Обезвоживание нефтепродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обезвоживание нефтепродуктов

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:

удовлетворение требований качества поставляемой сырой нефти и нефтепродуктов;

повышенная коррозия трубопроводов и элементов технологического оборудования;

дополнительные энергозатраты на перекачку и ректификацию;

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.

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.

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)

,

где а радиус капли, g = 9,8 м/с² ускорение свободного падения,   разность значений плотности воды и нефтепродукта ( = _в -_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

,

где V_c скорость седиментации (осаждения); _эф эффективная вязкость среды.

Эффективная вязкость в формуле 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

,

где  = (110)10² Па вязкость нефтепродукта в зависимости от его сорта; _в= 10³ Па вязкость воды.

.

При _в=1000 кг/м³ и _нефти=850 кг/м³ получим скорость седиментации равной V_c=510⁴a². Таким образом, скорость осаждения капель в нефтепродуктах растет пропорционально квадрату радиуса капель.

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

.

Соответственно, сила, действующая на каплю в электрическом поле, будет равна

Приравнивая силе сопротивления среды получим формулу для скорости движения капель в электрическом поле:

.

Сопоставим скорость движения капель под действием электрического поля и в результате седиментации. Отношение значений скорости записывается в виде:

.

В табл. 1 представлены значения скорости седиментации V_C, времени осаждения капель на расстояние 1 м t_отс (L=1 м) в часах и отношения V_E/V_с по (7) для следующих условий Е=3 кВ/см,  =150 кг/м³ в зависимости от размера капель.

Таблица 1

а, (мкм)	5	10	100	500	1000
Vс, (м/с)	1,25106	5106	5104	1,25102	5102
tотс (L=1 м), (час)	220	55	0,55	0,022	5,5103
VE/Vс	1100	550	55	11	5,5

Из табл. 11 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.

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)

,

где а₁ и а₂ 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_nЕа². Следовательно, сила взаимодействия, определяющая сближение и слияние капель F_вз= q_nЕ  а²Е².

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 разрыву капель.

Таким образом, если F_разр  а²Е² и F_пов   а, где коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела сред воданефть (  2010³ Н/м), то из условия F_разр= F_пов следует, что

или . (8)

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 , удельной проводимости и коэффициента динамической вязкости :

1. вода   80  10²10⁴ 1 / Омм  = 10³ кг/мс;

2. сырая нефть   45  10⁶10⁹ 1 / Омм  = (110) 10² кг/мс;

3. светлые

нефтепродукты   2,2  10¹⁰10¹² 1 / Омм  = (110) 10² кг/мс.

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 . Для нефти наибольшая величина равна  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  = 2 с. 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

. (11.9)

Кроме того, известна более точная формула, относящаяся непосредственно к сфере радиуса в

. (10)

Различие между значениями заряда по (9) и (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 (предельный заряд капли воды равен

, (111)

где q_m=12₀a²E, a радиус капли, _v+= en₊k₊=₊k₊, _v= enk=k удельные проводимости, определяемые соответственно положительными и отрицательными ионами. Результирующая проводимость _v = _v+ + _v.

Подвижности положительных и отрицательных ионов примерно равны, т.е. k₊= k. Кроме того, представим плотность объемного заряда ионов в следующем виде

₊=_ср и =_ср+,

где _ср часть плотности объемного заряда одинаковая для положительных и отрицательных ионов; превышение плотности заряда одного из видов ионов, в данном случае, отрицательных ионов.

Тогда (111) перепишется в виде:

. (12)

Если , то (12) упрощается:

. (13)

Учтем увеличение проводимости среды за счет диссоциации в электрическом поле, т.е.

, (14)

где проводимость среды при отсутствии поля, k_ус(Е) коэффициент увеличения проводимости за счет диссоциации.

Воспользуемся далее моделью одномерного слоя объемного заряда плотностью и толщиной h, чтобы записать выражение для напряженности этого слоя

. (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

. (16)

В табл. 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= 510⁵ В/м, k_ус(Е) = 2,5.

Таблица 2

, Ом/м	10-13	10-12	10-11	10-10
/ср	30	3	0,3	0,03
q/qm	0,7	0,33	0,07	0,007

Из представленных в таблице данных следует, что на каплях воды в нефти не может накапливаться сколь-нибудь значительный заряд. Объемная зарядка капель воды эффективна для светлых нефтепродуктов с высоким удельным сопротивлением. Для нефти можно рекомендовать коалесценцию в электрическом поле с участием механизма поляризации.

3. Конструкции промышленных технологических установок для обессоливания и обезвоживания нефти и нефтепродуктов

нефтепродукт промышленный обезвоживание технологический

Рассмотренные выше способы выведения воды из нефти и нефтепродуктов реализованы в конструкциях технологических аппаратов обессоливания и обезвоживания. Рассмотрим схему процесса обессоливания и обезвоживания сырой нефти на нефтеперегонном заводе (НПЗ).

