Исследование физико-химических свойств нефти, различных жидкостей и особенностей использования трубопроводов

ρ_вп = ρ_в+ 0.7647*S,                                (2.1)

где ρ_вп — плотность дистиллированной воды при 20°С, кг/м³; S -концентрация соли в воде (растворе), кг/м³.

В диапазоне температур от 0 до 45°С плотность водных растворов солей нефтяных месторождений изменяется мало, поэтому влияние температуры может быть учтено следующим образом:

ρ_вп(Т) = ρ_вп - 0.0714*(t - 20),                              (2.2)

где  ρ_вп(Т), ρ_вп — плотность пластовой воды при температуре t и 20°С соответственно, кг/м³.

Важное значение имеет  возможность учёта изменения  вязкости попутной воды при изменении  её температуры, солесодержания и, как  следствие, плотности. Как показывает обработка экспериментальных данных, вязкость пластовой воды может быть рассчитана следующим образом:

при Δρ<=Δρ1:

                                                        (2.3)

где μ_вп - вязкость пластовой воды при температуре t, мПа·с;

μ_в(t) - вязкость дистиллированной воды при температуре t, мПа·с;

значение её может быть определено по формуле:

μ_в(t) = 1353*(t + 50)^-1.6928                               (2.4)

где Δρ разность между плотностью пластовой и дистиллированной вод при 20°С, кг/м³:

Δρ = ρ_вп -998.3,                                (2.5)

где плотность пластовой  воды при 20°С, кг/м³;  Δρ1 - параметр, определяемый по формуле:

Δρ1 = 0.793*(146.8 - t);                               (2.6)

при  ρ1> Δρ1 :

,                                        (2.7)

где А (ρ) — функция, значения которой зависят от температуры и плотности:

при 0=<t=<20^oC:

А(ρ) = 2.096*(Δρ - 0.5787*Δр1);                            (2.8)

при  20 < t =< 30 ^oС:

А(ρ) = 2.096*(Δρ - 0.5787*Δρl) - 0.032*(t - 20)*(Δρ - Δρl)                         (2.9)

при t>30 ⁰С:

А(ρ) = 1.776*(Δρ - 0.503*Δρ1).                            (2.10)

 

 

Задача 2

Температура попутной воды в технологическом процессе последовательно  принимает ряд значений. Определить изменение плотности  и вязкости  минерализованной воды в технологическом процессе при известном её солесодержания.

Дано:  S=173 г/л; T₁=9^oС; T₂=18^oС; T₃=38^oС.

Найти:

Решение:

Расчитываем параметр .

_{В ячейку I7 вводим   =998,3+0,7647*B10}

при 20^°С

 кг/л    

При 9⁰С по формуле (2.2).

_{В ячейку J7 вводим          =$I$7-0,7614*(B6-20)}

 

Рассчитываем параметр для 9^°С по формуле (2.6).

В ячейку D7 вводим      =0,793*(146,8-B6)

 кг/м³.

Рассчитываем параметр для 9°С по формуле (2.5).

В ячейку E7 вводим     =J7-998,3

 кг/м³.

_{Так как  Δρ>Δρ1, то}

_{вязкость пластовой воды при температуре t рассчитывается по формуле (2.3).}

Так как 0<9<20°С, то функцию находим по формуле (2.8).

_{В ячейку H7 вводим}

=ЕСЛИ(И(0<=B6;B6<=20);2,096*(E7-0,5787*D7);ЕСЛИ(И(20<B6;B6<=30);2,096*(E7-0,5787*D7)-0,032*(B6-20)*(E7-D7);ЕСЛИ(B6>30;1,776*(E7-0,503*D7))))

.

Вязкость дистиллированной воды при температуре t находим по формуле (2.4).

В ячейку G7 вводим 

=1353*СТЕПЕНЬ(B6+50;-1,6928)

мПа·с.

В ячейку F7 вводим 

=ЕСЛИ(E7<=D7;G7*СТЕПЕНЬ(10;0,8831*E7*10^(-3));G7*СТЕПЕНЬ(10;H7*10^(-3)))

мПа·с.

Аналогично делаем расчеты  для других заданных температур.

В ячейки D8,D9  копируем ячейку D7.

В ячейки E8,E9  копируем ячейку E7.

В ячейки F8,F9  копируем ячейку F7.

В ячейки G8,G9  копируем ячейку G7.

