Как рассчитывается отстойная аппаратура
Расчет отстойной аппаратуры
Технологический расчет отстойной аппаратуры заключается в определении пропускной способности отстойника или его размеров.
Обводненность нефти на выходе из отстойника определяют по содержанию мелких капель воды, время осаждения которых больше времени осевого перемещения разделяемой эмульсии в отстойнике.
Допустим, что распределение капель воды в нефти после заполнения отстойника равномерно. Следовательно, обводненность эмульсии в любом его сечении одинакова и равна исходной обводненности В.
Зависимость суммарного объема воды от относительного размера капель воды в эмульсии хорошо аппроксимируется уравнением:

где VB – объем воды в эмульсии;
dmax— максимальный диаметр капель воды в эмульсии;
VBi – объем воды в каплях, размеры которых меньше или равны di:

По определению обводненность эмульсии есть отношение


Аналогично для обводненности в слое эмульсии:


Подставляя VB и VBi в (1), получим следующее равенство:


Подставляя (7) в выражение (см (4.50) в лекциях):

и преобразовывая, имеем:

Таким образом, по (9), в отличие от (8), определяют относительную скорость осаждения капель воды в слое эмульсии с обводненностью Вi, которая меньше начальной обводненности эмульсии В вследствие опережающего движения капель размером больше di. Следовательно, по (9) можно рассчитать спектр скоростей стесненного осаждения капель воды с учетом изменения обводненности эмульсии по высоте отстойника.
На момент времени t после начала гравитационного расслоения эмульсии нижняя граница слоя эмульсии, содержащей капли размером di и меньше, hi, может быть найдена по формуле:

где wод i – скорость стесненного оседания капель воды диаметром di.
Необходимая длина зоны отстоя эмульсии при непрерывной подаче эмульсии в отстойник определяется:
допустимым остаточным содержанием воды в эмульсии;
горизонтальной составляющей скорости движения эмульсии;
скоростью расслоения эмульсии.
Из-за перехода части воды из эмульсии в водную фазу через поверхность раздела фаз вода-нефть, горизонтальная скорость перемещения эмульсии непрерывно уменьшается, поэтому:

где l – длина зоны отстоя эмульсии, м;
wГ – горизонтальная скорость движения эмульсии на входе в отстойник, м/с;
Время пребывания эмульсии в отстойнике может быть определено как отношение:

где h – высота слоя водонефтяной эмульсии на входе в отстойник;
ti – время оседания частиц диаметром di, т.е. время прохождения их через слой эмульсии высотой h.
Подставляя (12) в (11) с учетом (9), получаем:

где mС – вязкость среды, Па×с;
di – минимальный диаметр капель воды, которые будут осаждаться в отстойнике, м;
rВ, rН – плотности воды и нефти, соответственно, кг/м 3 ;
li – длина зоны отстоя капель воды диаметром di.
Отстойная аппаратура
Проблема создания высокопроизводительной отстойной аппаратуры в последние годы стала одной из наиболее актуальных. Высокие темпы увеличения объемов добычи и подготовки нефти, ее концентрация в огромных количествах на центральных сборных пунктах потребовали создания отстойных аппаратов высокой производительности. Применение отстойной аппаратуры с прежними технологическими характеристиками неизбежно приводит к созданию дорогостоящих и металлоемких промышленных комплексов, отчуждению под технологические площадки больших земельных участков, использованию значительного числа контрольной, регулирующей аппаратуры и запорных устройств, усложнению обслуживания и т.д.
Совершенствование конструкции отстойных аппаратов до недавнего времени развивалось в двух направлениях:
— улучшение гидродинамики потока внутри аппаратов для более полного использования их полезного объема (распределительные устройства, отстойники и т.д.) рис.7.20;
— интенсификация процессов коалесценции глобул пластовой воды и отделения ее от нефти (перегородки, изменяющие направление потока, ввод эмульсии под слой воды, применение электрического поля, вибровоздействия на граничный слой и т.д.) см. рис. 7.20.
Рис. 7.20. Принципиальные схемы отстойных аппаратов различного типа: а – с перфорированной решеткой; б – с нижним распределенным вводом под слой дренажной воды и верхним распределенным отводом нефти; в – с секционным каплеобразователем, нижним распределенным вводом эмульсии и верхним распределенным отводом нефти; г – вертикальный с секционным каплеобразователем и нижним распределенным вводом эмульсии под слой дренажной воды; д – с торцевыми распределительными устройствами для ввода эмульсин и отвода нефти; е – с переливной перегородкой и промывкой нефти в слое дренажной воды

