Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
В качестве характерных параметров ЭГД-генераторов можно указать напряжение на коллекторе ≈100 кВ и ток в цепи нагрузки ≈100 мкА при напряжении на зарядном устройстве ≈10 кВ и примерно том же значении тока. Таким образом, выигрыш в получаемой мощности соответствует соотношению между напряжением на коллекторе и напряжением на зарядном устройстве. 14.4. ЭГД-компрессор Принцип работы ЭГД-компрессора иллюстрирует рис. 14.3. Это устройство используется для создания перепада давления в газе и организации соответствующего движения газовой среды. В этом случае электрическая энергия преобразуется в энергию газового потока. Электрическое поле в рабочем промежутке устройства создается за счет приложенного напряжения между коронирующим и заземленным электродами. В качестве коронирующего электрода можно использовать сетку с иглами, а заземленный электрод 2 4 3 U пот Рис. 14.3. Схема ЭГД-компрессора 1 − канал с диэлектричекими стенками; 2 − стенка с иглами; 3 − заземленный электрод-сетка; 4 − ионы или заряженные частицы. F пот Eq U к Q к U пот +U кор 1 2 3 4 5 Рис. 14.2. Схема ЭГД-генератора 1 − канал с диэлектрическими стенками; 2 − газовый поток; 3 − коронирующий электрод зарядного устройства; 4 − заземленный электрод-сетка; 5 − коллектор; R н – нагрузка. может быть выполнен в виде кольца или сетки. При положительной полярности напряжения на коронирующем электроде в рабочем промежутке под действие поля движутся положительные ионы в направлении слева направо. Сила, действующая на единицу объема рабочего промежутка, равна F=E ⋅ ρ, где ρ— плотность объемного заряда. Если ввести в газ частицы аэрозоля, то величина ρпредставляет собой плотность объемного заряда частиц. Как при использовании аэрозоля, так и в случае движения ионов, сила, действующая на объемный заряд, практически означает силу, действующую на газовую среду, так как кинетическая энергия движущихся ионов или аэрозольных частиц мала. Как уже указывалось, появление силы, действующей на газовую среду, вызывает ее движение. Такое явление под названием «электрический ветер» известно уже давно и используется в электростатических вентиляторах. Хотя коэффициент полезного действия этих устройств невелик, простота конструкции и отсутствие движущихся частей делают их привлекательными для использования в быту. В общем случае применение ЭГД-компрессоров может быть привлекательным для холодильников различного назначения. Однако предстоит еще большая работа по оптимизации этих устройств, повышению предельных параметров (в особенности по величине достигаемого перепада давления), надежности и экономичности. 11. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ 11.1. Требования к содержанию воды и солей в нефтепродуктах Качество добываемой нефти и качество нефтепродуктов наряду с другими показателями определяется содержанием в них влаги. Содержание влаги в исходном продукте колеблется в широких пределах − от 60% до 0,1%. Влага может находиться в нефтепродуктах в виде капелек воды, находящихся во взвешенном состоянии и образующих эмульсии, или в растворенном виде. Кроме того, качество сырой нефти определяется содержанием солей, которое может достигать нескольких граммов на литр. Наличие в нефти воды и солей вызывает целый ряд трудностей в процессе транспортировки и переработки: 1. удовлетворение требований качества поставляемой сырой нефти и нефтепродуктов; 2. повышенная коррозия трубопроводов и элементов технологического оборудования; 3. дополнительные энергозатраты на перекачку и ректификацию; 4. загрязнение элементов технологического оборудования. На практике необходимость обезвоживания и обессоливания возникает трижды в цепи добыча − транспортировка − переработка. Требования ГОСТ к качеству нефти и нефтепродукта перед транспортировкой таковы: − содержание влаги W воды < 0,5%; − содержание солей Р соли < 200 мг/л. Перед ректификационной колонной должны удовлетворяться требования: − W воды < 0,05%; − Р соли < 20 мг/л. К конечному продукту предъявляются более суровые требования, поэтому часто приходится использовать даже дополнительную перегонку. Помимо первичной воды, присутствующей в сырой нефти, часто приходится дополнительно добавлять некоторое количество чистой воды для растворения присутствующих в нефти солей, и тогда система обезвоживания становится двух-, трехступенчатой. 