Способы деэмульгирования нефтяных эмульсий
Деэмульгирование нефтяных эмульсий лежит в основе обоих процессов подготовки нефти к переработке – её обезвоживания и обессоливания. При обезвоживании деэмульгированию подвергают исходную эмульсионную нефть, при обессоливании – искусственную эмульсию, создаваемую при перемешивании нефти с промывной водой.
Механизм разрушения нефтяных эмульсий можно разбить на три элементарных стадии:
столкновение глобул воды;
слияние их в более крупные капли;
выпадение капель или выделение в виде сплошной водной фазы.
Чтобы обеспечить максимальную возможность столкновения глобул воды, увеличивают скорость их движения в нефти различными способами: перемешиванием в смесителях, мешалках, при помощи подогрева, ультразвука, электрического поля, центробежных сил и др. Однако для слияния капель воды одного столкновения недостаточно, нужно при помощи деэмульгаторов или другим способом ослабить структурно-механическую прочность слоёв, обволакивающих глобулы воды, и сделать их гидрофильными.
Наконец, необходимо создать наилучшие условия для быстрого и полного отстоя крупных капель воды от нефти.
Согласно закону Стокса, скорость движения выпадающих частиц прямо пропорциональна квадрату их радиуса, разность плотностей диспергированных частиц и среды, ускорению силы тяжести и обратно пропорциональна вязкости среды, окружающей частицы. При достаточно малом размере частиц (сотые доли микрона и меньше) скорость их осаждения настолько мала, что практически в течение длительного времени не наблюдается заметного расслоения эмульсии. Следовательно, ускорить выпадение капелек воды можно, увеличив их размер, разность плотностей воды и нефти и уменьшив вязкость нефти.
Разность плотностей можно увеличить, повысив температуру, так как коэффициент расширения воды при температуре примерно до 100оС меньше коэффициента расширения нефти. На практике при разности температур, применяемых в процессах обезвоживания и обессоливания, можно увеличить разность плотностей на 10 – 20%. Вязкость нефти с повышением температуры уменьшается. Это уменьшение вязкости с температурой для разных нефтей различно и зависит от их состава.
Способы деэмульгирования нефтяных эмульсий условно можно разделить на следующие группы:
механические – фильтрация, центрифугирование, обработка ультразвуком и др;
термические – подогрев и отстаивание при атмосферном давлении и под избыточным давлением; промывка нефти горячей водой;
электрические – обработка в электрическом поле переменного и постоянного тока;
химические – обработка эмульсии различными реагентами – деэмульгаторами.
Способы разрушения эмульсий типа н/в
Эмульсии типа Н/В встречаются, главным образом, при переработке нефти и применении нефтепродуктов. Эти эмульсии обладают специфическими свойствами, и те методы деэмульгирования, которые применяют для эмульсий типа В/Н, совершенно не пригодны для них.
Эмульсии Н/В хорошо смешиваются с водой во всех отношениях, в результате сточные воды загрязняются нефтепродуктами, поэтому разрушение таких эмульсий связано, главным образом, с очисткой сточных вод, сбрасываемых в водоёмы и реки. Такие эмульсии образуются при защелачивании и промывке водой дистиллятов и нефтепродуктов, на предприятиях, применяющих эмульсол для охлаждения металлорежущих инструментов, в паровых турбинах и др. Иногда в этих случаях получаются высокодисперсные, весьма устойчивые эмульсии, величина капелек масла которых (конденсатные эмульсии) равна десятым долям микрона. Полностью разрушить такие эмульсии очень трудно.
Существует несколько способов разрушения эмульсий типа Н/В, однако эффективность их зависит от состава эмульгатора, концентрации, дисперсности эмульсии и др.
Наиболее часто эмульсии Н/В разрушают при помощи электролитов с поливалентными ионами. Этот способ эффективен только для эмульсий, образованных с применением ионных эмульгаторов (мыла и др.). Электролиты взаимодействуют с ионной группой эмульгатора, образуя нерастворимые в воде соединения и тем самым, ликвидируя их действия как эмульгатора.
Эмульсии, образованные неионогенными эмульгаторами, разрушаются электролитами высокой концентрации значительно труднее. В таких случаях лучше вытеснять эмульгатор из адсорбционного слоя веществами, не способными стабилизировать эмульсию, например амиловым спиртом.
Имеется много патентов [2] на способы разрушения эмульсий Н/В при помощи кислот. Исследования Шеррика, изучавшего адсорбцию водородных ионов, происходящую при добавлении кислот к нефтяным эмульсиям, показали, что для полного деэмульгирования нужна определённая концентрация водородных ионов. По эффективности действия кислоты можно расположить в следующий ряд:
Он также обнаружил, что при использовании хлорного железа происходит адсорбция ионов, в результате чего эмульсия разделяется на два слоя. В некоторых случаях эмульсии нефти в воде разрушаются при добавлении солей с двух– и трёхвалентными катионами (хлористый кальций, хлористый алюминий).
Весьма устойчивые высокодисперсные, конденсатные эмульсии образуются при работе паровых турбин. Мелкие частицы смазывающего масла уносятся паром и при его конденсации образуется эмульсия Н/В, которая очень трудно разрушается. Конденсат, содержащий даже небольшие количества масла, непригоден для питания паровых котлов высокого давления, так как тонкая плёнка масла на поверхности котла способствует перегреву его стенок. Действие этой плёнки усиливается с увеличением толщины плёнки, поэтому очень важно очищать от масла конденсат паровых турбин.
Для очистки применяют всевозможные фильтры, например, Гатчек предложил фильтровать воду через фильтр, покрытый слоем карбоната кальция (фильтрпресс). Чистая вода проходит через фильтр, смачиваемый водой, а масло задерживается. Для разрушения эмульсий и улавливания из конденсатной воды масла многие предлагают фильтрацию через активированный уголь. Этот уголь задерживает масло и после фильтрации может быть регенерирован экстракцией легко испаряющимся растворителем. Примерно 1 кг активированного задерживает из конденсатной эмульсии около 150 г масла.
Часто для удаления
масла или других нефтепродуктов из
эмульсии Н/В к ней добавляют реагенты,
образующие студенистые осадки,
адсорбирующие масло. Капельки масла
заражены отрицательно, поэтому добавка
электролитов способствует их коалесценции.
Для этой цели обычно применяют технический
сульфат алюминия вместе с карбонатом
натрия или каустической содой. Образуется
хлопьевидный осадок гидрата алюминия,
который адсорбирует маслянистые капельки
и может быть легко отфильтрован через
кварцевый или другой фильтр. В этом
процессе необходимо, чтобы
во избежание растворения осадка. Кроме
сульфата алюминия предложены квасцы,
алюминат натрия, сульфат трёхвалентного
железа, гидроокись железа и др.
Существуют электрические методы разрушения эмульсий Н/В и выделения масла, основанные на электрофорезе или сложных электрохимических явлениях. Нагретую эмульсию Н/В разлагают постоянным током, пропускаемым между электродами; масло скапливается у анода, а для его удаления через определённые промежутки времени меняют направление тока, при этом масло всплывает на поверхность воды.
Имеются также патенты на способы разрушения нефтяных эмульсий при совместном действии электрического и магнитного полей, а также при действии магнитного поля различной частоты.