Способ и устройство инжекционного смешения текучих сред закрученными струями
Изобретения относятся к технологическим процессам непрерывного смешения в статических смесителях жидких, газообразных и других текучих сред в различных отраслях промышленности, и могут быть использованы на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях при подготовке нефти к переработке, а именно для ввода деэмульгатора и промывной воды в поток нефти и их смешения на ступенях обессоливания, а также в других отраслях промышленности для смешивания основного потока жидкости или газа с меньшими количествами добавочных жидких или газообразных компонентов. Способ смешения, заключающийся в организации инжектирования добавочного компонента в отдельные струи обрабатываемого потока, реализуется в устройстве инжекционного смешения текучих сред закрученными струями, содержащее корпус с проточной камерой для обрабатываемого потока и соединенный с ней патрубок ввода добавочного компонента. В устройстве дополнительно выполнены отдельные смесительные каналы, расположенные в проточной камере, образованные равномерно распределенными по всему поперечному сечению корпуса смесителя трубками, обеспечивающие спокойный режим течения обрабатываемого потока, при этом патрубок ввода добавочного компонента соединен с межтрубным пространством, образованным внешней поверхностью трубок и внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса, при этом трубки проточной камеры имеют отверстия с тангенциальным направлением ввода, диаметр, форма, угол наклона, количество и взаимное расположение которых в трубках определяется из условия достижения требуемых параметров смешения, обеспечивающие инжектирования добавочного компонента полуограниченными затопленными струями, образующими закрученные турбулентные потоки в смесительных каналах, смешиваясь с отдельными струями обрабатываемого потока. Техническим результатом является повышение эффективности обессоливания нефти. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Изобретения относятся к технологическим процессам непрерывного смешения в статических смесителях жидких, газообразных и других текучих сред в различных отраслях промышленности, и могут быть использованы на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях при подготовке нефти к переработке, а именно для ввода деэмульгатора и промывной воды в поток нефти и их смешения перед ступенью обессоливания, а также в других отраслях промышленности для смешивания основного потока жидкости или газа с меньшими количествами добавочных жидких или газообразных компонентов. Эффективность обессоливания нефти, характеризующаяся удельным расходом деэмульгатора и промывной воды при удовлетворительном качестве нефти, зависит от их оптимального использования, что достигается за счет устройств интенсификации их распределения в обрабатываемом потоке. Другим показателем эффективности является энергетическая составляющая процесса подготовки – давление обрабатываемого потока для преодоления гидравлических сопротивлений в технологической линии. Местные гидравлические сопротивления используются в статических смесителях для интенсивного смешивания жидкостей за счет возмущения и турбулизации потока, побочным эффектом которой является высокая дисперсность нефтяной эмульсии и увеличение ее устойчивости, что влечет за собой увеличение затрат при подготовке нефти. Поэтому достижение оптимальных параметров смешения деэмульгатора и промывной воды является ключевым фактором, влияющим на эффективность обессоливания нефти.
Из уровня техники известен способ смешения в диафрагмовом смесителе (Ю.К. Молоканов «Процессы и аппараты нефтегазопереработки». - М.: Химия, 1980, 408 стр.), в котором устройство представляет собой систему перегородок (диафрагм), установленных в трубопроводе, по которому перекачивают смешиваемые жидкости. При прохождении потока жидкости через отверстия в перегородках происходит его турбулизация, приводящая к интенсивному перемешиванию перекачиваемых жидкостей.
Недостатком известного способа смешения является существенное гидродинамическое сопротивление потоку, что приводит к запиранию (передавливанию) жидкости с меньшим расходом и давлением закачивания, что, в свою очередь, приводит к нарушению объемного соотношения перемешиваемых жидкостей.
