Химические способы разделение нефти

Разделение нефти

Компания ENCE GmbH на заказ осуществит разработку, сборку и поставку «под ключ» установок разделения нефтяной эмульсии (УПН).

Навигация

Общие положения

В настоящее время нефть является одним из ключевых столпов энергетической промышленности любой страны, и эта роль сохранится за “черным золотом” еще долго. Поэтому и проблемы, возникающие в процессе нефтедобычи, год от года не теряют своей важности и актуальности. Одной из таких проблем является необходимость разделения водонефтяных эмульсии, что напрямую связано с особенностями процесса извлечения нефти из земляных недр.

Известны различные способы нефтедобычи, и одним из наиболее распространенных является метод заводнения нефтяных пластов, то есть закачки воды в пласт с целью увеличения пластового давления и последующего вытеснения нефти к забою. Существует множество вариаций этой технологии, но основной принцип остается неизменным. Преимущества здесь достаточно очевидны: доступность водных ресурсов, относительная простота реализации и высокая эффективность метода. Набор таких качеств делает метод не только популярным, но и крайне перспективным для дальнейшего использования и совершенствования.

Недостатком этого метода является факт попадания в выкачиваемую нефть водяных включений, что влечет за собой ряд проблем с хранением, транспортировкой и переработкой нефти. Вода фактически является балластом, что приводит увеличению эксплуатационных затрат. Кроме того, растворенные в воде соли увеличивают коррозию металлических поверхностей оборудования, соприкасающегося с нефтью, а также способны вызывать отложения на стенках труб и емкостей. При отрицательных температурах вода кристаллизуется, что может привести к повреждению насосного и фильтровального оборудования.

Однако необходимо заметить, что водные включения почти гарантированно присутствуют в нефти и без закачки воды в скважину. Естественным источником обычно выступает пластовая вода, которая откачивается и смешивается с нефтью в процессе добычи, что в итоге также приводит к образованию эмульсии. Поэтому стадия обезвоживания является неотъемлемой частью нефтедобычи, и вопрос стоит только в объеме отделяемой воды и сложности этого процесса.

Теория процесса

Контакт воды и нефти приводит к образованию эмульсии – в данном случае двухкомпонентной системы из нерастворимых друг в друге жидкостей, где одна из фаз является сплошной, а другая находится в диспергированном состоянии. Причем эмульсия может быть как по типу “вода в нефти”, так и, наоборот, “нефть в воде”, что определяется их соотношением и тем фактом, какая из фаз является сплошной, а какая – дисперсной. В зависимости от концентрации дисперсной фазы эмульсия может быть слабо концентрированной (менее 20%), концентрированной (от 20% до 74%) и высококонцентрированной (более 74%). Особенно интенсивно процесс эмульгирования протекает в клапанных узлах насосов и прочих местах, где водонефтяная смесь подвергается интенсивному перемешиванию.

В общем случае эмульсия представляет собой неустойчивую систему и проявляет тенденцию к расслоению, стремясь сократить к минимуму поверхность контакта фаз, но на практике это происходит не всегда. Устойчивость водонефтяной эмульсии может варьироваться в широком диапазоне, и процесс расслоения может занимать от нескольких часов до нескольких лет. На это влияют такие показатели как плотность и вязкость нефти, размер глобул дисперсной фазы (степень дисперсности), а также присутствие эмульгаторов – поверхностно активных веществ, обладающих сродством к дисперсной фазе и снижающих ее поверхностное натяжение. Помимо снижения поверхностной энергии, эмульгаторы, закрепляясь на поверхности глобул дисперсной среды, формируют у них прочную механическую пленку, также препятствующую коалесценции (слипанию) капель. Естественными эмульгаторами в нефти выступают такие вещества как асфальтены, высокоплавкие парафины, нафтеновые кислоты и т.д. Кроме эмульгаторов на поверхности дисперсных частиц могут адсорбироваться различные твердые включения нефти, за счет чего происходит дополнительное ее укрепление. Такое возрастание устойчивости водонефтяной эмульсии называется старением нефти.

