Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 [ 83 ] 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121

«1
с а с" 0 осе 00 0%
0 0 0 У

Рис. 7.8. Структурные формы газожидкостных потоков в вертикальных трубах:

а - пулырькоиаи; Г> -~ npooKfjnaii или снарядная; а - - всленеииая, - кольцепая или дисперсно-кольцевая

Рис. 7.9. Структурные формы гпзожидкост-пых потоков в горизонтальных и слабонаклонных трубах:

а - пузырьковая; б пробковая; л - расслоенная с ладкой границей раздела; г - расслоенная с волновой границей раздела; д - расслоенная со шквальными волнами; е - пробкопо-вспе-ненная; ж - мелкодиспергированная или эмульсионная; 3 - кольцевая или дисперсно-кольцевая структуры потоков

смачивая только часть поверхности трубы, а газ - в верхней. При этом граница 1заздела жидкость - газ может быть гладкой и плоской, может иметь небольшую рябь или волны значительной длины и амплитуды. Расслоенная структура может быть получена из пробковой посредством увеличения объемного расходного содержания газа, когда отдельные пробки газа сливаются. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к образованию сначала небольших, затем больших и, наконец, шквальных волн, которые могут перекрывать все сечение трубы, и, следовательно, создавать пробковую структуру, но уже на другом уровне - резко выраженными пульсациями давления, появлением иены и т. д.

Вспененная или мелкодиспергированная структура. В вертикальных восходящих потоках увеличение скорости двухфазной смеси приводит к смене пробковой (снарядной) структуры на вспененную. Эта структура является переходной от пробковой к кольцевой. Причем с уменьшением диаметра трубы переход от пробковой к кольцевой структуре происходит более плавно и область существования вспененной структуры уменьшается. Появление вспененной структуры объясняется распадом пробок на более мелкие из-за турбулентных пульсаций скорости и давления. Иными словами, происходит диспергирование газовой фазы до очень малых размеров. Отдельные глобулы газа разделяются между собой тонкой пленкой жидкости, прочность которой зависит от физических свойств жидкости, в том числе и от поверхностного натяжения. В случае горизонтальных течений вспененную структуру часто называют еще мелкодиспергированной или эмульсионной.

Кольцевая или дисперсно-кольцевая структура. Такое течение газожидкостного потока характеризуется тем, что на стенках трубы

имеется слой жидкости, в центральной же части движется газ, содер-жаигий мелкие капли жидкости. Кольцевая структура существует при очень больших содержаниях газа и bijIcokhx скоростях движения газожидкостной смеси. Граница раздела л<идкость - газ представляет собой волнистую поверхность, с которой происходит отрыв и унос капель жидкости. С ростом скорости смеси количество распыленной жидкости в газовом ядре потока и степень дисперсности увеличиваются.

Особенность течений двухфазных смесей заключается в том, что они всегда имеют не только фиксированные внешние ограничивающие поверхности (стенки труб), но и внутренние повер>(ности раздела фаз, положение которых .меняется во времени и в просгранстве. Через поверхности раздела происходит взамодействие фаз (гидродина.чиче-ское, тепловое, фазовые переходы, химические реакщ[и и т. д.). Все это осложняет математическое описание и изучение двухфазных потоков, относит их к классу неустановившихся движений. При расчете газожидкостпых потоков вводятся специфические понятия и определения, которые так или иначе характеризуют движение и рассматриваются как осредненные величины по пространственно-временным координатам. Принято считать движение газожидкостной смеси установившимся, если массовые (Сж, Gp) и объемные (ж, Qr) расходы жидкой и газовой фаз постоянны. Постоянными будут также массовый и объемный расходы смеси: Gcm = G« + Gri Qcu = Qa. + Qr-

Одним из определяющих критериев двухфазных потоков является объемное расходное газосодержание р, под которым понимается отношение объемного расхода газа Qr к объемному расходу смеси Qcm:

p:.= Q,/Q,,..-Q,/(Q«-[-Q,).

Следует гюдчеркнуть, что объемный расход газа пгресчитывается на те термодинамические условия (давление и температуру), которые имеют место в рассматриваемом сечении потока. Если рассматривать достаточно длинный трубопровод, в котором давление заметно изменяется, то Qr, а следовательно, и р не являются постоянными величинами.

В соответствии с объемным расходным газосодержг нием вводится понятие плотности газожидкостной смеси

PcM = GcM/QeM = p)K(l -р) + ргР,

где рж, рг - плотности соответственно жидкости и газа в условиях трубы.

Другим важным критерием подобия газожидкостнь х потоков является число Фруда смеси Ргсм, определяемое формулой

Ргсм-- wij(gD), где Wcu - средняя по сечению скорость смеси,

Wcu - Qcm = 4 (Q,. - Ь Сж)/(ЛД2),

F - площадь сечения трубопровода; D - диаметр трубы.

Число Фруда представляет собой отношение сил -терции газожидкостного потока к силе тяжести.

При течении газожидкостных смесей, как правило, наблюдается относительное движение фаз, которое приводит к изменению объемного соотношения фаз на рассматриваемом участке трубопровода. Так, при восходящем гечетш газожидкостной смеси происходят торможение и задержка жидкой фазы, что ведет к увеличению плотности смеси. При нисходящем течении - наоборот, происходит торможение газовой фазы. Чтобы учесть это явление, вводится понятие истинного (объемного) газосодержания (р, которое связано с расходным газосодержанием р соотношением

Ф = Wck/wj - FJF -- FJiF. -\ f ж),

где йУр - истинная скорость движения газа, представляющая собой отношение объемного расхода газа к площади сечения, занятого им, т. е. QJEr, Гж, F -доля сечения трубы, занятая жидкой и га-

зовой фазами соответственно.

Физический смысл истинного газосодержания - это отношение доли сечения трубы, занятого газовой фазой, ко всему сечению трубы.

В соответствии с явлением относительного движения фаз вводится понятие истинной плотности газожидкостной смеси p„, которую определяют ио формуле ри рж (1-Ц1) I ргф-

Многолетний опыт эксплуатации промысловых трубопроводов показал, что при движении газонефтяных и газоконденсатных смесей по трубопроводам диаметром более 0,2 м в практическом диапазоне скоростей течения основными структурами являются расслоенная и пробковая. Причем при нисходящих и горизонтальных потоках может быть как расслоенная, так и пробковая структуры. При восходящих газожидкостных [ютоках с углом наклона более 2° всегда наблюдается пробковая структура. Каждая структура потока характеризуется своими значениями относительной скорости движения фаз, своими закономерностями гидравлических сопротивлений. Именно поэтому важно правильно определить структуру газожидкостного потока. При этом определяющим критерием подобия является число Ргсы. Если Егсм < ЕГф, то течение газожидкостной смеси расслоенное, если Егсм > Егкр, то течение пробковое.

Критическое значение числа Фруда вычисляется но формуле

о 5/ P,<Pr Y(l+sina) V Рж /

VFrcM =----;-----. (7.7)

(1 - р) (I + 72- 10->ж)Ч + 2 -10-* (pD/o)0,5j

где а - угол наклона трубопровода к горизонту; рж - относительная вязкость; Рж = р.ж/р.1; Рж и Рг - динамическая вязкость соответственно жидкой п газовой фаз; р - среднее давление на рассматриваемом участке трубопровода; о поверхностное натяжение на границе жидкость - газ.

Из формулы (7.7) видно, что на границу перехода из расслоенной структуры потока в пробковую существенно влияют объемное расходное газосодержание, угол наклона трубопровода, давление в нем, а также вязкость жидкой фазы.