Известен также жидкостный смеситель (патент РФ 2230882, МПК Е21В 33/13, В28С 5/02, опубл. 20.06.2006), включающий патрубки, один из которых выполнен для подмешиваемой жидкости с меньшим расходом, и трубопровод с установленной перегородкой. Патрубок для жидкости с меньшим расходом размещен соосно в трубопроводе и перфорирован по винтовой линии по всей длине с суммарной площадью отверстий перфорации, равной или большей площади сечения патрубка. Перегородка трубопровода выполнена в виде ленты, навитой на перфорированный патрубок с образованием спирального канала для основного потока жидкости и с возможностью препятствия запирания этим потоком жидкости потока жидкости с меньшим расходом в патрубке.
Недостатками способа смешения с помощью известного устройства являются низкая интенсивность перемешивания жидких фаз в спиральном канале из-за высокой скорости перемещения основного потока жидкости и невозможность регулирования подачи подмешиваемой жидкости с меньшим расходом при изменении подачи основной жидкости.
Также известен смеситель (см. патент РФ 126623, МПК B01F5/02, опубл. 10.04.2013), содержащий корпус с проточной камерой для основного потока жидкости и соединенный с ним канал ввода добавочной жидкости, последний выполнен в виде коаксиально установленных внешнего и внутреннего патрубков. Форсунки указанных патрубков расположены взаимно перекрывающимися с возможностью изменения площади проходного сечения. Перед форсунками по ходу движения основного потока установлена решетка, а за форсунками - диспергатор.
Недостатком способа смешения с помощью известного устройства является неполный, частичный охват площади поперечного сечения обрабатываемого потока на этапе ввода и распределения жидкого компонента, в результате чего интенсивность перемешивания жидкостей достигается за счет гидродинамического возмущения и турбулизации потока применением решетки и диспергатора, создающие перепад давления на устройстве.
Кроме этого, известен струеинжекционный смеситель (см. патент РФ 2643967, МПК B01F5/04, B01F5/06, опубл. 06.02.2018), содержащий корпус с проточной камерой для обрабатываемого потока жидкости и соединенный с ней патрубок ввода добавочного компонента, В устройстве дополнительно выполнены отдельные проточные каналы, расположенные в проточной камере, выполненные из равномерно распределенных по всему поперечному сечению корпуса смесителя трубок, обеспечивающих спокойный режим течения основного потока, а патрубок ввода добавочного компонента соединен с межтрубным пространством, образованным внешней поверхностью трубок и внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса, при этом по поверхности трубок равномерно распределены вводные отверстия, диаметр, форма, количество и взаимное расположение которых определяется из условия достижения оптимальных характеристик смешения, и через которые добавочный компонент в виде свободных затопленных струй с турбулентным режимом истечения попадает из межтрубного пространства корпуса в трубное пространство, распределяясь по отдельным каналам и смешиваясь с отдельными струями обрабатываемого потока.
Недостатком способа смешения с помощью известного устройства является неполный, частичный охват площади поперечного сечения обрабатываемого потока на этапе ввода и распределения компонента из-за использования радиального направления ввода с образованием свободных прямоточных струй, о чем свидетельствует указание в формуле и описании изобретения на вид создаваемых струй – «свободных … струй», в отличие от известного как более эффективного для смешения - тангенциального направления ввода, с образованием полуограниченных закрученных струй (из источников: Ляховский Д. Н. Турбулентность в прямоточных и закрученных струях // Теория и практика сжигания газа. Л.: Недра, 1964. т. II. - с. 18-48; Гупта А. и др. Закрученные потоки: Пер. с англ. / Гупта А., Лилли Д., Сайред Н.— М.: Мир, 1987. – 588 с.).
Известное техническое решение и принято в качестве прототипа для заявленных изобретений.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемыми изобретениями, является повышение эффективности обессоливания нефти, выражающееся в повышении качества подготовки нефти, сокращении затрат на термическое, химическое и электрическое воздействие вследствие снижения устойчивости нефтяной эмульсии, сокращении затрат на подачу промывной воды при обеспечении оптимального качества смешения через оптимальное распределение деэмульгатора и промывной воды по всей площади поперечного сечения обрабатываемого потока нефти не за счет высокоинтенсивного масштабного перемешивания в едином объеме, а за счет инжекционного смешения закрученными струями в отдельных смесительных каналах, равномерно распределенных по всему поперечному сечению обрабатываемого потока.
