Повышение эффективности устройств СВЧ нагрева промысловых комплексов сепарации водонефтяных эмульсий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Шакиров, Альберт Султанович

• Шакиров, Альберт Султанович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шакиров, Альберт Султанович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОДГОТОВКА НЕФТИ

1.1 .Нефтяные эмульсии

1.2. Причины возникновения эмульсий

1.3. Обзор методов обезвоживания

1.3.1. Гравитационное холодное отстаивание.

1.3.2. Термические методы

1.3.3. Электрокоагуляционные методы

1.3.4. Обезвоживание с использованием деэмульгаторов

1.3.5. Обезвоживание в поле центробежных сил

1.4. Технологические схемы подготовки нефти

1.5. Микроволновое обезвоживание

1.5.1. Микроволновое обезвоживание Краткий исторический обзор

1.5.2. Требования, предъявляемые к микроволновым технологическим установкам.

1.5.3. Вероятностный критерий 23 Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

НА РАССЛОЕНИЕ ВНЭ

2.1. Расслаивающие силы

2.1.1. Капли произвольной формы

2.1.2. Случай сферических капель

2.2. Скорость осаждения

2.3. Оценка времени расслоения

2.4. Допустимая неравномерность температурного поля

2.5. Обеспечение равномерности формируемого температурного поля

2.6. Одномерные задачи нагрева жидких продуктов

2.7. СВЧ нагрев, осуществляемый в потоке 48 2.7.1. Распределение эекторомагнитных полей по объему рабочей камеры 52 2.7.1. Профиль потока течения по объему рабочей камеры

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБУЕМОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМП

3.1. Варианты устройств ввода СВЧ энергии

3.2. Многоэлементное возбуждение

3.2.1. Метод учета взаимной связи излучателей

3.2.2. Анализ полученных результатов

3.3. Согласование нагрузок с переменным импедансом

3.4. Численное моделирование 80 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВЧ

ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАЗРУШЕНИЕ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

4.1. Лабораторные исследования влияния

4.2. Промысловый микроволновый комплекс обезвоживания нефти

4.3. Испытания промыслового микроволнового комплекса микроволновой обработки

4.4. Результаты испытаний 103 4.4.1. Таблицы результатов испытаний

Выводы по главе

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

6. Литература. 120 Приложение 1. Варианты устройства ввода СВЧ энергии. 129 Приложение 2. Использование пассивных излучателей. 136 Приложение 3. Акты внедрения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности устройств СВЧ нагрева промысловых комплексов сепарации водонефтяных эмульсий»

Актуальность. Нефть со скважин всегда добывается в виде, непригодном для прямой переработки. В продукции скважин, помимо нефти также присутствуют вода, растворенный газ, минеральные соли, механические примеси. При этом, нефть является основным сырьем для производства жидких энергоносителей, смазочных масел, битумов и кокса. Наличие влаги, даже в малых количествах, приводит к снижению качества, как самой нефти, так и продуктов ее переработки. Поэтому разрушение водонефтяной эмульсии (ВНЭ) и удаление воды является основным процессом подготовки нефти.

При добыче нефти, как правило, образуются ВНЭ, которые представляют собой дисперсные системы с большой удельной межфазной поверхностью. Эмульсии образуются при добыче, транспортировании и переработке нефти. Некоторые из эмульсий являются неустойчивыми и самопроизвольно расслаиваются. Другие эмульсии являются довольно устойчивыми. Одной из главных причин устойчивости нефтяных эмульсий является образование на поверхности капель защитных слоев из природных стабилизаторов, содержащихся в нефти. Эти слои обладают повышенной вязкостью и прочностью, препятствуют слиянию соприкасающихся капель эмульгированой воды.

Если нестойкие эмульсии расслаиваются довольно быстро, притом, без значительных энергозатрат, то стойкие эмульсии расслаиваются долго, требуют существенных капиталовложений в различное промысловое оборудование, предназначенное для обезвоживания. В ряде случаев, это оборудование является чрезвычайно громоздким и энергоемким. Кроме того, существующее промысловое оборудование не всегда способно разрушить эмульсии. Известны эмульсии, не расслаивающиеся на составляющие в течение года и больше.

Одним из возможных способов ускорения расслоения эмульсий, для последующей сепарации, является сверхвысокочастотная (СВЧ) обработка. В последнее время, в России и в мире, были осуществлены серии лабораторных исследований влияния СВЧ излучения на расслоение водонефтяных эмульсий. Из этих экспериментов следует, что эффект воздействия СВЧ энергии в присутствии деэмульгатора или в его отсутствие существует, и является нетепловым, хотя начальная температура смеси заметно влияет на скорость расслоения эмульсии.