При h = 0 формула принимает вид:

Из формулы (7.18) видно, что производительность отстойника зависит от размеров глобул пластовой воды во второй степени. Так увеличение размеров капель только в 3,3 раза приведет к повышению производительности отстойников в 10 раз. Другие же параметры влияют на производительность отстойников линейно. Отсюда следует, что для увеличения производительности отстойных аппаратов последние должны быть снабжены устройствами, способными укрупнять капли еще до того как эмульсия попадает в зону отстоя. Этому должно предшествовать завершение массообменных процессов по доведению реагента до каждой глобулы пластовой воды и разрушению на них бронирующих оболочек. При увеличении размеров капель до 0,1 мм и более скорость осаждения возрастает, режим осаждения становится турбулентным и производительность отстойника определяется формулой (7.19)

Анализ формул (7.18) и (7.19), а также их сопоставление показывает, что Qт на два порядка больше Qл. Следовательно, теоретически производительность отстойных аппаратов при условии предварительного укрупнения капель может быть повышена в 100 раз. Если учесть ряд факторов, ограничивающих возможность увеличения производительности отстойных аппаратов до этого уровня в практических условиях, то возможная загрузка аппаратов оказывается в 10 раз выше достигнутой. Для этого необходимо:
— осуществлять предварительное укрупнение капель эмульсии до их введения в зону отстоя или расслоение эмульсии;
— обеспечивать верхний торцевой ввод жидкости по сечению аппарата, а также равномерный отбор жидкости;
— поддерживать низкий уровень водяной подушки или практически исключать ее;
— исключать из отстойной зоны аппарата операцию «промывки» эмульсии через слой дренажной воды.
Устройствами, которые позволяют увеличить размер капель перед поступлением эмульсии на отстой, могут быть трубчатые и объемные каплеобразователи гидродинамического типа. Трубчатые каплеобразователи уже получили широкое распространение на месторождениях, объемные находятся на стадии разработки. Их применение позволило в отдельных случаях повысить производительность отстойных аппаратов объемом 200 м 3 до 4,05 млн.т/год (Бирючевская ТХУ объединения Татнефть).
При сохранении производительности без изменения использование каплеобразователей позволяет улучшить качество нефти в 5-10 раз.
Применявшаяся ранее промывка эмульсии через водный слой при обработке неразрушенной эмульсии, безусловно, играла положительную роль, так как способствовала снижению прочности бронирующих оболочек на каплях пластовой воды и переходу значительного их числа в объем дренажных вод. При осуществлении процесса разрушения эмульсии и коалесценции капель в каплеобразователях необходимость в промывке отпадает, а ее исключение позволяет повысить производительность отстойников, так как при этом становится невозможным вынос части капель восходящим потоком нефти.
Производительность отстойников прямоугольного сечения при условии движения жидкости перпендикулярно направлению силы тяжести (торцевой ввод) определяется равенством:

Максимальная производительность отстойника с нижним вводом определяется равенством скоростей восходящего потока и осаждения капель в зоне границы раздела фаз нефть-вода, размер которых учитывается при расчете
Однако 