Технической задачей, стоящей перед автором, является создание эффективного способа и простого в исполнении устройства смешения текучих сред с низким гидравлическим сопротивлением, позволяющего производить оптимальный ввод - распределение деэмульгатора и промывной воды в обрабатываемой потоке нефти с целью дальнейшего обессоливания последней.
Задачу, положенную в основу настоящих изобретений, решают за счет организации инжектирования закрученных струй добавочного компонента в отдельные струи обрабатываемого потока при использовании инжекционного смесителя, содержащего корпус, проточная камера которого имеет смесительные каналы, выполненные из отдельных трубок, имеющих тангенциально направленные вводные отверстия, через которые закрученными струями в обрабатываемый поток попадает добавочный компонент.
Кроме того, на внешней цилиндрической поверхности корпуса имеется патрубок для ввода добавочного компонента в межтрубное пространство.
Кроме того, корпус герметизируется с торцов крышками, имеющими сквозные отверстия, количество и диаметр которых соответствует количеству и диаметру трубок, и имеющие кольцевые пазы для центровки, как самого корпуса, так и всех трубок, а для придания герметичности всей конструкции пазы уплотняются прокладочным материалом; крышки стягиваются шпильками, устанавливаемые в отверстия, расположенные на периферии крышек.
Кроме того, к крышкам монтируются переходные патрубки с фланцами или под приварку для соединения с трубопроводом в виде диффузора на входе и конфузора на выходе обрабатываемого потока, что способствует дополнительному перемешиванию компонентов смеси и делает доступным сборку и разборку устройства при техническом обслуживании.
Переход разделительной камеры к отдельным каналам с суммарной площадью поперечных сечений равной и большей площади поперечного сечения подводящего трубопровода позволяет обрабатываемый поток разбивать на отдельные мелкие потоки, тем самым обеспечивая спокойный режим течения и выравнивание скоростей во внутритрубном пространстве смесительных каналов при практически полном отсутствии перепада давления на устройстве.
Необходимые для технологического процесса характеристики: эффективность и интенсивность смешения, обеспечиваются за счет определенных расчетом параметров устройства: количества, диаметра, взаимного расположения трубок и вводных отверстий, формирующих струи добавочного компонента, диспергируемого в отдельных каналах обрабатываемого потока.
Форма вводных отверстий из предложенных вариантов, а также угол наклона их оси относительно направления потока, выбирается исходя из требуемой дисперсности добавочного компонента, определяемой эмпирически, например, микроскопическим методом.
Равномерное размещение трубок по всей площади поперечного сечения корпуса смесителя обеспечивает максимальный охват обрабатываемого потока, а расстояние между трубками каналов определяется из условия прохождения потока вводимого добавочного компонента без образования перепада давления.
Регулировка устройства не требуется, конструкция изначально рассчитывается на заданные технологические параметры процесса, но при необходимости изменения расхода обрабатываемого или добавочного потоков производится пересчет на новые технологические параметры геометрических размеров по нижеприведенным формулам и замена трубок с измененными характеристиками вводных отверстий (количество, диаметр, форма и расположение).
Простота и компактность конструкции, не требующая дополнительной центровки и регулировки устройства, позволяет с легкостью проводить сборку – разборку, монтаж – демонтаж и техническое обслуживание смесителя.
Совокупность конструктивных признаков заявляемого смесителя значительно снижает энергетические затраты при достижении оптимальных параметров процесса смешения деэмульгатора и воды с нефтью и, как следствие, эффективное обессоливание последней.
Перечисленные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники показал, что оно отличается от известных аналогов, поэтому заявленные изобретения является новыми. Заявленные отличительные признаки изобретений явным образом не следуют из уровня техники, являются неочевидными для среднего специалиста в области смешения газожидкостных сред, в связи с чем, считаем, что заявленные изобретения имеют изобретательский уровень. С учетом возможности промышленного серийного изготовления смесителя и использования способа в производстве можно считать изобретения промышленно применимыми, и в итоге сделать вывод об их соответствии критериям патентоспособности.
