Лекция 13.
Методы разрушения нефтяных эмульсий. Химические, термохимические и элек-трические
методы разрушения нефтяных эмульсий.
В настоящее время в сочетании с
внутритрубной деэмульсацией широкое
распространение получили блочные термохимические установки, в которых
одновременно происходят сепарация нефти от газа, ее обезвоживание и
обессоливание.
Теплохимическое (термохимическое)
деэмульгирование. Установлено, что существующие методы деэмульсации нефти малоэффективны
без применения тепла и поверхностно-активных веществ. Поэтому в настоящее время
около 80% всей добываемой обводненной нефти обрабатывается на термохимических
установках, которые имеют следующие преимущества:
·
предельная простота установки (теплообменник, отстойник и насос);
·
сравнительно низкая чувствительность режима работы установки к изменению
содержания воды в нефти;
·
возможность замены деэмульгаторов по мере изменения характеристики
эмульсии без замены оборудования и аппаратуры.
Существуют термохимические
установки по деэмульсации нефти, работающие при атмосферном давлении, а также
установки, работающие под избыточном давлением. Установки, работающие
при атмосферном давлении, пока продолжают работать на старых месторождениях с
самотечной безнапорной системой сбора нефти и имеют ряд недостатков.
Вертикальные
деэмульсаторы получили широкое
применение в мировой практике подготовки
нефти на промыслах при обустройстве мелких месторождений и отдельных
раздробленных участков. Аппараты подготовки нефти в вертикальном исполнении
имеют преимущества при условиях сбора и подготовки нефти, когда предъявляются
жесткие требования к сокращению площади, отводимой под застройку нефтесборных
пунктов (морские месторождения, болотистые районы и др.). Ряд зарубежных фирм, и в первую очередь США,
выпускает большой ассортимент вертикальных деэмульсаторов, отличающихся
компоновкой, размерами, числом и типом нагревателей, средств интенсификации
(коалесцирующих фильтров, электродов и др.). Объем вертикальных деэмульсаторов
колеблется от 5 до
Горизонтальные деэмульсаторы. Выпускаются
блочные установки следующих типов: УДО-2М, УДО-3, УДО-1500/6, СП-1000, СП-2000,
«Тайфун»1-400, ДГ-2500, ДГ- 6300, БН-М и др. Наиболее широкое применение из
всех этих аппаратов получили деэмульсаторы
типа УДО-3.
Деэмульсатор УДО -3 ( рис. 13.1) состоит
из блока нагрева I, блока отстоя II и блока КИП. Блоки нагрева и отстоя размещены в горизонтальном цилиндрическом корпусе, диаметром
Нефтяная эмульсия, содержащая деэмульгатор, после
предварительного подогрева в теплообменниках
поступает сверху через патрубок 2 в нагревательный отсек, который
разделен цилиндрической перегородкой 3
на две полости - внешнюю и внутреннюю. Во внутренней полости размещены U-образные жаровые трубы
4.
Нефтяная эмульсия через
нижние прорези в перегородке попадает в отсек I, где она нагревается до 600С за счет
сжигания газа в жаровых трубах. Нагретая эмульсия
переливаясь через перегородку, попадает в отсек отстоя II по
раздаточному коллектору 11, из которого
она равномерно по всему сечению аппарата при помощи желобов проходит через слой
воды и попадает в сборник чистой нефти 10, а оттуда по специальным вертикальным
отводам 10 а и коллектор чистой нефти
12 через клапан 13 выводится из
аппарата.
Газ, выделившийся из нефти в нагревательном
отсеке аппарата, поступает сначала в сепаратор 5, а затем
через гидрозатвор (барботер) 7 отсека II. Из второго отсека газ
собирается в сепараторе 5а, из
которого через регулятор давления «до себя» 8 направляется в газовую линию.Вода из аппарата выводится через патрубки в нижней
части деэмульсатора.
Совмещение технологических процессов нагрева и
обезвоживания (или обессоливания) обводненных нефтей в одном аппарате наряду с
определенными преимуществами имеет ряд
недостатков:
·
сравнительно
небольшая тепловая мощность, и производительность;
·
совмещение в одном аппарате блоков нагрева и отстоя, что влечет за
собой остановку и отключение для ремонта
установки полностью при технических неисправностях или технологических
осложнениях в одном из блоков.