Соотношение Q’/Q» дает выражение

откуда следует, что производительность отстойников с торцевым распределенным в плане вводом в реальных условиях может быть в два раза выше производительности отстойника с нижним распределенным вводом, работающего с водяной подушкой, поскольку 
Выбор объемных отстойных аппаратов
Производительность отстойной аппаратуры промысловых и заводских установок подготовки нефти определяется степенью дисперсности капель воды, вязкостью нефти и другими параметрами, влияющими на скорость расслоения водонефтяных эмульсий. Решающее влияние на увеличение производительности отстойных аппаратов при прочих равных условиях оказывают технологические приемы, направленные на степень укрупнения капель пластовой воды перед отстоем эмульсии. При осаждении большого числа капель скорость стесненного падения w определяется не только параметрами, входящими в выражение закона Стокса, но и соотношением объемов фаз эмульсии. На основе экспериментальных исследований стесненного осаждения предложена учитывающая этот фактор эмпирическая зависимость, которая после некоторых преобразований может быть представлена следующим образом:

Порядок расчета числа аппаратов для ступени обезвоживания по номограмме рис. 7.22, задаваясь размером капель на выходе из каплеобразователя и вязкостью нефти, определяют точку пересечения перпендикуляра, восстановленного от значения mн с кривой для заданного диаметра капель (точка I). Проводя от полученной точки вправо горизонталь до кривой, соответствующей выбранному объему отстойного аппарата, получаем точку II. Перпендикуляр из этой точки на ось Q дает величину производительности отстойника выбранного объема Qпр.
Поправка на стесненные условия осаждения Кст, учитывающая обводненность поступающего в отстойники сырья, берется на вспомогательном графике Г номограммы рис. 7.22. Окончательно производительность определяется как

Необходимый тип отстойника выбирают, исходя из производительности аппаратов, размеров площади для их установки и других факторов. Число отстойников определяют по формуле

Порядок расчета отстойных аппаратов для ступени обессоливания такой же, как и для ступени обезвоживания. При этом учитываются размеры капель, которые могут существовать в потоке на выходе из секции ступени обессоливания. Для обеих ступеней предполагается использование одного резервного отстойника, обвязка которого позволяет подключить его при необходимости как к ступени обезвоживания, так и к ступени обессоливания.

При 


Длина отстойного аппарата, на которой может быть завершен процесс расслоения эмульсии при ламинарном режиме движения, определяется выражением

