Фильтрация водо – нефтяных эмульсий через твёрдые поверхности

Этот метод основывается на так называемом явлении селективного смачивания при котором поверхность твёрдого тела смачивается лишь одним компонентом исходной эмульсии (водой или нефтью) в результате чего этот компонент выводится из состава эмульсии, т.е. эмульсия разрушается. Подобные процессы могут происходить если взаимодействие молекул одной из жидкостей, образующих эмульсию, с молекулами твёрдого вещества сильнее, чем между собою. В результате, эта жидкость растекается по поверхности твёрдого тела, смачивая её. Растекание происходит до тех пор пока жидкость не накроет всю поверхность твёрдого тела слоем определённой толщины (полное смачивание). В дальнейшем, под действием в основном силы тяжести удержанная жидкость мигрирует по поверхности твёрдого тела к его нижним слоям. В результате, в этих местах толщина жидкостной плёнки непрерывно увеличивается, её удержание за счёт сил агдезии и адсорбции становится невозможным и происходит её отрыв в виде крупных глобул, легко отделяющихся при последующем отстое. Разумеется, при этом, в верхних слоях твёрдого тела освобождается место на поверхности для нового растекания.

Фильтрующее вещество должно отвечать следующим основным требованиям (оно должно обладать):

1. Хорошей селективной (выборочной) смачиваемостью;

2. Хорошей проницаемостью (малое гидравлическое сопротивление), высокоразвитой поверхностью, механической прочностью;

3. Желательно иметь противоположный по сравнению с глобулами дисперсной фазы электрический заряд.

Для эмульсий типа В/Н в качестве фильтра используют гравий, битое стекло, древесные и металлические стружки, стекловату. Для эмульсий типа Н/В в качестве фильтра используют полиэтиленовые шарики.

Для осуществления фильтрации используют насыпные и набивные фильтры. Насыпные фильтры состоят из слоёв мелкозернистых материалов. Эти фильтры по эффективности считаются одними из лучших, однако обладают большим гидравлическим сопротивлением.

Набивные фильтры состоят из нескольких слоёв волокнистых материалов.

Деэмульсация фильтрацией не получила широкого распространения вследствии громоздкости оборудования, малой производительности и необходимости часто заменять фильтры. Но главная причина состоит в том, что этим методом можно разрушить лишь нестойкие или, в крайнем случае, средней стойкости водо – нефтяные эмульсии.

Обезвоживание и обессоливание нефти

1. Термо – химический метод

Это наиболее распространённый в России метод, впервые применённый ещё в 1914 г. В настоящее время до 80 % добываемой в России нефти подготавливается подобным способом. Существует несколько разновидностей термохимического метода. Наиболее распространены установки, работающие под атмосферным давлением (рис. 73).

Обезвоживание и обессоливание водо – нефтяных эмульсий на этих установках осуществляется в две стадии. На первой стадии реализуется обезвоживание продукции, на второй обессоливание. Исходная водо – нефтяная эмульсия поступает на установку потоком I и накапливается в сырьевом резервуаре 1. Разумеется, эмульсия уже полностью разгазирована. В сырьевом резервуаре может происходить частичное отделение воды. В этом случае она сбрасывается в поток сточной воды – IV. По мере необходимости исходная эмульсия забирается насосом 2 и после смешения с деэмульгатором (поток III) нагревается до 50 – 60⁰С в любом подогревающем устройстве (в данном случае это теплообменник 3 чаще всего с плавающей головкой или линзовым компенсатором, реже типа т руба в трубе).

