Электрообессоливание нефти

Подготовка нефти заключается в удалении содержащихся в ней воды, механических примесей и солей. В результате перемешивания нефть и вода образуют трудноразделимую нефтяную эмульсию. Переработка нефти в таком виде не представляется возможной, так как вследствие попадания воды резко повышается давление и ухудшается степень ректификации в колоннах.

Механические примеси затрудняют транспортировку нефти и её переработку, вызывают эрозию внутренних поверхностей трубопроводов и образуют отложения в теплообменниках, печах, холодильниках, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи, повышают зольность остатков от перегонки нефти (мазута, гудрона), а также содействуют образованию стойких эмульсий.

Растворенные в воде соли (преимущественно хлориды) способствуют коррозии оборудования и трубопроводов вследствие гидролиза, протекающего с образованием хлористого водорода. Особенно интенсивно идет гидролиз хлористого магния:

M gCl₂ + 2H₂O Mg(OH)₂ + 2HCl

Хлористый кальций значительно менее агрессивен, но так как его содержание обычно значительно больше, чем MgCl₂, то и он также является активным источником коррозии.

При переработке сернистых нефтей при высоких температурах выделяется сероводород. Коррозия при его взаимодействии с хлористым водородом значительно увеличивается.

Основным звеном в подготовке нефти к переработке является процесс обработки нефти деэмульгаторами, промывка водой и электрообессоливание.

Значительную стойкость эмульсии придают присутствующие в нефти эмульгаторы (смолы, асфальтены, мыла нафтеновых кислот). Отстою и осаждению капель воды препятствуют защитные оболочки, образующиеся на разделе фаз «вода – нефть».

Термохимическое обезвоживание и обессоливание происходит при нагреве нефти до определенной температуры и подаче в нефть поверхностно-активного вещества (ПАВ) ‑ деэмульгатора. В этих условиях деэмульгаторы разрушают защитную оболочку вокруг капель воды и, тем самым, обеспечивают возможность слияния капель между собой в более крупные, которые легко осаждаются.

Основные методы разрушения 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, 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 слоев, 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, разности плотностей диспергированных частиц и среды, ускорению силы тяжести и обратно пропорциональна вязкости среды, окружающей частицы. Следовательно, ускорить выпадение капелек воды можно, увеличив их размер, разность воды и нефти и уменьшив вязкость нефти.

Разность плотностей можно увеличить, повысив температуру, так как коэффициент расширения воды при температуре примерно до 100°С меньше коэффициента расширения нефти. Вязкость нефти с повышением температуры уменьшается.

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 избыточном давлением; промывка нефти горячей водой

• электрические - обработка в электрическом поле переменного или постоянного тока

• химические - обработка эмульсий различными реагентами - деэмульгаторами.

В промышленности наибольшее применение нашли комбинированные способы разрушения нефтяных эмульсий. Основным современным способом деэмульгирования и обезвоживания нефти на промыслах является термохимический отстой под давлением до 15 ат с применением эффективных реагентов - деэмульгаторов. Для обессоливания нефти, главным образом на нефтеперабатывающих заводах, применяют способ, сочетающий термохимический отстой под избыточным давлением с обработкой эмульсии в электрическом поле высокой напряженности. Широко применяется на промыслах электрический способ обезвоживания и обессоливания. Электрический способ обессоливания включает две операции:

1) введение в частично обезвоженную нефть горячей воды для растворения солей и превращения нефти в эмульсию (расход воды на промывку эмульсии 10-15% от объёма нефти);

2) разрушение образовавшейся эмульсии в электрическом поле. При этом вода, выделяющаяся из эмульсии, уносит с собой соли. Обычно при использовании этого способа остаточное содержание воды в нефти 0-2,5%; количество удаляемых из неё солей - 95% и более.

Выделение воды из эмульсии подчиняется закону Стокса. Однако основную роль в разрушении эмульсии играет не скорость выпадающих капель диспергированной фазы, а разрушение защитных плёнок глобул и соединение их в крупные капли, которые выпадают с линейной скоростью, определяемой законом Стокса. На этом основании электрический метод - разрушение эмульсии в электрическом силовом поле между электродами. Гидрофобные эмульсии, состоящие из глобул воды в нефтяной среде, разлагаются электрическим током достаточно эффективно. Это обусловлено значительно более высокой электрической проводимостью воды (да ещё содержащей соли) по сравнению с проводимостью нефти (проводимость чистой воды 4*10-8 , проводимость нефти 3*10-13 ).