Сырьевой насос подает нефть в смеситель, где происходит активное вихревое смешивание нефти с пресной водой, добавляемой в количестве 25% по отношению к нефти. Пресная вода активно растворяет соли, выводя ее из нефти. Водо-нефтяная эмульсия поступает затем в электродегидратор аппарат по обезвоживанию нефти. В этом аппарате происходит выделение воды из смеси и получение обессоленной нефти. Затем эти операции повторяются во второй ступени технологического процесса. В итоге на выходе установки получается обессоленная нефть с содержанием воды W  0,05% и солей Р  20 мг/л.

Конструкции электродегидраторов. Электродегидраторы представляют из себя резервуары с размещенными внутри системами электродов. Различаются два типа конструктивных решений резервуаров, имеющих различные технологические параметры:

1. ЭДГ шаровой конструкции V = 600 м³, Р = 67 атм;

2. ЭДГ цилиндрический вертикального типа V = 30 м³, Р = 16 атм;

3. ЭДГ цилиндрический горизонтального типа V = 160 м³, Р = 16 атм.

Работа электродегидраторов происходит следующим образом. Рабочая зона создается между заземленным электродом и электродом, на который подается высокое напряжение. В этой зоне капли воды приобретают заряды и, сталкиваясь между собой, сливаются и увеличиваются в размерах. Крупные капли выпадают на дно, образуя слой воды, который удаляется по отводящим трубам. Продукт для очистки нефтяная эмульсия подается по трубам, находящимся около дна аппарата. Таким образом, слой нефти для очистки от воды двигается вверх, попадает в активную зону, очищается там от воды, и очищенная нефть скапливается в верхней части резервуара. Отсюда она удаляется для дальнейшей обработки.

На практике применяется три типа резервуаров. Шаровой резервуар имеет значительный недостаток, состоящий в том, что у него есть зоны, в которых отсутствует электрическое поле. Эти зоны снижают производительность аппарата обезвоживания нефти.

Также используются цилиндрические резервуары вертикального и горизонтального типа, в которых нет практически зон без электрического поля. Горизонтальные аппараты имеют больший объем и большую производительность, так как благодаря большему горизонтальному сечению аппарат имеет большую рабочую площадь электродов, в этом аппарате устанавливается меньшая вертикальная скорость нефти в зоне действия электрического поля.

Электродная система представляет собой набор металлических прутков диаметром 2,5 мм при расстоянии между ними 20 см. Прутки собираются в виде двух плоских рам, расположенных в двух параллельных плоскостях с расстоянием между плоскостями 1520 см. Прутки в каждой раме расположены параллельно друг другу, на соседних рамах компланарно.

Предъявляемые к деэмульгаторам требования состоят в следующем:

Деэмульгатор не должен иметь нерабочих зон.

Электродные системы должны создавать электрические поля заданной величины с равномерным распределением.

Электродные системы и технологический режим должны быть организованы таким образом, чтобы не давать возможности капелькам воды создавать замыкающие электроды цепочки.

4. Технологии обезвоживания нефтепродуктов

Как было показано в предыдущих параграфах методы разделения водонефтяных эмульсий зависят от концентрации диспергированной в нефти воды. В зависимости от содержания воды различают: глубокое обезвоживание, сверхглубокое обезвоживание и обезвоживание высокообводненных нефтей.

Глубокое обезвоживание нефтепродуктов

При содержании воды W  0,1% расстояние между каплями сравнимы с их размерами (а  1100 мкм), а при содержании воды W  0,05% расстояние между каплями больше и больше удельное сопротивление эмульсии.

Под глубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального значения с W_воды  0,1% до конечного с W_воды  0,05%. Это соответствует диапазону концентраций эмульгированной воды в сырой нефти. Поэтому приемлем только способ коалесценции в электрическом поле.

Как было показано ранее, чем выше напряженность электрического поля, тем эффективнее процесс коалесценции. Однако для очень крупных капель в сильных полях появляется обратный эффект, при котором капля поляризуется, растягивается вдоль линий поля и разрывается. Зависимость критической напряженности поля, при которой возможен процесс ее разрыва, от размера капли. Для укрупнения капель выше критического размера при рабочей напряженности поля применяется специальное ступенчатое питание установки.

На интервале времени от 0 до t₁ происходит укрупнение капель до а_kp1, затем напряженность поля снижается и на интервале времени от t₁ до t₂ капля еще укрупняется до а_kp2 и так далее, пока не будет достигнут размер капель, необходимый для быстрой седиментации.

В действительности, дополнительно к описанному механизму работает еще механизм слияния разноименно заряженных капель при их движении в промежутке.

Капли, достигая поверхности электрода, заряжаются по индукционному механизму и, отрываясь от поверхности электрода, двигаются вглубь промежутка. Если расстояния между электродами небольшие, то капли не успевают полностью потерять свой заряд за счет утечки. Слияние разноименно заряженных частиц происходит в случае их столкновения.