Тот факт, что СВЧ излучение существенно позволяет ускорить разрушение эмульсий, даже в отсутствие химических реагентов, позволил создать микроволновые датчики обводненности сырой нефти. Однако, промышленное использование микроволнового воздействия на ВНЭ для ускорения и более глубокого разрушения эмульсий, в промышленных масштабах, пока не нашло применения. Одной из причин подобной ситуации является полное отсутствие данных о влиянии СВЧ излучения на эмульсии в условиях промысловой эксплуатации подобных установок, отсутствием опыта создания и эксплуатации промысловых микроволновых комплексов, отсутствием сведений об энергетических затратах, способах их снижения в условиях случайного разброса параметров ВНЭ.

Цель работы состоит в сокращении времени обработки и снижении энергозатрат промысловых микроволновых комплексов, осуществляющих разрушение водонефтяных эмульсий с последующей сепарацией.

Основная задача научных исследований состоит в разработке методов построения СВЧ устройств являющихся составной частью промысловых микроволновых установок обезвоживания нефти.

Указанная задача включает в себя ряд более частных:

1. Определение факторов, влияющих на процесс разрушения с последующей сепарацией, определение параметров СВЧ воздействий позволяющих осуществить сепарацию с наименьшими энергозатратами;

2. Разработка путей создания и методов построения рабочих камер СВЧ нагрева ВНЭ, которые позволяют осуществить формирование температурных полей с требуемой степенью равномерности;

3. Разработка методов снижения потерь на отражение, обусловленных разбросом электрофизических параметров ВНЭ, характерных для промысловых условий;

4. Выработка технических предложений и рекомендаций по построению СВЧ-устройств функционирующих в составе промысловых комплексов сепарации водонефтяной эмульсий

Основные положения, выносимые на защиту:

• Характеристики режима СВЧ-обработки, осуществляемой с целью расслоения ВНЭ, сформулированные в категориях неоднородного СВЧ-нагрева, определенные на основе теоретических исследований и результатов натурных экспериментов.

• Методика анализа параметров рабочих камер СВЧ устройств, функционирующих в составе промысловых комплексов расслоения ВНЭ, основанная на моделировании СВЧ-нагрева, включая выработку количественных критериев оптимальности в условиях случайного изменения свойств ВНЭ.

• Результаты моделирования процессов СВЧ-нагрева ВНЭ, позволившие выработать рекомендации по выбору размеров рабочих камер, исходя из критерия допустимой неравномерности температурного поля.

• Методика согласования устройств возбуждения ЭМП в рабочих камерах промысловых комплексов расслоения ВНЭ в условиях наличия значительного разброса электрофизических параметров ВНЭ.

• Рекомендации по построению элементов и узлов СВЧ-устройств функционирующих в составе промысловых комплексов расслоения ВНЭ

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Шакиров, Альберт Султанович

Основные выводы по работе:

1. Для определения рациональных режимов обработки в условиях промысловых комплексов предложено использовать количественные зависимости качества сепарации от температуры ВНЭ, соответствующей СВЧ-нагреву. Экспериментальными данными установлено, что при СВЧ-нагреве, значение температуры ВНЭ должно находиться в пределах =(26-42) °С. Допустимое отклонение температуры нагрева от средней температуры равно ±3 °С. Осуществление СВЧ нагрева с соблюдением этих границ позволяет осуществить обработку с приемлемым качеством при минимальных энергетических затратах.

2. Установлено, что при реализации СВЧ обработки ВНЭ в движущемся потоке, температура нагрева, в материале, достигает максимального значения на расстоянии, равном глубине проникновения электромагнитного поля в диэлектрик. Это обстоятельство определяет целесообразность использования для СВЧ нагрева ВНЭ рабочих камер небольшой длины.

3. Показано, что в ситуациях, когда формирование требуемого распределения ЭМП играет решающую роль и в этих целях используется принцип многоэлементного возбуждения, при его осуществлении необходим учет взаимной связи излучателей. Предложен практический способ его осуществления, пригодный для СВЧ-камер произвольной конфигурации.

