Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ, ГАЗОВОГО КОНЕНСАТА, ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Изобретение предназначено для удаления диспергированной воды из нефти и нефтепродуктов, газового конденсата, жидких углеводородов и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, газовой, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности, где необходимо разделение неоднородных систем эмульсионного типа.

Известно устройство для обезвоживания углеводородной эмульсии, которое содержит емкость со штуцерами вывода газа, воды и углеводородного сырья, распределитель эмульсии в виде патрубка, в разрыв которого перед емкостью дополнительно установлен завихритель потока эмульсии, который интенсивно перемешивает и вращает поток эмульсии (Устройство для обезвоживания углеводородной эмульсии: пат. 2354680 Рос. Федерация. №2007113514/15; заявл. 12.04.07; опубл. 10.05.09). Недостатками данного изобретения являются:

высокая энергоемкость процесса, поскольку для достаточно интенсивного завихрения углеводородной эмульсии необходимо создание большой скорости потока эмульсии, что приведет опосредованно к возрастанию гидравлического сопротивления системы и увеличения мощности насоса, перекачивающего эмульсию;

низкая итоговая эффективность разделения фаз эмульсии, так как на выходе из завихрителя вращательное движение эмульсии переходит в осевое с потерей эффекта центробежного разделения эмульсии;

геометрически и конструктивно короткий завихритель, устанавливаемый во входном патрубке, не способен обеспечить качественное разделение эмульсии в завихрителе и, как следствие, в емкости-сепараторе в целом.

Известно устройство для обезвоживания высокоустойчивых водо-углеводородных эмульсий, выполненное в виде унифицированного комплекса, состоящего из отстойника (средство разделения), испарителя (средство нагрева и испарения), конденсатора-холодильника (средство конденсации), соединенных между собой, системой рециркуляции продуктов, при этом испаритель оснащен устройствами, обеспечивающими механическое воздействие на кипящую жидкость (диспергатор, мешалка, циркуляционный насос и иные средства перемешивания), с возможностью стабилизации процесса кипения эмульсии (Способ обезвоживания высокоустойчивых водо-углеводородных эмульсий и унифицированный комплекс для его реализации: заявка 2009115211 А Рос. Федерация; заявл. 21.04.09; опубл. 27.10.10).

Недостатками данного изобретения являются:

большие энергозатраты, связанные с необходимостью нагрева водно-углеводородной эмульсии до кипения с выпариванием воды и последующим охлаждением углеводородной фазы, если температура кипения углеводородов выше температуры кипения воды при давлении сепарации или с выпариванием углеводородов и последующим охлаждением водной фазы и конденсацией углеводородной фазы, если температура кипения углеводородов ниже температуры кипения воды при давлении сепарации, а также на циркуляцию упариваемого продукта;

при выпаривании воды часть углеводородов будет равновесно уходить с потоком выпаренной воды, что приведет к потерям углеводородного продукта и загрязнению конденсата углеводородами, создавая дополнительную нагрузку на очистные сооружения предприятия;

дополнительные энергозатраты на механическое перемешивание кипящей жидкости при помощи диспергатора или мешалки.

Известно устройство по разделению двух несмешивающихся жидкостей, выполненное в виде емкости с установленными в ней вертикальными перегородками, образующими секции - сообщающиеся сосуды, в том числе приемную секцию с входным патрубком и расходную секцию с выходным патрубком, и сорбентными фильтрами, заглубленными в верхнюю часть коалесцентного фильтра с возможностью вертикального перемещения и выполненными съемными (Универсальное устройство бинарного типа: пат. 2304200 Рос. Федерация. №2005125136/03; заявл. 08.08.05; опубл. 10.08.07). Недостатком данного изобретения является использование сорбентного фильтра, который по мере отработки сорбента требует замены, что связано с периодическим прекращением эксплуатации устройства, необходимости демонтажа отработанного фильтра и замены его на свежий фильтр с последующим монтажом аппарата.

