Mathematical modeling of binary coalescence process of oil-water emulsion droplets

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents an attempt to form a general approach to mathematical modeling of binary coalescence arising due to droplet deposition in a gravitational field based on the population balance equation, which can be further applied to predict the conditions of oil-water emulsion stratification. Using experimental curves of water content change over time in water-in-oil emulsions measured at different temperatures, four different ways of calculating the efficiency of binary coalescence are compared.

About the authors

S. A. Kiselev

JSC TomskNIPIneft

Email: kiselevsa@tomsknipi.ru
Tomsk, Russia

D. S. Poluboyartsev

JSC TomskNIPIneft

Tomsk, Russia

I. R. Dolgov

JSC TomskNIPIneft

Tomsk, Russia

I. V. Litvinets

JSC TomskNIPIneft

Tomsk, Russia

A. A. Yashchuk

National Research Tomsk State University

Tomsk, Russia

N. S. Belinskaya

National Research Tomsk Polytechnic University

Tomsk, Russia

References

  1. Дунюшкин И.И.Сбор и подготовка скважинной продукции нефтяных месторождений. М.: Изд-во Нефть и газ РГУ им. И.М. Губкина, 2006.
  2. Байков Н.М., Позднышев Г.Н., Мансуров Р.И.Сбор и промысловая подготовка нефти, газа и воды. М.: Недра, 1981.
  3. Зейгман Ю.В., Колонских А.В.Оптимизация работы УЭЦН для предотвращения образований осложнений // Нефтегазовое дело. 2005. № 2. С. 1.
  4. Лутошкин Г.С.Сбор и подготовка нефти, газа и воды. М.: ТИД Альянс, 2005.
  5. Politova N.I., Tcholakova S., Tsibranska S., Denkov N.D., Muelheims K.Coalescence stability of water-in-oil drops: effects of drop size and surfactant concentration // Colloids Surf., A: Physicochem. Eng. Asp. 2017. V. 531. № 20. P. 32.
  6. Basheva E.S., Gurkov T.D., Ivanov I.B., Bantchev G.B., Campbell B., Borwankar R.P.Size Dependence of the stability of emulsion drops pressed against a large interface // Langmuir. 1999. V. 15. P. 6764.
  7. Koots J.A., Speight J.G.Relation of petroleum resins to asphaltenes // Fuel. 1975 V. 54. № 3. P. 179.
  8. Gafonova O., Yarranton H.The stabilization of water-in-hydrocarbon emulsions by asphaltenes and resins // J. Colloid Interface Sci. 2001 V. 241. № 2 P. 469.
  9. Lixin X., Shiwei L., Guoying C.Stability and demulsification of emulsions stabilized by asphaltenes or resins // J. Colloid Interface Sci. 2004. V. 271. № 2. P. 504.
  10. Czarnecki J.Stabilization of water in crude oil emulsions. Part 2 // Energy & Fuels. 2009. V. 23. № 3. P. 1253.
  11. Pickering S.Emulsions // Journal of the chemical society. Transactions. 1907. V. 91 P. 2001.
  12. Sztukowski D., Yarranton H.Oilfield solids and water-in-oil emulsion stability // J. Colloid Interface Sci. 2005. V. 285. № 2. P. 821.
  13. Jennings H.I. A study of caustic solution crude oil interfacial tensions // Soc. Petrol. Eng. J. 1975 V. 15. № 3. P. 197.
  14. Parker R.J., Chung E.S.N.Acid numbers of Saskatchewan heavy oils // J. Can. Pet. Technol. 1986. V. 25. № 4. P. 72.
  15. Acevedo S., Gastón E., Luis G., Hercilio R.Isolation and characterization of natural surfactants from extra heavy crude oils, asphaltenes and maltenes. Interpretation of their interfacial tension-pH behaviourin terms of ion pair formation // Fuel. 1992. V. 71. № 6. P. 619.
  16. Chan M., Yen T. A.Chemical equilibrium model for interfacial activity of crude oil in aqueous alkaline solution: the effects of pH, alkali and salt // Can. J. Chem. Eng. 1982 V. 60. № 2. P. 305.
  17. Moeini F., Hemmati-Sarapardeh A., Ghazanfari M.H., Masihi M., Ayatollahi S.Toward mechanistic understanding of heavy crude oil/brine interfacial tension: the roles of salinity, temperature and pressure // Fluid Phase Equilibr. 2014. V. 375. P. 191.
  18. Mohammed R., Bailey A., Luckham P., Taylor S.Dewatering of crude oil emulsions 1. Rheological behaviour of the crude oil-water interface // Colloids Surf., A: Physicochem. Eng. Asp. 1993. V. 80. № 2. P. 223.
  19. Tchoukov P., Yang F., Xu Z., Dabros T., Czarnecki J.Role of asphaltenes in stabilizing thin liquid emulsion films // Langmuir. 2014. V. 30 P. 3024.
