Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса при воздействии электрических полей на водонефтяную эмульсию

• Автор: Закирьянова, Галия Тимергазиевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 121 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА

ВОДОНЕФТЯНУЮ ЭМУЛЬСИЮ

1.1. Физико-химические и теплофизические свойства эмульсии

1.2. Влияние внешних физических полей на эмульсию

1.3. Теоретические исследования воздействия электромагнитных

полей на эмульсию

1.4. Экспериментальные исследования воздействия различных электромагнитных полей на эмульсию

Выводы к разделу 1

2. ТЕРМОГИДРОДИНАМИКА ЭМУЛЬСИОННОЙ КАПЛИ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ 3
2.1. Тепловое действие электромагнитного поля на каплю
2.2. Силовое действие электромагнитного поля на каплю
2.3. Тепло- и массообмен в эмульсионной капле в ВЧ
электромагнитном поле
2.3.1. Постановка задачи
2.3.2. Анализ результатов вычислений
Выводы к разделу 2
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ
3.1. Особенности взаимодействия эмульсии с ВЧ электромагнитным
полем
3.1Л. Система уравнений
3.1.2. Краевые условия
3.1.3. Анализ результатов расчетов
3.1.4. Постановка задачи с учетом пространственной неоднородности
диэлектрической проницаемости среды
3.1.5. Сопоставление с результатами экспериментальных исследований
3.2. Взаимодействие эмульсии с низкочастотным электрическим полем
3.2.1. Постановка задачи
3.2.2. Решение задачи и анализ результатов
3.3. Одновременное воздействие на эмульсию высокочастотного
и низкочастотного электрических полей
3.3.1. Постановка задачи
3.3.2. Решение задачи и анализ результатов вычислений
Выводы к разделу 3
4. ДВУМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ШЛЕЙ НА ЭМУЛЬСИЮ
4.1. Моделирование воздействия ВЧ электрического поля
4.1.1. Постановка задачи и система уравнений
4.1.2. Краевые условия
4.1.3. Решение задачи и анализ результатов вычислений
4.2. Моделирование воздействия низкочастотного электрического

4.2.1. Постановка задачи и основные уравнения
4.2.2. Краевые условия
4.2.3. Решение задачи и анализ результатов вычислений
4.3. Методика расчета динамики расслоения эмульсии
и сравнение с экспериментом
Выводы к разделу 4
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Разрушение водонефтяных эмульсий связано с необходимостью обезвоживания и обессоливания нефтей вследствие прогрессирующего роста числа обводненных месторождений. На многих крупнейших месторождениях России доля воды в продукции составляет 90%, а в целом по России превышает 83%. С другой стороны - существует огромное количество загрязненных водно-почвенных сред на территории объектов нефтегазодобывающего комплекса и транспорта нефти и газа, нарушающих экологию.
Актуальность темы. Обычно для разрушения высокоустойчивых эмульсий используют электрическое поле промышленной частоты (в дальнейшем это поле для краткости будем называть низкочастотным (НЧ)). Однако, известно, что при повышении напряженности электрического поля больше некоторого критического значения возникает побочный процесс, ведущий к электрическому диспергированию капель на более мелкие капли. Это весьма нежелательное явление, так как при этом затрудняется слияние капель, и эмульсия становится еще более устойчивой. Кроме того, при высоком содержании воды в эмульсии может произойти электрический пробой, поэтому в промышленные электродегидраторы для обезвоживания принимается эмульсия с содержанием воды не более 30%.
В случае высокочастотного (ВЧ) электрического поля обе эти проблемы снимаются: не существует какого-либо предельно допустимого значения критической напряженности поля и ограничения по содержанию воды в эмульсии. Дополнительным эффектом при действии поля в высоком диапазоне частот является поглощение эмульсией электромагнитной (ЭМ) энергии и появление в ней распределенных источников тепла.
В настоящей работе рассматриваются процессы тепло - и массопереноса при воздействии ВЧ электрического поля на отдельную каплю и различных электрических полей на водонефтяную эмульсию в вертикальном цилиндрическом конденсаторе. При моделировании учитываются пондеромоторные силы, действующие на среду со стороны ЭМ поля, перекрёстные эффекты
2 ТЕРМОГИДРОДИНАМИКА ЭМУЛЬСИОННОЙ КАПЛИ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
2.1. Тепловое действие электромагнитного поля на каплю
Применительно к водонефтяной эмульсии оба фактора воздействия ВЧ ЭМ поля - и силовое и энергетическое - играют существенную роль. Вследствие большой разницы между диэлектрическими проницаемостями нефти и воды и малой толщины бронирующей оболочки величина пондеромоторной силы велика. Поэтому в пограничной области вблизи поверхности диэлектрической капли, находящейся в диэлектрической жидкости, при воздействии внешнего однородного электрического поля возникают течения. Характер и скорость этих течений определяются электрофизическими характеристиками капли и жидкости, напряженностью электрического поля и другими факторами. Изменения характера этого пограничного движения в ВЧ ЭМ поле и зависимость их величины от частоты поля, очевидно, также приводит к воздействию на агрегативную устойчивость эмульсионной системы.
Наличие межфазной пленки и ее свойства существенно сказываются на поведении эмульсионной системы во внешнем электрическом поле й ее энергии. Именно в бронирующей оболочке находятся полярные компоненты нефти, с которыми происходит резонансное взаимодействие ВЧ ЭМ поля и нагрев среды. С целью уяснения влияния внешнего ВЧ ЭМ поля на агрегативную устойчивость водонефтяной эмульсии рассмотрим термогидродинамические особенности отдельной эмульсионной капли с бронирующей оболочкой в таком поле.
2.2. Силовое действие электромагнитного поля на каплю
В пограничной области бронирующей оболочки действует также пон-деромоторная сила Ре) из-за скачка в этой области диэлектрической проницаемости. Величина пондеромоторной силы обусловлена поляризационным взаимодействием среды с ЭМ полем и пропорциональна градиенту диэлектрической проницаемости Уг « ^(г,1 - г})/А, где е{ ,е - относительные ди-