11.2. Теоретические основы обезвоживания нефтепродуктов Электоронно-ионные технологии применяются при обезвоживании сырой нефти и нефтепродуктов. Вода в нефть попадает при добыче нефти из нефтяных скважин, а также в ходе технологических процессов переработки нефти в нефтепродукты. Для обеспечения высокого качества нефтепродуктов необходимо в ходе технологического процесса обезвоживания вывести в максимально доступном количестве соли и воду из нефтепродукта. Удаление воды из нефтепродукта может происходить в результате организации направленного движения капель воды из объема нефтепродукта. Первым направлением является использование седиментации капель воды. Иными словами, в процессе отстоя капли воды под действием силы тяжести осаждаются на дно резервуара. Второе направление − зарядка и организация движения частиц воды в электрическом поле таким образом, чтобы капли воды ушли за пределы объема нефтепродукта. Капельки воды могут под действием сил электрического поля собираться на электродах или специальных пористых перегородках и стекать на дно сосудов. Удаление воды со дна резервуара производится путем слива. Удаление воды из нефти основано на том, что вода имеет большую плотность, чем нефть, и в процессе отстоя капли воды падают на дно резервуара. Нефть всплывает и остается в верхней части резервуара. Эффективность процесса удаления воды из объема нефтепродукта зависит от вязкости нефтепродукта. Вязкость определяется температурой, и, чем выше температура, тем меньше вязкость и больше скорость седиментации. Также скорость процесса зависит в значительной мере от размера капель воды: чем больше радиус капли, тем выше скорость оседания капель. 11.2.1. Седиментация капель воды в нефтепродукте Установившаяся скорость оседания капель воды в нефтепродукте определяется из условия равенства внешней силы F, действующей на каплю, силе сопротивления среды движению капли. Внешняя сила, действующая на каплю, находящуюся в нефтепродукте, равна разности между силой тяжести и архимедовой силой (силой плавучести) ρ π ∆ = g a F 3 вн 4 3 , (11.1) где а − радиус капли, g = 9,8 м/с 2 − ускорение свободного падения, ∆ ρ − разность значений плотности воды и нефтепродукта ( ∆ ρ = ρ в - ρ н ). В силу большой вязкости нефтепродукта и малых размеров капель воды их осаждение происходит в пределах стоксовского диапазона числа Рейнольдса (Rе ≤ 0,5) и сила сопротивления среды определяется по формуле Стокса c эф c 6 aV F πµ = , (11.2) где V c − скорость седиментации (осаждения); µ эф − эффективная вязкость среды. Эффективная вязкость в формуле (11.2) отличается от вязкости среды (нефтепродукта) из-за того, что движение капли относительно нефтепродукта вызывает циркуляцию воды в капле и это приводит к некоторому уменьшению сопротивления среды по сравнению с движением твердой сферической частицы. Тогда ( ) в в экв 3 3 2 µ µ µ µ µ µ + + = , (11.3) где µ = (1÷10)⋅10 −2 Па − вязкость нефтепродукта в зависимости от его сорта; µ в = 10 −3 Па − вязкость воды. Приравнивая (11.1) и (11.2), получим выражение для скорости седиментации эф 2 c 2 µ ρ g ga V ∆ = . (11.3) При ρ в =1000кг/м 3 и ρ нефти =850 кг/м 3 получим скорость седиментации равной V c =5 ⋅10 4 a 2 . Таким образом, скорость осаждения капель в нефтепродуктах растет пропорционально квадрату радиуса капель. 11.2.2. Движение заряженных капель в электрическом поле в нефтепродукте Скорость движения капель в электрическом поле в нефтепродукте определяется из равенства силы, действующей в электрическом поле на каплю, и силы сопротивления среды движению капли. Допустим, что в нефтепродукте присутствуют ионы одного знака. Тогда в электрическом поле капля приобретает, как было показано в гл. 5, наибольший возможный заряд равный E a q 2 0 к 12 πε = . (11.4) Соответственно, сила, действующая на каплю в электрическом поле, будет равна 2 2 0 к э 12 E a E q F πε = = . (11.5) Приравнивая (11.5) силе сопротивления среды по (11.2) получим формулу для скорости движения капель в электрическом поле: эф 2 0 E 2 µ ε aE V = . (11.6) Сопоставим скорость движения капель под действием электрического поля и в результате седиментации. Отношение значений скорости по (11.6) и (11.3) записывается в виде: ρ ε ∆ = ga E g V V 2 0 c E . (11.7) В табл. 11.1 представлены значения скорости седиментации V C , времени осаждения капель на расстояние 1м t отс (L=1м) в часах и