Известно также устройство для обезвоживания нефти и нефтепродуктов, газового конденсата, жидких углеводородов, которое представляет собой емкость со штуцером ввода обезвоживаемого продукта и штуцерами вывода обезвоженного продукта и воды, содержащую коалесцирующий пакет, набранный из пластин пористо-ячеистых материалов с плотностью пор и ячей, увеличивающейся от секции к секции, установленных под углом не ниже угла стекания жидкости, при этом пакет содержит дополнительный последовательно расположенный коалесцирующий слой из гидрофильного материала (модифицированного пористо-ячеистого металла или сплава, пемзы, стеклянных шариков, целлулоидной сетки или нити) и фильтрующий слой из пластин пористо-ячеистого металла или сплава с гидрофобными свойствами (Устройство для обезвоживания нефти и нефтепродуктов: пат. 2146164 Рос. Федерация. №98118490/12; заявл. 14.10.98; опубл. 10.03.00). Недостатками данного изобретения являются:

нерегулярность коалесцирующего слоя приводит к его неоднородности и, как следствие, различной степени дегидратации локальных (отдельных) струй жидкости, проходящих через этот слой, и снижению уровня обезвоживания углеводородов в целом;

наличие фильтрующего элемента делает устройство неприменимым в непрерывных технологических процессах, например, при ректификации углеводородов в присутствии водяного пара с последующей конденсацией дистиллята и отделением сконденсировавшейся воды от углеводородной жидкой фазы;

- при значительном содержании водной фазы в разделяемой эмульсии из-за набора уровня воды в нижней части емкости часть коалесцирующего и фильтрующего слоя может оказаться затопленной водой и исключиться из процесса дегидратации, что также снизит качество дегидратации углеводородов;

- в силу гидрофильности материалов, формирующих коалесцирующий пакет, устройство становится неработоспособным при разделении эмульсий типа «масло в воде», когда органическая фаза диспергирована в водной сплошной фазе, и водная фаза начинает «запирать» проходное сечение пакета, препятствуя слиянию капель углеводородов.

При создании изобретения ставилась задача разработки универсальной конструкции устройства для обезвоживания нефти и нефтепродуктов, газового конденсата, жидких углеводородов, способной работать при разделении водно-углеводородных эмульсий, как со сплошной углеводородной фазой, так и сплошной водной фазой.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для обезвоживания нефти и нефтепродуктов, газового конденсата, жидких углеводородов, включающем емкость с горизонтальным цилиндрическим корпусом, штуцер ввода обезвоживаемого продукта и штуцера вывода обезвоженного продукта и воды, и коалесцирующий пакет, расположенный внутри емкости, который представляет собой регулярную многослойную насадку из гофрированных проницаемых пластин, образующую в нормальном сечении емкости стенку, сопряженную с корпусом емкости, причем смежные гофрированные проницаемые пластины контактируют между собой вершинами гофров, при этом для сбора скоалесцированной водной фазы в нижней части горизонтального цилиндрического корпуса емкости вмонтирован сборник-накопитель воды, а для сбора скоалесцированной углеводородной фазы в верхней части горизонтального цилиндрического корпуса емкости вмонтирован сборник-накопитель углеводородов. Эффективные коалесцирующие свойства подобного пакета связаны с тем, что при прохождении очищаемого потока сквозь коалесцирующий пакет гофрированных проницаемых пластин происходит изменение скоростей потока локальных струй неоднородной системы: в отверстиях гофрированных проницаемых пластин скорость струи возрастает, а в свободном пространстве гофра скорость струи уменьшается, при этом капли диспергированной фазы свою повышенную скорость за счет инерции сохраняют. Таким образом, сталкивающиеся капли имеют повышенную кинетическую энергию, что позволяет легче преодолевать силы поверхностного натяжения, препятствующие слиянию капель, то есть их коалесценции.

Целесообразно, чтобы гофрированные проницаемые пластины имели угол наклона гофра к горизонтали 40-60 градусов, что позволяет легко перемещаться по поверхности пластины вниз укрупненным каплям или пленке воды, или вверх укрупненным каплям или пленке жидких углеводородов. Также целесообразно выполнить гофрированные проницаемые пластины из экспандированной пластины толщиной 0,1-0,5 мм с образованием ромбовидных ячеек-отверстий с размером 3-8 мм и толщиной ребра 0,5-2,0 мм, при этом гофры смежных гофрированных проницаемых пластин смещены на 90 градусов и контактируют между собой вершинами гофров, образуя полости размером в 3-5 раз больше, чем ребро ромбовидных ячеек-отверстий гофрированных проницаемых пластин. Испытание таких пластин в системах газ-жидкость показало, что по гофрированным проницаемым пластинам одинаково легко формируется капельно-пленочный поток как водной фазы (при очистке углеводородных газов от сероводорода водным раствором аминов), так и углеводородной фазы (при ректификации углеводородов).

