«ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ УДК 628.33 Адельшин А.А. – кандидат технических наук, доцент Адельшин А.Б. – доктор технических наук, профессор E-mail: a566pm Казанский государственный ...»

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 628.33

Адельшин А.А. – кандидат технических наук, доцент

Адельшин А.Б. – доктор технических наук, профессор

E-mail: a566pm@rambler.ru

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД*

АННОТАЦИЯ Приводятся результаты анализа теоретических и экспериментальных исследований о факторах и свойствах нефтепромысловых сточных вод (НСВ), обуславливающие интенсификацию процесса гидродинамической очистки НСВ .

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: очистка, нефтепромысловые сточные воды, капля, устойчивость, оболочка, разрушение, процесс .

Adelshin A.A. – candidate of technical sciences, associate professor Adelshin A.B. – doctor of technical sciences, professor Kazan State University of Architecture and Engineering

HYDRODYNAMIC FACTORS

OF OIL-FIELD WASTEWATER CLEANING PROCESSES

ABSTRACT The results of theoretical and experiment investigation about factors an properties of oil-field sewage (OFS), which causes the intensification of the process of hydrodynamic cleaning of OFS .

KEYWORDS: cleaning, oil pollut wast, drop, stabilitg, cover, destruction, process .

Нефтедобывающая промышленность является крупным водопотребителем и объектом образования огромного количества нефтепромысловых сточных вод (НСВ). В настоящее время около 90 % нефти добывается на месторождениях, разрабатываемых с использованием методов заводнения нефтяных пластов. Утилизация очищенных НСВ в системах заводнения является экономически и экологически выгодным путем их ликвидации на нефтепромыслах России .

Очистка НСВ для заводнения пластов заключается в удалении из них механических примесей и нефти до требуемых норм .

Основным показателем качества НСВ является их устойчивость, обусловленная свойствами НСВ и содержащихся в них естественных эмульгаторов твердыми механическими примесями, которые образуют на каплях нефти адсорбционные пленки – бронирующие оболочки. При этом сущность и эффективность процесса очистки НСВ заключается в достаточно полном и быстром снижении агрегативной и кинетической устойчивости НСВ путем главным образом предварительного разрушения агрегатов загрязнений, бронирующих оболочек капель нефти и их коалесценции перед подачей НСВ в последующие сооружения, аппараты очистки .

Процессы разрушения, коалесценции осуществляются в аппаратах-гидродинамических каплеобразователях и в общем случае зависят от количественных, качественных параметров, свойств НСВ, содержащихся в них загрязнений, гидродинамических, гидравлических характеристик течения НСВ, конструкциях и геометрии каплеобразователей .

В механизме разрушения нефтяных эмульсий (НСВ) в общем случае различают следующие стадии: 1 –деформация и разрушение бронирующих оболочек на каплях нефти; 2 – сближение, столкновение капель; 3 – слияние капель (коалесценция); 4 – концентрация, осаждение капель; 5 – выделения дисперсной фазы в виде сплошной фазы (расслоение, разделение эмульсии на нефти и воду) [1, 2, 3, 4] .

–  –  –

В практике очистки НСВ для эффективной реализации первых трех стадий интенсифицируют движения частиц дисперсной фазы в дисперсной среде различными способами: перемешиванием, центрифугированием, гидродинамическим воздействием в различных каплеобразователях, фильтрацией НСВ через твердые и жидкие контактные массы, электрической, магнитной, ультразвуковой обработкой и т.д. Четвертая и пятая стадии в основном осуществляются в аппаратах отстойного типа .

Исследованиями установлено, что предварительная гидродинамическая обработка НСВ в гидроциклонах, гидроциклонах-каплеобразоватеях, струйных каплеобразователях, гидродинамических крупнозернистых коалесцирующих фильтрах способствует наиболее полному и быстрому разрушению бронирующих оболочек на каплях дисперсной фазы (нефти, воды), уменьшению полидисперсности, образованию качественно иной «свежей» внутренней инверсирующей фазы, разрушению и коалесценции капель. Все это способствует интенсификации процесса очистки НСВ, в т.ч. последующего отстаивания: увеличивается глубина очистки НСВ по нефти и сокращается продолжительность отстаивания в 1,5-2,0 и более раза [5-9]. При этом технологические процессы очистки НСВ в значительной степени обусловлены их свойствами. На рис. 1 приведены основные сведения о свойствах и систематизированы факторы, обуславливающие процессы гидродинамической очистки НСВ .