Поэтому для нормального функционирования ЦППН необходимо предусмотреть резерв таких
установок, хотя при этом возникает проблема распределения потоков по аппаратам
с получением кондиционной нефти после каждого из них.
В связи с этим разработаны и выпускаются
раздельные блоки нагрева и отстоя.
Рис. 13.1 - Горизонтальный сепаратор
- деэмульсатор УДО -3.
1- корпус аппарата; 2 – патрубок для ввода подогретой эмульсии; 3 – цилиндрическая перегородка с прорезями внизу; 4 – U-образные жаровые трубы; 5, 5а – сепараторы; 6 – вертикальная перегородка; 7 – барботер; 8 - регулятор давления «до себя»; 9 – уравнительная линия; 10 – сборник чистой нефти; 10а – вертикальные отводы чистой нефти; 11 – раздаточный коллектор; 12 – сборный коллектор чистой нефти; 13 – клапан для сброса чистой нефти.
Блоки нагрева предназначены для подогрева нефтяных
эмульсий перед аппаратами глубокого обезвоживания и обессоливания установок
подготовки нефти.
Выпускаются такие модификации блоков нагрева:
нагреватели объемного типа НН, блоки нагрева «труба в трубе» типа БН и блочные трубчатые печи типа ПТБ.
Нагреватели
типа НН - нефтяные нагреватели
(НН-1,6; НН-2,5; НН-4,0; НН-6,3) выполнены на базе горизонтальных емкостей,
внутренняя полость которых разделена на два отсека, где смонтированы по две
жаровые трубы, оборудованные газовыми инжекционными горелками и дымовыми
трубами. В этих нагревателях эмульсию водят в нижнюю часть аппаратов, она
всплывает через слой дренажной воды, омывая жаровые трубы. Нефть, отделившаяся
вода и газ выводятся через общий коллектор в верхней части аппарата.
Максимальная температура на выходе из аппарата достигает 90 0С.
Производительность же при обводненности до 25% и нагревании до 40 0С
от 2000 до 8000 т/сут.
Так как
жаровые трубы постоянно находятся в слое выделившейся пластовой воды, то
существует требование, чтобы сопутствующие пластовые воды не вызывали
солеотложений на стенках жаровых труб.
Блочные нагреватели типа НН рекомендуется
применять в комплексах подготовки нефти мощностью от 0,5 до 6 млн/год для обработки легких, средних и тяжелых нефтяных
эмульсий с невысокой склонностью к солеотложению.
Блочные
нагреватели трубчатого типа БН (БН-5,4;
БН-М) предназначены для интенсивного нагрева эмульсии в процессах обезвоживания и обессоливания
нефти. Кроме этого их можно использовать для подогрева высоковязких
парафинистых нефтей для их нормальной
транспортировки по трубопроводам.
Блок нагрева БН-5,4 ( рис.13.2)
представляют собой комплект четырех горизонтальных жаровых нагревательных
элементов «труба в трубе», последовательно соединенных между собой с помощью
распределительного коллектора. Подогреватели смонтированы на поперечных балках.
Водонефтяная эмульсия нагревается при непосредственном контакте с поверхностью
жаровой трубы за счет сгорания газа в газовых горелках турбинного типа 5 в
камере сгорания. Для увеличения пути
движения нефтяной эмульсии, времени контакта ее через стенку с горячими газами,
движение нефтяной эмульсии в межтрубном пространстве направлено по винтовой
линии с большой скоростью. Дымоходы всех четырех нагревательных элементов
подсоединяются к общей дымовой трубе 6, высотой около 20м. Нагревательные
элементы соединены между собой так, что любой из них может быть отключен без
остановки всего блока, т.е. можно направить нефтяную эмульсию мимо любого из
нагревательных элементов.
Рис. 13.2. Блочный нагреватель БН-5,4.
1 – жаровая труба; 2 – оребренная жаровая труба; 3 – корпус; 4 – линзовый компенсатор; 5 – горелка; 6 – дымовая труба.
I – нефтяная эмульсия; II- топливный газ.
При работе блока нагрева автоматически
регулируется температура нефтяной эмульсии на выходе, регулирование давления
газа перед горелками, наличие пламени в камере сгорания. Автоматикой
безопасности предусмотрена отсечка топочного газа при прекращении циркуляции
эмульсии, при повышении температуры нагрева, при погасании пламени запальника в
камере сгорания.
