ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 5, с. 588-600
УДК 66.066.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬГИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ ИЗ ВОДЫ В АППАРАТЕ С ОЛЕОФИЛЬНЫМИ ПЛАСТИНАМИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ © 2010 г. А. Ю. Иваненко, М. А. Яблокова, С. И. Петров
Санкт-Петербургский государственный технологический институт yablokova_m@mail.ru Поступила в редакцию 2.07.2009 г.
Предложен алгоритм стохастического моделирования процесса выделения эмульгированной нефти из воды в аппаратах-коалесценторах с олеофильными гофрированными пластинами, позволяющий учесть практически все факторы, влияющие на процесс разделения полидисперсных эмульсий. Алгоритм и разработанная на его основе программа могут использоваться для расчета и проектирования промышленных тонкослойных коалесценторов различной конфигурации. Импорт геометрических моделей из трехмерного редактора Компас-3Б позволяет задать любую геометрию аппарата, а использование программного комплекса для решения трехмерных уравнений динамики жидкости и газа типа Р1о—У18Юп позволяет получить реальную картину течения эмульсии в каналах между пластинами. Проведенные лабораторные и опытно-промышленные испытания коалесцентора показали хорошее соответствие предложенной математической модели результатам экспериментов.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в научно-технической и патентной литературе появились сведения [1—7] о новых эффективных аппаратах для отделения капель эмульгированных нефтепродуктов от воды — сепа-раторах-коалесценторах с олеофильными полимерными пластинами синусоидального профиля. В таких аппаратах используются компактные модульные пакеты (рис. 1) гофрированных пластин из полипропилена. Расстояние между пластинами обычно составляет от 6 до 20 мм. Входящие в их конструкцию приливы служат опорой пластин и гарантируют точный шаг их размещения.
Вода, содержащая нефтепродукты, протекает по каналу между пластинами по синусоидальной траектории, следуя форме зазора и поворачивая попеременно то вниз, то вверх. Капли нефти, имеющие меньшую плотность, чем вода, всплывают, касаются нижней поверхности пластин и удерживаются ими за счет действия сил адгезии. По мере того, как захватывается все большее и большее количество капелек нефти, они коалесцируют в крупные капли и, наконец, образуют пленку. Под действием скоростного напора потока жидкости пленка мигрирует по поверхности пластин до отверстий для выхода нефти, проходит в вышележащий канал и впослед-
Рис. 1. Модульный пакет полимерных гофрированных пластин синусоидального профиля.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ нна;
нефтепродуктами
^ Вода, загрязненная
Отсос уловленных на предварительной стадии нефтепродуктов
Отсос уловленных нефтепродуктов
Рис. 2. Аппарат для выделения нефтепродуктов из воды: 1 — камера предварительного разделения фаз; 2 — распределительная камера; 3 — секция пластин-коалесценторов; 4 — выходная камера с лабиринтом.
4
2
1
ствии собирается на поверхности воды. Отверстия для нефти располагаются равномерно по ширине и длине пластин вертикальными рядами, что обеспечивает скоалесцировавшим каплям доступ к поверхности жидкости в сепараторе. Такая конструкция создает условия для эффективного захвата нефти и быстрой ее транспортировки к поверхности.
Верхняя сторона пластин предназначена для удаления твердых частиц. Кроме отверстий для прохода нефти, размещенных в верхних точках пластин, в углублениях пластин имеются отверстия для удаления твердых взвесей. Частицы, которые попадают в пакет вместе со сточной водой, осаждаются на верхних сторонах пластин, смещаются к отверстиям для удаления твердых взвесей и уходят в донную часть аппарата.
Аппарат для выделения нефтепродуктов (рис. 2) обычно содержит камеру 1 предварительного разделения фаз с перегородкой, распределительную камеру 2, расположенную непосредственно перед входом на пластины сепаратора, секции 3 пластин-коалесценторов и выходную камеру 4 с лабиринтом перед выпускным отверстием.
Чем меньше исходная концентрация нефтепродуктов в воде и чем выше требуемая степень разделения, тем больше должна быть суммарная длина пластин и, соответственно, количество последовательно установленных блоков в аппарате.
По данным рекламных проспектов американской компании Facet International [2, 3], сепараторы с коалесцирующими пластинами улавливают все капли нефтепродуктов крупнее 20 мкм, а частично и капли меньших размеров.
В последние годы аппараты для отделения нефтепродуктов от воды с использованием коалесцен-ции капелек нефти на пластинах и других элементах из олеофильных материалов начали разрабатывать и российские исследователи.
