УДК 681.3 : 622.276 (571.1)
© В.Г.Карамышев, Г.Г.Корнилов, 1998
В.Г.Карамышев, Г.Г.Корнилов (ИПТЭР)
Формирование структур газожидкостного потока в области расходного газосодержания в > 0,95
V.G.Karamishev, G.G. Kornilov (IPTER)
Forming of gas-fluid flow structures in discharge gas content conditions of p> 0,95
Presented are the data on the third area of discharge gas content changes in a mixture, characterized by high values of such parameter. Reviewed is a connection between drops critical speed and size, where their bifurcation starts, depending on changes in gas density.
VI
сследования вопросов гидравлики относительно двухфазных (многофазных) газожидкостных потоков в трубопроводах позволили установить физическую сущность совместного движения в одном канале газовой и жидкой фаз, определить влияние на удельные энергозатраты при перемещении смесей структурных форм, профиля трассы пролегания трубопроводов, способы управления такими потоками и др.
Во всей области изменения расходного газосодержания смеси в (0 < в < 1,0) газожидкостные потоки характеризуются сложными гидродинамическими процессами. Существует до десятка структурных форм пребывания газовой фазы в совместном ее потоке с жидкостью.
В общем случае структурные формы образуются в результате противодействия силы инерции смеси силам вязкости, тяжести, поверхностного межфазного натяжения и архимедовой. Структурные формы определяют расходуемую энергию на перемещение смеси.
В работе [1] весь диапазон изменения в, приведенному к средним давлению и температуре на рассматриваемом участке, по величине удельного расхода энергии на перемещение смеси представлен тремя областями:
1) 0 < в < 0,65-0,75 - газ в жидкости;
2) 0,65-0,75 < в < 0,90-0,95 - газ над
жидкостью;
3) в > 0,95 - жидкость в газе.
В работе [1] рассматриваются только первые две области. В настоящей статье
представлены данные по третьей области движения газожидкостных смесей, которые очень важны при разработке технологического процесса сбора и транспорта нефтей с высоким газовым фактором (газонефтяные месторождения Оренбургской области, Северного Кавказа, Заполярья).
Разработка такой технологии позволит повысить эффективность работы однотрубных систем сбора, обеспечить подачу извлекаемого из недр углеводородного сырья по межпромысловым трубопроводам, а также осуществить однотрубный транспорт его из необустроенных, северных районов в уже обустроенные районы с ГПЗ, ГБЗ и другими объектами.
Третья область представляет собой сплошной поток газа. В ней начинается и заканчивается инверсия фаз. Последняя начинается с дробления и распыления жидкой фазы, основная масса которой в виде мельчайших капелек переносится в объеме газового потока в виде аэрозоли. В этом случае понятие относительной скорости фаз исчезает и основным параметром является расходное газосодержание смеси или ее влагосодержание.
В третьей области поток сам подготавливает однородную эмульсионную структуру жидкость в газе. Задача заключается в ускорении образования такой структуры и обеспечении ее стабильности на всем пути движения смеси. Необходимо создать такой технологический режим, при котором с учетом свойств перекачиваемых сред эмульсионная струк-
тура, ее устойчивость зависят от разумного использования кинетической энергии потока газовой фазы, разрушительного действия ее скоростного напора. При разрушительном действии подстилающий слой маловязкой жидкой фазы в виде распыленных капелек вовлекается в поток газа и перемещается вместе с ним в его объеме.
Дробление жидкой фазы происходит по следующей схеме: как при дисперсно-полукольцевой, так и при дисперсно-кольцевой структурных формах движения смеси на границе раздела газ-жидкость постоянно присутствуют волны. С гребней волн непрерывно отрываются струи и капли жидкой фазы. В зависимости от скорости потока газа, его плотности, крупности капель, срываемых с гребней волн, последние могут пролететь по определенной траектории и снова слиться с потоком жидкости, и могут быть раздроблены на более мелкие капли. Их дробление или выпадение зависит от динамического давления (скоростного напора), действующего на каплю, и ее прочности. Последняя определяется силой поверхностного натяжения и вязкостью жидкости, из которой она образовалась, а также угловой скоростью вращения капли.
В общем случае капля дробится под действием трех сил: инерции, поверхностного натяжения и вязкости.
Для газожидкостных смесей со значительными скоростями движения газа (больших числах Рейнольдса), а также с
68 9/1998
сГк, 10"3м
X 2_
1
-X-' \ К
^ с ____
—*
Рис.2. Схема распределения нормальных давлений на поверхности капли, обтекаемой газовым потоком (а), и последовательность изменения ее формы (б):
«+»,«-» зона соответственно повышенного и пониженного давлений
О 4 8 12 16 20
и"р, м/с
Рис.1. Зависимость между критической скоростью движения потока газа и'' и размером капли dк, при которой начинается ее дробление
и' = V
кр
-о / р'Ч. (2)
Из выражения (2) следует, что и тем больше,
кр
чем меньше капля;
(раздвоение):
1 - р" = 8, 12 кг/м3, о = 26-10-3 Н/м , We = 10; 2 - р" = 13,5 кг/м3; о = 26-10-3Н/м Ше = 10
маловязкои жидкои фазой доминирующими являются силы инерции и поверхностного натяжения.