При этом рассмотренные выше количественные и качественные параметры, свойства НСВ наиболее эффективно реализуется только при соответствующих режимах течения (движения) потока НСВ в полости аппаратов, сооружений разрушения, очистки НСВ .

Известно, что наиболее эффективна та технологическая схема очистки НСВ, в которой достаточно полно и быстро реализуются наибольшее количество интенсифицирующих факторов. При этом технологические приемы, направленные на интенсификацию процесса разрушения, очистки, делятся на следующие группы [2, 7, 8]: разрушение бронирующих оболочек на каплях нефти; сближение капель друг с другом и другими коалесцирующими объектами; коалесценция капель и переход их в состав жидкостных пленок; флокуляция капель и их контакт и переход в состав жидкостных пленок; флокуляция капель и их контакт с коалесцирующими поверхностями; расслоение эмульсии (НСВ) на нефть и воду .

В работах [7, 8] на основе анализа собранного, систематизированного фактического материала дана сравнительная оценка различных методов очистки НСВ по количеству сил (факторов), интенсифицирующих процесс очистки НСВ: отстаивания – 3 фактора; фильтрация – 4 фактора;

флотация – 6 факторов; тонкослойное отстаивание – 5 факторов; отстаивание с жидкостной фильтрацией – 8 факторов; отстаивание с предварительной коалесценцией в гидродинамических каплеобразователях – 8 факторов; отстаивание с предварительной коалесценцией – 7 факторов; по схеме гидроциклон-отстойник – 13 факторов. Все факторы должны действовать в определенной последовательности, в течение определенного времени и определенной величиной .

В технологии очистки воды успешно применяются различные устройства, аппараты (гидроциклоны, турбоциклоны, центрифуги, сепараторы, направляющие лопатки стационарные и с адаптивными блоками и др.), работа которых основана на интенсивной закрутке потока жидкости в полости этих устройств и в трубопроводах обвязки их .

Гидроциклоны относятся к частному виду из многочисленных устройств для получения закрученного потока на сливах-цилиндрических камерах, соединительных трубопроводах обвязки этих аппаратов .

При этом закрученное течение в трубопроводах сливов является результатом тангенциальной подачи жидкости в гидроциклон с формированием в трубопроводах обвязки окружной (тангенциальной, азимутальной) компоненты скорости и поля центробежных массовых сил .

В общем случае закрученные потоки (струи) имеют следующие особенности: имеют большой угол расширения и меньшую дальнебойность; обладают повышенной эжекционной способностью; у корня струи возникает приосевой обратный ток; способствуют удлинению времени пребывания жидкости в объеме аппарата [10] .

Водоснабжение, канализация, Известия КГАСУ, 2011, № 3 (17) строительные системы охраны водных ресурсов Водоснабжение, канализация, Известия КГАСУ, 2011, № 3 (17) строительные системы охраны водных ресурсов Известно, что интенсивность закрутки оказывает сильное влияние на инертные и реагирующие течения, на поле течения, расширения струи, процесса перемешивания, затухания скорости в струе, на размеры, форму и структуру вращающегося потока в трубопроводах сливов-обвязки. Интенсивность закрутки характеризуется параметром закрутки – безразмерное отношение потока момента количества движения (М) в осевом направлении к произведению потока количества движения (К) в осевом направлении на радиус трубопровода (rо) [11, 12], а в случае с гидроциклоном, трубопровода слива-обвязки .

Закрученное движение может сохраниться на относительно больших расстояниях в трубопроводах сливов гидроциклона со значительно превышающими потерями напора по сравнению с потенциальным осевым течением [11, 12] .

