Прислать материал
Экспериментальная верификация модифицированного метода фазовой функции для расчёта процессов электрокоалесценции в электродегидраторах
К задачам исследования относятся проектирование и создание экспериментального макета, в котором будет максимально устранено влияние краевых эффектов, анализ значимых свойств среды и параметров эксперимента с указанием соответствующих данных в наборе результатов и получение зависимости степени деформации капель воды от их радиуса и приложенного напряжения.
Сырая нефть обычно содержит большое количество воды, которую необходимо отделить до начала процесса глубокой переработки. Для этого используются т.н. электродегидраторы, которые производят обезвоживание среды при помощи электрического поля. Однако проектирование подобных устройств затруднено из-за отсутствия надёжных компьютерных моделей, позволяющих рассчитывать процессы электрокоалесценции в нефтяных эмульсиях, что обусловливает сравнительно невысокую эффективность и качество очистки существующих электродегидраторов [1, 2]. Ввиду этого, экспериментальная проверка новой перспективной методики расчёта представляется очень актуальной задачей.
Методы исследования: компьютерное моделирование на основе метода конечных элементов процессов электродеформации проводящей дисперсной фазы в жидкой диэлектрической дисперсной среде и экспериментальное исследование соответствующего процесса.
Для компьютерного моделирования использован модифицированный метод фазовой функции, позволяющий описывать движение межфазной границы под действием внешних полей. Расчёты проведены в двумерной осесимметричной постановке; модель представляет собой два плоских электрода, создающих электрическое поле, и конечный объём, заполненный жидким диэлектриком, в котором находятся капли воды.
Экспериментальный макет был спроектирован (смоделирован) так, чтобы минимизировать нарушение неоднородности электрического поля из-за краевых эффектов. При помощи цифровой видеокамеры произведена видеозапись процессов электродеформации капель воды под действием электрического поля. Построены зависимости степени деформации капель от их радиуса для нескольких напряжений и проведено сравнение расчётных и экспериментальных данных, а также приближённой аналитической зависимости, построенной по формуле Тейлора.
Материалы: дисперсная среда — вазелиновое и оливковое масла, дисперсная фаза — вода, что удовлетворяет требованиям, при которых возможна работа электродегидраторов.
Основными результатами работы являются следующие: создан экспериментальный макет для исследования процессов электродеформации капель, получены количественные экспериментальные данные, реализована компьютерная модель, позволяющая рассчитывать аналогичные процессы, и подтверждена корректность рассматриваемой численной методики на основе сопоставления результатов моделирования с экспериментальными данными и аналитической зависимостью.
В настоящей работе спроектирован и реализован экспериментальный макет, позволяющий исследовать процессы электродеформации и электрокоалесценции проводящей дисперсионной фазы, взвешенной в непроводящей дисперсионной среде. С его помощью получен набор экспериментальных данных с указанием всех необходимых свойств жидкостей и параметров проведения эксперимента.
Реализована компьютерная модель, позволяющая проводить расчёты при помощи модифицированного метода фазовой функции, и рассчитаны зависимости степени деформации капли от радиуса и напряжения в условиях, максимально близко соответствующих эксперименту.
Результаты представлены в виде графиков с указанием погрешности экспериментальных данных и сравнением с аналитической формулой Тейлора, которая может применяться в случае малых деформаций.
Рис. 1. Зависимость степени деформации от радиуса капли для двух значений напряжения: 6,6 кВ (левый график), 9,5 кВ (правый график).
Поскольку значение коэффициента межфазного натяжения для используемой жидкости (оливкового масла) может немного отличаться от значения, взятого из статьи, то при расчётах сделана небольшая вариация данного параметра — вычисления проведены для значений 0,016 и 0,017 Н/м. На графиках представлены обе расчётные кривые. Они показывают, что небольшая ошибка в определении коэффициента межфазного натяжения слабо сказывается на результатах, за исключением критического диапазона параметров, когда происходит разрыв капли.
На основе выполненного сравнения можно сделать заключение, что применение модифицированного метода фазовой функции позволяет получить значение деформации капли с погрешностью не более 5–10 % по отношению к экспериментальным данным. В настоящее время данный результат, получаемый при использовании именно метода фазовой функции (принципиально позволяющего рассчитывать процессы электрообъединения капель), превосходит результаты других научных групп. Таким образом, рассмотренный метод хорошо описывает процессы электродеформации капель воды в жидких диэлектриках, и применим для описания процессов, происходящих в нефтяной эмульсии под действием электрического поля.
[2] K. V. Tarantsev, E. G. Krasnaya, V. A. Chirkov, I. A. Ashikhmin, “Optimization of Designs of Electrodehydrators by Computer Simulation,” Chemical And Petroleum Engineering, V. 49, I. 5-6: p. 371 – 374, 2013.