СНИЖЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕЙ И УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСПОРТИРОВКИ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Высокая мощность месторождений высоковязкой нефти означает необходимость постоянного совершенствования технологии транспортировки, основным ограничением которой являются реологические свойства и высокие экономические затраты.

Использование в настоящее время методов и средств повышения эффективности перевозочного процесса зависит, прежде всего, от экономических условий страны.

Исследования показали, что экономическая эффективность системы транспортировки высоковязкой нефти в России характеризуется низкой рентабельностью, в связи с чем нефтяные компании ежегодно направляют огромные финансовые средства на совершенствование процесса транспортировки нефти.

На данный момент основными способами обработки сырья с целью получения высоких скоростей транспортировки являются: термический нагрев; добавление добавок и разбавителей, применение электромагнитного излучения. Самый распространенный и эффективный метод, осуществляемый с помощью подогревателей, но в то же время и самый дорогой метод кавитации. [1]

По мнению зарубежных специалистов наиболее эффективным способом является гидродинамическая кавитационная обработка. Отличительные характеристики: эффективность, экономичность и возможность использования внутренних резервов вещества для изменения реологических свойств нефти (структурная вязкость, температура застывания) и др. Для сравнения, при близких значениях жидкости происходит обильное выделение пузырьков (каверн) с растворенным газом.

Взрыв каверны характеризуется резкими скачками температуры и давления, которые вызывают резкий скачок температурного режима. Энергия разрушает близлежащие углеродные цепи и молекулярные соединения и локально нагревает поверхность. При этом количество пузырьков в одном м³ может быть от 104 до 106. Если говорить о явлениях, возникающих при гидродинамической кавитации, то они имеют место в местах сужения и расширения каналов. Метод, который используется для снижения вязкости нефти и снижения экономической нагрузки нефтяных компаний с целью повышения эффективности подготовки нефти, называется кавитационной обработкой. Нефть за счет изменения сечения технологических трубопроводов на входе в прямую трубчатую блочную печь и применения щелевых цилиндров снижает вязкость (рисунок 1).[2,3]

Рисунок 1.Кавитационное оборудование 1 — конфузор, 2 — рабочая камера, 3 — диффузор с щелевым цилиндром

Процесс кавитации аналогичен кипению жидкости, поэтому в качестве критического давления, при котором возникает кавитация, обычно принимают давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре.

Нетрудно показать, что при определенном пересыщении вклад составляющей в общий процесс дегазации становится преобладающим. Очевидно, что описание гетерогенного зарождения кавитационных зародышей затруднено из-за большого количества случайных и трудно определяемых параметров, от которых во многом зависит протекание процесса.

Поэтому здесь мы ограничимся описанием только гомогенной нуклеации. Рассмотрим гетерогенную нуклеацию только качественно. Пусть в начальный момент времени в пересыщенном расплаве образовался и начал расти сверхкритический газовый пузырек (докритические пузыри неустойчивы и схлопываются под действием сил поверхностного натяжения). [1,2]

Рост пузырьков будем описывать в рамках «ячеистой» модели, согласно которой каждому пузырьку ставится в соответствие определенная сферическая область, на границе которой выполняются условия симметрии (рисунок 2). Ячейки при этом полностью заполняют весь объем.

Рисунок 2. Схематическое изображение роста пузырьков

Отметим еще раз, что зарождение пузырьков происходит только на начальной стадии процесса.

Это связано с тем, что толщина диффузионных пограничных слоев, образующихся вокруг отдельных пузырьков, значительно превышает размеры самих пузырьков, и, следовательно, относительный объем «запретной» области очень быстро стремится к единице по мере их роста.

После того как «запретная» область полностью покроет весь объем, зарождение новых очагов кавитации прекращается. Выделение основной массы происходит на стадии диффузионного роста первоначально образовавшихся центров. [2]

Минимальная скорость течения нефти в модуле, необходимая для возникновения кавитации, определяется по формуле:

где Pкр — критическое давление кавитации (Па); Pн — давление насыщенных паров (Па). Необходимый напор насоса для возникновения кавитации:

где ℎ_м— суммарные потери напора в модуле, м.

Конечный вид формулы напора выглядит следующим образом:

С помощью локальной смены уровня давления и создания условий для разрыва жидкостной сплошности выделяется энергия, эквивалентная изменению температуры нефти при средней плотности 940 кг/м³ и вязкости 120 мПас на 2–3 ⁰С.

Рисунок 3. Зависимость восстановления динамической вязкости от времени релаксации

Результаты проведенного анализа показали, что метод кавитационной обработки является эффективным и альтернативным методом для переработки высоковязкой нефти. В этом заключается экономическая целесообразность и эффективность применения комплексной обработки нефти.[2]

После проведения вакуумной обработки начальная температура подогрева высоковязкой нефти повышается на 2–3 ⁰С.

За счет применения комплексного метода уменьшается вязкость нефти, что приводит к снижению затрат на подогрев и расход топлива;

При разрыве углеродных связей улучшается реологические свойства нефти за счет разрыва углеродистых связей, что позитивно скажется на дальнейшей транспортировке и переработке нефти.