Технологический расчет аппаратов для отстаивания (отстойников)

Федеральное агентство по образованию РФ

Национальный  исследовательский Томский политехнический  университет

Институт  природных ресурсов 

 

кафедра: химической технологии

топлива и химической кибернетики 
 
 
 
 
 

Лабораторная  работа № 1

по дисциплине

«Технологическое  проектирование и  типовое оборудование нефтехимических  процессов»

   «Технологический расчет аппаратов для отстаивания (отстойников)» 
 

Выполнил:

ст. гр. 5М200             Абдюшев Р.Р. 

Проверил:

доц., к.т.н.         Самборская М.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 2011

    Цель  работы

    Научиться рассчитывать аппараты для разделения водонефтяных эмульсий. 

    Теоретическая часть

Отстаивание

      При сборе и подготовке нефти на промыслах  приходится иметь дело с самыми разнообразными смесями, образующими суспензии, эмульсии, туман, дым (пыль). При достаточном различие плотностей дисперсной и дисперсионной фаз, наиболее простым методом их разделения является отстаивание. Требования ГОСТ к качеству нефти таковы:

– содержание влаги < 0,5% (ГОСТ 2477);

– содержание солей < 100 мг/л (ГОСТ 1534).

      Отстаивание водонефтяной эмульсии – технологическая  операция, используемая для разделения фаз, т.е. осаждения воды в водонефтяной эмульсии. Эта операция является основным этапом процесса разрушения нефтяных эмульсий (ей предшествуют процессы обработки  эмульсии деэмульгатором и подготовки ее к разделению).

      Характер  осаждения воды в эмульсии резко  отличается от характера осаждения  одиночной частицы. Параметры среды, в которой осаждаются частицы  воды, постоянно меняются, в частности, ее плотность уменьшается из-за снижения содержания воды к уровню раздела  фаз. Кроме того, по мере приближения  диспергированных частиц к уровню раздела фаз их число возрастает, промежутки между частицами становятся все меньше. Обезвоживаемая нефть, поднимаясь в вверх, начинает притормаживать или даже увлекать частицы воды с собой. При этом частицы воды вышележащих слоев водонефтяной эмульсии, имея большую скорость осаждения, начинают настигать нижележащие частицы. Скорость осаждения частиц воды постепенно снижается и становится равной скорости осаждения более мелких ее фракций и даже равный скорости осаждения присутствующих в нефти микрочастиц.

      В результате на соответствующем уровне (высоте) водонефтяной эмульсии наступает  момент «уплотнения» частиц воды, что  связано с началом образования  так называемого «слоеного пирога», то есть слоистого расположения воды в обезвоживаемой нефти, которая  с течением времени проваливается  из пленок “ловушечной нефти” в сплошную водную фазу.

      На  образование «слоистого пирога»  в основном влияют микрочастицы (механические примеси), состоящие из сульфидов  железа, продуктов коррозии, глины, и т.д. плотность которых больше плотности нефти. Эти частицы  осаждаются по тем же закономерностям, что и мелкодиспергированные частицы воды. Имея микронные размеры, они группируются за счет сил поверхностного сцепления друг с другом и образуют массу большей плотности, чем плотность нефти, но меньшей, чем плотность воды. Поэтому механические примеси располагаются и уплотняются на границе раздела фаз. Если силы поверхностного сцепления между частицами механических примесей и число их достигло достаточно высоких значений, то они образуют сплошные пленки, которые осаждаемая вода в состоянии разорвать только при некотором накоплении (положительный эффект на разрушение этих пленок оказывает внесенный ранее деэмульгатор). После разрыва пленки накопившаяся вода проваливается в водную фазу.

      Водонефтяная  эмульсия подается в раздаточный  коллектор (маточник) для более равномерного выхода струй жидкости по всему сечению  аппарата. Затем, проходя через определенной высоты водяную подушки (происходит частичное улавливание капель воды) и скапливается на поверхности воды.

     В процессе отстаивания по выше описанному механизму происходит расслаивание нефти и воды. Отвод обезвоженной нефти осуществляется сверху аппарата, сброс воды происходит снизу с  помощью специальных механизмов.