Рис. 73. Технологическая схема установки обезвоживания и обессоливания нефти при атмосферном давлении

Подогретая эмульсия подаётся на отстой в резервуар 4 под водяную подушку. Опытным путём установлено, что высота водяной подушки должна быть порядка 50 – 70 % от общей высоты жидкости в резервуаре, но не менее 2 м. Время отстоя колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Причём, отстойные резервуары могут работать как в периодическом, так и полунепрерывном и даже непрерывном режиме. Отстоявшаяся вода сбрасывается в линию сточной воды, а частично может подаваться на вход теплообменника 3 в качестве рециркулята. Промывка исходной эмульсии сточной водой призвана ускорить процесс отстоя. Описанная первая стадия применяется в том случае, если содержание воды в исходной эмульсии превышает 2 – 5 % мас. В противном случае, первая стадия из схемы установки исключается. Для осуществления второй стадии эмульсия с помощью насоса 5 после смешения с дополнительным количеством деэмульгатора (поток VIII), который подаётся при необходимости и пресной водой (поток IX) – обычно 2 – 5 % на нефть – прокачивается через подогреватель (в данном случае печь: V- топливо, VI – воздух, VII – дымовые газы) и с температурой 50 – 65⁰С направляется на отстой в резервуар 7. Отмытая от солей нефть потоком Х выводится с установки, а отстоявшаяся вода сбрасывается в линию сточной воды, частично возвращаясь на циркуляцию для экономии расхода пресной воды.

Подобные установки позволяют менять деэмульгаторы без изменения схемы и аппаратного оформления. Кроме того, они не только предельно просты, но и мало чувствительны к колебаниям в содержании воды в исходной эмульсии. Однако, в то же время, они характеризуются повышенными расходами деэмульгатора и тепла, а так же потерями лёгких фракций, за счет их испарения из нагретых эмульсий через клапаны резервуаров.

Термохимические установки, работающие под избыточным давлением, приведены на рис. 74.

Рис.74. Технологическая схема установки обезвоживания и обессоливания нефти при повышенном давлении

Отличие подобных установок от предыдущих (рис.73) невелико. Во – первых, на стадии обезвоживания исходная эмульсия подогревается в две стадии – до 40 – 65⁰С в теплообменнике 3-а нефтью, прошедшей стадию обезвоживания, и до 70 – 150⁰С в паровом подогревателе 3-б. Во – вторых, обезвоживание осуществляется в течении 1 – 3 часов в герметичном отстойнике 4-а под давлением до 10 атм. В третьих, на стадии обессоливания нагрев также осуществляется в две стадии – в теплообменнике 3-в и печи 6, причём, в качестве теплоносителя используют обессоленную нефть. В-четвёртых, обессоливание осуществляют в две стадии – под давлением в отстойнике 4-б и без давления в резервуаре 7, предварительно охладив нефть в водяном холодильнике 8.

Подобные установки позволяют резко снизить время отстоя и расход деэмульгатора и существенно уменьшить потери лёгких фракций за счёт испарения в товарном резервуаре по сравнению с предыдущими схемами. Однако, расход тепла в них намного выше. В полностью развёрнутом виде (как на рис.74) подобные установки достаточно редки. Как правило, монтируют лишь ступень обезвоживания, а обессоливание осуществляют иными, более современными способами (см.ниже).

Термохимические установки с промывкой исходной эмульсии

Даже при решающем влиянии деэмульгатора и температуры экспериментально установлено, что до тех пор, пока в эмульсии типа В/Н нефть будет сохраняться как дисперсионная среда, сохраняется возможность всё нового образования подобной эмульсии. И лишь при замене дисперсионной среды на водяную, являющейся ненормальной для данного типа эмульсии, подобную возможность можно свети к нулю, что и было реализовано в опытной установке (не получившей распространения) ГрозНИИ и Гипровостокнефти (Рис.75).

