Исследование влияния СВЧ поля на одиночную каплю в водонефтяной эмульсии в поле сил тяжести

• Автор: Фатхуллина, Юлия Ильдаровна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных работ по воздействию физических полей на водонефтяную эмульсию
1.1. Физико-химические и теплофизические свойства эмульсий
1.2. Способы деэмульсации водонефтяных эмульсий
1.3. Деэмульсация нефти электромагнитными полями
Глава 2. Электромагнитный нагрев одиночной эмульсионной капли с учетом конвективных течений, индуцированных электрическим полем
2.1. Постановка задачи
2.2. Выбор численной схемы решения
2.3. Анализ результатов и вычислений
Выводы к 2 главе
Глава 3. Исследование нагрева СВЧ ЭМ полем одиночной эмульсионной капли в поле сил тяжести с учетом конвективных течений жидкости
3.1. Математическая модель
3.2. Уравнение состояния среды, поверхностные силы
3.3. Численная реализация. Метод VOF
3.4. Приведение системы уравнений к безразмерному виду
3.5. Численная схема решения задачи. Метод контрольного объема и алгоритм SIMPLE
3.6. Тестовые расчеты
3.6.1. Течение изотермической жидкости в цилиндрическом канале
3.6.2. Свободная конвекция
3.6.3. Поступательное движение жидкой сферы
3.7. Анализ результатов и вычислений
Выводы к 3 главе
Заключение
Литература

Введение
Актуальность работы. Добываемая скважинная продукция представляет собой водонефтяную эмульсию, причем, чем больше вязкость нефти, тем более устойчива эта эмульсия. Поэтому актуальной задачей в нефтяной отрасли является проблема выбора эффективной технологии деэмульсации нефти. Другая задача, связанная с проблемой обезвоживания устойчивых водонефтяных эмульсий - утилизация нефтяных шламов, в огромных количествах, накопленных в районах нефтедобычи, трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов, а также предприятий нефтепереработки и нефтехимии.
Основными методами обезвоживания водонефтяных эмульсий на практике являются: термические, биологические, физико-химические,
химические. Большая часть методов разрушения водонефтяных эмульсий основана на контактных методах нагрева и использовании деэмульгаторов. Первые характеризуются излишне высокими энергетическими затратами, вторые приводят к загрязнению сточных вод и продуктов нефтепереработки.
Одним из перспективных методов деэмульсации и утилизации нефтешламов является применение электромагнитных полей в высоком и сверхвысоком частотных диапазонах. Анализ частотных зависимостей диэлектрических свойств водонефтяных эмульсий показал, что у водонефтяной эмульсии имеются две области дисперсии: одна в ВЧ области (1-И00 МГц), другая - в СВЧ области (КЗ00 ГГц). Дисперсия в ВЧ области обусловлена ориентационной поляризацией полярных компонентов нефти (асфальтенами, смолами), а в СВЧ области - поляризацией молекул воды. В последнем случае основная часть энергия поглощается водной фазой, сосредоточенной в глобулах воды. Среда, окружающая каплю, значительно меньше поглощает энергию и в первом приближении ею можно пренебречь.
Проведенные Саяховым Ф.Л., Чистяковым С.И., Башировой P.M.,
Ковалевой Л.А., Зиннатуллиным P.P., Fortuny М., Holtze С., Nour А. Н.,
Thomas L., Vega С. И др. эксперименты по разрушению эмульсий СВЧ ЭМ

полем показали как положительные результаты - эффективное разрушение эмульсий, так и негативные результаты - получение более мелкодисперсной эмульсии. Для понимания причин получения таких неоднозначных экспериментальных результатов представляет интерес численное исследование влияния СВЧ ЭМ поля на эмульсионную каплю.
Целью диссертационной работы является изучение механизмов воздействия СВЧ ЭМ поля на эмульсионную каплю методом математического моделирования.
Достоверность результатов основывается на применении методов механики сплошных сред при разработке математических моделей рассматриваемых процессов и их физической и математической непротиворечивостью в рамках физических законов.
Практическая ценность. Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы для оптимизации процесса деэмульсации нефти на установках, использующих СВЧ ЭМ энергию. Кроме того, они необходимы для понимания процессов, происходящих в капле и механизмов разрушения эмульсии под действием СВЧ ЭМ поля.
Научная новизна работы:
1. Исследована динамика изменения температуры в капле и
окружающей среде под действием ЭМ поля в случае, когда течение жидкости индуцировано электрическим полем.
2. Исследована динамика изменения температуры в капле и
окружающей среде в поле сил тяжести под действием СВЧ ЭМ поля с учетом конвективных течений жидкости внутри и вне капли.
3. Путем математического моделирования выявлены особенности возникновения конвективных течений в капле и окружающей среде под действием СВЧ ЭМ поля в поле сил тяжести.
4. Исследовано движение сферической капли, находящейся в
центре цилиндрического сосуда, в поле сил тяжести под действием СВЧ ЭМ
поля.

Из рис. 2.4 видно, что температура в центре капли в начальный момент времени 1=0.1 сек. увеличилась на ДТ=5.3°С (начальное значение То=20°С), через 0.4 сек. температура увеличилась на ДТ=2°С, к моменту времени 1=1 сек. ДТ=0.5°С. Т.о. максимальный рост температуры наблюдается лишь в начальный момент времени, затем рост температуры внутри капли резко замедляется. При этом температура от центра капли к ее поверхности уменьшается. В окружающей среде температура при удалении от капли плавно спадает.
Как было сказано выше, конвективный теплоперенос незначителен, поэтому можно полагать, что перенос тепла за пределы капли носит кондуктвный характер.
На рис. 2.5.-2.6. представлена эволюция теплового поля при итах=10'