После блока
подогрева нефтяная эмульсия по раздаточному коллектору поступает в
герметизированные отстойники, где при низких скоростях потока эмульсия
разделяется на нефть и воду.
Описанный блок нагрева имеет следующие преимущества перед установками УДО:
*
коэффициент использования топочного газа выше
на 20%;
*
снижается время ремонта или замены блока при неполадках или прогаре жаровой
трубы;
*
производительность блока нагрева в 2-3 раза
выше, а металлоемкость ниже в 1,5 раза.
Трубчатые печи типа ПТБ
могут быть использованы в качестве путевого подогревателя в системе
внутрипромыслового сбора и транспорта высоковязких
нефтей и нефтяных эмульсий. Известен опыт успешного применения печей типа
ПТБ-10 для подогрева морской воды на месторождении Узень для использования ее в
системе поддержания пластового давления и увеличения нефтеотдачи продуктивных
горизонтов. На базе ПТБ-10 разработана печь для нагрева воды типа ПТБ-10-160,
отличающаяся рабочим давлением до 16 МПа.
Современные темпы развития
нефтяной промышленности предполагают широкое внедрение в нефтедобывающих
районах индустриальных методов строительства нефтепромысловых объектов. Блочные
термохимические установки, выпускаемые заводами, поставляются с оборудованием
для полной автоматизации технологического процесса и монтируются на месте в
течение 15 - 20 дней. Использование автоматизированного блочно-комплектного
оборудования, изготавливаемого и отлаживаемого в заводских условиях, позволяет
снизить удельные капитальные вложения и резко сократить сроки строительно - монтажных работ, ускорить внедрение
автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП),
обеспечить степень подготовки нефти, поставляемой на нефтеперерабатывающие
заводы, в соответствии с требованиями стандартов.
Электродегидратация (Электрическое
деэмульгирование). Нефтяные эмульсии типа В/Н можно разрушать
также в электрическом поле. Этот метод применяется в основном для обессоливания
средних, тяжелых и вязких нефтей. Механизм разрушения эмульсий, помещенных в
электрическое поле, объясняется следующим образом.
Если поместить безводную нефть между двумя плоскими
параллельными электродами, находящимися
под высоким напряжением, то возникает однородное электрическое поле,
силовые линии которого будут параллельны друг другу. (рис. 13.3, а). При нахождении между электродами эмульсии
типа В/Н расположение силовых линий меняется и однородность электрического поля
нарушается (рис.13.3, б, в).
Рис. 13.3 Силовые линии
в электрическом поле.
а - в чистой нефти; б, в - в нефти с полярными каплями
воды.
В результате индукции электрического поля, диспергированные капли воды поляризуются и
вытягиваются вдоль силовых линий,
образуя цепочки из капель воды с образованием в вершинах капель воды электрических
зарядов, противоположных зарядам на электродах. Под действием основного и
дополнительных электрических полей происходит сначала упорядоченное движение, а
затем и столкновение капель воды, обусловленное силами, определяемыми по
формуле:
, (13.1)
где К
- коэффициент пропорциональности; e - напряженность
электрического поля, r - радиус капли; l - расстояние между центрами капель.
из
приведенной формулы видно, что если расстояние между каплями незначительное, а
размеры капель сравнительно велики, то сила притяжения становится настолько
большой, что адсорбированные на поверхности капель воды «бронированные»
оболочки, отделяющие их от нефти, сдавливаются и разрушаются, в результате чего
происходит коалесценция капель воды.
Эффективность
разрушения эмульсий в поле переменного
тока выше, чем в поле постоянного тока, что объясняется тем, что в поле
переменного тока происходит циклическое изменение направления движения тока и
напряженности электрического поля, в результате чего капли воды изменяют
направление своего движения и постоянно находятся в состоянии колебания, при
этом под действием сил электрического поля постоянно меняется форма капель, то
есть капли испытывают постоянную деформацию, что способствует разрушению адсорбционных оболочек и слиянию капель
Осн: 1[153-170].
Доп: 2[115-132].
Контрольные вопросы:
1. Какие преимущества теплохимического деэмульгирования
нефтей?
2.
Охарактеризуйте блочные термохимические установки.
3. Механизм разрушения эмульсий, помещенных в
электрическое поле.
4. Для
эмульсий какого типа применяется электродегидратация?