Настоящие изобретения поясняются конкретными примерами расчета и выполнения инжекционного смесителя и применения способа инжекционного смешения текучих сред закрученными струями, который наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретений, определенные прилагаемой формулой.
Представленный вариант исполнения и использования изобретений описывается далее на основе представленных чертежей, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид смесителя;
- на фиг. 2 изображен поперечный разрез А корпуса смесителя;
- на фиг. 3 изображены выносные элементы Б и В c тангенциальным вводом;
- на фиг. 4 изображена принципиальная схема ступени обессоливания.
Конструкция инжекционного смесителя сборная, состоит из цилиндрического корпуса 1, выполненного из отрезка трубы стандартного сортамента, с внешней стороны которого смонтирован патрубок 2 для ввода добавочного компонента в межтрубное пространство корпуса 3, оканчивающийся штуцером 4 с монтажной резьбой. Корпус 1 герметизирован с торцов крышками 5, которые имеют сквозные отверстия 6, количество и диаметр которых соответствует количеству и внутреннему диаметру трубок 7, выполняющих с одной стороны функцию каналов для смешения, а с другой стороны функцию устройств для инжектирования добавочного компонента под давлением. Между трубками 7 имеется пространство 3, достаточное для беспрепятственного ввода добавочного компонента, а сами трубки 7 имеют вводные отверстия 8 для формирования необходимой формы и длины струи. Количество, диаметр, форма и взаимное расположение вводных отверстий могут быть различными в зависимости от требуемых характеристик смешения (интенсивности и эффективности). Крышки 5 с внутренней стороны имеют кольцевые пазы 9 и 10 для центровки, как корпуса 1, так и отдельных трубок 7. Для придания герметичности всей конструкции пазы уплотнены кольцевыми прокладками 11 и 12, а крышки 5 стянуты шпильками 13 с гайками 14, устанавливаемые в отверстия 15, расположенные на периферийной окружности крышек 5. К крышкам 5 смонтированы переходные патрубки 16 распределительной и сборной камеры с монтажными фланцами 17 для соединения с трубопроводом.
Обрабатываемый поток поступает в инжекционный смеситель через входной монтажный фланец 17, попадает в диффузор распределительной камеры, образованной внутренней поверхностью переходного патрубка 16 и перфорированной поверхностью наружной стороны крышки 5, распределяется по отдельным смесительным каналам, выполненным из трубок 7 с рассчитанными размерами (длина, диаметр и толщина стенки). Режим течения в трубках меняется на более спокойный, что создает условия послойного, невозмущенного течения, обеспечивающего малую скорость сдвига при смешивании обрабатываемого потока с добавочным компонентом. Добавочный компонент подается в смеситель через патрубок 2, попадает в межтрубное пространство 3 корпуса 1 и, омывая наружную поверхность трубок 7, инжектируется через вводные отверстия 8 и смешивается с обрабатываемым потоком в трубном пространстве. Отдельные потоки из смесительных каналов, образованных трубками 7 попадают в конфузор сборной камеры, образованный аналогично распределительной камере - внутренней поверхностью переходного патрубка 16 и перфорированной поверхностью наружной стороны крышки 5, где введенный добавочный компонент дополнительно перемешиваются за счет вихрей, образованных сужением конфузора, после чего готовая смесь покидает смеситель через выходной монтажный фланец 17.
Количество, диаметр, толщина стенок и длина трубок 7 рассчитывают исходя из условия обеспечения суммарной площади поперечных сечений трубок равной или большей площади поперечного сечения подводящего нефтепровода без изменения скорости потока в трубках и со снижением турбулентности обрабатываемого потока и переводом его в ламинарный режим. Расстояние между трубками 7 определяется из условий равномерного охвата всей площади внутренней поверхности крышек 5 и межтрубного пространства 3, достаточного для беспрепятственного движения вводимого компонента.