Эспериментально установлено, что если отношение динамического давления потока газа р''и"2/2 к капиллярному давлению капли 2о/г^ (число Вебера) равно или меньше 10, то возникает деформация с раздвоением, дроблением и распылением капель. Здесь р'' , и' - соответственно плотность и скорость газа; о - поверхностное натяжение; г^ - радиус капли.
Если же радиус капли выразить через ее диаметр то число Вебера
= р''(и'')2 4 /8о. (1)
Из экспериментальных исследований, полученных автором работы [2], следует: при < 10 капля остается целой; при = 10 происходит ее раздвоение; при = 11-12 - распад на несколько крупных (три, четыре, пять ... ) примерно равных частей. Дальше, если число Вебера достигает 14, то наступает режим распыления: капли, возникшие в результате распада, на порядок меньше исходной капли и составляют статистический спектр; при > 14 (закритическая область) капельные осколки измельчаются.
В связи с этим дробление капли жидкости, вовлеченной в газовый поток, происходит при своей критической скорости. С учетом выражения (1) эту скорость можно представить равенством:
и возрастает с
кр
ростом поверхностного натяжения и уменьшением плотности газа. В то же время, если известны или заданы средняя истинная скорость движения потока газа, физические свойства газовой и жидкой фаз по критическому значению критерия Вебера (от 10 и выше), то можно ориентировочно представить размеры капель жидкости.
На рис.1 с использованием равенства (2) в качестве примера для нефтегазовой смеси с О = 26-10-3 Н/м показана зависимость между размером капель и критической скоростью, при которой начинается их раздвоение при различной плотности газа. Кривая 1 получена при р'' = 8,12 кг/м3. Данная плотность соответствует сжатию давлением 0,6 МПа нефтяного газа, плотность которого при стандартных условиях равна 1,16 кг/м3. Кривая 2 получена при р'' = 13,5 кг/м3, которая отвечает сжатию газа давлением 1,1 МПа. Последнее значение соответствует среднему давлению в выкидных линиях: начальное давление - устье скважины (куста) р = 1,5 МПа и конечное давление перед сепарацией на ЦНС, КПС рк = 0,7 МПа.
Из рис.1 следует, что при прочих одинаковых условиях с ростом плотности газовой фазы критическая скорость уменьшается. Так, для капли с = 1-10-3 м при р'' = 8,12 кг/м3 и^'р = 16 м/с, тогда как при р'' = 13,5 кг/м3 и^ составляет 12,2 м/с. Отношение и^/и^ равно 0,76.
В то же время с ростом силы поверхности натяжения на границе раздела жидкость-газ при прочих равных других условиях критическая скорость, при которой наблюдается дробление капель, увеличивается. Так, если бы в рассматриваемом примере вместо нефтегазовой смеси перекачивалась водовоздушная смесь с поверхностным натяжением Ов=72-10-3 Н/м, то изменение отношения и" -,1 и , =у О /о =
кр2' кр1 в' н
= 72-10-3/26-10-3 = 1,66, т.е. для получения однородной структуры с определенным размером капель поверхностное натяжение играет существенную роль и это нужно учитывать. Иногда с целью предотвращения волнообразования, не исключена необходимость подачи в поток реагента, способного снижать межфазное натяжение.
Рассмотрим, в результате чего капля вначале деформируется, а затем разрывается. При этом очень важно знать распределение нормального давления на поверхности капли при обтекании ее газовым потоком. В лобовой части капли по направлению движения газа давление достигает максимума значения. Оно равно динамическому давлению ри2/2. При этом струйка газа в лобовом направлении при встрече с каплей жидкости тормозится, а струйки, приходящиеся на боковые поверхности, ее обтекают.
Схема распределения нормального давления на поверхности капель (капли) при их обтекании газовым потоком приведена на рис.2,а. Из него следует, что лобовые силы сплющивают каплю, другие вытягивают ее с боков и фронтальной части. Вместо хорошо обтекаемого тела получается сначала дискообразное, плоскость которого перпендикулярна потоку газа, а затем оно утоньшается в середине с образованием пленки. Впоследствии пленка
9/1998 69
выдувается (разрывается) и из одной капли образуются две. Последовательность изменения формы капли (вплоть до ее разрушения) приведена на рис. 2,6. Отметим, что описанная деформация и разрушение капли происходят в очень малый промежуток времени.
Приведенные данные касались перехода структурных форм двухфазных газожидкостных потоков в третью область - область движения жидкой фазы в мелкораздробленном состоянии (в виде аэрозолей или тумана) в потоке газа. Она характеризуется относительно однородным гомогенным потоком жидкость в газе. Такое подробное рассмотрение этой области необходимо для того, чтобы глубже обосновать такие потоки и приступить к разработке рекомендаций, относящихся к практическому приложению способа сбора и транспорта, а также технических ср
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.