высота зоны отстоя рассчитывается по формуле:

м.

Скорость осаждения капель воды определяется по формуле Стокса:

(2.38)

,

где 0,5 – коэффициент, учитывающий стесненность осаждения частиц в движущейся среде.

Длина зоны отстоя составит:

м.

Технологической схемой УПН предусмотрена возможность подачи поверхностно-активного вещества (ПАВ) в поток сырой нефти ещё во входных коммуникациях. Таким образом, к моменту поступления эмульсии в блок отстоя система “вода-нефть” имеет крупнодисперсный характер. Экспериментально установлено, что капли воды в эмульсии, обработанной деэмульгатором имеют размер: d_max=300350 мкм.

м/с.

(2.39)

(2.40)

Условие выполняется.

В соответствии с рассчитанной длиной зоны отстоя принимаем три отстойника диаметром 3,4 м и длиной 23,4 м, работающих паралельно. При таком включении снижается скорость движения эмульсии в отстойнике и пропорционально этому уменьшается требуемая длина зоны отстоя одного аппарата.

Количество аппаратов определяем по формуле:

(2.41)

,

где -объемный расход эмульсии (м³/ч);

- максимальная производительность аппарата (м³/ч).

(2.42)

,

г

(2.43)

де - максимальная поверхность осаждения, зависящая от диаметра и длины аппарата.

м², тогда

м³/ч.

Определим число аппаратов:

.

Принимаем =2.