Количество, диаметр, форма и взаимное расположение вводных отверстий 8 в трубках 7 рассчитывают исходя из условия формирования свободных затопленных струй с турбулентным режимом, а форму и угол наклона вводных отверстий 8 относительно оси трубок 7 выбирают в зависимости от требуемой эффективности смешения, с целью обеспечения необходимой степени дисперсности смеси, определяемой эмпирически, например, с помощью микроскопического метода исследования.
Давление подачи добавочного компонента создают больше давления обрабатываемого потока, при этом конкретное значение разницы давлений рассчитывают в зависимости от физических характеристик смешиваемых сред и геометрии вводных отверстий, которая определяется опытным путем.
Расчет основных конструктивных размеров достаточно прост, не требует специальных программ, так как основан на геометрических и гидродинамических зависимостях при соблюдении вышеназванных условий.
В таблице 1 представлен алгоритм расчета основных параметров устройства на примере смешения пресной воды с обезвоженной нефтью на ступени обессоливания.
Таблица 1 – Расчет основных параметров инжекционного смесителя
| № | Параметры | Ед. изм. | Обозначения и формулы | Значения |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | Обрабатываемый поток - обезвоженная нефть | |||
| 1.1 | Кинематическая вязкость | м2/с | Νп | 0,000221 |
| 1.2 | Расход | м3/с | Qп | 0,1319 |
| 1.3 | Рабочее давление | кгс/см2 | Pп | 3,0 |
| 2 | Подводящий трубопровод обрабатываемого потока | |||
| 2.1 | Наружный диаметр | мм | Dнп | 273 |
| 2.2 | Толщина стенки | мм | Tп | 11,5 |
| 2.3 | Внутренний диаметр | мм | Dвп=Dнп-2*tп | 250 |
| 2.4 | Площадь поперечного сечения | м2 |
|
0,04906 |
| 2.5 | Скорость потока нефти | м/с | Vп=qп/Sп | 2,7 |
| 2.6 | Число Рейнольдса | - |
|
3046 |
| 2.7 | Режим течения | - | Reп > 2100 | турбул. |
| 3 | Трубки обрабатываемого потока | |||
| 3.1 | Наружный диаметр трубок | мм | Dнт | 22,0 |
| 3.2 | Толщина стенки трубки | мм | Tт | 3,0 |
| 3.3 | Внутренний диаметр трубок | мм | Dвт = Dнт - 2*tт | 16,0 |
| 3.4 | Площадь поперечного сечения трубки | м2 |
|
0,000201 |
| 3.5 | Количество трубок из условия равнопроходимости | шт | Nт = Sп / Sт | 244 |
| 3.6 | Расход обрабатываемого потока через одну трубку | м3/с | qт = qп / Nт | 0,000541 |
| 3.7 | Число Рейнольдса для потока в трубке | - |
|
268 |
| 3.8 | Режим течения потока в трубке | - | Reт << 2300 | ламинарный |
| 4 | Корпус смесителя | |||
| 4.1 | Площадь крышки занятая трубками | м2 |
|
0,09271 |
| 4.2 | Превышение всей площади вну-тренней части крышки относи-тельно площади занятой трубками | раз | k | 2,0 |
| 4.3 | Площадь внутр. части крышки | м2 | Sкр = k * Sкрт | 0,18541 |
| 4.4 | Внутренний минимальный диаметр корпуса | мм |
|
496 |
| 4.5 | Толщина стенки корпуса (ГОСТ 8732-78) | мм | Tк | 6,0 |
| 4.6 | Ближайший больший наружный диаметр (ГОСТ 8732-78) | мм | Dнк | 530 |
| 4.7 | Внутренний диаметр корпуса | мм | Dвк = Dнк - 2*tк | 518 |
| 4.8 | Площадь поперечного сечения корпуса | м2 |
|
0,21063 |
| 4.9 | Минимальное расстояние между трубками и корпусом | мм | Hт | 5,0 |
Продолжение таблицы 1 - Расчет основных параметров инжекционного смесителя