  20. Tchoukov P., Czarnecki J., Dabros T.Study of water-in-oil thin liquid films: Implications for the stability of petroleum emulsions // Colloids Surf., A: Physicochem. Eng. Asp. 2010. V. 372. P. 15.
  21. Wu X.Investigating the stability mechanism of water-in-diluted bitumen emulsions through isolation and characterization of the stabilizing materials at the interface // Energy & Fuels. 2003 V. 17. P. 179.
  22. Czarnecki J., Tchoukov P., Dabros T., Xu Z.Role of asphaltenes in stabilisation of water in crude oil emulsions // Jan. Can. J. Chem. Eng. 2013. V. 91. P. 1365.
  23. Tourbin M., Frances C.Experimental characterization and population balance modelling of the dense silica suspensions aggregation process // Chem. Eng. Sci. 2008. V. 63. P. 5239.
  24. Kralova I., Sjöblom J., Øye G., Simon S., Grimes B.A., Paso K.Heavy crude oils/particle stabilized emulsions // Adv. Colloid Interface Sci. 2011. V. 169. P. 106.
  25. Cunha R.E.P., Fortuny M., Dariva C., Santos A.F.Mathematical modeling of the destabilization of crude oil emulsions using population balance equation, Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 7094.
  26. Grimes B.A.Population balance model for batch gravity separation of crude oil and water emulsions. Part I: Model Formulation // J. Dispers. Sci. Technol. 2012. V. 33 P. 578.
  27. Attarakih M.M., Bart H.J., Faqir N.M.Numerical solution of the spatially distributed population balance equation describing the hydrodynamics of interacting liquid-liquid dispersion // Chem. Eng. Sci. 2004. V. 59 P. 256.
  28. Misra A., de Souza L.G.M., Illner M., Hohl L., Kraume M., Repke J.-U., Thévenin D.Simulating separation of a multiphase liquid-liquid system in a horizontal settler by CFD // Chem. Eng. Sci. 2017. V. 167. P. 242.
  29. Oshinowo L. M., Vilagines R. D.Modeling of oil–water separation efficiency in three-phase separators: Effect of emulsion rheology and droplet size distribution // Chem. Eng. Res. Des. 2020. V. 159. P. 278.
  30. Kuma S., Ramkrishna D.On the solution of population balance equations by discretization I. A fixed pivot technique // Chem. Eng. Sci. 1996. V. 51. P. 1311.
  31. Rowe P.N.A convenient empirical equation for estimation of the Richarson-Zaki exponent // Chem. Eng. Sc. 1987. V. 42. № 11. P. 2795.
  32. Turton R., Levenspiel O. A short note on the drag correlation for spheres // Powder Technol.1986. V. 47. № 1. P. 83.
  33. Hartman M. Predicting the free-fall velocities of spheres // Chem. Eng. Sci. 1989. V. 44. № 8. P. 1743.
  34. Turton R., Clark N.N.An explicit relationship to predict spherical particle terminal velocity // Powder Technol. 1987. V. 53. P. 127.
  35. Handbook on Theory and Practice of Bitumen Recovery from Athabasca Oil Sands, Volume 1: Theoretical Basis/ Eds.Masliyah, J.H., Czarnecki, J., Xu, Z., Kingsley Knowledge Publishing, 2011.
  36. Liao Y., Lucas D.A Literature review on mechanisms and models for the coalescence process of fluid particles// Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. P. 2851.
  37. Kamp A.M., Chesters A.K.Bubble coalescence in turbulent flows: A mechanistic model for turbulence-induced coalescence applied to microgravity bubbly pipe flow // Int. J. Multiph. Flow. 2010. V. 27. P. 1363.
  38. Coulaloglou C.A.Dispersed phase interactions in an agitated flow vessel. Ph.D. Diss. Chicago, 1975.
  39. Yanru S., Sjöblom J.Interfacial shear rheology of asphaltenes at oil–water interface and its relation to emulsion stability: Influence of concentration, solvent aromaticity and nonionic surfactant // Colloids Surf., A: Physicochem. Eng. Asp. 2010. V. 366. № 1. P. 120.
  40. Dabros T., Yeung A., Masliyah J., Czarnecki J.Emulsification through area contraction // J. Colloid Interface Sci. 1999. V. 210. P. 222.
  41. McLean J., Kilpatrick P. Effects of asphaltene aggregation in model heptane toluene mixtures on stability of water-in-oil emulsions. // J. Colloid Interface Sci. 1997. V. 196. № 1. P. 23.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».