4. В условиях наличия значительных разбросов электрофизических параметров ВНЭ, неконтролируемых в условиях промысловых комплексов, предложен способ согласования генератора с нагрузкой, малочувствительный к указанный разбросам. Также предложен вероятностный критерий, позволяющий характеризовать степень рассогласования адекватно с точки зрения снижения энергозатрат. Разработана методика расчета согласующих устройств, согласно предложенному способу и критерию эффективности осуществления согласования.

5. Предложенные меры использованы при доработке и испытаниях опытного промыслового комплекса сепарации ВНЭ ПМК-400. В результате испытаний установлено, что СВЧ нагрев оказывается выгоднее нагрева паром, производимого при использовании типовых для нефтяной отрасли парогенераторов и теплообменников, в 6,6 раза. Использование СВЧ нагрева в производственном цикле сепарации ВНЭ позволяет также снизить массовую долю воды до допустимых значений за время более чем в 3 раза меньшее по сравнению с мини КДФ без дополнительной температурной обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шакиров, Альберт Султанович, 2007 год

1. Эрих В.Н., Расина М.Г., Рудин М.Г. "Химия и технология нефти и газа". Ленинград, "Химия", 1972.

2. Скобло А.И., Трегубова И.А., Егоров H.H. "Процессы и аппараты, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности". Москва, Государственное научно-техническое изд., 1962.

3. Нестеров И.И., Рябухин Г.Е. "Тайны нефтяной колыбели". Свердловск, Средне-Уральское книжное издательство, 1984.

4. Судо М. М. "Нефть и горючие газы в современном мире". Москва, Недра, 1984.

5. Рабинович Г.П., Рябых П.М., Хохряков П.А., под ред. Судакова E.H. «Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки». Справочник. Москва, «Химия», 1979.

6. Дриацкая З.В., Мхчиян М.А., Жмыхова Н.М. и другие «Нефти СССР. Том 4». Москва, «Химия», 1974.

7. Рабинович В.А., Хавин З.Я. «Краткий химический справочник». Санкт-Петербург, «Химия», 1994.

8. Рабинович В.А. «Расчет процесса осаждения в электрическом поле». Справочник. Санкт-Петербург, «Химия», 1992.

9. Шайдаков В.В., Каштанова J1.E., Емельянов A.B. Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем. www.Laboratory.ru, сборник трудов по науке и технике.

10. Недра, 1989 г. 480 с. 12.Бухаленко Е. И., Абдуллаев Ю. Г. Монтаж, обслуживание и ремонт нефтепромыслового оборудования. М., Недра, 1974.

11. Добыча, подготовка и транспорт природного газа и конденсата. / Справочное руководство в 2-х томах. Под ред. Ю.П. Коротаева, Р.Д. Маргулова. М: Недра,1984.- 360с.

12. Н.Ишмурзин А. А. Машины и оборудование системы сбора и подготовки нефти, газа и воды.- Уфа: Изд. Уфимск. Нефт. ин-та, 1981.- 90 с.

13. Коршак A.A., Шаммазов A.M. Основы нефтегазового дела. Учебник для вузов: Уфа.: ООО "ДизайнПолиграфСервис", 2001 -544 с.

14. Крец В.Г., Кольцов В. А., Лукьянов В.Г., Саруев Л. А. и др. Нефтепромысловое оборудование. Комплект Каталогов.- Томск: Изд. ТПУ, 1997.-822 с.

15. Крец В.Г. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. Уч. пособ. Томск: Изд. ТПУ, 1992.- 112 с.

16. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. Под ред. Ш.К. Гиматудинова. М: Недра, 1983.-455с.

17. Середа Н.Г., Сахаров В.А., Тимашев А.Н. Спутник нефтяника и газовика: Справочник. М: Недра, 1986.- 325с.

18. Техника и технология добычи нефти и газа/И. М. Муравьев, М. Н. Базлов, А. И. Жуков и др. М., Недра, 1971.

19. Ф.А. Требин, Ю.Ф. Макогон, К.С. Басниев. Добыча природного газа. // М.: Недра, 1976. 607с.

20. Техника и технология добычи нефти: Учебник для вузов/ А.Х. Мирзаджанзаде, И.М. Ахметов, A.M. Хасаев, В.И. Гусев. Под ред. проф. А.Х. Мирзаджанзаде. М.: Недра, 1986. -382 с.

21. Ширковский А.И. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. М: Недра, 1987.- 347с.

22. Панченков Г.М., Цабек Л.К. «Поведение эмульсий во внешнем электрическом поле» Изд-во «Химия» М.: 1969 - 190с.

23. Антипов А.И., Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Альметьевск, АГНИ, 2006.

