О РОЛИ ПОПЕРЕЧНОЙ СИЛЫ В МУЛЬТИФАЗНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОТОКАХ

О РОЛИ ПОПЕРЕЧНОЙ СИЛЫ В МУЛЬТИФАЗНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОТОКАХ

Исмайылова Фидан Бабали

канд.  техн. наук, доц., Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности,

Азербайджан, г. Баку

Исмайылов Гафар Гуламгусейн

д-р техн. наук, проф., Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности,

Азербайджан, г. Баку

ON THE ROLE OF A TRANSVERSAL FORCE IN MULTI-PHASE CYLINDRICAL FLOWS

Fidan Ismayilova

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Azerbaijan State University of Oil and Industry

Azerbaijan, Baku

Gafar Ismayilov

Doctor of Technical Sciences, Professor Azerbaijan State University of Oil and Industry

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Исследованиями последних лет установлено, что в основе цилиндрических мультифазных потоков лежит взаимодействия фаз, движущей силой которой является дополнительная сила, которая стремится переместить его в поперечном направлении.

В работе сделана попытка оценить значений поперечной силы в цилиндрических потоках (как в газопроводах, так и в нефтепроводах) при наличии механических частиц различного диаметра. Установлено, что эта сила, которая для нефтепровода намного больше, чем в случае газопровода, с ростом диаметра трубопровода увеличивается, в центре потока и на внутренней стенке трубы превращается к нулю. При этом поперечная сила с ростом скорости цилиндрического потока монотонно растет.

В работе согласно мультифазной технологии также была проанализирована причина малой эффективности гидроциклонов для мультифазных систем. Было установлено, что на основе правильного выбора технологических параметров можно избежать отрицательного влияния поперечной силы в цилиндрических потоках на работу гидроциклонов.

ABSTRACT

Recent studies have established that cylindrical multiphase flows are based on the interaction of phases, the driving force of which is an additional force that tends to move it in the transverse direction.

An attempt was made to estimate the values ​​of the transverse force in cylindrical flows (both in gas pipelines and in oil pipelines) in the presence of mechanical particles of various diameters. It has been established that this force, which is much greater for an oil pipeline than for a gas pipeline, increases with the pipeline diameter and turns to zero in the center of the flow and on the inner wall of the pipe. In this case, the transverse force increases monotonically with an increase in the velocity of the cylindrical flow.

In the work according to the multiphase technology, the reason for the low efficiency of hydrocyclones for multiphase systems was also analyzed. It was found that, based on the correct choice of technological parameters it is possible to avoid the negative influence of the shear force in cylindrical flows on the operation of hydrocyclones.

Ключевые слова: Поперечная сила, мультифаза, дисперсные системы, совместный транспорт, разделение фаз, гидроциклон.

Keywords: Shear force, multiphase, disperse systems, co-transport, phase separation, hydrocyclone.

Из практики освоения месторождений нефти и газа хорошо известно, что ни одна углеводородная залежь не вводится в разработку без развитой системы сбора и внешнего транспорта углеводородов. Поэтому одним из направлений борьбы с потерями углеводородов является совместный транспорт нефти и газа. Совместный транспорт жидких и газообразных углеводородов осуществляется как в двухфазном, так и однофазном (весь газ растворен в жидкости) состоянии. Несмотря на то, что значительно большими возможностями по дальности транспортирования обладает трубопроводный транспорт жидких и газообразных углеводородов в однофазном состоянии, например, перекачка газонасышенных нефтей или нестабильного газового конденсата, на практике, в трубопроводных системах сбор и транспорт продукций скважин осуществляются на основе мультифазной технологии [1,2,3].  

В основе транспорта мультифазных систем лежит взаимодействие фаз, движущей силой которого является сила Бернулли [4]. Значения этот силы в общем случае согласно уравнению второго закона механики, при наличии дисперсионной среды, механических частиц диаметром d определяется следующей зависимостью:

F = 8,39                                                                                   (1)

Где:  –плотность дисперсионной среды (газа или жидкости), кг/м³; d –диаметр механической частицы, м; u–средняя объемная скорость потока м/с; соответственно радиус и диаметр трубопровода.