Для осаждения капель на дно трубчатого отстойника из потока, движущегося в турбулентном режиме, необходимая длина аппарата определяется выражением
На рис. 7.24. представлена зависимость длины аппаратов различного диаметра от размера капель воды, необходимой для расслоения турбулентного потока эмульсии, характеризуемого числом Рейнольдса 10000 при вязкости нефти 0,044 П.
Расчеты показали, что блочный трубчатый комплекс, включающий двухсекционный каплеобразователь и отстойник с расширителем производительностью 1 млн.т/год весит 25 т. Серийные отстойные аппараты, работающие в аналогичных условиях с такой же суммарной производительностью, весят 144 т, т.е. в 5 раз больше. Экономия внедрения одного трубчатого отстойника с каплеобразователем (при производительности 1 млн.т/год) очень велика.
Увеличение производительности существующей отстойной аппаратуры может быть достигнуто также путем использования преимуществ, присущих как объемным, так и трубчатым отстойником (рис.7.25.). К преимуществам объемных аппаратов следует отнести возможность их использования одновременно в качестве распределительного устройства и каплеобразователя, а также расслаивающей емкости, пригодной для отбора нефти и воды в больших количествах. Качество воды в этом случае таково, что нередко ее можно закачивать в пласт без дополнительной очистки. Преимущества трубчатых аппаратов обусловлены их низкой металлоемкостью, простотой монтажа, удобством обслуживания. Создание комбинированных аппаратов предусматривает совместный монтаж трубчатых и объемных элементов в такой комбинации, которая отвечает поставленным технологическим задачам. Например, несколько трубчатых отстойников с каплеобразователями могут быть сблокированы с одним отстойником большого объема и включены в него как в разделительную емкость.
Для решения этой проблемы целесообразно использовать в качестве аппаратов предварительного сброса воды часть или всю отстойную аппаратуру первой ступени обессоливающих установок, снабженную каплеобразователями.
В последнем случае должно быть достигнуто достаточно глубокое обезвоживание нефти, позволяющее осуществить ее обессоливание на последующих ступенях. При этом транспортирование эмульсии с промысла осуществляется по схеме, предусматривающей ее перекачку непосредственно на установку, минуя резервуары предварительного сброса. Имеющаяся отстойная аппаратура и дренажная система установок в этом случае должны быть пригодны для сброса всего объема воды, поступающей на узел с нефтью. Узел предварительного сброса воды в этом случае из набора промыслового оборудования исключается.
В целом перспективы увеличения производительности отстойных аппаратов, создания на этой основе блочного малогабаритного оборудования для подготовки нефти и воды высокой производительности и низкой металлоемкости, а также получение чистых дренажных вод непосредственно из технологических аппаратов подготовки нефти связаны с соблюдением следующих технологических принципов:
— укрупнение капель пластовой воды, вплоть до расслоения потока на нефть и воду в процессе продвижения эмульсии от скважин до отстойной аппаратуры и использование для этих целей промысловых систем сбора и встроенных каплеобразователей;
— снижение турбулентности потока по направлению движения эмульсии к отстойной аппаратуре;
— осуществление торцевого распределенного в плане ввода и отбора нефти в отстойных аппаратах;
— обвязка отстойной аппаратуры по схеме возврата дренажных вод в головную часть процесса для первичной очистки и деэмульсации нефти и ее эксплуатация в режиме оптимального контроля.
Отстойная аппаратура
Проблема создания высокопроизводительной отстойной аппаратуры в последние годы стала одной из наиболее актуальных. Высокие темпы увеличения объемов добычи и подготовки нефти, ее концентрация в огромных количествах на центральных сборных пунктах потребовали создания отстойных аппаратов высокой производительности. Применение отстойной аппаратуры с прежними технологическими характеристиками неизбежно приводит к созданию дорогостоящих и металлоемких промышленных комплексов, отчуждению под технологические площадки больших земельных участков, использованию значительного числа контрольной, регулирующей аппаратуры и запорных устройств, усложнению обслуживания и т.д.
Совершенствование конструкции отстойных аппаратов до недавнего времени развивалось в двух направлениях:
— улучшение гидродинамики потока внутри аппаратов для более полного использования их полезного объема (распределительные устройства, отстойники и т.д.) рис.7.20;
— интенсификация процессов коалесценции глобул пластовой воды и отделения ее от нефти (перегородки, изменяющие направление потока, ввод эмульсии под слой воды, применение электрического поля, вибровоздействия на граничный слой и т.д.) см. рис. 7.20.
Рис. 7.20. Принципиальные схемы отстойных аппаратов различного типа: а – с перфорированной решеткой; б – с нижним распределенным вводом под слой дренажной воды и верхним распределенным отводом нефти; в – с секционным каплеобразователем, нижним распределенным вводом эмульсии и верхним распределенным отводом нефти; г – вертикальный с секционным каплеобразователем и нижним распределенным вводом эмульсии под слой дренажной воды; д – с торцевыми распределительными устройствами для ввода эмульсин и отвода нефти; е – с переливной перегородкой и промывкой нефти в слое дренажной воды

При h = 0 формула принимает вид:

Из формулы (7.18) видно, что производительность отстойника зависит от размеров глобул пластовой воды во второй степени. Так увеличение размеров капель только в 3,3 раза приведет к повышению производительности отстойников в 10 раз. Другие же параметры влияют на производительность отстойников линейно. Отсюда следует, что для увеличения производительности отстойных аппаратов последние должны быть снабжены устройствами, способными укрупнять капли еще до того как эмульсия попадает в зону отстоя. Этому должно предшествовать завершение массообменных процессов по доведению реагента до каждой глобулы пластовой воды и разрушению на них бронирующих оболочек. При увеличении размеров капель до 0,1 мм и более скорость осаждения возрастает, режим осаждения становится турбулентным и производительность отстойника определяется формулой (7.19)