отношения V E /V с по (11.7) для следующих условий Е=3 кВ/см, ∆ ρ =150 кг/м 3 в зависимости от размера капель. Таблица 11.1 а , (мкм) 5 10 100 500 1000 V с , (м/с) 1,25 ⋅10 −6 5 ⋅10 −6 5 ⋅10 −4 1,25 ⋅10 −2 5 ⋅10 −2 t отс (L=1м), (час) 220 55 0,55 0,022 5,5 ⋅10 −3 V E /V с 1100 550 55 11 5,5 Из табл. 11.1 следует, что время отстоя для частиц радиусом менее 100 мкм существенно превышает 1 час, которое представляется предельно целесообразным. Для частиц менее 100 мкм движение в электрическом поле может рассматриваться как более предпочтительный механизм удаления капель влаги из объема нефтепродукта. Даже для крупных капель движение в электрическом поле остается достаточно эффективным. 11.2.3. Процессы укрупнения капель воды Процессы укрупнения капель воды в нефтепродукте играют очень важную роль, так как приводят к существенному возрастанию скорости седиментации. Процесс слияния капель воды, или коалесценция, может происходить в результате соударения частиц разного размера при седиментации, при взаимодействии поляризованных частиц в электрическом поле или при соударении частиц, участвующих в турбулизированном движении среды. Число соударений при седиментации растет при увеличении относительной скорости сближения частиц. Как следует из (11.3) 2 2 2 1 отн a a V − = , где а 1 и а 2 − соответственно радиусы взаимодействующих частиц. Таким образом ясно, что эффективность коалесценции растет с увеличением радиуса частиц при одновременном увеличении различия в их размере. На процесс слияния капель воды при столкновении оказывает влияние слой нефтепродукта, который препятствует этому слиянию. Разрушение тонкого слоя нефтепродукта на поверхности капли обеспечивается воздействием химическими веществами − деэмульгаторами. Действие деэмульгатора приводит к снижению сил поверхностоного натяжения и, таким образом, облегчает их слияние. Основным недостатком процесса удаления влаги за счет седиментации являются: 1. Большая длительность процесса седиментации. 2. Необходимость содержания больших объемов нефти в специальных отстойниках. Пленка на поверхности капель активно разрушается при взаимодействии капель в электрическом поле. Процесс слияния капель происходит следующим образом. Капли, попадая в электрическое поле, поляризуются, и их форма приближается к эллипсоидальной (рис. 11.1). Соударение и слияние капель происходит за счет кулоновского взаимодействия противоположных по знаку поляризационных зарядов частиц, оказавшихся вблизи друг от друга. Из электростатики известно, что заряд поляризации q n ≡Еа 2 . Следовательно, сила взаимодействия, определяющая сближение и слияние капель F вз = q n Е ≡ а 2 Е 2 Таким образом, эффективность коалесценции капель в электрическом поле существенно растет с увеличением размера частиц и напряженности поля. Однако деформация капель в электрическом поле может привести к процессу обратному по отношению к коалесценции − разрыву капель. Это происходит, когда действие поля на поляризационные заряды превышает действие сил поверхностного натяжения, препятствующих F вз q n q n E Рис. 11.1. Поляризация взаимодейству ющих капель в электрическом поле разрыву капель. Таким образом, если F разр ≡ а 2 Е 2 и F пов ≡ σ а, где σ − коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела сред вода −нефть ( σ≈ 20⋅10 −3 Н/м), то из условия F разр = F пов следует, что a E σ ≡ кр или 2 кр кр − ≡ E a . (11.8) На рис. 11.2 показана зависимость критической напряженности электрического поля от размера капель. В области, находящейся ниже этой кривой, преобладает коалесценция капель воды. Область, лежащая выше кривой, соответствует разрыву капель воды под действием сил поляризации. 11.2.4. Зарядка капель воды в нефтепродукте Процесс удаления капель из нефтепродукта под действием электрического поля определяется величиной заряда капель. Для суждения о возможном механизме зарядки капель воды в нефтепродукте рассмотрим ионный состав нефтепродуктов. Вода и нефтепродукты характеризуются следующими значениями диэлектрической проницаемости ε, удельной проводимости γ и коэффициента динамической вязкости µ: 1. вода ε ≅ 80 γ ≅10 −2 ÷10 −4 1/Ом ⋅м µ= 10 −3 кг/м ⋅с; 2. сырая нефть ε ≅ 4÷5 γ ≅10 −6 ÷10 −9 1/Ом ⋅м µ= (1÷10)10 −2 кг/м ⋅с; 3. светлые нефтепродукты ε ≅ 2,2 γ ≅10 −10 ÷10 −12 1/Ом ⋅м µ= (1÷10)10 −2 кг/м ⋅с. Под воздействием сильных электрических полей в диэлектрических