Согласно формуле (1) были вычислены значений поперечной силы  в цилиндрических потоках (соответственно в газопроводах и нефтепроводах) при наличии механических частиц различного диаметра. Для расчетов диаметр трубопровода принимался D=0.3 м, а параметры  и  имели следующие значения:

1.         для нефтепровода  = 850 kг/м³, = 1,5 м/с

2.         для газопровода  = 5 kг/м³, = 10 м/с.

Результаты расчетов в виде графиков F_B = f(α) соответственно для нефтепровода и газопровода представлены на рис.1.

Рисунок 1. Изменение силы Бернулли по поперечному сечению трубопровода

Как видно из рис.1, поперечная сила с ростом диаметра трубопровода D увеличивается, при α=0.577 доходит своему максимальному значению, а в центре потока (α=0) и на стенке трубы (α=1) превращаются к нулю. При этом эта сила для нефтепровода намного больше, чем в случае газопровода. Анализ также показывает, что изменение максимальных значений поперечной силы в зависимости от диаметра частиц (d) для обоих трубопроводов имеет одинаковый характер. Так начиная из диаметра частиц d=8-10 мм наблюдается интенсивный рост этой силы. Отмеченное доказывает тот факт, что влияние механических частиц маленького размера (ниже 8 мм) на динамику потока незначительно (рис.2). 

Далее исследовалось влияние скорости потока жидкости (или газа) на величину максимального значения поперечной силы. Изменение максимального значения силы в зависимости от скорости потока соответственно для нефтепровода и газопровода показано на рис.3. Как видно из рис.3, для обоих трубопроводов с ростом скорости потока сила F_b монотонно растет. При этом для нефтепровода темп роста этой силы намного больше, чем для газопровода.

Рисунок 2. Зависимость максимальных значений силы Бернулли от диаметра частиц (d) в мультифазных трубопроводах

Рисунок 3. Зависимость максимальных значений силы Бернулли от скорости мультифазного потока

Как известно, в настоящее время основным практическим способом разделения водонефтяных эмульсий является гравитационные отстойники, в которых в качестве движущей силы процесса используется разность удельных весов разделяемых фаз. В аппаратах подобного типа фактор разделения, выраженный через гравитационную постоянную, равен 1. В промышленности широкое применение нашли более эффективные технологии разделения смесей. Фактор разделения центрифуг-несколько тысяч единиц [5]. В нефтедобывающий промышленности вопросами применения гидроциклонов для разделения водонефтяных эмульсий занимались исследователи [5-7]. Однако, по сей день вопросы увеличения движущих сил разделения в некоторых случаях вызывают сомнение на эффективность функционирования гидроциклонов. Практически установлено непригодность гидроциклонной технологии для разделения эмульсий, хотя гидроциклоны эффективно используется для отделения механических примесей от газов и воздуха, для отделения твердых частиц от жидкости, например, для очистки буровых растворов.

Причину малой эффективности гидроциклонов для разделения водонефтяных эмульсий можно объяснить на основе теории динамики градиентно-скоростного поля и раскрыть механизм взаимодействия фаз при их разделении.

Как известно, скорость разделения неоднородных систем в поле центробежных сил выше по сравнению со скоростью разделения этих систем в поле силы тяжести. Центробежная сила возникает, как сила инерции при вращательном движении тел, и направлена всегда по радиусу от оси вращения к периферии.

В общем случае центробежная сила () выражается следующим равенством:

                                                                                                       (2)

Где, m-масса вращающей частицы,  радиус вращения, м,  окружная скорость вращения, которая равна:

                                                                                                       (3)

Где, n-число оборотов в минуту.

С учетом (2) для определения центробежную силу можно написать:

                                                                       (4)

Здесь d и -соответственно диаметр и плотность вращающей частицы.