24. Усова JI.H., Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа ГУЛ «ИПТЭР», 2006.

25. Шавшукова С.Ю. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Уфа 2003г.

26. Борисов С.И., Катеев М.В., Калинин Е.С., Калинина О.С., Мелошенко Н.П., Сорокин В.В. Механизм действия ПАВ как деэмульгаторов нефтяных эмульсий, Нефтяное хозяйство, №4 2004, с.74-77

27. Космачева Т.Ф., Губайдулин Ф.Р. Особенности механизма действия деэмульгаторов при разрушении эмульсий, Нефтяное хозяйство, №12 2005, с.114-118

28. Рудин М.Г., Сомов В.Е., Фомин A.C. «Карманный справочник нефтепереработчика»./ Под ред. М.Г. Рудина. М.:ЦНИИТЭнефтехим, 2004. 336 стр.

29. Сафиева Р.З., Магадова JI.A., Климова JI.3., Борисова O.A. Физико-химические свойства нефтяных дисперсных систем. Под ред. проф. В.Н. Кошелева М.: Изд. РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2001. - 60 с.

30. Пресс-релиз ТатНИПИнефть «Каталог технологий» 2003 г.

31. Ушева Н.В., Мойзес O.E., Кузьменко Е.А. «Моделирование процессов промысловой подготовки нефтей Западной Сибири», Материалы III Всероссийской научной конференции «Химия и химические технологии на рубеже тысячелетий» г. Томск 2004 г. стр 307-309

32. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализации)/ Под ред. Г.А. Морозова, Ю.Е. Седельникова. М.: «Радиотехника» 2003. - 112 с. ил.

33. Степанов В.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2001г.

34. Потапова O.B. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 1998г.

35. ВНТП 3-85 Нормы технологического проектирования объектов сбора, транспорта, подготовки нефти, газа и воды нефтяных месторождений.

36. Корн П., Корн Т. Справочник по математике для инженеров. М.: «Наука» Главная редакция физ.-мат. литературы 1968 г.

37. Аглиуллин А.Ф., Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2002 г.

38. Бородин И.Ф., Шарков Г.А., Гарин А.Д. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве. -М.: ВНИИТЭагропром, 1987 г.

39. Розен A.M., Беззубова А.И. Массоотдача в одиночных каплях //ТОХТ. -1968.-Т.2. -№6.-с. 850-862

40. Массоотдача при экстракции и моделирование экстракционных аппаратов / A.M. Розен и др. // Сб. Процессы жидкостной экстракции и хемосорбции. -М.: Химия, 1966. с. 99-116

41. Бердников В.И., Левин A.M., Расчет скорости движения пузырей и капель // ТОХТ. 1980. Т. 14, - №4. - с. 535-541.

42. Гонор А.Л., Ривкинд В.Я. Динамика капли // Механика жидкости и капли. -1982. -Т.17.-с.86-159.

43. Edge R.M., Grand C.D. The motion of drops in water contaminated with a surface-active agent // Chem.Eng.Sci. 1972. - № 9. - p. 1709-1721

44. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для ВУЗов. В 10-и томах T.VI Гидродинамика. 5-е изд., испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 736 с.

45. Liang T.B., Slofer M.J. Liquid-liquid extraction drop formation: mass transfer and the influence of surfactant // Chem.Eng.Sci. 1990. - V.45. N 1. - p. 97-105.

46. Броунштейн Б.И., Щеголев B.B. Гидродинамика. Массо- и теплообмен в колонных аппаратах. Л.: Химия, 1983.

47. Прогрессивные технологические процессы в добыче нефти. Сепарация газа, сокращение потерь / В.П.Тронов; АН Татарстана. Казань: Фэн, 1997.— 311с.: ил.

48. Промысловая подготовка нефти / В.П.Тронов; Акад. наук Татарстана. -Казань: Фэн, 2000.-415 е.: ил.

49. Системы нефтегазосбора и гидродинамика основных технологических процессов / Тронов В. П.; Акад. наук Респ. Татарстан.—Казань: Фэн, 2002.— 511 е.: ил.

50. Подогреватель нефти ПНПТ-0,63Н (ВБИА 065192.005)

51. Неганов В.А., Павловская Э.А., Яровой Г.П. Излучение и дифракция электромагнитных волн/ Под ред. В.А. Неганова М.: Радио и связь, 2004. -264 стр.

