9.7. Технологический расчёт отстойника

Целью расчёта является определение основных размеров отстойника и необходимого количества аппаратов для обеспечения заданной производительности и степени разделения эмульсии на нефть и воду.

9.7.1. Диаметр отстойника

Эффективное разделение фаз в гравитационном отстойнике происходит при условии соблюдения в зоне отстоя ламинарного режима течения эмульсии, т.е. при Re ≤ 2300. Следовательно,

где w_вх – скорость движения эмульсии на входе в отстойник, м/с;

D_экв – эквивалентный гидравлический диаметр поперечного сечения потока эмульсии в отстойнике на входе в зону отстоя, м;

ρ_эм – плотность эмульсии, кг/м³;

µ_эм – динамическая вязкость эмульсии, Па·с.

Скорость эмульсии от входа до выхода в отстойнике непрерывно уменьшается за счёт потери воды, поэтому в расчёте используется максимальное значение скорости эмульсии на входе в аппарат.

Часть поперечного сечения отстойника постоянно занята слоем воды (водяной подушкой) и для прохода эмульсии используется только часть поперечного сечения аппарата. Поэтому в расчёте необходимо использовать эквивалентный диаметр D_экв.

Из уравнения расхода можно определить скорость эмульсии на входе:

где V_вх – объёмный расход эмульсии на входе в аппарат, м³/с;

S – площадь поперечного сечения отстойника для прохода эмульсии, м².

Так как

Тогда

Подставим это выражение в первое уравнение:

Из данного уравнения выразим значение минимального эквивалентного диаметра для прохода эмульсии:

Установлено, что эквивалентный диаметр связан с диаметром отстойника D следующим выражением:

где f(ε) – функция относительной высоты водяной подушки в зоне отстоя:

где ε – относительная высота водяной подушки в отстойнике:

где h_в – высота водяной подушки, м;

R – радиус отстойника, м.

Тогда минимальный диаметр отстойника (для обеспечения ламинарного режима):

Установлено, что пропускная способность отстойника максимальна при относительной высоте водяной подушки ε = 0,46. В этом случае:

Итоговое уравнение для расчёта минимально необходимого диаметра отстойника:

Максимальный диаметр стандартного отстойника составляет D = 3,4 м. Если по расчётам минимальный диаметр получился более 3,4 м, следовательно, один отстойник не сможет обеспечить ламинарный режим движения эмульсии. В таком случае необходимо снизить нагрузку на один аппарат V_вх, т.е. установить два отстойника или более, соединённых параллельно.

9.7.2. Длина отстойника

Необходимую длину отстойника определяют из условия, что время пребывания эмульсии в аппарате τ должно быть не меньше времени осаждения капель воды τ_ос :

Время пребывания эмульсии в аппарате:

где L – длина зоны отстоя в аппарате, м;

w_ср – средняя горизонтальная скорость движения эмульсии в аппарате, м/с.

Средняя скорость эмульсии определяется как среднее арифметическое между скоростями эмульсии на входе в отстойник и на выходе из него:

где V_вх и V_вых – объёмный расход эмульсии на входе и выходе, м³/с.

Ранее было показано, что

где D – принятый стандартный диаметр аппарата, м.

Необходимое время осаждения капель воды в отстойнике:

где h_ос – высота зоны осаждения или зоны отстоя, м;

w_ос – скорость стеснённого осаждения капель воды в зоне отстоя, м/с.

Скорость стеснённого осаждения капель воды рассчитывается по формуле:

где В – доля обводнённости эмульсии;

w_о – скорость свободного осаждения капель воды, м/с. Определяется по уравнению Стокса:

где d – средний диаметр капель воды в эмульсии, м. Экспериментально установлено, что в эмульсии, предварительно обработанной деэмульгатором, диаметр капель воды составляет 300…350 мкм или d = (300 – 350)·10^-6 м;

ρ_в и ρ_н – плотность воды и нефти соответственно, кг/м³;

µ_н – динамическая вязкость нефти, Па·с.

Высота зоны отстоя или зоны осаждения:

Минимальная длина отстойника находится из выражения:

Или

Тогда

Преобразуем это выражение для случая, когда диаметр отстойника D = 3,4 м, диаметр капель воды 300 мкм.

Тогда высота водяной подушки при ε = 0,46:

м

Высота зоны отстоя:

м

Эквивалентный диаметр для прохода эмульсии:

м

Средняя горизонтальная скорость движения эмульсии в аппарате, м/с:

Время осаждения капель воды, с:

Тогда минимальная длина (м) отстойника для обеспечения необходимого времени осаждения капель воды будет равна:

Данная формула позволяет рассчитать длину зоны отстоя. Полная же длина отстойника L_общ определяется как сумма длины зоны отстоя L и конструктивной длины секций ввода и вывода эмульсии L_к :

Полученную расчётом длину отстойника сравнивают с длиной стандартного аппарата. Если расчётная величина больше, то условия осаждения капель воды не будут обеспечены. В этом случае необходимо принять к установке два отстойника или более, соединённых параллельно.