18.Теоретические основы обезвоживания нефти. Основные методы.

Процесс обезвоживания нефти можно условно разделить на два этапа: первый — укрупнение капель, т. е. сближение и флокуляция капель, разрушение бронирующей оболочки на каплях воды и их коагуляция до размеров, достаточных для их дальнейшего слияния, и второй — осаждение укрупненных капель. Скорость оседания взвешенных частиц может быть определена по формуле Стокса

где u_g – скорость оседания капель, d -диаметр оседающих капель; р_в и р_н— плотность соответственно воды и нефти; — динамическая вязкость нефти; g — ускорение свобод­ного падения.

Формула Стокса не учитывает влияние стенок отстойника, а также вязкости осаждаемых частиц и характеризует осаждение или всплытие капель в неподвижной бесконечной среде.

Адамар и Бонд предложили поправку, учитывающую влияние вяз­кости жидкости внутренней фазы,

Приведенные формулы применимы для движущейся капли с Rе < 2. Скорость осаждения при режимах 2 < Rе <500 можно определять по формуле

число Рейнольдса Rе = du_gp_H/ . Из приведенных формул очевидно, что скорость осаждения капель возрастает: с увеличением диаметра частиц; со снижением вязкости жидкостей, составляющих эмульсию;

при Rе >500

с увеличением вязкости и плотности воды и нефти; с увеличением диаметра частиц; с увеличением ускорения движения частиц, которое в поле естественного тяготения равно ускорению свободного падения.

Однако чаще всего не скорость осаждения капель воды играет ре­шающее значение при обезвоживании нефти, а время разрушения защитных оболочек и слияния капель в крупные, способные преодо­леть вязкость внешней среды и осаждаться с образованием слоя сво­бодной воды.

Выявление указанных факторов и характера их влияния позволяет наметить технические приемы повышения эффективности разделения эмульсий. Принципиальными основами этих приемов являются:

повышение температуры обрабатываемых эмульсий, которое сни­жает вязкость жидкостей, составляющих эмульсию, и уменьшает по­верхностное натяжение на границе раздела фаз (на этом принципе основаны термические методы обезвоживания нефти);

увеличение размеров частиц выделяемой диспергированной жидко­сти за счет различных приемов деэмульсации, в частности, деэмульсации при помощи химических реагентов и электрического поля (на этом принципе основаны химические и электрические методы обез­воживания нефти);

увеличение скорости движения частиц дисперсной фазы путем за­мены естественной силы тяжести более мощной центробежной силой; плотность воды и механических примесей выше плотности нефти, и ча­стицы под действием центробежной силы прижимаются к стенке и, коагулируя, стекают вниз; метод центрифугирования низкопроизво­дителен, сложен, дорог и широкого применения на промыслах не на­шел;

уменьшение высоты отстаивания без увеличения общей площадки отстойника; на этом основано применение параллельных пластин в го­ризонтальных отстойниках и разделительных дисков в сепараторах.

Эффективность разделения эмульсий снижается при наличии в них взвешенных частиц, плотность которых мало отличается от плотности сплошной фазы. Не поддаются очистке механическими методами стой­кие стабилизированные мелкодисперсные эмульсии. Отрицательное влияние на разделение эмульсий оказывают неблагоприятные гидрав­лические условия отстаивания, такие, как турбулентность, конвекция потоков, перемешивание и др. Значительное повышение эффективности разделения нефтяных эмульсий достигается путем комбинированного использования гравитационного отстаивания в сочетании с термиче­скими, химическими и электрическими методами обработки нефти в процессе ее обезвоживания.

При проектировании сооружений обезвоживания нефти для кон­кретных производственных условий необходимо иметь эксперимен­тальные данные об обводненности, качественном и количественном составе примесей, ожидаемом состоянии эмульсии. Одновременно с обезвоживанием нефти происходит и ее обессоливание, поскольку вода отделяется от нефти вместе с растворенными в ней минеральными примесями. При необходимости, для более полного обессоливания, можно дополнительно в нефть подавать пресную воду, которая растворяет кристаллы минеральных солей, и при последующем отделе­нии минерализованной воды происходит углубленное обессоливание нефти.

Механическое обезвоживание нефти

Основная разновидность приемов обезвоживания нефти — гравита­ционное отстаивание. Применяют два вида режимов отстаивания — периодический и непрерывный, которые соответственно осущест­вляются в отстойниках периодического и непрерывного действия.