Сверхглубокое обезвоживание

Под сверхглубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального значения с W  0,05% до конечного с W = 0. Это соответствует диапазону концентраций эмульгированной воды в светлых нефтепродуктах (бензин, керосин, трансформаторное масло).

Используемая традиционно механическая очистка с помощью фильтров имеет целый ряд недостатков:

необходима регулярная регенерация или периодическая замена фильтров;

проходя через фильтр топливо дополнительно электризуется.

Рабочее пространство аппарата частично заполнено пористым диэлектриком, который имеет сильно развитую поверхность и препятствует интенсивному перемешиванию эмульсии в процессе работы. Нефтепродукт поступает в свободное пространство аппарата через тонкую входную щель, где происходит контактная зарядка капель воды. Таким образом, эмульсия поступает в камеру аппарата уже заряженной. В свободном объеме камеры происходит интенсивное перемешивание эмульсии за счет возникающих под действием электрического поля электрогидродинамических потоков. Заряженные капельки воды, двигаясь по силовым линиям поля, попадают на поверхность диэлектрика и прилипают к ней. Новые капли, пришедшие с потоком, сливаются с первыми. На поверхности диэлектрика идет процесс укрупнения прилипших капель. Как только капля вырастает до крупных разметов, она отрывается и стекает в нижнюю часть камеры.

Основными достоинствами этой технологии являются:

отсутствие динамического сопротивления потоку нефтепродуктов в свободном пространстве камеры;

простота управления технологическим процессом, так как интенсивность процесса зависит от значения приложенного напряжения и от вязкости нефтепродукта.

В настоящее время созданы установки для обезвоживания керосина при заправке самолетов с производительностью до 2 т/мин.

Обезвоживание высокообводненных нефтей и аномально стойких эмульсий

Есть нефти, в которых вода составляет до 60%. Такие нефти представляют собой капли воды, покрытые нефтяной оболочкой, не дающей этим каплям сливаться.

Процесс укрупнения капли воды может быть осуществлен путем химических добавок, разрушающих нефтяную оболочку капель и позволяющих каплям сливаться.

Вторым способом, который является предпочтительнее, является организация коалесценции капель воды в электрическом поле. Необходимо обеспечить, чтобы при этом не возникало короткого замыкания между электродами, которое возможно из-за высокой проводимости нефти и наличия большого количества капель. Существует несколько способов устранения короткого замыкания:

на электродах создать диэлектрическое покрытие;

обеспечить газовый зазор у электрода;

создать вихревое движение жидкости, которое препятствует образованию цепочек из капель;

использовать определенные источники высокого напряжения, которые предотвращают возникновение коротких замыканий.

Использование диэлектрического покрытия

Этот способ реализуется путем нанесения диэлектрического покрытия на высоковольтный электрод (рис. 11.9).

При возникновении проводящих каналов в нефти напряжение прикладывается к диэлектрическому слою и короткого замыкания не происходит. В нормальном режиме напряжение распределяется между слоем и нефтью.

Эквивалентная схема представляется в виде последовательного соединения двух сопротивлений z_с и R_нефти:

где ;

 толщина диэлектрического покрытия, f частота питающего напряжения, диэлектрическая проницаемость диэлектрика, R_нефти эквивалентное сопротивление нефти.

Для того, чтобы слой нефти находился под воздействием электрического поля необходимо, чтобы на диэлектрическом покрытии не возникало большое падение напряжения. Это достигается путем увеличения частоты f питающего напряжения или путем увеличения .

Высоковольтные источники высокой частоты дороги. Кроме того, с ростом частоты напряжения уменьшается интенсивность электрогидравлических потоков из-за того, что не будет создаваться избыточных электрических зарядов, которые являются источниками этих потоков. В результате интенсивность слияния капель падает.

Лучшим решением оказалось применение диэлектрического покрытия из керамики с высоким значением .

Применение газового зазора

Применение газового зазора иллюстрируется на рис. 11.10. При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды в газовой среде над поверхностью нефти образуется коронный разряд. Движение носителей зарядов в нефти вызывает появление потоков в слое жидкости. В результате возникает интенсивное перемешивание и взаимодействие капель, приводящее к их слиянию.

Специальные источники высокого напряжения

По железным дорогам нефть перевозят в цистернах. После слива нефти цистерны моют водой. В результате образуется вода, загрязненная нефтью. Возникает задача отделить от нефти и использовать воду вторично, а нефть по назначению. Для решения этой задачи применяют источники импульсов высокого напряжения специальной формы.

Высоковольтный источник для аппарата отделения воды от нефти вырабатывает импульсное напряжение, которое используется для разрушения нефтяных оболочек на каплях воды. Длительное постоянное напряжение обеспечивает слияние капель воды.

Размещено на Allbest.ru

...