книги из ГПНТБ / Багиров, И. Т. Современные установки первичной переработки нефти

перегонки. При подогреве нефти до 120 °С и выше в присутствии воды хлориды интенсивно гидролизуются с выделением сильно кор­ родирующего соединения — хлористого водорода (НС1). Наиболь­ шей способностью подвергаться гидролизу обладает хлористый магний (MgCl2) :

MgCI2 + Н ,0 <— >- MgOHCl + НС1

При 117°С идет реакция:

MgCla-6H20 ----->■ MgCl2-4H20 + 2Н20

а при 180 °С протекает следующая реакция:

MgCI2-4H,0 ----->- MgCI2-2H20 + 2Н„0

MgCl2-2H20 ----->- MgOHCl + HCl + Н20

По мере повышения температуры количество НС1 значительно возрастает.

Проведенные на заводах опыты показали, что даже небольшое количество в нефти MgCl2 вызывает значительную коррозию ап­ паратуры. Хлористый кальций (СаС12) значительно меньше диссо­ циирует, чем хлористый магний. Тем не менее он является актив­ ным источником коррозии, поскольку содержание СаС12 в нефтях гораздо больше, чем MgCl2. Хлористый натрий (NaCl) диссоцииру­ ет в меньшей степени, поэтому он относится к разряду слабых ис­ точников коррозии.

При наличии сероводорода (H2S), выделяющегося при перера­ ботке сернистых нефтей, коррозия от совместного его действия с соляной кислотой значительно увеличивается. Реагируя с железом, H2S образует сульфид по следующему уравнению:

Fe + H2S ----->- FeS + Н2

В воде FeS нерастворим; поэтому, накапливаясь на поверхности металла, сернистое железо играет до некоторой степени роль за­ щитной пленки, предотвращающей дальнейшую коррозию. При взаимодействии FeS с соляной кислотой пленка превращается в хлорное железо, легко растворимое в воде. Наличие соляной кис­ лоты способствует обнажению чистого металла, и его коррозия возрастает. Поэтому содержание солей в нефтях, выделяющих при переработке H2S, особенно опасно. Следовательно, сернистые нефти необходимо предварительно полностью обессоливать. Хло­ риды способствуют увеличению образования сероводорода при пе­ регонке примерно в 2—3 раза. Сероводород (FI2S) крайне ядови­ тый газ, вызывающий отравление обслуживающего персонала и за­ грязнение атмосферного воздуха.

Из всего изложенного ясно, что нефть, поступающая на пере­ работку, должна быть освобождена от пластовой воды, солей и механических примесей.

Предварительная подготовка нефти обычно производится на нефтепромыслах путем отстоя ее в специальных отстойниках и уда­ ления буровой воды и механических примесей. Поскольку после

10

этого содержание в ней воды и солей выше предусмотренных норм, окончательную подготовку нефти осуществляют на нефтеперера­ батывающих заводах.

Физико-химическая характеристика нефтяных эмульсий

Нефтяная эмульсия представляет собой дисперсную систему, состоящую из двух взаимно нерастворимых жидкостей. Внешней дисперсной средой является нефть, а внутренней дисперсной фазой капельки воды, крупинки глины, соль, песок и другие механические примеси. Эмульсии могут быть сильно- и слабоконцентрированны­ ми, что определяется количественным содержанием одной фазы в другой. Слабоконцентрированные (сильно разбавленные) эмуль­ сии характеризуются малым количеством весьма мелких глобул (диаметром 1 мк) диспергированной фазы в большом объеме дис­ персионной среды. Такая глобула при малых ее размерах под дей­ ствием межмолекулярных сил и поверхностного натяжения обычно приобретает сферическую форму, близкую к форме шара. Эту форму может исказить лишь сила тяжести или сила электрическо­ го поля.

Значительную стойкость природным нефтяным эмульсиям при­ дает обычно присутствующий в нефти эмульгатор, который адсор­ бируется на поверхности диспергированных частиц. Эмульгатора­ ми для нефтяных эмульсий являются коллоидные растворы: смо­ лы, асфальтены, мыла нафтеновых кислот, а также тонко диспер­ гированные глины, мелкий песок, суспензии металлов и др. Они ■обладают способностью прилипать к поверхности раздела двух фаз] эмульсии, образуя защитную броню глобулы. Эмульгаторы, кото­ рые способствуют образованию эмульсии масла в виде глобул в дисперсионной среде — воде (гидрофильные эмульгаторы), пред­ ставляют собой коллоидные растворы веществ, активных в воде, т. е. растворяющихся или разбухающих в ней (например, щелоч­ ные мыла, белковые вещества, желатин). Вещества, растворимые в маслах (например, смолы, известковые мыла, окисленные неф­ тепродукты), носят названия гидрофобных, или олеофильных эмульгаторов. В этой эмульсии вода содержится в виде глобул, взвешенных в дисперсионной среде — нефти.