Закрученный поток в трубопроводах сливов обладает весьма большим запасом остаточной энергии. Так, для эффективного разрушения нефтяных эмульсий (очистки НСВ) требуемое давление питания составляет 0,4 МПа, при противодавлениях на сливах – 0,2 МПа [5, 8]. При этом количество подаваемой НСВ в гидроциклон, давление питания можно регулировать и тем самым степень закрутки в трубопроводах слива можно изменить от нулевой до достаточно высокой, приводящей к формированию сильно закрученных струй с обратными токами. Однако эффективный режим разделения в гидроциклоне происходит при определенном количестве подаваемой НСВ, давлении питания, перепаде давления, противодавления на сливах для принятой геометрии аппарата. При этом определенный, достаточно высокий уровень закрутки в трубопроводах сливов, очевидно, следует создавать при относительно низком перепаде давления (потерь напора) в гидроциклоне. Это дает возможность снизить энергоемкость гидроциклона, при необходимости перебросить максимум энергии для создания необходимого уровня интенсивности закрутки в трубопроводах сливов аппарата, а следовательно, достичь высокого уровня разрушения НСВ. Тем более 1,5-2-кратное увеличение давления питания выше оптимального (0,4 МПа) с целью повышения эффективности разделения не дает увеличение эффекта разрушения в среднем более чем на 10 % [5, 8]. Энергоемкость гидроциклона растет неадекватно эффекту разделения .

При выборе геометрии и технологических параметров гидроциклона для разрушения НСВ необходимо иметь в виду его эффективность и как закручивающего устройства, так как только часть давления питания в гидроциклоне, получающегося в аппарате закрученного потока, переходит в кинетическую энергию, а весьма большая часть этого давления теряется как потеря напора в аппарате. Разная геометрия гидроциклона даже при одинаковой интенсивности закрутки может создавать неэквивалентные поля течения в трубопроводе слива обвязки гидроциклона, а следовательно, эффективность закрутки с точки зрения полноты процесса разрушения НСВ в трубопроводах сливов гидроциклона будет различной .

На рис. 2 дана классификация сил, действующих на частицу нефти в полости гидроциклона по предполагаемому результату, вклад их в процесс разрушения эмульсии (НСВ). Интерес представляют силы, способствующие разрушению частиц (Fразр) и противодействующие разрушению (F сопрот). Соотношение этих сил характеризуется коэффициентом разрушения ( ) [12]. При 1 происходит разрушение частиц, при 1 происходит перенос частиц в полости гидроциклона .

Сила, противодействующая разрушению частиц (нефти или воды), обусловлена структурно-механической прочностью поверхностных адсорбционных слоев дисперсной фазы, т.е. бронирующих оболочек на частицах .

Структура этих слоев сложна и многообразна по компонентному составу; слои обладают аномальной вязкостью, возрастающей во времени в сотни и тысячи раз и после 24 ч .

формирования слои могут приобретать вязкость, соответствующую вязкости каменноугольного пека, т.е. по свойствам приближаются к прочным твердым телам [2, 13] .

Расчеты показали, что прочность межфазных адсорбционных пленок на границе «нефть-вода»

по удельному давлению Pкр(критическое или минимальное давление) деванских нефтей достигает 500-700 дин/см2, а для угленостных-800 дин/см2; для девонских нефтей при t=200 и при времени формирования T=1-24 ч Pкр находится в пределах 600-1100 дин/см2. При этом, как показали расчеты, необходимое и достаточное для разрыва пленки значение силы составляет 4,7-34,6 дин [5] .

СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЧАСТИЦУ НЕФТИ

В НАПОРНОМ ГИДРОЦИКЛОНЕ

–  –  –

В тех зонах в полости гидроциклона, где суммарная разрушающая сила превысит это значение, очевидно, будет происходить разрушение бронирующих оболочек на частицах нефти. В других же зонах аппарата будет происходить деформация бронирующих оболочек и коалесценция частиц нефти разрушенной броней. Силы, разрушающие частицы нефти в полости гидроциклона, можно определить как действующие во всей полости его и действующие у стенки аппарата .

В общем случае все основные факторы, обуславливающие процесс очистки НСВ (в т.ч. с применением гидродинамических эффектов закрученных потоков), можно условно разделить на две группы (рис. 3): I – технологические управляющие параметры и II – конструктивные управляющие параметры. Приведенное разделение позволяет упростить анализ вопроса оптимизации технологии гидродинамической очистки НСВ .