В электрическом поле постоянного напряжения все глобулы эмульсии стремятся расположиться воль силовых линий поля, так как вода имеет большую диэлектрическую постоянную, чем нефть (для нефти она равна примерно 2, для воды - около 80). Элементарные глобулы образуют между электродами водяные нити-цепочки, что вызывает увеличение проводимости эмульсии и увеличение протекающего через неё тока. Между цепочками глобул возникают свои электрические поля, ведущие к пробою и разрыву оболочек и к слиянию глобул в капли, которые начинают быстрее оседать. При помещении эмульсии в электрическое поле, созданное переменным током, скорость слияния глобул и расслоения эмульсии в 5 раз больше. Это объясняется большей вероятностью столкновения глобул при наличии переменного тока. При этом разрыв оболочек адсорбированного на глобулах эмульгатора облегчается возникающим в них натяжением и перенапряжением.

Для обезвоживания малоустойчивых нефтяных эмульсий на нефтепромыслах применяют обычный способ отстаивания воды в резервуарах после смешения с деэмульгатором без подогрева или при подогреве до 30-50°С. Большой эффект даёт также в сочетании с отстаиванием промывка нефтяной эмульсии пластовой водой с деэмульгатором.

В зависимости от устойчивости эмульсии опытным путём устанавливается технологический режим (температура, время отстаивания, расход деэмульгатора и др.) обработки полученных на промыслах нефтяных эмульсий. Более быстрое разделение фаз нефтяной эмульсии достигается центрифугированием, при котором силы гравитационного поля заменены в десятки тысяч раз большими центробежными силами. Основным недостатком центрифугирования является относительно низкая производительность сложного аппарата, требующего высококвалифицированного обслуживания.

Электрический способ обессоливания состоит из двух стадий:

- введения в нефть воды для растворения солей;

- разрушение образовавшейся эмульсии в электрическом поле между электродами. При этом водой, выделяющейся из эмульсии, выносятся соли.

Электродегидратор—аппарат для отделения воды от сырой нефти путём разрушения нефтяной эмульсии обратного типа (вода в нефти) в электрическом поле. В результате индукции электрического поля диспергированные глобулы воды поляризуются с образованием в вершинах электрических зарядов, изменяют направление своего движения синхронно основном полю и всё время находятся в состоянии колебания. Форма глобул постоянно меняется, что приводит к смятию структурно-механического барьера, разрушению адсорбционных оболочек и коалесценции глобул воды. По геометрической форме различают цилиндрические и сферические электродегидраторы, по расположению в пространстве — вертикальные и горизонтальные.

Электродегидратор имеет один или несколько вводов нефтяных эмульсий, что обеспечивает более равномерное поступление их по всему горизонтальному сечению. Подвешенные на специальных изоляторах электроды подсоединены к высоковольтным выводам трансформаторов. Последние установлены над электродегидратором рядом с реактивными катушками большой индуктивности, обеспечивающими ограничение величины тока и защиту электрооборудования от короткого замыкания.

В электродегидраторах электроды (от 2 до 8 штук) подвешены горизонтально друг над другом и имеют форму прямоугольных рам. Нефтяная эмульсия вводится на 0,7 м ниже расположения электродов, проходит через слой воды (теряя при этом основную массу солёной воды), затем поднимается и последовательно проходит зону слабой напряжённости электрического поля и зону сильной напряжённости (между электродами). В отстойниках нижней зоны (под электродами) вода отстаивается от нефти, верхней зоны (над электродами) — нефть от воды.

В электродегидраторах для обезвоживания лёгких и средних нефтей (например, ЭГ-200-10) предусмотрен один ввод сырья, для обезвоживания тяжёлых нефтей с плотностью до 910 кг/м3 (например, ЭГ-200-2р) — два раздельных ввода. По верхнему вводу нефть подаётся непосредственно в межэлектродное пространство, где особенно эффективно разрушаются устойчивые и тяжёлые нефтяные эмульсии при этом также повышается устойчивость электрического режима работы электродегидратора. В трёхвходовом электродегидраторе (например, ТЭД-400) эффективность обезвоживания достигается многократной обработкой нефтяной эмульсии в электрическом поле и использованием поворота потока обрабатываемой эмульсии с нисходящего на восходящий, что резко интенсифицирует процесс отделения коалесцированных глобул воды. Производительность электродегидратора с ёмкостью аппарата 200 м3 — до 6000 м3/сутки, остаточное содержание воды в товарной нефти 0-0,2%. В составе установок подготовки нефти при герметизированной системе сбора электродегидратор располагают в технологической схеме после сепараторов второй ступени и отстойников по обезвоживанию нефти. Для повышения эффективности работы электродегидратора, нефтяные эмульсии предварительно подогревают до 100-110°С, добавляют деэмульгаторы, иногда до 10% пресной воды.