Перекачка нефтей с присадками
Перспективным способом трубопроводного транспорта высокопарафинистых нефтей и нефтепродуктов является перекачка их с полимерными дипрессорными присадками, незначительная добавка которых существенно улучшает (снижает) их реологические характеристики. Известно много соединений, обладающих в той или иной мере депрессорной активностью. Особенно часто применяют соединения полимерного типа, среди которых найдены наиболее эффективные депрессорные присадки к парафиносодержащим нефтепродуктам, газому конденсату и нефтям.
Депрессорные присадки эффективно использовать при температурах ниже температуры застывания нефти. Температура помутнения (температура массовой кристаллизации парафинов) считается наивысшей, при которой заметно воздействие присадки на высокопарафинистую нефть. Депрессоры не являются растворителями кристаллического парафина и не уменьшают его количества в нефти. Они изменяют размеры, форму и строение частиц дисперсной фазы. Эффективность действия присадок зависит от физико-химических свойств парафинистых нефтей или их смесей с маловязкими нефтями, и в первую очередь от содержания в них парафинов и естественных поверхностно-активных веществ – смол и асфальтенов.
Необходимая концентрация депрессора в нефти зависит от цели и конкретных условий применения. Так, для успешной перекачки нефти по магистральному трубопроводу в нее достаточно ввести присадку с массовой концентрацией 0,1-0,2%. В случае транспорта смеси высокозастывающей нефти с маловязкими эта концентрация может быть снижена. Хранение парафинистой нефти с массовой концентрацией присадки до 0,03% в значительной мере уменьшает парафинизацию оборудования и может исключить дорогостоящую ручную зачистку резервуаров нефтебаз, танкеров и т.д. Рассмотрим влияние депрессорной присадки, представляющей собой 20 %-ый раствор сополимера этилена с винилацетатом в дизельном топливе на нефти, содержащей до 10% парафиновых углеводородов. Присадка вводилась в нефти при температуре 50 градусов.
О механизме воздействия присадок для высокопарафинистых нефтей можно судить по изменению деформационно-прочностных свойств структуры парафиновых углеводородов нефти в зависимости от условия ее формирования (в присутствии добавки или без нее). Изучение кинетики развития напряжений сдвига при постоянной скорости деформации в дисперсных системах позволяет исследовать механизм возникновения и характер структуры. Физико – химическая обработка системы, изменяющая условия возникновения частиц и число контактов между ними, проявляется в изменении хода деформационного процесса.
На данном рисунке изображена диаграмма, характеризующая развитие течения в высокозастывающей нефти, предварительно нагретой до 323 К. Процесс разрушения структуры парафиновых углеводородов включает в себя собственно разрушение кристаллической решетки, высвобождение жидкой среды, находящиеся внутри структурной сетки, изменение ориентации частиц. Нисходящая ветвь кривой l отражает завершение сложного процесса изменения структуры и перехода на установившийся режим течения. По характеру разрушения структуры парафина высокозастывающие нефти относятся к упругопластическим телам.
В присутствии депрессора, массовая концентрация которого составляет 0,2% коренным образом изменяется картина развития деформации в парафинистой нефти. Здесь имеет место пластическое течение при напряжениях значительно меньших, чем в исходной нефти (кривая 2).
Снижение прочности и увеличение пластичности нефти с депрессором следует объяснить образованием комплексов из молекул присадки и парафина, создающих пространственное препятствие формированию контактов кристаллического геля и уменьшающих их упорядоченность.
Основным в механизме действия добавки является сокристаллизация молекул присадки и парафинистых углеводородов нормального строения нефти в период их выкристаллизовывания. В этом случае образуются смешанные кристаллы депрессор-парафин , что мешает объединение частиц в пространственную сетку.
Присадки необходимо вводить в нефть при температурах, при которых ее парафиновые углеводороды растворены и она представляет собой истинный раствор. Обычно депрессоры вводятся в нагретую до 323-333 К нефть. Для обеспечения нормальной перекачки парафинистой нефти при изотермическом режиме по трубопроводу значительной длины достаточно ввести добавку лишь один раз, например на головных сооружениях нефтепровода. Способы ввода присадок потока могут быть различными. Основным условием является обеспечение высокой степени перемешивания депрессора и нефти. Если присадка представляет собой пасту или твердые гранулы, то она предварительно растворяется в заданном соотношении в нефти или в другом резервуареи уже в виде концентрата впрыскивается через форсунку дозировочным насосом в нефтепровод. В месте ввода депрессора режим течения нагретой нефти должен быть турбулентным, что создает хорошие условия для распределения присадки по всему объему перекачиваемой нефти.
Депрессорная активность присадки увеличивается с уменьшением содержания в нефти парафиновых углеводородов, а степень улучшения их текучести зависит от концентрации добавки. Наиболее эффективными являются первые доли добавки. Максимальное снижение реологических характеристик достигалась при массовой концентрации депрессора, равной 0,2%. Применение депрессорной присадки наиболее эффективно при изотермическом ламинарном движении высокопарафинистых нефтей. В области турбулентного течения нефти с присадкой наблюдается снижение коэффициента гидравлического сопротивления по сравнению с необработанной в среднем на 20%.
Для уменьшения расхода депрессора предложена другая технология его применения, при которой присадка вводится только в пристенный кольцевой нагретый слой нефти. Основные количества нефти не нагреваются и она течет при ламинарном режиме. На трубопроводах с несколькими нефтеперекачивающими станциями присадка вводится после каждой промежуточной станции, так как после прохождения насосов депрессор распределяется по всему объему нефти. Эта технология позволяет при практически неизменных гидравлических характеристиках нефтепровода сократить в 7-10 раз расход присадки и энергозатраты на нагрев нефти при ее добавлении. Однако приведенный способ их использования рграничен структурным режимом течения высокопарафинистых нефтей. К настоящему времени имеется опыт по применению депрессорных присадок в промышленных условиях. Различные присадки использовались при пуске в эксплуатацию нефтепровода Узень-Куйбышев, при перекачке африканских нефтей по европейским трубопроводам. С их помощью можно увеличить пропускную способность без дополнительных капитальных вложений на расширение основного оборудования или на усиление тепловой изоляции: облегчить пуск трубопровода и перекачку нефти при температурах ниже температуры ее застывания; уменьшить или полностью исключить смешение с низкозастывающими нефтями и тем самым повысить использование на перерабатывающих заводах парафинистых нефтей.
В случае применения присадок на горячих нефтепроводах возможно снизить температуру подогрева или вообще от него отказаться. Последнее особо важно при прокладке нефтипроводов в вечной мерзлоте, где подогрев отрицательно влияет на внешнюю среду и требуются специальные мероприятия по сохранению несущей способности грунта.