Целесообразно, также фиксировать гофрированные проницаемые пластины между собой в пакете при помощи точечной электросварки или сшиваться спицами с заглушенными торцами, что обеспечивает с одной стороны простоту сборки пакета, а с другой - его конструктивную прочность.

Во избежание захвата вместе с откачиваемой из сборника-накопителя скоалесцированной фазой воды или углеводородов одновременно с очищенной сплошной фазой, целесообразно, сборник-накопитель оборудовать датчиком уровня водной или углеводородной фазы, который при помощи регулирующего прибора позволит обеспечить включение или выключение насоса, откачивающего скоалесцированную фазу.

Заявляемое изобретение иллюстрируется фигурами 1 и 2, на которых, соответственно, представлены конструкция устройства для разделения эмульсии со сплошной водной фазой и конструкция устройства для разделения эмульсии со сплошной углеводородной фазой, которые состоят из следующих элементов:

1 - горизонтальный цилиндрический корпус емкости;

2 - штуцер ввода обезвоживаемого продукта;

3 - штуцер вывода обезвоженного продукта;

4 - штуцер вывода собранной диспергированной фазы;

5 - секция гравитационного разделения эмульсии;

6 - секция коалесцентного разделения эмульсии (коалесцирующий пакет);

7 - сборник-накопитель воды;

8 - сборник-накопитель углеводородов;

9 - датчик уровня водной или углеводородной фазы.

Работа устройства для разделения эмульсии со сплошной водной фазой заключается в следующем, согласно фигуре 1, поток эмульсии со сплошной водной фазой через штуцер ввода обезвоживаемого продукта 2 поступает в горизонтальный цилиндрический корпус емкости 1 в секцию гравитационного разделения эмульсии 5. Далее поток движется горизонтально по аппарату, при этом за счет преобладающей силы гравитации происходит осаждение крупных и средних капель воды. Минимальный размер (диаметр) осаждаемых капель определяется временем осаждения капель воды, которое должно быть в пределе меньше времени пребывания потока в секции гравитационного разделения эмульсии 5. После поток проходит секцию коалесцентного разделения эмульсии 6, в виде коалесцирующего пакета, представляющего собой многослойную насадку из гофрированных проницаемых пластин, образующих стенку, сопряженную с горизонтальным цилиндрическим корпусом емкости 1. В отверстиях гофрированных проницаемых пластин скорость струи возрастает, а в свободном пространстве гофра скорость струи уменьшается, при этом капли диспергированной водной фазы свою повышенную скорость за счет инерции сохраняют. Таким образом, сталкивающиеся капли имеют повышенную кинетическую энергию, что позволяет легче преодолевать силы поверхностного натяжения, препятствующие слиянию капель, то есть их коалесценции. Этому же способствует то, что в силу конструкции коалесцирующего пакета гофрированных проницаемых пластин отверстия в смежных пластинах не имеют общей оси, поэтому для перехода локальной струи в системе: отверстие в пластине-пространство гофра-отверстие в смежной пластине будет наблюдаться, по крайней мере, дважды изогнутая траектория движения и на криволинейных участках на коалесцирующие капли будет дополнительно действовать центробежная сила. Скоалесцированная водная фаза собирается в сборнике-накопителе воды 7, снабженном датчиком уровня водной фазы 9, и выводится из аппарата через штуцер вывода собранной диспергированной фазы 4. Обезвоженный продукт выводится через штуцер вывода обезвоженного продукта 3.