В качестве отстойников периодического действия обычно приме­няют цилиндрические отстойники — резервуары (резервуары отстаи­вания). Сырая нефть, подвергаемая обезвоживанию, вводится в ре­зервуар при помощи распределительного трубопровода (маточника). После заполнения резервуара вода осаждается и скапливается в ниж­ней части, а нефть собирается в верхней части резервуара. Отстаива­ние осуществляется при спокойном (неподвижном) состоянии обраба­тываемой нефти. По окончании процесса обезвоживания нефть и вода отбираются из отстойного резервуара. Положительные результаты работы отстойного резервуара достигаются только в случае содержа­ния воды в нефти в свободном состоянии или в состоянии крупнодис­персной нестабилизированной эмульсии.

Р азличают горизонтальные и вертикальные отстойники непрерыв­ного действия (рис. 3.1). Горизонтальные отстойники подразделяются на продольные и радиальные. Продольные горизонтальные отстойники в зависимости от формы поперечного сечения могут быть прямоуголь­ные и круглые. В гравитационных отстойниках непрерывного дейст­вия отстаивание осуществляется при непрерывном потоке обрабаты­ваемой жидкости. На рис. 3.2 изображена принципиальная схема горизонтального цилиндрического отстойника непрерывного действия. Эмульсия жидкости В, диспергированная в жидкости Н, вводится в резервуар отстойника и расслаивается под действием силы тяжести. Разделившиеся жидкости выходят из отстойника по трубопроводам Н и В. На схеме рис. 3.2 заштрихована область эмульсии, которая разделяет зоны жидкостей Н (вверху) и В (внизу). Здесь а — уровень раздела фаз. При достаточной длине, отстойника L в выходной его ча­сти происходит полное разделение фаз, составляющих эмульсию. Капля жидкости В, движущаяся в однородной жидкости Н, находится под действием силы потока жидкости Н, которая увлекает каплю вдоль отстойника, и архимедовой силы, возникающей в результате различия плотности капли жидкости В (р_в) и жидкости Н (р_н).

Капля движется вдоль отстойника с постоянной скоростью потока u_l и опускается также с постоянной скоростью и_g. Скорость падения капли и_g может быть определена по закону Стокса, представленному в виде формулы Адамара. Капля, которая начинает движение с уровня r, находящегося выше поверхности раздела (уровня а), до­стигает этой поверхности в течение времени падения: t_g=r/u_g. До­стигнув поверхности раздела, капля сохраняется у этой поверхности в течение времени t_k, которое представляет собой время до коалесценции.

В целом до коалесценции капля пройдет расстояние вдоль оси отстойника z=u_l(t_g+t_k)=u_l(r/u_g+t_k). Время коалесцен­ции t_k учитывать очень трудно. Задача решается относительно просто, если время коалесценции t_k значительно меньше времени падения t_g и им можно пренебречь.

Скорость потока определяется как u_l=Q/S, где Q — расход по­тока; S — площадь поперечного сечения потока. Если уровень раз­дела фаз Н и В находится посередине отстойника, то S=пR²/2, где R — радиус цилиндрического отстойника.

При диаметр капель, выделившихся в отстойнике:

где — поправка к закону Стокса по Адамару и Бонду;

Если ввести понятие поверхности отстойника S_g=2RL, то фор­мула (3.1) примет вид

Капли в отстойнике, для которых , выделяются из эмульсии. Полученная формула имеет существенное ограничение из-за того, что не учитывается время коалесценции капель дисперсной фазы. Эта формула при заданной степени очистки, определяемой предельной крупностью отделяемых частиц d для заданного отстойника, который характеризуется площадью поверхности отстаивания в нем S_g, по­зволяет найти максимальную производительность отстойника Q. Для общего расхода Q_об очищаемой эмульсии требуемое число отстойни­ков определяется из выражения N=Q_об/Q.