Основные промышленные способы разрушения эмульсий

Существуют следующие промышленные способы удаления воды, -соли и грязи из нефтей.

Отстой эмульсии. Некоторые нестойкие эмульсии достаточно полно разлагаются'и отделяют воду при длительном отстое в по­ кое без применения каких-либо специальных методов деэмульсации. Однако такие легкоотстаивающиеся эмульсии встречаются до­

11

вольно редко. Отстоем удавалось достигнуть положительных ре­ зультатов при достаточно высокой температуре воздуха в летнее время, обычно в южных районах. Спускаемые при этом в специ­ альные пруды или резервуары отстоенные эмульсии содержали 50—60% воды. Более стойкие эмульсии — небитдагская и калинская нефти — совершенно не отстаиваются даже при очень дли­ тельном отстое. Поэтому отстаивание является малоэффективным способом и распространения не получило.

Отстой с подогревом эмульсии. Вследствие длительности про­ цесса при тепловом способе требуется значительный объем емко­ стей для отстоя подогретой нефти. Эмульсионную нефть подогре­ вают паром в теплообменниках, огнем в трубчатых подогревате­ лях и электричеством в специальном аппарате.

Электролитический способ. В нефть вводят десятые, сотые и да­ же тысячные доли процента специальных, растворимых в ней хи­ мических реагентов (соли кальция, алюминия и других двух- и трехвалентных металлов, нафтеновых, сульфонафтеновых, а так­ же других органических кислот). Эмульсия расслаивается с по­ мощью электролитов при 30—40 °С. Этот способ широко не исполь­ зуется.

Механические способы — центрифугирование и фильтрация. Для уменьшения вязкости эмульсию предварительно подогревают. Эти способы приемлемы лишь для малых количеств эмульсии.

Электрический способ обезвоживания и обессоливания являет­ ся весьма эффективным; он широко применяется на промыслах и на нефтеперерабатывающих заводах и вытеснил другие способы, ранее применявшиеся для этой цели, благодаря своей универсаль­ ности и возможности сочетания с тепловым и химическим способа­ ми. При правильном подборе режима обессоливания этот способ дает отличные результаты; эксплуатационные расходы относитель­ но невелики. Мощность установки электрообессоливания на заво­ дах рассчитывается на полную нефтеперерабатывающую мощ­ ность. Электрический способ обессоливания включает две опера­ ции: 1) введение в частично обезвоженную нефть горячей воды для растворения солей и превращения нефти в эмульсию (расход воды на промывку эмульсии 10—15% от объема нефти); 2) раз­ рушение образовавшейся эмульсии в электрическом поле. При этом вода, выделяющаяся из эмульсии, уносит с собой соли. Обыч­ но при использовании этого способа остаточное содержание воды в нефти 0—2,5%; количество удаляемых из нее солей—95% и бо­ лее.

Выделение воды из эмульсии подчиняется закону Стокса, по которому скорость движения выпадающих частиц дисперсной си­ стемы равна (в см/с):

2 г а (Ух — у 2) g

9т)

12

Из формулы видно, что с ростом величины капли скорость ее выпадения возрастает пропорционально квадрату линейных раз­ меров капли. Однако основную роль в разрушении эмульсии игра­ ет не скорость выпадающих капель диспергированной фазы, а раз­ рушение защитных пленок глобул и соединение их в крупные кап­ ли, которые выпадают с линейной скоростью, определяемой зако­ ном Стокса. На этом основан электрический метод — разрушение эмульсии в электрическом силовом поле между электродами. Гид­ рофобные эмульсии, состоящие из глобул воды в нефтяной среде, разлагаются электрическим током достаточно эффективно. Это обусловлено значительно более высокой электрической проводи­ мостью воды (да еще содержащей соли) по сравнению с прово­ димостью нефти (проводимость чистой воды 4-10-8, проводимость нефти 3-10-13).

В электрическом поле постоянного напряжения все глобулы эмульсии стремятся расположиться вдоль силовых линий поля, так как вода имеет большую диэлектрическую постоянную, чем нефть (для нефти она равна примерно 2, для воды — около 80). Элемен­ тарные глобулы образуют между электродами водяные нити-цепоч­ ки, что вызывает увеличение проводимости эмульсии и увеличение протекающего через нее тока. Между цепочками глобул возника­ ют свои электрические поля, ведущие к пробою и разрыву оболо­ чек и к слиянию глобул в капли. При увеличении размеров ка­ пель согласно закону Стокса они начинают быстрее оседать, и та­ ким путем из эмульсии выделяется чистая вода. При помещении эмульсии в электрическое поле, созданное переменным током, ско­ рость слияния глобул и расслоения эмульсии в 5 с лишним раз больше. Это объясняется большей вероятностью столкновения глобул при наличии переменного тока. Кроме того, при этом раз­ рыв оболочек адсорбированного на глобулах эмульгатора облег­ чается возникающим в них натяжением и перенапряжением.