В ячейки H8,H9  копируем ячейку H7.

В ячейки J8,J9  копируем ячейку J7.

Результаты  занесены в  таблицу 1.

 

 

Результаты решения задачи 2                                                          таблица 1

Δρ1, кг/м^3	Δρ, кг/м^3	μвп(t), мПа·с	μв(t), мПа·с	A(ρ), мПа·с	ρвп(20°C), кг/л	ρвп(t), кг/л
109,2754	140,6685	1,9764896	1,360189792	162,2950113	1130,5931	1138,9685
102,1384	133,8159	1,5339653	1,06961309	156,588823		1132,1159
86,2784	118,5879	0,9401881	0,691317466	133,5371999		1116,8879

 

Результаты решения задачи 2 и решение задачи 2 в режиме отображения формул.     рис.5

Вывод: вязкость дистиллированной воды уменьшилась  в 2 раза при изменении температуры с 9⁰ до 38 ⁰С. Пластовые воды затрудняют добычу нефти на промыслах, поэтому, необходимо, чтобы она имела как можно меньшую вязкость.

 

ТЕМА 3. НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ  ЖИДКОСТИ

Теплообмен происходит за счет одновременно происходящих процессов  теплопроводности и движения жидкости, то есть конвекции. Если движение происходит за счет перепада давлений (за счет работы насоса или вентилятора), то конвекция  называется вынужденной. Когда движение жидкости происходит только за счет разности плотности из-за неравномерного температурного поля, то имеем дело с естественной конвекцией. Как при вынужденной, так и при естественной конвекции  движение жидкости можно описать  с помощью уравнений гидромеханики. При малых скоростях поток  ламинарен, при больших скоростях - турбулентен. Другой важный случай-теплообмен между стенкой трубы текущей  в ней жидкостью, в этом случае в трубе формируется температурный  пограничный слой, вдали от входа  в трубу слои сливаются и возникает  стабилизированный режим течения. В общем случае, в неизотермическом трубопроводе может наблюдаться два режима течения: на начальном участке - турбулентный, а в конце - ламинарный.

Ламинарное течение — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).

Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит в турбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения в круглой трубе Re ≈ 2300.

Турбулентное  течение — явление, заключающееся в том, что при увеличении интенсивности течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии.

Обычно турбулентность наступает при превышении критического числа Рейнольдса и/или Релея (в частном случае скорости потока при постоянной плотности и диаметре трубы и/или температуры на внешней границе среды).

В частном случае, она наблюдается  во многих потоках жидкостей и  газов, многофазных течениях, жидких кристаллах. Турбулентность также наблюдается  при взрывах звёзд, в сверхтекучем гелии, в нейтронных звёздах, в лёгких человека, движении крови в сердце, при турбулентном (т. н. вибрационном) горении.

Она возникает самопроизвольно, когда  соседние области среды следуют  рядом или проникают один в  другой, при наличии перепада давления или при наличии силы тяжести, или когда области среды обтекают непроницаемые поверхности.

Чтобы определить, какие  режимы существуют в трубопроводе, следует рассчитать критическую температуру, при которой происходит смена турбулентного режима на ламинарный:

 

где t* - температура в рабочем диапазоне, при которой известна вязкость ν; 

u - коэффициент крутизны вискограммы, 1/К; d - внутренний диаметр трубопровода, м; Q - объемный расход, м³/с; Re_кр ⁼ 2300.

Коэффициент крутизны вискограммы  рассчитывают по формуле:  
 
                           

При t_кр ≥ t_н  режим только ламинарный, а при t_кр ≤ t_н  режим только турбулентный. При  t_н > t_kp> t_k в трубопроводе имеют место два режима.

Средняя по сечению трубопровода температура на любом расстоянии от его начала определяется по формуле  Шухова:  
 
                                           

где t_H, t_o - температура нефти в начале трубопровода и температура окружающей среды, соответственно, °С; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); d - внутренний диаметр трубопровода, м; х - расстояние от начала трубопровода до точки, для которой рассчитывается температура, м; G - массовый расход нефти, кг/с; С_Р - удельная теплоемкость нефти, Дж/(кг·К).

В конце трубопровода х = L.

Коэффициенты теплопередачи  различны для ламинарного и турбулентного  режимов.