     По  конструкционным особенностям отстойную  аппаратуру можно разделить на три  основных группы:

     – резервуары-отстойники представляют собой емкости различных размеров, предназначенные для накопления, кратковременного хранения, и учета «сырой» и товарной нефти. Основная цель таких резервуаров в промысловых условиях сводится к разделению нефти и воды с минимальными потерями легких фракций нефти. Применяют резервуары-отстойники с жидкостным гидрофильным фильтром, жидкостным гидрофобным фильтром, с плавающей крышкой и т.д. 

     – гравитационные отстойники по форме делятся на цилиндрические и сферические, по положению в пространстве горизонтальные и вертикальные с различными дополнительными внутренними устройствами. Доминирующим эффектом является гидродинамический эффект, обусловленный гравитационными силами, т.е. разностью плотностей фаз и скоростью потока. Наиболее распространенными на установках подготовки нефти в последние годы нашли горизонтальные отстойники с вертикальным направлением движения потоков (рис.1).

     – трехфазные сепараторы предназначены для сепарации газ от нефти и сброса основной части пластовой воды при высокой обводненности продукции скважин (позволяет значительно снизить затраты на капиталовложения). Принцип работы таких установок состоит в частичном обезвоживании продукции скважин с предварительной обработкой сырья реагентом и использованием теплоты и остаточного содержания реагента в пластовой воде, сбрасываемой на последующих ступенях обработки. Существует большое разнообразие таких отстойников по конструкции.  
 
 
 

    Исходные  данные для расчета аппарата

    Таблица 1

 

    Для расчета ЭДГ принять:

    Таблица 2

 
 

    Практическая  часть 

1. Сначала рассчитываем плотность эмульсии по правилу аддитивности:

 и определяем массовый расход эмульсии:  

    2. Затем рассчитываем материальный баланс аппарата, откуда находим количества удаленной воды и обезвоженной нефти:

    Gэ*Wн= Gн*Wк+ Gв;

      Gэ*Wн= (Gэ-Gв)*Wк+ Gв.

    где Gэ. – массовый расход эмульсии, кг/с;

           G_в– массовый расход воды, кг/с;

           G_н– массовый расход нефти, кг/с;

           W_н. – начальная обводненность эмульсии, масс. доли;

           W_к – обводненность эмульсии после обезвоживания, масс. доли.

    Таким образом,

      

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

     ,      (1)

    где — критерий Архимеда. Уравнение (1) называют обобщенным уравнением осаждения.

    

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

    

    Граничные значения критерия для ламинарного режима осаждения капель:

     .  

          Таким образом, имеем  ламинарный режим осаждения капель. 

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

      

      Скорость осаждения частицы:  

     4. Исследованиями было установлено, что при содержании дисперсной фазы более

     5 % об. необходимо учитывать стесненность осаждения (всплытия) капель.

      W_об=0,3133=31,33 % об. 

    Таким образом, определяем W_0g= 0,0025 м/с. 

   Поскольку 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, то можно заведомо использовать формулу Стокса для расчета скорости, а затем проверить находится ли число Рейнольдса в пределах ламинарного режима для спроектированного аппарата. 

   5. По известному значению скорости определяем площадь поверхности осаждения:

                 

                   

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

    Вертикальный  отстойник

     

• рассчитываем диаметр аппарата и округляем полученное число до ближайшего, кратного 0.2м:

    

    Принимаем диаметр равным 3 м.

• высота рабочей зоны аппарата определяется из условия:

                                           

    где: - время пребывания  капли в аппарате (примем равным 0,5 ч=1800 с) - время отстаивания;

    тогда:

            

    где: H_р – высота рабочей зоны аппарата, - средняя линейная скорость потока

• общая высота аппарата равна (см. рис.):

    

    где: Н₁ - высота водяной подушки, которую принимают в пределах 0.7-1м (примем 1м), Н_р - высота рабочей зоны, Н_п – высота парового пространства, принимаемая обычно в пределах 0.8 – 1м (примем 1м). 

    Горизонтальный  отстойник

    Ранее упоминалось, что эффективное разделение фаз в гравитационном отстойнике происходит при условии соблюдения в зоне отстоя ламинарного режима течения эмульсии.

    При этом наиболее простая формула расчета  диаметра:

                             D = 0,6 · 10^-3 · V_э·ρ_э/μ_э=1,8 м;

    Толщина водяной подушки (h) может быть рассчитана по формуле:

                                         h = D · 0,23=0,414 м;

    длина рабочей зоны аппарата (между сырьевым и продуктовым патрубками) определяется из условия:

                                           

    где: - время пребывания  капли в аппарате, - время отстаивания;