Основными факторами, обуславливающими эффективность процессов разрушения, очистки НСВ, являются гидродинамические силы воздействия на НСВ, которые превышают на 2-3 и более порядка действия других факторов [8]. При этом коалесценция в процессе интенсификации разрушения, очистки НСВ совершенно необходима; чем выше глубина коалесценции, тем выше эффект и скорость разрушения, очистки НСВ .

–  –  –

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тронов В.П., Тронов А.В. Очистка вод различных типов для использования в системе. – Казань: ФЭН, 2001. – 560 с .

2. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. – М.: Недра, 1974. – 272 с .

3. Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. – М.: Недра, 1979. – 319 с .

4. Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки сточных вод. – М.: Государственное научнотехническое изд., 1958. – 251 с .

5. Адельшин А.Б. Энергия потока в процессах интенсификации очистки нефтесодержащих сточных вод. Часть 1. Гидроциклоны. – Казань, 1996. – 200 с .

Водоснабжение, канализация, Известия КГАСУ, 2011, № 3 (17) строительные системы охраны водных ресурсов

6. Адельшин А.Б., Урмитова Н.С. Использование гидродинамических насадок с крупнозернистой загрузкой для интенсификации очистки нефтесодержащих сточных вод. – Казань: КГАСА, 1997. – 249 с .

7. Адельшин А.Б., Потехин Н.И. Интенсификация очистки нефтесодержащих сточных вод на основе применения струйно-отстойных аппаратов. – Казань: КГАСА, 1997. – 208 с .

8. Адельшин А.Б. Интенсификация процессов гидродинамической очистки нефтесодержащих сточных вод: Автореф…докт. техн. наук. – СПб., 1998. – 73 с .

9. Адельшин А.Б., Бусарев А.В., Потехин Н.И., Селюгин А.С., Адельшин А.А. К проблеме интенсификации процессов гидродинамической очистки нефтесодержащих сточных вод. // Известия КазГАСУ, 2003, № 2 (1). – С. 91-96 .

10. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. – Новосибирск: Сиб. отделение АН СССР. Наука, 1981. – 368 с .

11. Гунта А., Лилли Ф., Сайдер Н. Закрученные потоки. – М.: Мир, 1987. – 588 с .

12. Жизняков В.В. Исследования гидродинамически закрученного потока в трубопроводах технологических аппаратов систем очистки воды. Дисс…канд. техн. наук. – Горький, 1980. – 195 с .

13. Позднышев Г.Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. – М.: Недра, 1982. – 221 с .

REFERENCES

1. Tronov V.P., Tronov A.V. Purification of different types for use in system of maintenance of sheeted pressure. – Kazan: FEN, 2001. – 560 p .

2. Tronov V.P. Trade preparation of oil abroud. – M.: Nedra, 1983. – 224 p .

3. Lutoshkin G.S. Collecting and processing of oil, gas and water. – M.: Nedra, 1979. – 319 p .

4. Mongait I.L. Methods of wastewater cleaning. – M.: State science and technology publ., 1958. – 251 p .

5. Adelshin A.B. Energy of stream in processes of intensification of clearing of petrocontaining sewage. The monography. Part 1. Hydrocyclones. – Kazan: KSABA, 1996. – 200 p .

6. Adelshin A.B. Use of a coarse-grained hydrodynamic nozzle boot for the intensification of oily waste-water cleaning. – Kazan: KSABA, 1997. – 249 p .

7. Adelshin A.B. Intensification of oily wastewater cleaning based on the use of yet-settlers. – Kazan:

KSABA, 1997. – 208 p .

8. Adelshin A.B. Intensification of processes of hydrodynamic clearing petrocontaining sewage//Dissertation of a Dr. sei. tech. – St.-Petersburg, 1998. – 73 p .

9. Adelshin A.B. To the problem of intensification of the hydrodynamic cleaning of oily wastewater .

// Izvestija KGASU, 2003 № 2 (1). – P. 91-96 .

10. Goldshtik M.A. Whirling flows. – Novosibirsk: Siberian branch of AS USSR. Science, 1981. – 368 p .

11. Gunta A. Swirling flows. – M.: Mir, 1987. – 588 p .

12. Jiznyakov V.V. Research of hydrodynamic swirling flow in a pipelines of technological devices water cleaning systems. / Cand. of tech. sc. Diss. – Gorky, 1980. – 195 p.