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 4.10 | Толщина уплотнений | мм | Hп | 1,5 |
| 4.11 | Длина трубок из условия равнопроходимости добавочного компонента между трубками | мм | Lт = (Sк / 2*hт) + hп | 120 |
| 4.12 | Длина цилиндра корпуса | мм | Lц = Lт | 120 |
| 4.13 | Толщина крышек корпуса смеси-теля для глухих фланцев Ру-16 | мм | Hк | 30 |
| 4.14 | Количество шпилек для Dу и Pу-16 | шт | Nш | 20 |
| 4.15 | Диаметр шпилек для Dу и Pу-16 | мм | Dш | 30 |
| 4.16 | Высота гаек | мм | Hг | 24 |
| 4.17 | Длина шпилек | мм | Lш=Lц+2*hк+2*hг+2*10 | 276 |
| 4.18 | Длина резьбовой части шпилек | мм | Lшр=(Lш-Lц)/2 | 78 |
| 4.19 | Длина переходных патрубков | мм | L пер | 615 |
| 4.20 | Толщина фланцев Ру-16 | мм | Hф | 28 |
| 4.21 | Монтажная длина устройства | мм | Lу=Lц+2*hк+2*Lпер+2*hф | 1486 |
| 5 | Вводимый компонент - пресная вода | |||
| 5.1 | Плотность | кг/м3 | Ρк | 1000 |
| 5.2 | Кинематическая вязкость | м2/с | Νк | 0,000478 |
| 5.3 | Расход | м3/с | Qк | 0,007917 |
| 5.4 | Рабочее давление | кгс/см2 | Pк = Pп + ΔPк | 3,5 |
| 6 | Подводящий трубопровод вводимого компонента | |||
| 6.1 | Наружный диаметр | мм | Dнк | 45 |
| 6.2 | Толщина стенки | мм | Tк | 3,2 |
| 6.3 | Внутренний диаметр | мм | Dвк=Dнк-2*tк | 38,6 |
| 6.4 | Площадь поперечного сечения | м2 | Sк = π/Dвк2 | 0,00117 |
| 7 | Вводные отверстия трубок для добавочного компонента | |||
| 7.1 | Диаметр вводного отверстия | мм | Dо | 1,3 |
| 7.2 | Площадь сечения отверстия | м2 | Sо = π/4Dо2 | 0,00000133 |
| 7.3 | Расход компонента, вводимого в одну трубку | м3/с | qкт = qк/Nт | 0,0000324 |
| 7.4 | Число Рейнольдса для турбулизации свободной затопленной струи (Reтс > 10) | - | Reтс | 23 |
| 7.5 | Расход потока через отверстие из условия турбулизации струи | м/с |
|
0,0000127 |
| 7.6 | Скорость ввода компонента через отверстия в трубке | м/с | Vо = qo / Sо | 8,375 |
| 7.7 | Расчетное количество отверстий | шт | Nо = qкт/qо | 3 |
| 7.8 | Перепад давления на отверстии для формирования струи добавочного компонента | кгс/см2 |
|
0,5 |
| 7.9 | Расстояние между вводными отверстиями | мм | Lo = Lт / (No + 1) | 30 |
| 7.10 | Расстояние от конца трубки до вводного отвестия | мм | L1o = Lo | 30 |
| 7.11 | Угол поворота оси отверстий на цилиндре трубки | º | α = 360º / No | 120 |
- по известным параметрам обрабатываемого потока (пп. 1.1-1.3) и размерам подводящего трубопровода (пп. 2.1, 2.2) определяются геометрические характеристики (пп. 2.3, 2.4), скорость потока и режим течения в трубопроводе (пп. 2.5-2.7);
- из стандартного ряда ГОСТ 8734 - 75 выбираются диаметры и толщина трубок (пп. 3.1, 3.2) для труб в диапазоне наружных диаметров от 10 до 25 мм, после чего из них выбирается один вариант исходя из соображений целесообразности и простоты изготовления устройства, определяются геометрические характеристики трубок (пп. 3.3, 3.4), а также количество самих трубок (п. 3.5) из условия обеспечения равной проходимости сечения подводящего трубопровода и суммы сечений всех трубок устройства;
- по полученным данным рассчитывается расход обрабатываемого потока через одну трубку (п. 3.6.) и режим течения в трубке (пп. 3.7, 3.8) с учетом перевода из турбулентного в ламинарный режим.