Бурловым В.В., Седовым В.М., Беднягиным Г.В. и Гагеном А.С. запатентованы установка для де-эмульгирования нефти и устройство для ее первичной обработки [4, 5], в которых для отделения воды от нефти использован принцип коалесценции нефти на гофрированных пластинах из полипропилена. В аппарате использованы пластины синусоидального профиля, изготавливаемые по технологии, разработанной под руководством В.В. Крыжанов-ского на кафедре пластических масс Санкт-Петербургского технологического института. Пластины скомпонованы в блоки-модули и установлены в аппарате вертикально, поток разделяемой эмульсии нефть—вода движется вдоль пластин вертикально вверх. Поскольку назначением таких аппаратов является не очистка воды от нефти, а обезвоживание нефти, то отведение больших объемов нефти через отверстия в гребнях пластин является нерациональным, и вертикальное расположение пластин-коалесценторов представляется вполне оправданным.
Рис. 3. Канал переменного сечения между гофрированными пластинами.
Аппараты по патентам [4, 5] введены в промышленную эксплуатацию и дают высокий эффект разделения нефти и воды.
Аппараты практически аналогичной конструкции, но предназначенные для очистки нефтесодер-жащих сточных вод, разработаны Уфимской компанией ООО "Технотекс" (http://www.technotecs.ru). Отличие от аппаратов для обезвоживания нефти [4, 5] заключается в отсутствии нагрева и горизонтальном или наклонном расположении пластин. Сообщается, что коалесцентор-деэмульгатор выполнен из полимерных материалов и металлического каркаса. Величина капель эмульсии после коалесцен-ции — не менее 120 мкм. Фирма "Технотекс" предлагает коалесцирующие устройства для очистки нефтесодержащих сточных вод производительностью от 100 до 25000 м3/сут.
Широкое внедрение сепараторов нефти с ко-алесцирующими полимерными пластинами в промышленную практику сдерживается отсутствием методик их расчета.
Целью данной работы являлось создание научно обоснованной методики расчета аппаратов-коалес-центоров с олеофильными пластинами синусоидального профиля.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Ранее [6, 7] на кафедре оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры Санкт-Петербургского государственного технологического института были разработаны научно обоснованные методики расчета тонкослойных отстойников для очистки сточных вод от нефтепродуктов, учитывающие дисперсный состав капельных взвесей и поле скоростей в каналах между пластинами. Эти методики предполагают параболический профиль скорости при ламинарном движении жидкости в каналах между плоскими параллельными пластинами и с успехом применялись для расчетов тонкослойных ламельных отстойников и нефтеловушек.
Однако в случае применения в аппарате гофрированных (синусоидальных) пластин картина движения жидкости в каналах существенно усложняется. Вследствие особенностей сборки пакета пластин
(пакеты собираются из одинаковых пластин, раздвинутых друг относительно друга дистанционными вставками) каналы между пластинами получаются не только извилистыми, но еще и с переменным сечением. Например, в случае применения пластин с шагом 70 мм и высотой 20 мм при расстоянии между ними 6 мм канал меняет свое сечение от 6 до 4.6 мм (см. рис. 3). В этом случае даже при соблюдении условий ламинарного движения возможно образование вихревых течений в зазоре, существенно влияющих на движение мелкодисперсных капель нефтепродуктов.
Для анализа движения сплошной среды (водной фазы) в зазорах сепаратора-коалесцентора с гофрированными пластинами был использован программный комплекс Р1о—У18юп V 2.3, предназначенный для решения трехмерных уравнений динамики жидкости и газа. Программный комплекс Р1о—У18юп V 2.3 способен производить расчет сложных движений газа и жидкости, сопровождаемых дополнительными физическими явлениями, такими как турбулентность, горение, теплоперенос и т.п. В систему Р1о—У18юп можно импортировать геометрическую модель из любой компьютерной системы трехмерного моделирования.
В рамках поставленной задачи использовалась модель несжимаемой гомогенной жидкости (влиянием дисперсной фазы на гидродинамику потока в зазорах пренебрегали в силу крайней малости концентрации капель нефти в воде).
В модели несжимаемой жидкости решались уравнения Навье—Стокса и неразрывности. Для переходных областей течения также учитывались уравнения для турбулентной энергии и уравнения для скорости диссипации турбулентной энергии.
Геометрическая модель зазора гофрированных пластин предварительно была построена с помощью системы "Компас-3В" и затем импортирована во Р1о—У18юп (см. рис. 4).
Для замыкания системы используемых в модели уравнений были определены следующие граничные условия.
1. Стенки пластин — шероховатые, профиль скорости в пограничном слое — логарифмический. Шероховатость стенок — 0.05 мм.
2. На входе задается нормальная (т.е. по нормали к поверхности входного сечения) скорость эмульсии.
3. На выходе жидкости используется модель свободного выхода с нулевым избыточным давлением.
Были построены три варианта геометрических моделей коалесценторов: с расстоянием между пластинами 6, 12 и 18 мм; для каждого варианта рассчитаны поля давлений и скоростей при средних скоростях на входе жидкости 0.006, 0.012 и 0.030 м/с.
На рис. 5—9 показаны линии тока для различных режимов течения.
Рис. 4. Рабочее окно программы FlowVision. Геометрическая модель зазора между пластинами (внутренняя полость).
НсгагУшоп [ Во л наб широкая. Р VI]
* Файл
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.