Анализ формул (7.18) и (7.19), а также их сопоставление показывает, что Qт на два порядка больше Qл. Следовательно, теоретически производительность отстойных аппаратов при условии предварительного укрупнения капель может быть повышена в 100 раз. Если учесть ряд факторов, ограничивающих возможность увеличения производительности отстойных аппаратов до этого уровня в практических условиях, то возможная загрузка аппаратов оказывается в 10 раз выше достигнутой. Для этого необходимо:
— осуществлять предварительное укрупнение капель эмульсии до их введения в зону отстоя или расслоение эмульсии;
— обеспечивать верхний торцевой ввод жидкости по сечению аппарата, а также равномерный отбор жидкости;
— поддерживать низкий уровень водяной подушки или практически исключать ее;
— исключать из отстойной зоны аппарата операцию «промывки» эмульсии через слой дренажной воды.
Устройствами, которые позволяют увеличить размер капель перед поступлением эмульсии на отстой, могут быть трубчатые и объемные каплеобразователи гидродинамического типа. Трубчатые каплеобразователи уже получили широкое распространение на месторождениях, объемные находятся на стадии разработки. Их применение позволило в отдельных случаях повысить производительность отстойных аппаратов объемом 200 м 3 до 4,05 млн.т/год (Бирючевская ТХУ объединения Татнефть).
При сохранении производительности без изменения использование каплеобразователей позволяет улучшить качество нефти в 5-10 раз.
Применявшаяся ранее промывка эмульсии через водный слой при обработке неразрушенной эмульсии, безусловно, играла положительную роль, так как способствовала снижению прочности бронирующих оболочек на каплях пластовой воды и переходу значительного их числа в объем дренажных вод. При осуществлении процесса разрушения эмульсии и коалесценции капель в каплеобразователях необходимость в промывке отпадает, а ее исключение позволяет повысить производительность отстойников, так как при этом становится невозможным вынос части капель восходящим потоком нефти.
Производительность отстойников прямоугольного сечения при условии движения жидкости перпендикулярно направлению силы тяжести (торцевой ввод) определяется равенством:

Максимальная производительность отстойника с нижним вводом определяется равенством скоростей восходящего потока и осаждения капель в зоне границы раздела фаз нефть-вода, размер которых учитывается при расчете
Однако 


Соотношение Q’/Q» дает выражение

откуда следует, что производительность отстойников с торцевым распределенным в плане вводом в реальных условиях может быть в два раза выше производительности отстойника с нижним распределенным вводом, работающего с водяной подушкой, поскольку 
Выбор объемных отстойных аппаратов
Производительность отстойной аппаратуры промысловых и заводских установок подготовки нефти определяется степенью дисперсности капель воды, вязкостью нефти и другими параметрами, влияющими на скорость расслоения водонефтяных эмульсий. Решающее влияние на увеличение производительности отстойных аппаратов при прочих равных условиях оказывают технологические приемы, направленные на степень укрупнения капель пластовой воды перед отстоем эмульсии. При осаждении большого числа капель скорость стесненного падения w определяется не только параметрами, входящими в выражение закона Стокса, но и соотношением объемов фаз эмульсии. На основе экспериментальных исследований стесненного осаждения предложена учитывающая этот фактор эмпирическая зависимость, которая после некоторых преобразований может быть представлена следующим образом:

Порядок расчета числа аппаратов для ступени обезвоживания по номограмме рис. 7.22, задаваясь размером капель на выходе из каплеобразователя и вязкостью нефти, определяют точку пересечения перпендикуляра, восстановленного от значения mн с кривой для заданного диаметра капель (точка I). Проводя от полученной точки вправо горизонталь до кривой, соответствующей выбранному объему отстойного аппарата, получаем точку II. Перпендикуляр из этой точки на ось Q дает величину производительности отстойника выбранного объема Qпр.
Поправка на стесненные условия осаждения Кст, учитывающая обводненность поступающего в отстойники сырья, берется на вспомогательном графике Г номограммы рис. 7.22. Окончательно производительность определяется как

Необходимый тип отстойника выбирают, исходя из производительности аппаратов, размеров площади для их установки и других факторов. Число отстойников определяют по формуле

Порядок расчета отстойных аппаратов для ступени обессоливания такой же, как и для ступени обезвоживания. При этом учитываются размеры капель, которые могут существовать в потоке на выходе из секции ступени обессоливания. Для обеих ступеней предполагается использование одного резервного отстойника, обвязка которого позволяет подключить его при необходимости как к ступени обезвоживания, так и к ступени обессоливания.