- исходя из 4-х кратного превышения всей площади крышки (п. 4.3) к площади части занятой трубками (п. 4.1), с учетом толщины корпуса (п. 4.5) и минимального расстояния между трубками и внутренней поверхностью корпуса (п. 4.10), определяется минимальный наружный диаметр цилиндрической части корпуса смесителя (п. 4.6), далее из стандартного ряда ГОСТ 8732 - 78 выбирается ближайший больший наружный диаметр корпуса (п. 4.7), находятся внутренний диаметр (п. 4.8) и площадь сечения трубопровода (п. 4.9);
- по известным геометрическим характеристикам подводящего трубопровода добавочного компонента (пп. 6.1, 6.2) и заданного расстояния между трубками (п. 4.10) определяется длина трубок и длина цилиндрической части корпуса (п. 4.12, 4.13) из условия обеспечения равной проходимости сечения подводящего трубопровода компонента и пространства, образованного расстоянием между трубками и крышками устройства;
- на основании размеров цилиндрической части корпуса рассчитываются и выбираются из стандартных рядов размеры всех деталей (пп. 4.14 - 4.23);
- по известным характеристикам добавочного компонента (пп. 5.1, 5.2) и параметрам трубопровода (пп. 6.1, 6.2), исходя из соображения возможности выполнения, выбирается значение диаметра вводного отверстия и определяется требуемый расход компонента через одно вводное отверстие (п. 7.3) для условия гарантированного превышения числа Рейнольдса для потока во вводном отверстии (п. 7.4) критическому значению перехода режима течения из ламинарного в турбулентный, соответствующему 10 единицам (по данным источника: Экспериментальное исследование затопленных струй при низких числах Рейнольдса / В.В. Леманов, В.И. Терехов, К.А. Шаров, А.А. Шумейко / Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 9, с. 34-40);
- по полученным данным определяется количество отверстий (п. 7.7) и их расположение на трубке (пп. 7.9 - 7.11) с учетом равномерного их размещения на цилиндрической поверхности трубки;
- по полученным значениям площади сечения вводного отверстия (п. 7.2) и требуемого через него расхода компонента (п. 7.5.) определяются скорость потока (п. 7.6) и потери давления (п. 7.8) компонента во вводном отверстии, а исходя из известного значения давления обрабатываемого потока (п. 1.3), определяется давление добавочного компонента (п. 5.4).
Большинство деталей инжекционного смесителя стандартизировано и выпускается промышленностью, а конструкция устройства проста и доступна в изготовлении средствами ремонтно-механических служб производственных предприятий и характеризуется компактностью и простотой в эксплуатации.
Предлагаемое техническое решение инжекционного смешивания компонентов в обрабатываемом потоке повышает эффективность ввода и распределения деэмульгатора и промывной воды в потоке сырой нефти и впоследствии значительно улучшает процесс обессоливания.
Пример применения способа с использованием устройства. На фиг. 4 представлена принципиальная схема ступени обессоливания нефти, используемого для подготовки нефти на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах. Неподготовленную сырую нефть подают на вход обессоливателя 18, где в поток сырой нефти через инжекционные смесители 19 и 20 поочередно добавляют деэмульгатор и пресную воду. Обессоленную нефть выводят с обессоливателя 18 и направляют на ступень стабилизации или концевую сепарационную установку. Минерализованная вода сбрасывается с обессоливателя 18 и выводится со ступени обессоливания, предварительно передавая тепло пресной воде в теплообменнике 21.
Для подтверждения теоретических выводов о большей эффективности тангенциального ввода, обеспечивающим закручивание струй вводимого компонента в обрабатываемом потоке, проведены натурные испытания и сравнение показателей работы ступени обессоливания нефти по представленной на фиг. 4 схеме с применением предлагаемых способа и конструкции инжекционного смесителя и технического решения по прототипу.