жидкостях − нефти и нефтепродуктах − начинается процесс диссоциации − образования положительных и отрицательных ионов. Электрическое поле заставляет двигаться разноименно заряженные ионы в объеме жидкости. В результате около электродов создаются области с избыточным содержанием ионов одного знака. С ростом концентрации ионов в объеме увеличивается вероятность столкновений разноименно заряженных частиц, сопровождающихся рекомбинацией. Устанавливается динамическое равновесие между образующимися и рекомбинирующими ионами. Движение ионов в нефти, которая имеет гораздо большую вязкость, чем вода, вызывает движение жидкости и образуются в ее объеме электрогидродинамические потоки. Это происходит потому, что движение ионов в вязкой жидкости передается нейтральным частицам, а это, в свою очередь, приводит к интенсивному перемешиванию жидкости, увеличивая интенсивность взаимодействия капель. Капли в нефтепродукте могут приобретать заряд по контактному механизму или в результате осаждения ионов в электрическом поле в объеме нефтепродукта. Капля воды при контакте с электродами в электрическом поле приобретает заряд, совпадающий по знаку с полярностью электрода. Как только капля оторвется от электрода, заряд с нее начинает стекать благодаря проводимости нефти. Постоянная времени стекания заряда γ εε τ 0 = . Для нефти наибольшая величина τ равна 2 9 2 10 7 , 1 10 10 85 , 8 2 − − − ⋅ = ⋅ ⋅ = τ с. Из приведенной оценки видно, что капля воды в нефти быстро теряет свой заряд и в этом случае индукционная зарядка неэффективна. Для светлых нефтепродуктов оценка времени релаксации дает значение τ= 2с. Здесь индукционная зарядка становится эффективной, так как капля не успевает потерять заряд. В соответствии с теорией индукционной зарядки частиц, изложенной в § 5.2.2, сферическая частица на электроде моделируется полуэллипсоидом вращения с соотношением осей в/а = с/а = 0,5 (а − длина полуоси в направлении перпендикулярном электроду и в − радиус сферической частицы) и величина заряда такой модели равна 2 0 82 , 5 Eв q πε − = . (11.9) Кроме того, известна более точная формула, относящаяся непосредственно к сфере радиуса в 2 0 3 3 2 Eв q ε π − = . (11.10) Различие между значениями заряда по (11.9) и (11.10) составляет 12%. Рассмотрим зарядку капель воды в объеме нефтепродукта в электрическом поле. В общем случае в объеме нефтепродукта находятся и положительные и отрицательные ионы. За счет их осаждения на капле воды происходит зарядка. В соответствии с теорией ионной зарядки (§ 5.2.1) предельный заряд капли воды равен 40 12 4 0 100 1000 10 Е кр , кВ/см а, мкм Разрыв Слияние 11.2. Зависимость критической напряженности поля от радиуса капли + + − − + + − − + − = k en k en k en k en q q m 1 1 пред , (11.11) где q m =12 πε 0 a 2 E, a − радиус капли, γ v+ = en + k + = ρ + k + , γ v − = en − k − = ρ − k − − удельные проводимости, определяемые соответственно положительными и отрицательными ионами. Результирующая проводимость γ v = γ v+ + γ v − Подвижности положительных и отрицательных ионов примерно равны, т.е. k + = k − . Кроме того, представим плотность объемного заряда ионов в следующем виде ρ + = ρ ср и ρ − = ρ ср + ∆ ρ, где ρ ср − часть плотности объемного заряда одинаковая для положительных и отрицательных ионов; ∆ ρ − превышение плотности заряда одного из видов ионов, в данном случае, отрицательных ионов. Тогда (11.11) перепишется в виде: ср ср 1 1 1 1 ρ ρ ρ ρ ∆ + + ∆ + − = m q q . (11.12) Если 1 ср << ∆ ρ ρ , то (11.12) упрощается: ср 2 ρ ρ ∆ = m q q . (11.13) Учтем увеличение проводимости среды за счет диссоциации в электрическом поле, т.е. ( ) k E k k 2 2 ус v v ср 0 γ γ ρ = = , (11.14) где 0 v γ − проводимость среды при отсутствии поля, k ус (Е) − коэффициент увеличения проводимости за счет диссоциации. Воспользуемся далее моделью одномерного слоя объемного заряда плотностью ∆ ρ и толщиной h, чтобы записать выражение для напряженности этого слоя ε ε ρ 0 сл 2 h E ⋅ ∆ = . (11.15) Если напряженность поля, создаваемая избыточным зарядом, соизмерима со средним полем в установке, т.е. Е ср = Е сл то из (11.14) и (11.15) получим ( ) E k h k E ус v ср 0 ср 0 2 γ ε ε ρ ρ = ∆ . (11.16) В табл. 11.2 представлены значения заряда по отношению к максимально возможному (предельному) q/q m в зависимости от проводимости среды при следующих условиях h = 0,05 м, Е ср = 5 ⋅10 5 В/м, k ус (Е) = 2,5. |