Классификация методов обезвоживания нефти

Классификация во многом опирается на выбор принципа, с помощью которого разрушается устойчивая водонефтяная эмульсия. Это может быть достигнуто простым отстаиванием, приводящим к расслоению фаз, однако в часто этого оказывается недостаточно. Принимая во внимание объемы добываемой нефти и высокие требования к ее качеству, от используемых методов разделения требуется высокая производительность и степень очистки, а также экономичность. К основным методам разделения относят:

1. механические;
2. термические;
3. химические;
4. электрические.

В поисках более эффективных и совершенных способов очистки нефти также делаются попытки воздействовать на водонефтяную эмульсию и другими способами. Так проводятся исследования по разделению или интенсификации процесса разделения с помощью магнитного поля, ультразвука и т.д.

Механические методы

Группа включает в себя отстаивание, центрифугирование и фильтрацию. Преимуществом таких методов является относительная простота реализации и аппаратурного оформления процесса, для которого в большинстве случаев не требуется подвод тепла или использование химического реагента и т.п., что также позволяет работать при большом расходе эмульсии без значительных увеличений затрат. Механическими методами хорошо поддаются разделению сильно обводненные нефти. Ключевым же недостатком можно назвать невозможность разделения устойчивых эмульсий, а значит и невозможность глубокого обезвоживания нефти без привлечения дополнительных мер.

Отстаивание основывается на гравитационном осаждении капель воды в нефти и проводится в отстойниках, роль которых часто исполняют сырьевые резервуары. Таким образом, отстаивание может выступать в качестве первичной стадии очистки и обезвоживания нефти. Отстойники могут быть периодического или непрерывного действия, с горизонтальным или вертикальным направлением движения нефти, а также отличаться по конструкции.

Так распространены отстойники, оформленные в корпусе горизонтального резервуара. Подача и распределение водонефтяной эмульсии происходит через питающий патрубок и соединенный с ним распределитель. В процессе отстаивания эмульсия подвергается расслоению, что приводит к образованию дренажного слоя воды на дне отстойника и слоя обезвоженной нефти вверху. При этом в центральной части аппарата в зоне отстаивания происходят основные процессы: соударение дисперсных частиц, их слияние и укрупнение с последующим оседанием на дно под действием силы тяжести. В отстойнике также могут быть предусмотрены штуцеры для удаления шлама и скапливающихся газов.

Процесс осаждения капель может быть интенсифицирован, если проводить его в поле центробежных сил, что реализовано в центрифугах. Однако такое увеличение эффективности осаждения требует значительных затрат электроэнергии, что при невысокой производительности центрифуг сильно ограничивает их распространение. Фильтрация также не получила широкого распространения из-за необходимости частой смены фильтрующего материала, который обычно подбирается таким образом, чтобы он был гидрофобным, но в тоже время хорошо смачивался водой, что позволило бы задерживать водные включения, пропуская основной объем нефти.

В качестве примера центробежного аппарата, способного разделять водонефтяные эмульсии, можно рассмотреть трикантер, представляющий собой горизонтальную центрифугу для разделения трехфазных сред. То есть помимо стандартного отделения твердой фазы в поле центробежных сил также происходит и расслоение нефтяной и водной фаз эмульсии с их последующим раздельным выводом из аппарата.

Внутри вращающегося барабана, который и создает поле центробежных сил, располагается шнек, задача которого состоит в удалении из трикантера осаждаемых твердых включений. Шнек и барабан имеют различные угловые скорости, поэтому обычно оснащаются отдельными приводами. Исходная водонефтяная эмульсия подается в барабан через центральную питательную трубу, расположенную внутри вала шнека. В ходе расслоения фаз внутри барабана образуется два кольца жидкости: водяное и нефтяное. Первое (водяное) за счет большей плотности располагается дальше от оси вращения, а второе (нефтяное) – ближе. Это позволяет организовать их раздельный отвод с помощью коллекторной системы, выводные отверстия которой расположены одно ближе к стенке барабана, другое – к стенке вала шнека, чем и обеспечивается удаление соответствующих фаз. Отвод жидкостей осуществляется самотеком.

Несмотря на все недостатки, механические методы применяются повсеместно еще и потому, что обладают высокой синергией с другими методами, направленными в первую очередь на разрушение водной эмульсии, благодаря чему нивелируется основной недостаток отстаивания – невозможность разделять устойчивые мелкодисперсные эмульсии.