Термическое обезвоживание нефти

Одним из основных современных приемов обезвоживания нефти яв­ляется термическая, или тепловая, обработка, которая заключается в том, что нефть перед отстаиванием нагревают. Вязкость вещества бронирующего слоя на поверхности частицы воды при повышении температуры уменьшается и прочность оболочки снижается, что облег­чает слияние глобул воды. Кроме того, снижение вязкости нефти при нагреве увеличивает скорость оседания частиц при отстаивании. Тер­мическая обработка нефти редко осуществляется только для отстаи­вания, чаще такая обработка применяется как составной элемент более сложных комплексных методов обезвоживания нефти, напри­мер в составе термохимического обезвоживания (в сочетании с хими­ческими реагентами и отстаиванием), в комплексе с электрической обработкой и в некоторых других комбинированных методах обезво­живания.Нагревание нефти осуществляется в специальных нагревательных установках, которые располагают в технологической линии обезво­живания нефти после отделения (сепарации) из нефти газов, но ранее ввода нефти в отстойник. Температура нагревания устанавливается с учетом особенностей водонефтяных эмульсий и элементов принятой системы обезвоживания.

Химическое обезвоживание нефти

В нефтяной промышленности весьма широко применяют химические методы обезвоживания нефти, основанные на разрушении эмульсий при помощи химических реагентов. Эффективность химического обез­воживания нефти в значительной степени зависит от типа применяе­мого реагента. Выбор эффективного реагента, в свою очередь, зависит от вида водонефтяной эмульсии и свойств нефти, подвергаемой обез­воживанию. Выбор реагентов-деэмульгаторов в каждом конкретном случае производится на основе специальных лабораторных и промыс­ловых исследований. Химическое обезвоживание, как и прочие комбинированные методы обезвоживания нефти, включает гравитационное отстаивание после обработки реагентов водонефтяной эмульсии. В эмульсию, подвергаемую разрушению, вводится реагент-деэмульгатор и перемешивается с ней, после чего создаются условия для вы­деления воды из нефти путем отстаивания. Можно применять как периодическое, так и непрерывное разрушение эмульсий, но предпоч­тение отдается непрерывным процессам.

Существуют три метода химического обезвоживания нефти:

обезвоживание, основанное на деэмульсации, которая осущест­вляется в нефтяной скважине («внутрискважинная деэмульсация»), когда реагент вводится в эмульсию непосредственно в скважине;

обезвоживание, основанное на деэмульсации, которая осущест­вляется в нефтесборном трубопроводе («путевая деэмульсация»), когда реагент вводится на начальном участке нефтесборного коллектора;

деэмульсация и обезвоживание нефти непосредственно в отстой­ных резервуарах, когда реагент вводится в резервуар после его за­полнения эмульсией, подвергаемой обработке.

Первые два метода имеют некоторые преимущества и являются более эффективными.

Фильтрация

Для деэмульсации нестойких эмульсий применяют метод фильтра­ции, основанный на явлении селективной смачиваемости веществ раз­личными жидкостями. Материалом фильтрующего слоя могут служить обезвоженный песок, гравий, битое стекло, стекловата, древесная стружка из осины, клена, тополя и других несмолистых пород дре­весины, а также металлическая стружка. Особенно часто применяют стекловату, которая хорошо смачивается водой и не смачивается нефтью. Фильтры из стекловаты долговечны. Фильтрующие вещества должны обладать следующими основными свойствами: хорошо сма­чиваться водой, благодаря чему глобулы воды прилипают к поверх­ности фильтрующего вещества, коагулируют и стекают вниз; иметь высокую прочность, которая обеспечивает длительную работу фильтра; иметь противоположный, чем у глобул, электрический заряд. Тогда при прохождении глобулами воды фильтра электрический заряд с по­верхности капли снимается, чем снижаются отталкивающие силы между ними. Капли укрупняются и стекают вниз, а нефть свободно проходит через фильтр.

Фильтрующие установки обычно выполняют в виде колонн, раз­меры которых определяются в зависимости от вязкостных свойств эмульсии и объема обезвоживаемой нефти. Обезвоживание нефти фильтрацией применяют очень редко из-за малой производительности, громоздкости оборудования и необходимости частой смены фильтрую­щего материала. Фильтрация более эффективна в сочетании с процес­сами предварительного снижения прочности бронирующих оболочек.

Теплохимическое деэмульгирование

Теплохимические процессы снижают прочность бронирующих обо­лочек или полностью их разрушают, что ускоряет и удешевляет раз­деление нефтяной эмульсии. В настоящее время более 80 % всей об­водненной нефти проходит обработку на теплохимических установ­ках. Такое широкое применение этот метод получил благодаря воз­можности обрабатывать нефти с различным содержанием воды без замены оборудования и аппаратуры, простоте установки, возможности менять деэмульгатор в зависимости от свойств поступающей эмульсии без замены оборудования. Однако теплохимический метод имеет ряд недостатков, например большие затраты на деэмульгаторы и повышен­ный расход тепла. На практике обессоливание и обезвоживание ве­дутся при температуре 50—100 °С.