Работа устройства для разделения эмульсии со сплошной углеводородной фазой заключается в следующем, согласно фигуре 2, поток эмульсии со сплошной углеводородной фазой через штуцер ввода обезвоживаемого продукта 2 поступает в секцию гравитационного разделения эмульсии 5 горизонтального цилиндрического корпуса емкости 1. Поток движется горизонтально по аппарату, при этом за счет преобладающего воздействия на капли силы Архимеда происходит всплывание крупных и средних капель углеводородной фазы. Минимальный размер (диаметр) всплываемых капель определяется временем всплывания капель углеводородной фазы, которое должно быть в пределе меньше времени пребывания потока в секции гравитационного разделения эмульсии 5. Далее поток проходит секцию коалесцентного разделения эмульсии 6, в виде коалесцирующего пакета, представляющего собой многослойную насадку из гофрированных проницаемых пластин, образующих стенку, сопряженную с корпусом емкости. При этом в отверстиях гофрированных проницаемых пластин скорость струи возрастает, а в свободном пространстве гофра скорость струи уменьшается, при этом капли диспергированной углеводородной фазы свою повышенную скорость за счет инерции сохраняют. Таким образом, сталкивающиеся капли имеют повышенную кинетическую энергию, что позволяет легче преодолевать силы поверхностного натяжения, препятствующие слиянию капель, то есть их коалесценции. Этому же способствует то, что в силу конструкции коалесцирующего пакета гофрированных проницаемых пластин отверстия в смежных пластинах не имеют обшей оси, поэтому для перехода локальной струи в системе: отверстие в пластине-пространство гофра-отверстие в смежной пластине будет наблюдаться, по крайней мере, дважды изогнутая траектория движения и на криволинейных участках на коалесцирующие капли будет дополнительно действовать центробежная сила. Скоалесцированная углеводородная фаза собирается в сборнике-накопителе углеводородов 8 в верхней части горизонтального цилиндрического корпуса емкости 1, снабженного датчиком уровня углеводородной фазы 9, и выводится из аппарата через штуцер вывода обезвоженного продукта 3. Очищенная от углеводородной фазы вода выводится через штуцер вывода собранной диспергированной фазы 4.

Пример 1. При разделении в цилиндрическом отстойнике эмульсии в виде капель воды в нефти осаждаются только крупные капли, мелкие капли из-за низкой величины скорости осаждения не успевают осадиться. При этом коалесценция капель воды практически не происходит, так как величина кинетической энергии капель существенно меньше величины поверхностного натяжения капли и при соударении капель не обеспечиваются условия их слияния, так, при диаметре капли воды 10^-4 м с поверхностным натяжением 0,07275 н/м (Дж/м²) величина силы поверхностного натяжения составит 0,22*10^-8 Дж, а кинетическая энергия капли, движущейся с потоком нефти со скоростью 2 м/с, составляет 0,1046*10^-8 Дж, то есть даже при соприкосновении капель их слияние не происходит.

Пример 2. При прохождении эмульсии в виде капель воды в нефти в условиях, аналогичных примеру 1, через цилиндрический отстойник согласно заявляемому изобретению, в котором размещен коалесцирующий пакет, представляющий собой регулярную многослойную насадку из гофрированных проницаемых пластин, образующую в нормальном сечении емкости стенку, сопряженную с корпусом емкости, причем смежные гофрированные проницаемые пластины контактируют между собой вершинами гофров, происходит значительное изменение скоростей локальных струй разделяемого потока, в пространстве отстойника перед коалесцирующим пакетом скорость капель совпадает со скоростью движущейся эмульсии и составляет 2 м/с, при прохождении эмульсии через отверстия гофрированных проницаемых пластин с долей свободного сечения 0,5 для прохождения потока эмульсии скорость потока возрастает в два раза и скорость капель воды достигает 4 м/с. На выходе из отверстий гофрированных проницаемых пластин в пространство между гофрированными проницаемыми пластинами скорость сплошной нефтяной фазы, исходя из условия неразрывности потока, резко уменьшается с 4 до 2 м/с, при этом капли воды за счет инерционности их движения сохраняют скорость 4 м/с и кинетическая энергия капли увеличивается до 0,418 Дж, что позволяет разрушить поверхностный слой капель воды и обеспечить их коалесценцию.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает решение поставленной задачи - разработки универсальной конструкции устройства для обезвоживания нефти и нефтепродуктов, газового конденсата, жидких углеводородов, способной работать при разделении водно-углеводородных эмульсий как со сплошной углеводородной фазой, так и сплошной водной фазой.