Термические методы

Одним из простейших способов усилить деэмульгацию является термическая обработка. При нагревании водонефтяной эмульсии интенсифицируются различные процессы, способствующие разрушению дисперсной фазы и ее последующему расслоению. Так с ростом температуры снижается вязкость нефти, усиливается броуновское движение и возрастает разница в плотности между двумя фазами. Кроме того, облегчается и коалесценция капель за счет ослабления их защитного слоя, чему способствует расплавление бронирующих кристаллов парафинов и асфальтенов и увеличение растворимости в нефти природных эмульгаторов.

Оптимальная температура нагрева водонефтяной смеси определяется индивидуально и зависит от множества параметров, но общий принцип такой, что для более легкой и маловязкой нефти она берется ниже, чем для более вязкой и тяжелой. Так температура нагрева для деэмульгации может варьироваться в широких пределах от 60-70 0 С до 120-140 0 С. Нагрев неизбежно приводит к испарению легких фракций нефти, что влечет за собой дополнительные потери, повышение пожароопасности и ужесточение требований по герметизации, что налагает дополнительные требования для оборудования такого рода.

Наглядным примером использования термического метода разрушения водонефтяных эмульсий может служить принцип работы аппарата, называемого хитер-тритер. Хотя нужно отметить, что в общем случае в аппарате используется комбинированный метод, когда эмульсию подвергают не только нагреву, но и последующему отстаиванию или даже воздействию электрического поля. В данном случае хитер-тритер функционально и конструктивно делится на две части, разделенные переливом. Исходная водонефтяная эмульсия поступает в левую часть аппарата, где расположена жаровая труба, внутри которой работает горелка. Она в свою очередь является источником топочных газов, которые нагревают эмульсию за счет теплообмена через стенки, после чего направляются в дымовую трубу на очистку и выброс.

Нагреваемая водонефтяная смесь частично подвергается расслоению, что позволяет отделять крупнодисперсную воду, которая затем выводится в систему дренажа. Также теряется часть легколетучих компонентов вследствие их испарения, и для их удаления предусмотрен отдельный штуцер. Далее нагретая водонефтяная эмульсия поступает в правую часть аппарата через перелив, где равномерно распределяется и подвергается отстаиванию, интенсивность которого повышена ввиду возросшей температуры. В зоне отстаивания также располагается коалесцер, способствующий процессу каплеобразования. Разделенные фазы выводятся из аппарата каждая через свой коллектор.

Химические методы

Основой методов данной группы является использование дэмульгаторов – поверхностно-активных веществ (ПАВ), оказывающих разрушающее действие на эмульсии и снижающих ее стойкость. Механизм действия таков, что деэмульгаторы внедряются в межфазный слой эмульсии и замещают собой или растворяют естественные эмульгаторы, чем и ослабляется бронирующий слой дисперсных частиц. Из этого следует, что эффективный деэмульгатор должен обладать активностью выше, чем у эмульгатора, а образуемая им оболочка должна быть менее прочна, что и облегчит сначала слипание отдельных дисперсных частиц вместе (флокуляция), а потом и их слияние (коалесценция). Кроме того, деэмульгаторы должны быть инертны по отношению к фазам эмульсии и не изменять их свойства, а также легко выделяться из очищенной нефти или отделенной воды.

Подобные вещества делятся на два основных типа: неионогенные и ионогенные, а вторые в свою очередь могут быть анионоактивные и катионоактивные в зависимости от знака заряда ионов, определяющих активность деэмульгатора. Перспективными являются неионогенные деэмульгаторы, так как они имеют ряд преимуществ: имеют малый удельный расход в процессе деэмульсации, обладают хорошей растворимостью в воде или нефти, а также не образую осадков в аппаратах и трубопроводах. В тоже время выбор деэмульгатора и оптимальных условий его применения зависит от дисперсного состава эмульсии и соотношения водяной и нефтяной фаз, что в идеале требует смену деэмульгатора при изменениях состава эмульсии.

Электрические методы

Воздействие электрического поля высокой напряженности также может способствовать разрушению водонефтяной эмульсии, особенно в случае обратной эмульсии, когда вода диспергирована в нефти. Это обусловлено значительной разницей между электропроводностью нефти и воды с растворенными в ней солями со значительным перевесом в сторону последней. По этой причине данный метод с успехом может применять как часть процесса обессоливания нефти на этапе отделения промывной воды.