Графики распределения движущих сил разделения мультифазных водонефтяных смесей в гидроциклоне можно представить, как на рис. 4. Как видно из рис.4, линия 1, которая характеризирует распределение центробежной силы увеличивается с уменьшением расстояния до оси циклона. Линия 2 характеризирует распределение сил Бернулли, которая имеет максимум на удалении от оси циклона, равном 0,577R (R-радиус циклона). Из рис.4 также видно, что эти силы имеют противоположные направление, в результате чего при преобладание силы Бернулли над центробежной силой ( капли диспергированной воды перемешаются к оси циклона, а не к его стенкам. В результате противодействия отмеченных сил получить в гидроциклоне компоненты смеси в чистом виде не всегда удаётся.

1- Центробежная сила

2- Сила Бернулли

Рисунок 4. Движущие силы гидроциклона

С учетом вышеотмеченного, было проанализировано условия равенства силы Бернулли и центробежной силы в гидроциклоне. С учетом того что, в точке К (рис.4) отмеченные силы равны, тогда согласно выражениям (1) и (4) можно написать:

 =

После некоторых сокращений получим следующее условие для вычисления   параметра , соответствующее :

r                                                                   (5)

Тогда условия (5) будет выполнятся при соблюдении следующего неравенства:

n                                                                           (6)

Согласно формуле (6) были исследованы характеры влияния скорости потока (u), радиуса гидроциклона (R) и отношения плотностей частиц и жидкости на число оборотов n. С этой целью был выведен расчет числа оборота вращения при следующих исходных данных:

- скорость потока u=0.5; 1.0; 1.5; и 2.0 м/с.

- радиус гидроциклона R=0.2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,5 м.

- отношение плотностей = 1,3; 1,5; 2,0; 2,5.

По результатам расчетов было построено зависимости n=f(u) и n=f(R), которые представлены на рис.5. Как видно из рис. 5, в рамках соблюдения условия (5) с ростом скорости потока число оборотов пропорционально растет.

Следует отметит, что с помощью построенных зависимостей представляется возможным на основе выбора вышеотмеченных параметров избежать отрицательного влияния силы Бернулли на работу гидроциклонов.

Рисунок 5. Зависимость n=f(u)

Выводы. Была оценена значений поперечной силы в цилиндрических потоках (как в газопроводах, так и в нефтепроводах) при наличии механических частиц различного диаметра. Установлено, что эта сил с ростом диаметра трубопровода увеличивается, в центре потока и на внутренней стенке трубы превращается к нулю. При этом поперечная сила с ростом скорости цилиндрического потока монотонно растет.

 Согласно мультифазной технологии была проанализирована причина малой эффективности гидроциклонов для разделения мультифазных систем. Было установлено, что на основе правильного выбора технологических параметров можно избежать отрицательного влияния поперечной силы в цилиндрических потоках на работу гидроциклонов.

Список литературы:

1. Сулейманов А.Б., Кулиев Р.П. и др. Эксплуатация морских нефтегазовых месторождений. М. Недра, 1986, 285 с.
2. Гриченко А.И., Клапчук О.В., Харченко Ю.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в скважинах и трубопроводах. М.,Недра, 1994, с. 310.
3. Мирзаджанзаде А.Х., Максудов Ф.Г., Нигматулин Р.И. и др. Теория и практика применения неравновесных систем в нефтедобыче. –Баку, Элм, 1985, с. 220.
4. Ситенков В.Т. Теория градиентно-скоростного поля. М.; ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004, 308с.
5. Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Гидроциклоны в нефтедобывающей    промышленности. Москва, Недра. 1981, 260 с.
6. Терновский И.Г., Кутепов А.М. Гидроциклонирование. Москва, Наука, 1994.
7. Асханов Р.Р., Данилов В.И., Нурмухамедов Н.Х. Стабилизация нефти с помощью гидроциклона. Уфа. Фонд содействия развития научных исследований, 1996, 119с.