По результатам испытаний определялась степень обессоливания нефти как отношение минерализации воды в обессоленной нефти к ее минерализации в исходной (сырой) нефти:
δс = 1 - (Мвых / Мвх), (1)
где Мсвх, Мсвых – минерализация воды на входе и на выходе, мг/дм3.
Минерализация воды в сырой и обессоленной нефти определялась на основании результатов анализов проб нефти на содержание воды по ГОСТ Р54284-2010 и хлористых солей по ГОСТ 33703-2015, отобранных по ГОСТ 2517-2012 на входе и выходе первой ступени обессоливания, соответственно:
Мвх = Sвх × 100 / Wвх, (2)
Мвых = Sвых × 100 / Wвых, (3)
где Sвх, Sвых – содержание солей в нефти на входе и на выходе, мг/дм3;
Wвх, Wвых – содержание воды в нефти на входе и на выходе, мг/дм3.
По содержанию воды и хлористых солей в нефти до и после обессоливания, рассчитывалась минерализация капель воды, содержащейся в нефти до и после обессоливания по формулам (2) и (3), а затем и степень обессоливания по формуле (1) для предлагаемой конструкции смесителя и для прототипа.
В соответствии с данными таблицы 2, использование предлагаемого смесителя, при прочих равных условиях, повышает степень обессоливания нефти на 15% в абсолютных и на 20% в относительных величинах по сравнению с прототипом, что подтверждает более высокую эффективность заявленного способа и устройства инжекционного смешения текучих сред закрученными струями.
Таблица 2 - Результаты испытаний и эффективность смесителей
| № пп | Параметры работы ступени обессоливания | при работе со смесителями | |
| Прототип | Предлагаемый смеситель | ||
| 1 | Виды создаваемых струй по характерным признакам: | Свойства сред | Затопленные |
| Ограниченность | Свободные | Полуограниченные | |
| Течение | Прямоточные | Закрученные | |
| 2 | Направление ввода струй, R / T | Радиальное | Тангенциальное |
| 3 | Содержание воды в нефти на входе, % | 0,50 | |
| 4 | Содержание воды в нефти на выходе, % | 0,50 | 0,50 |
| 5 | Содержание солей в нефти на входе, мг/дм3 | 1000 | |
| 6 | Содержание солей в нефти на выходе, мг/дм3 | 250 | 100 |
| 7 | Минерализация воды в нефти на входе, мг/дм3 | 200000 | |
| 8 | Минерализация воды в нефти на выходе, мг/дм3 | 50000 | 20000 |
| 9 | Степень обессоливания нефти, % | 75,0 | 90,0 |
1. Способ инжекционного смешения текучих сред закрученными струями, отличающийся тем, что смешение производят путем инжектирования добавочного компонента в виде полуограниченных затопленных струй, образующих закрученные турбулентные потоки в смесительных каналах обрабатываемого потока, причем добавочный компонент поступает из межтрубного пространства в смесительные каналы за счет напорной подачи через вводные отверстия трубок под углом и со скоростью, обусловленными достижением требуемых параметров смешения.
2. Устройство инжекционного смешения текучих сред закрученными струями, содержащее корпус с проточной камерой для обрабатываемого потока и соединенный с ним патрубок ввода добавочного компонента, отличающееся тем, что проточная камера состоит из отдельных смесительных каналов, выполненных из равномерно распределенных по всему поперечному сечению корпуса смесителя трубок, а патрубок ввода добавочного компонента соединен с межтрубным пространством, образованным внешней поверхностью трубок и внутренней поверхностью цилиндрической части корпуса, при этом трубки проточной камеры имеют отверстия с тангенциальным направлением ввода и обеспечивающие инжектирование добавочного компонента полуограниченными затопленными струями, образующими закрученные турбулентные потоки в смесительных каналах, а диаметр, форма, угол наклона, количество и взаимное расположение вводных отверстий в трубках определяется из условия достижения требуемых параметров смешения.