По воздействию на нефтяные эмульсии все существующие деэмуль­гаторы делятся на электролиты, неэлектролиты и коллоиды. Деэмульгаторами-электролитами могут быть некоторые органические и мине­ральные кислоты (серная, соляная и уксусная), щелочи и соли (по­варенная соль, хлорное железо, нефтенат алюминия и др.). Электро­литы могут образовывать нерастворимые осадки с солями эмульсии, снижать стабильность бронирующей оболочки или способствовать раз­рушению эмульгаторов бронирующей пленки. Электролиты как деэ­мульгаторы применяют крайне ограниченно из-за их высокой стоимо­сти или особой коррозионной активности к металлу оборудования. К неэлектролитам относятся органические вещества, способные раст­ворять бронирующую оболочку и снижать вязкость нефти. Такими дезмульгаторами могут быть бензин, ацетон, спирт, бензол, четыреххлористый углерод, фенол и др. Неэлектролиты в промышленности не применяются из-за высокой их стоимости. Деэмульгаторы-коллоиды — это поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые в эмульсии разрушают или ослабляют защитную оболочку капли.

Существующие ПАВ делятся на анионоактивные, катионоактивные, неионогенные. Анионоактивные ПАВ в водных растворах диссо­циируют на отрицательно заряженные ионы углеводородной части молекулы и положительно заряженные ионы металла или водорода. Представителями этой группы являются карбоновые кислоты и их соли, сульфокислоты, алкилсульфонаты и др. Катионоктивные ПАВ в водных растворах распадаются на положительно заряженный ра­дикал и отрицательно заряженный остаток кислоты. Как деэмульга­торы эти ПАВ в промышленности не применяются. Неионогенные ПАВ в водных растворах не распадаются на ионы. К этой группе относятся оксиэтилированные алкилфенолы (деэмульгаторы ОП-4, ОП-7, ОП-10, ДБ-4, УФЭ-8, Кауфэ-14 и др.), оксиэтилированные ор­ганические вещества с подвижным атомом водорода (дипроксамин-15,7, проксамин-385, проксанол-305 и др.).

Деэмульгаторы должны хорошо растворяться в одной из фаз эмульсии (в воде или нефти), т. е. быть гидрофильными или гидро­фобными, иметь поверхностную активность, достаточную для разру­шения бронирующих слоев оболочек глобул, быть инертными по отношению к металлам, не ухудшать качества нефти, быть дешевыми и, по возможности, универсальными по отношению к эмульсиям различ­ных нефтей и од. Чем раньше деэмульгатор вводится в смесь воды и нефти, тем легче происходит дальнейшее разделение эмульсии. Однако для разделения эмульсии еще недостаточно одного введения деэмульгатора, необходимо обеспечить полный контакт его с обрабаты­ваемой эмульсией, что достигается интенсивной турбулизацией и по­догревом эмульсий.

Электрическое обезвоживание

Электрическое обезвоживание и обессоливание нефти особенно ши­роко распространено в заводской практике, реже применяется на нефтепромыслах. Возможность применения электрического способа в сочетании с другими способами (термическим, химическим) можно отнести к одному из основных его достоинств. Правильно выбран­ные режимы электрической обработки практически позволяют ус­пешно провести обезвоживание и обессоливание любых эмульсий.

Рассмотрим механизм обезвоживания нефтяных эмульсий в элек­трическом поле.

В результате индукции капли воды вытягиваются вдоль цепи элек­трического поля с образованием в вершинах электрических зарядов. Под действием основного и индивидуального полей капли приходят в упорядоченное движение и сталкиваются, что приводит к их коалесценции. При прохождении эмульсии через электрическое поле, создаваемое переменным по величине и направлению током, так же как и при постоянном токе, капли, имеющие заряд, стремятся к элек­тродам. Однако вследствие изменения напряжения и напряжения поля капли воды начинают двигаться синхронно основному полю и поэтому все время находятся в колебании. При этом форма капель непрерывно меняется. В связи с этим происходит разрушение адсор­бированных оболочек капель, что облегчает их слияние при столкно­вениях. Установлено, что деэмульсация нефти в электрическом поле переменной частоты и силы тока в несколько раз эффективней, чем деэмульсация при использовании постоянного тока.