Р ис. 75. Технологическая схема установки с промывкой исходной эмульсии

Водо – нефтяная эмульсия потоком 1 через резервный сепаратор 1 при 20⁰С под давлением 1 – 1,5 атм после смешения с деэмульгатором (поток II), насосом 2 подаётся в нижнюю часть колонны комплексной подготовки 3, в верхнюю часть которой потоком III поступает горячая (65 – 70⁰С) пресная вода. Газы из сепаратора и колонны потоком IV выводятся с установки. Ввод эмульсии обязательно должен осуществляться в виде капель или в крайнем случае плёнки, ибо при чрезмерном распылении образуется эмульсия типа Н/В, а при чрезмерном перемешивании новые порции эмульсии типа В/Н. Эмульсия, поднимаясь в таком виде через слой воды в колонне, обезвоживается, обессоливается и насосом 4 потоком V выводится с установки. Образовавшаяся в колонне сточная вода частично выводится с установки потоком VI, а частично возвращается в процесс насосом 9 после подогрева дымовыми газами (поток IX) в печи 7 и добавки свежей порции деэмульгатора, что позволяет существенно экономить пресную воду. Опыт эксплуатации подобной установки показал, что отходящие углеводородные газы и товарная нефть уносят с собой капельки воды, что потребовало сооружения добавочных отстойников для их отделения. Кроме того, наличие промежуточных ёмкостей 5 и 8, а также насоса 6 экономически не оправдано, не говоря уже о распылении воды в печи 7 и её прямом контакте с дымовыми газами, что помимо уноса вызывает повышение и без того немалой коррозионной активности сточной воды.

Частично эти проблемы удалось решить изменив режим работы колонны так, чтобы уровень раздела фаз нефть – вода перенёсся из верхней части колонны в нижнюю. Для чего стали не пробулькивать эмульсию через слой воды, а пропускать воду через колонну, заполненную эмульсией. Однако, установка так и осталась опытной.

Существует и иная разновидность подобных установок, так называемая установка с роторно – дисковым контактором, созданная и опробованная на НК НПЗ (Рис. 76.).

Р ис.76. Технологическая схема установки с роторно – дисковым контактором

Исходная эмульсия забирается насосом 2 из резервуара 1 и после подогрева в теплообменнике 3 подаётся на первую тарелку роторно – дискового контактора 4, в верхнюю часть которого потоком II поступает свежая подогретая пресная вода с добавкой деэмульгатора, поток III. Диски контактора выполнены из гидрофильного материала. Промывка эмульсии горячей водой приводит к её обезвоживанию и обессоливанию. Образовавшаяся сточная вода потоком IV выводится с установки, частично возвращаясь в аппарат в качестве горячей струи с помощью парового эжектора 5. Обезвоженная и обессоленная нефть накапливается в ёмкости 6 и с помощью насоса 7 прогоняется через теплообменник 3, где отдаёт своё тепло эмульсии, поступающей на установку. После чего, нефть накапливается в резервуаре 8 и потоком VI выводится с установки. Окончательный отстой воды осуществляется в отстойнике 6 и резервуаре 8.

Электрические методы разрушения водо – нефтяных эмульсий

Использование электрического поля для обезвоживания – обессоливания нефтей началось ещё в 1909 г. и в настоящее время получило широчайшее применение.

Если водо-нефияную эмульсию типа В/Н поместить в электрическое поле, то в результате индукции водяные глобулы дисперсной фазы поляризуются и вытягиваются в цепочки вдоль силовых линий поля. Расстояние между каплями резко сокращается, электрические силы притяжения настолько увеличиваются, что при соударениях капель «бронирующие» оболочки сдавливаются и разрушаются в результате чего происходит слияние глобул воды. Если электрическое поле переменно, то его эффективность ещё выше, т.к. водяные глобулы многократно меняют направление своего движения; возникающая при этом деформация способствует разрушению «бронирующих» оболочек. Главным элементом технологической схемы электрообезвоживающей и электрообессоливающей установки (ЭЛОУ) является электродегидратор, в котором водо-нефтяная эмульсия разрушается в электрическом поле напряженностью 1 – 3 кв/см создаваемом между двумя сетчатыми горизонтальными электродами, которые подвешаны на изоляторах на середине высоты аппарата. Эмульсия вводится в меж- или под- электродную зону, либо одновременно в обе (в этом случае используется третий электрод).

На ЭЛОУ эксплуатируются электродегидраторы 3 типов: вертикальные (объём ~ 300 м³) – на отдельных малотоннажных установках мощностью 0,6 – 1,2 млн.т/год по обессоленной нефти; шаровые (~ 600 м³) – на установках мощностью 2 – 3 млн.т/год; горизонтальные – мощностью 6 – 9 млн. /год и более.