Термохимический способ. В подогретую нефть вводят 0,5—2,0% различных химических реагентов (деэмульгаторов), например ней­ трализованный черный контакт (НЧК), представляющий собой водный раствор кальциевых или натриевых солей сульфокислот, получаемых из отбросных кислых гудронов. К настоящему време­ ни синтезировано большое количество поверхностно-активных ве­ ществ (ПАВ), используемых в качестве деэмульгаторов нефтяных эмульсий. По внешнему виду это густые жидкости, мазеобразные или твердые вещества. Деэмульгаторы растворяют в широких фракциях (160—240°С; 170—270 °С) ароматических углеводородов или в метиловом спирте и в виде 40—70%-ных растворов постав­ ляют потребителям.

В табл. 1 приведены данные работы установок ЭЛОУ при ис­ пользовании различных деэмульгаторов.

13

Деэмульгаторы способствуют четкому разделению фаз, исклю­ чают возможность образования промежуточных эмульсий. Все это значительно облегчает эксплуатацию электрообессоливающих уста­ новок. Эффективность обезвоживания и обессоливания определяет­ ся правильным выбором деэмульгатора.

Промышленные установки электрообезвоживания и электрообессоливания нефти (ЭЛОУ)

В промышленности для обезвоживания и обессоливания эмуль­ сионных нефтей применяют в основном электродегидраторы верти­

кальные, шаровые и горизонтальные.

Вертикальные электродегидраторы представляют собой верти­ кальную цилиндрическую емкость с полусферическими днищами

Рис. 1. Вертикальный электро­ дегидратор:

1 — аппарат; 2 — высоковольтные транс­

диаметром 3 м, высотой 5 м, объемом 30 м3 (рис. 1). Внутри аппа­ рата 1 (примерно на его середине) на изоляторах подвешены гори­ зонтальные электроды 6 я 7, питающиеся от двух высоковольтных трансформаторов 2 мощностью по 5 кВА каждый. Напряжение между электродами обычно 15—35 кВ. Распределительная голов­ ка 8 обеспечивает поступление эмульсионной нефти в виде тонкой веерообразной горизонтальной струи. Расстояние между электро­ дами 10—14 см. Обычно его подбирают экспериментально. Дли­ тельность пребывания эмульсии в электрическом поле несколько минут.

15

Производительность типового электродегидратора 15—25, а в некоторых случаях 30 м3/ч. Линейная скорость движения нефти между электродами около 2—4 м/ч, или 3—6 см/мин. Важными элементами электродегидратора являются проходные и подвесные

для изоляторов, способного работать при таких температурах. Из известных материалов таким является фторопласт-4. Электроде­ гидратор оборудован реактивными катушками 5, сигнальными лам­ пами, регулирующей тягой щели в распределительной головке 8, змеевиком для подогрева низа аппарата, шламовым насосом, ма­ нометром, мерным стеклом, поплавковым выключателем и предо­ хранительным клапаном. Вертикальные электродегидраторы при­ меняют на старых заводах и на нефтепромыслах. Из-за ограничен­ ного объема и небольшой производительности (300—600 т/сут) • на современных нефтезаводах их не устанавливают.

Шаровые электродегидраторы. В связи с увеличением мощности современных установок первичной перегонки нефти сооружение электрообессоливающих установок или блоков на основе малопро­ изводительных вертикальных электродегидраторов оказалось тех­ нически и экономически нецелесообразным. При средней пропуск­ ной способности вертикального электродегидратора 400 т/сут для

Наличие большого числа мелких аппаратов требует большой площади, увеличенного штата обслуживающего персонала и ослож­ няет эксплуатацию установки. Поэтому возникла необходимость в создании электродегидратора с большой пропускной способно­ стью. В основу конструкции такого электродегидратора был поло­ жен сферический резервуар объемом 600 м3, диаметром 10,5 м, оборудованный электродами, распылительным устройством и дру­ гими приспособлениями. Такой шаровой электродегидратор (рис. 2) может находиться в длительной эксплуатации.

Принцип действия электродегидраторов такой же, как и верти­ кальных. Эмульсионная нефть поступает в аппарат по трем стоя­ кам 8 с распределительной головкой 7, расположенной симметрич­ но в экваториальной плоскости шара, на расстоянии 3 м от его

16

вертикальной оси. Внутри электродегидратора на изоляторах 5 подвешены три пары горизонтальных электродов 6 диаметром 2— 3 м. Верхний электрод каждой пары расположен над соответствую­

оборудования от короткого замыкания в цепь первичных обмоток каждого трансформатора включены реактивные катушки типа РОМ-50/05. При нормальной работе шарового электродегидратора сила тока одного трансформатора не превышает 30—35 А.