Находясь в электрическом поле постоянного напряжения, капли воды стремятся выстроиться в цепочки вдоль силовых линий, и в свою очередь между отдельными цепочками возникают свои электрические поля, что в конечном итоге приводит к пробою электронов и разрыву защитных оболочек дисперсных частиц с их последующим слиянием. Тем самым достигается разрушение эмульсии. Если же электрическое поле является переменным, то процесс деэмульсации ускоряется в несколько раз, что обусловлено облегчением разрыва оболочек вследствие возникающих в них перенапряжений, а также увеличением числа столкновений капель.

Наиболее распространенный вариант электродегидратора представляет собой горизонтальную емкость, в которой подобно отстойнику предусмотрен распределитель исходной водонефтяной эмульсии и коллекторы для сбора и вывода разделенных фракций. Ключевое отличие состоит в организации в аппарате области электрического поля высокой напряженности, возникающего между электродами, подвешенными на изоляторах в пространстве электродегидратора, которые подключены к источнику напряжения через трансформатор.

Подвергаемая разделению смесь воды и нефти поступает в аппарат через питающий штуцер в нижнюю его часть и распределяется в горизонтальной плоскости. Частичное обезвоживание, когда отделяется крупнодисперсная вода, начинается еще в нижней части аппарата до момента, когда эмульсия попадет в область действия электрического поля высокого напряжения, где начнется разрушение тонкодисперсной водной фазы в зоне, расположенной между электродами. Там происходит окончательное обезвоживание, после чего очищенная нефть поднимается выше и выводится через верхний коллектор, в то время как через нижний коллектор выводится скапливающаяся на дне электродигедратора вода.

Такие аппараты могут иметь не только горизонтальное, но и вертикальное и шаровое исполнение, которые, тем не менее, получили не такое широкое распространение. Также могут наблюдаться значительные вариации в конструкции электродов, зонах подачи эмульсии, расположении коллекторов и т.д.

Заключение

Как уже говорилось выше, отдельные методы разделения водонефтяных эмульсий редко используются обособленно, а чаще комбинируются с целью повышения общей эффективности процесса разделения. Химикатами, электрическим полем или иным воздействием разрушается устойчивая мелкодисперсная эмульсия, и вся система переводится в нестабильное состояние, после чего проводят непосредственно расслоение фаз при помощи простого гравитационного отстаивания, которое, тем не менее, также может быть интенсифицировано сторонними способами.

Критическая потребность в получении высококачественной нефти заставляет науку и технику постоянно улучшать и модернизировать широко используемые методы разделения водонефтяных эмульсий, а также искать новые способы и подходы к решению проблемы обезвоживания нефти.

Примеры установок разделения нефтяной эмульсии

• На месторождении в качестве второй ступени сепарации нефти после трехфазного сепаратора
• В качестве альтернативы трехфазному сепаратору гравитационного типа на месторождениях с низкой концентрацией газа в нефти
• При бурении или ремонте скважин для разделения нефтяной эмульсии, выходящей на поверхность
• Очистные сооружения для выделения из воды эмульгированных нефтепродуктов

• производительность: до 250 м 3 /ч
• напор: до 4 бар

• установка смонтирована на общей раме-основании
• еще с завода установка идет полностью смонтированной, испытанной и укомплектованной всем необходимым сопутствующим оборудованием и обвязкой
• на месте остается ее только поставить на площадку, где планируется эксплуатация, и запитать электричеством
• установка полностью автоматизирована, работой управляет ПЛК контроллер
• установка сконструирована по нефтяным стандартам и подходит для применения во взрывоопасных зонах 1 и 2

система гравитационного разделения нефтяной эмульсии под высоким давлением

Габаритные размеры установки:

• Блочное исполнение:
• Длина: 5365 мм
• Ширина: 3460 мм
• Высота: 4797 мм

Помимо систем центробежного разделения компания ENCE GmbH может предложить Вам блочные системы гравитационного разделения нефтяной эмульсии под высоким давлением, обеспечивающим аналогичные характеристики разделения.

система гравитационного разделения нефтяной эмульсии под высоким давлением

Источник