К ак правило, ЭЛОУ монтируют из 2, а иногда и 3 (и более) ступеней. Типичная технологическая схема ЭЛОУ приведена на рис. 77.

Рис. 77. Технологическая схема установки ЭЛОУ.

На первой ступени водо – нефтяная эмульсия типа В/Н (эмульсия Н/В способна вызвать короткое замыкане) потоком I после смешения с деэмульгатором – поток II насосом 1 прогоняется через паровой теплообменник 2 и поступает в смеситель 3 где перемешивается с циркулирующей смесью сточных вод первой и второй ступени. После завершения промывки жидкость поступает в электродегидратор первой ступени 4 под водяную подушку в которой реализуется термохимическое обезвоживание и обессоливание. Затем, сырьё поднимается в пространство между водяной подушкой и нижним электродом где подвергается воздействию слабого электрического поля. Наконец, смесь попадает в пространство между электродами, где подвергается максимальному воздействию. Обработанная нефть после смешения с циркулирующей водой второй ступени, пресной водой и деэмульгатором направляется на вторую ступень обезвоживания и обессоливания в электродегидратор 8 и после завершения окончательной подготовки потоком IV – потребителю. Сточные воды 1 и 2 ступени через клапана 13 сбрасываются в соответствующие ёмкости 5 и 9. Сточная вода первой ступени частично насосом 7 направляется на циркуляцию для промывки исходной эмульсии, а частично сбрасывается в канализацию 6. Сточная вода 2 ступени целиком направляется на циркуляцию как для промывки эмульсии первой ступени, так и второй ступени. Пресная вода (поток V) с помощью насоса 11 после подогрева до 60 – 70⁰С в печах типа БН-5,4 подаётся, в основном, на промывку эмульсии перед второй ступенью и иногда и на первую ступень. Основные параметры процесса приведены в табл.25.

Табл.25.

Характеристика сырья и работы ЭЛОУ

Типичная нефть	Сырьё		ЭЛОУ
	Плотнос кг/м3	Хлорид. мг/л	Нагрев 0С	Число ступен.	Давл. МПа	Уд.пр. м3/м3ч	Расход
							Вода, % об.	Д/Э, г/т	Щёлочь, г/т
Сибирск Ромашк. Арланск. Мордово-Кармальская битумин	850 865 865 890 890 940	<300 <300 >300 <100 >100 <300	60-80 80-100 80-100 80-120 80-120 150	2 2 3 2 3 3	0,4-1,2 0,4-1,2 0,4-1,2 0,4-1,4 0,4-1,4 1,0-1,5	1-3 0,8-2,3 0,8-2,0 0,5-1,5 0,5-1,3 0,33	3-5 5-10 4-7 5-10 4-7 4-7	10-15 10-25 10-20 15-25 до 50	- - - 30 30 -

Применяемые деэмульгаторы, в основном, неионогенные подают в эмульсию в виде 1 –2 % растворов на каждую ступень, иногда, без разбавления (нефтерастворимые) только перед первой ступенью. Иногда, вместе с деэмульгатором используют щёлочь, для доведения рН сточной воды хотя бы до 7. Экономия пресной воды достигается не только за счет циркуляции сточных вод, но и за счет оптимального смешения воды и эмульсии в смесительном устройстве, регулируемого перепадом давления (от 0,05 до 0,2 МПа) на этом устройстве.

В настоящее время для обезвоживания и обессоливания тяжелых и особенно высокопарафинистых нефтей широкое применение (за рубежом) находят так называемые электростатические дегидраторы. Особое распространение эти аппараты получают там, где отсутствует пресная вода.

Сущность работы подобных аппаратов очень проста и сводится к созданию тем или иным способом статического заряда под высоким напряжением на электродах – диэлектриках, помещённых в эмульсию, или пузырьках газа, поднимающихся в этой эмульсии. Статические заряды диэлектриков или пузырьков газа взаимодействуют с полярными каплями воды, в результате чего, последние коалесцируют между собой и выпадают в дренаж.