52. А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич, В.П. Смирнов Справочник по элементам волноводной техники/ Изд-ние 2-е,перераб. и дополн. - М.: «Советское радио» - 1967 651 е., илл.

53. Анфиногентов В.И. Математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков. Казань: Казан, гос. техн. ун-та 2006. 140 с.

54. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л., Численные методы. М.: ФИЗХМАТЛИТ, - 400 стр. - ISBN 5-9221-0479-9.

55. Седельников Ю.Е., Шакиров А.С. Учет взаимной связи при некогерентном возбуждении микроволновых установок // ХШ-я Крымская конф.

56. Микроволновые и телекоммуникационные технологии»: Сб. статей. КРЫМиКо-2003.730-731.

57. Шакиров A.C. Особенности оценок коэффициентов взаимной связи при многоэлементном СВЧ-нагреве // Всероссийская научно-техническая конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии»: Сочи-2004 Тезисы докладов. 145-147.

58. Шакиров A.C. Определение поля излучателя находящегося в неоднородной диэлектрической среде // XII Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2004 года: Материалы конференций. Том IV 30-31.

59. Шакиров A.C. Согласование рабочих камер МВТУ с возбуждающей линией // Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-леитю г. Казани, 10-11 ноября 2005 года: Материалы конференций. Том IV 96-97.

60. Шакиров A.C. Исследование влияния параметров обрабатываемого материала, на температуру в рабочей камере МВТУ // XIV Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 10-11 ноября 2006 года: Материалы конференций. Том IV 106-107.

61. Тюрин Д.В., Шакиров А.С. Оценка эффективности сфокусированных апертур в диссипативных средах. // «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», Периодический и научно-практический журнал. Том 7 № 1,2004 86-87.

62. Морозов Г.А., Седельников Ю.Е., Шакиров А.С. Согласование нагрузок с переменным импедансом. // «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», Периодический и научно-практический журнал. Том 9 № 2,2006 41-46.

63. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. -М.: 1984.-824 е., ил.

64. Wolf N.O., Use of Microwave Radiation in Separating Emulsions and Dispersions of Dispersions of Hydrocarbons and Water. U.S.Patent No. 4,582,629 (1986).

65. Hong, J.-H.; Kim, B.-S.; Kim, D.-C. Demulsification of Oil-Water Emulsions by Microwave Irradiation. Korean Chem. Eng. Res. 2004,42(6), 662-668.

66. Fang, C.S.; Chang, B.K.L.; Lai, P.M.C.; Klaila, W.J. Microwave Demulsification. Chem. Eng. Commun. 1988,73(1), 227-239.

67. Xia, L.-X.; Lu, S.-W.; Cao, G. Salt-Assisted Microwave Demulsification. Chem. Eng. Commun. 2004,191(8), 1053-1063.

68. Chan, C.-C.; Chen, Y.-C. Demulsification of W/O Emulsions by Microwave Radiation. Separation Science and Technology 2002,37(15), 3407-3420.

69. И.Н.Евдокимов, Н.Ю.Елисеев, В.А.Иктисанов. Особенности формирования промежуточных слоёв в водонефтяных эмульсиях. ХТТМ 2005, №4, с 37-39.

70. Клейтон В. Эмульсии, их теория и технические применения, пер. с англ., М., 1950.-679 с.

71. Ф. Шерман. Эмульсии. Л., Химия, 1972. 448 с.

72. Борисов С.И., Катеев М.В., Калинин Е.С., Калинина О.С., Мелошенко Н.П., Сорокин В.В. Механизм действия ПАВ как деэмульгаторов нефтяных эмульсий, Нефтяное хозяйство, №4 2004, с.74-77.

73. Королев А.Н., Галдецкий А.В., Бойко П.И., Использование УВЧ энергии для деэмульсации нефти и нефтепродуктов. / ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 3/2001, с78-79.

74. Chemical Engineering News, 1997, v. 75, № 6, p.26-30.

75. СВЧэнергетика. Т. 2. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности-М.: Мир, 1971, с.95.

76. Лотов К.И. Физика сплошных сред. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002,144 стр.

77. Архангельский Ю.С., Тригорлый С.В. СВЧ электротермические установки лучевого типа. Саратов: Изд-во. Сарат.гос.тех.ун-та, 2000,122 стр.

78. Li W., Ebadian М.А., White T.L., Grubb R.G., Foster D. Heat and mass transfer-In a contaminated porous concrete slab with variable dielectric properties, Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 38 no. 5. P. 887-897. Mar. 1995.