На рис. 3 показана принципиальная схема работы электрообез­ воживающей и электрообессоливающей установки (ЭЛОУ) с ша­ ровыми электродегидраторами. Сырая нефть забирается из резер­ вуара сырьевым насосом 1 и прокачивается через теплообмен­ ник (или подогреватель) 2 в термохимический отстойник 4. Осво­ божденная от воды и, следовательно, частично от растворенных солей и механических примесей нефть, выходящая сверху отстой­ ника, под собственным давлением проходит последовательно элек­ тродегидраторы 5 и 6 (1 и 2 ступени). Обессоленная нефть из послед­ ней ступени электродегидратора направляется через теплообмен­ ник в отстойник или резервуар (на рисунке не показаны). Деэмуль­

гатор вводят в нефть на линии нестабильной сырой нефти (на выкид сырьевого насоса 1), а вода и щелочь подаются перед каждым электродегидратором насосами 9 и 10 через смесительные устрой­ ства 3. В первый электродегидратор направляется вода, дреннруе-

моздки и их изготовление трудоемко. Вес аппарата 6—9 тс, а с уче­ том металлоконструкций, электрооборудования и обвязочных тру­ бопроводов достигает 100 тс. Изготовлять их можно только на площадке строительства. Толщина стенки аппарата при диаметре 10,5 м и внутреннем давлении 6 кгс/см2 составляет 24 мм, а в слу­ чае их работы при 140 °С и 10 кгс/см2 достигает 40 мм. Тогда об­ щий вес аппарата равен 140 тс. Кроме того, наличие на установке двух и трех аппаратов объемом по 600 м3 пожароопасно. По уста­ новленным нормам шаровые электродегидраторы должны распо­ лагаться (при комбинировании процессов первичной переработки) на расстоянии не менее 30 м от технологических аппаратов уста­ новок АТ и АВТ.

Горизонтальные электродегидраторы. На отечественных и зару­ бежных нефтеперерабатывающих заводах широко применяют го­ ризонтальные электродегидраторы. В типовых комбинированных установках первичной переработки нефти А-12/9, А-12/9В, А-12/10, 11/3 и др. блоки ЭЛОУ оборудованы горизонтальными электроде­ гидраторами конструкции ВНИИнефтемаш. Емкость их примерно- в 3 раза меньше, чем шарового электродегидратора. Диаметр электродегидратора 3,0—3,6 м, длина цилиндрической части 18 м. Аппараты рассчитаны на температуру 135—150 °С и на максималь­ ное давление до 20 кгс/см2. Горизонтальные электродегидраторы объемом 80—160 м3 и диаметром 3—3,4 м имеются на заводах и на.

18

нефтепромыслах. Принцип работы этих электродегидраторов при­ мерно такой же, как вертикальных и шаровых.

На рис. 4 представлен общий вид типового горизонтального электродегидратора 2ЭГ-160 конструкции ВНИИнефтемаш. В от­ личие от других конструкций, в этом электродегидраторе на высоте

Рис. 4. Горизонтальный электродегидратор типа 2ЭГ-160, конструкции ВНИИ­ нефтемаш (V = 160 м3; d = 3,5 м; I — 18,2 м):

V — соляной раствор; VI — промывная вода.

немного более половины высоты аппарата подвешаны горизонталь­ но, друг над другом, два прямоугольных рамнык электрода 8. Они занимают почти все продольное сечение аппарата и питаются от двух трансформаторов типа ОМ-66/35 мощностью по 5 кВА каж­ дый. Расстояние между электродами 25—40 см. Равномерное по­ ступление сырья по всему сечению электродегидратора обеспечи­ вается расположенным вдоль аппарата горизонтальным маточни­ ком. Вначале сырье попадает в слой отстоявшейся воды, затем поступает в зону под электродами, а оттуда проходит через электро­ ды в межэлектродное пространство. После этого оно вытесняется в зону над электродами и выше, по направлению к выходным кол­ лекторам обработанной нефти 2, расположенным наверху электро­ дегидратора равномерно по всей его длине.

Благодаря контактированию нефти с водой и с расстворенным в ней деэмульгатором достигается более полное удаление воды и солей. Крупные частицы воды выпадают из нефти по пути к элек­ тродам; на них воздействует относительно слабое поле, создавае­ мое между нижним электродом и зеркалом воды. В зону сильного поля между электродами попадает нефть со сравнительно мелкими частицами воды, не успевшими выделиться из нефти и нуждаю­ щимися в воздействии электрического поля большой напряжен­ ности.

Производительность любого электродегидратора ограничивает­ ся, в основном, скоростью выпадения взвешенных в ней частиц во­ ды. Скорость движения нефти вверх аппарата не должна превы­ шать скорости оседания диспергированных частиц. В противном

19