Для точки х, находящейся в ламинарной зоне при двух режимах движения нефти в трубопроводе, формула Шухова имеет следующий вид:  
 
где t_кр — критическая температура, °С; L_t — длина турбулентного участка, м; L - длина всего трубопровода, м; Шу_л:   
 
 Длина турбулентного участка рассчитывается по формуле:  

Температура в конце трубопровода при двух режимах дни же кия нефти рассчитывается по следующей формуле:

 
 

 

Задача 3

Определить режимы движения нефти  в трубопроводе длины L и внутреннего диаметра d при определённой его пропускной способности Q, температуре нефти в начале t_Н и необходимой температуре конце трубы t_К. Температура окружающей среды t_О известна. Тепловая изоляция отсутствует. Рассчитать температуру нефти по длине трубопровода (минимум 6 точек), и температуру нефти в конце трубопровода.

Дано:   L=5км;   d=209мм;   Q=0.05м³/с;  кг/м³;   t_н=72°С;    t_к=30°С;     t_о=0°С; C_р=2005Дж/(кг·К); t₁=30°С; t₂=70°С; v₁=0.312·10⁴м²/с; v₂=0.066·10⁴м²/с; k_т=15.18Вт/(м²·с).

Найти: l_т=?;    l_л=?;    t_кон=?;   t_x=?

Решение:

1. Определим коэффициент крутизны вискограммы по формуле (3.2):

В ячейку В13 вводим =(LN(K9/L9))/(J9-I9)

 

Рассчитываем критическую  температуру по формуле (3.1).

В ячейку А13 вводим  =J9+(1/B13)*LN((L9*ПИ()*B9*P9)/(4*C9))

 

Определяем режим движения нефти по трубам.

В ячейку С13-14 вводим =ЕСЛИ(A13>=E9;"ламинарный";ЕСЛИ(И(E9>A13; A13>F9);"ламинарный и турбулентный";ЕСЛИ(A13<=F9;"турбулентный")))

3.   Рассчитаем среднюю температуру потока:

а) ламинарный участок.

В ячейку F13 вводим

  =ЕСЛИ(И(E9>A13;A13>F9);(F9+A13)/2;ЕСЛИ(A13>=E9;(F9+A13)/2;ЛОЖЬ))

.

б) турбулентный участок.

В ячейку F14 вводим

=ЕСЛИ(И(E9>A13;A13>F9);(A13+E9)/2;ЕСЛИ(A13<=F9;(A13+E9)/2;ЛОЖЬ))

.

_{4.    Рассчитываем коэффициент термического расширения нефти по формулам (1.2) и (1.3).}

В ячейку G13-14 вводим  =ЕСЛИ(И(780<=D9;D9<=860);10^(-3)*(2,638*(1,169-D9*10^(-3)));ЕСЛИ(И(860<D9;D9<=960);(10^(-3)*(1,975*(1,272-D9*10^(-3))))))

.

     5.    Рассчитаем  плотность нефти при средних температурах потока по формуле (1.1):

а) ламинарный участок.

В ячейку Н13 вводим

  =ЕСЛИ(И(E9>A13;A13>F9);D9/(1+G13*(F13-20));ЕСЛИ(A13>=E9;D9/(1+G13*(F13-20));ЛОЖЬ))

.

б) турбулентный участок.

В ячейку Н14 вводим

=ЕСЛИ(И(E9>A13;A13>F9);D9/(1+G13*(F14-20));ЕСЛИ(A13<=F9;D9/(1+G13*(F14-20));ЛОЖЬ))

.

6. Рассчитаем длины участков:

а) ламинарный участок.

В ячейку I13 вводим

=ЕСЛИ(И(E9>A13;A13>F9);C9*H13*H9*LN((A13-G9)/(F9-G9))/O4/ПИ()/B9;ЕСЛИ(A13>=E9;A9;0))

.

б) турбулентный участок.

В ячейку I14 вводим  =ЕСЛИ(И(E9>A13;A13>F9);C9*H13*H9*LN((A13-G9)/(F9-G9))/O4/ПИ()/B9;ЕСЛИ(A13<=F9;A9;0))

.

7. Рассчитаем температуру нефти в конце трубопровода по формуле (3.3):

В ячейку J14 вводим

  =G9+(E9-G9)*EXP(-M9*ПИ()*B9*A9/D14/H9)

°С.

В ячейки  D19:K19 копируем ячейку С19.