При 


Длина отстойного аппарата, на которой может быть завершен процесс расслоения эмульсии при ламинарном режиме движения, определяется выражением

Для осаждения капель на дно трубчатого отстойника из потока, движущегося в турбулентном режиме, необходимая длина аппарата определяется выражением
На рис. 7.24. представлена зависимость длины аппаратов различного диаметра от размера капель воды, необходимой для расслоения турбулентного потока эмульсии, характеризуемого числом Рейнольдса 10000 при вязкости нефти 0,044 П.
Расчеты показали, что блочный трубчатый комплекс, включающий двухсекционный каплеобразователь и отстойник с расширителем производительностью 1 млн.т/год весит 25 т. Серийные отстойные аппараты, работающие в аналогичных условиях с такой же суммарной производительностью, весят 144 т, т.е. в 5 раз больше. Экономия внедрения одного трубчатого отстойника с каплеобразователем (при производительности 1 млн.т/год) очень велика.
Увеличение производительности существующей отстойной аппаратуры может быть достигнуто также путем использования преимуществ, присущих как объемным, так и трубчатым отстойником (рис.7.25.). К преимуществам объемных аппаратов следует отнести возможность их использования одновременно в качестве распределительного устройства и каплеобразователя, а также расслаивающей емкости, пригодной для отбора нефти и воды в больших количествах. Качество воды в этом случае таково, что нередко ее можно закачивать в пласт без дополнительной очистки. Преимущества трубчатых аппаратов обусловлены их низкой металлоемкостью, простотой монтажа, удобством обслуживания. Создание комбинированных аппаратов предусматривает совместный монтаж трубчатых и объемных элементов в такой комбинации, которая отвечает поставленным технологическим задачам. Например, несколько трубчатых отстойников с каплеобразователями могут быть сблокированы с одним отстойником большого объема и включены в него как в разделительную емкость.
Для решения этой проблемы целесообразно использовать в качестве аппаратов предварительного сброса воды часть или всю отстойную аппаратуру первой ступени обессоливающих установок, снабженную каплеобразователями.
В последнем случае должно быть достигнуто достаточно глубокое обезвоживание нефти, позволяющее осуществить ее обессоливание на последующих ступенях. При этом транспортирование эмульсии с промысла осуществляется по схеме, предусматривающей ее перекачку непосредственно на установку, минуя резервуары предварительного сброса. Имеющаяся отстойная аппаратура и дренажная система установок в этом случае должны быть пригодны для сброса всего объема воды, поступающей на узел с нефтью. Узел предварительного сброса воды в этом случае из набора промыслового оборудования исключается.
В целом перспективы увеличения производительности отстойных аппаратов, создания на этой основе блочного малогабаритного оборудования для подготовки нефти и воды высокой производительности и низкой металлоемкости, а также получение чистых дренажных вод непосредственно из технологических аппаратов подготовки нефти связаны с соблюдением следующих технологических принципов:
— укрупнение капель пластовой воды, вплоть до расслоения потока на нефть и воду в процессе продвижения эмульсии от скважин до отстойной аппаратуры и использование для этих целей промысловых систем сбора и встроенных каплеобразователей;
— снижение турбулентности потока по направлению движения эмульсии к отстойной аппаратуре;
— осуществление торцевого распределенного в плане ввода и отбора нефти в отстойных аппаратах;
— обвязка отстойной аппаратуры по схеме возврата дренажных вод в головную часть процесса для первичной очистки и деэмульсации нефти и ее эксплуатация в режиме оптимального контроля.













