Разделение нефтяной эмульсии
10 Сентября 2020 г.
Продолжаем серию информационных статей о технологических процессах, которые проходят нефтепродукты, прежде чем уже поступать уже на конечную переработку. В данной публикации мы рассмотрим технические аспекты разделения водонефтяной эмульсии с применением специальных отстойников, фильтров и центрифуг.
Сырая нефть представляет собой эмульсию, то есть жидкость, в которой присутствуют нефть, вода, соли и механические примеси. Одним из этапов подготовки нефти к первичной переработке является разделение водонефтяной эмульсии на ее составляющие, обезвоживание, обессоливание и очистка, что позволяет получить очищенную от воды, солей и механических веществ нефть.
Понятие водонефтяной эмульсии
Эмульсия имеет двухкомпонентный состав, который представляет собой нерастворимые друг в друге жидкости. Это может быть как «вода в нефти», так и «нефть в воде»: отличие заключается в преобладающей среде, то есть одна является сплошной, а вторая — дисперсной, и наоборот. Молекулы дисперсной среды как бы обволакивают молекулы сплошной.
(1-нефть, дисперсная среда, 2- вода, дисперсная фаза, 3-оболочка)
Нефтяная эмульсия является нестабильным составом, склонным к расслоению. Разделение ее может происходить как естественным путем, так и при обязательном применении технологий ее разрушения в связи с присутствием в ней эмульгаторов — веществ, расположенных на «оболочке» и препятствующих коалесценции частиц. Это могут быть как естественные эмульгаторы, так и твердые взвешенные включения, которые снижают эффективность расслоения.
На скорость и темп разделения эмульсии влияет диаметр частиц воды (чем они больше, тем быстрее отделятся от капель нефти) и от плотности нефти.
Для справки: скорость оседания воды определяется формулой Стокса:
, где: dk – диаметр капли, м; pВ-рН— плотность воды и нефти, кг/м 3 ; μ – динамическая вязкость нефти, Па·с.
Так, в современной отрасли выделяют механические, термические, химические и электрические методы разрушения нефтяной эмульсии. Выбор зависит от объемов добываемого сырья, степени ее обводненности, состава и количества примесей, требований к скорости очистки и производительности.
Механические способы разделения нефтяной эмульсии: отстойники, центрифуги, фильтры
Для механического разделения водонефтяной эмульсии применяются сепараторы, отстойники, центрифуги и фильтры. Этот способ относится к одним из наиболее простых в техническом плане. Для его осуществления не требуется сложных производственных решений: процесс основывается на физических свойствах жидкостей и силе гравитации. Наиболее широко применяется с обводненной нефтью, но не является эффективным для ее глубокого обезвоживания и эксплуатации с мелкодисперсными эмульсиями.
Отстойники нефти: принцип действия и устройство
Нефтяные отстойники составляют основное оборудование, которое применяется для отделения воды от нефти без применения подогрева и дополнительных устройств. Благодаря этому они выступают в качестве первого этапа очистки нефти и ее обезвоживания.
Принцип работы отстойников заключается в осаждении дисперсной влаги за счет действия гравитационных сил: вода и нефть имеют разный удельный вес, за счет чего более тяжелые и крупные частицы (капли воды) оседают внизу емкости, а уже обезвоженная нефть поднимается и выводится через верхнюю часть корпуса.
На эффективность отстаивания нефти влияют такие факторы, как:
- физико-химические свойства водонефтяной эмульсии: плотность, вязкость, диаметр дисперсных частиц
- скорость движения потока
- площадь поверхности отстаивания
Процесс отделения воды от нефти может происходить как непрерывно, так и периодически. В первом случае рабочая жидкость постоянно проходит через отстойник. Во втором — отстаивание осуществляется в сырьевых резервуарах, в которых осаждение воды происходит по факту наполнения.
В зависимости от технического оснащения нефтеперерабатывающего предприятия нефтяная эмульсия подается в емкость по горизонтали или по вертикали. При этом принцип действия не меняется. Лишь при вертикальном движении создается большой напор и давление.
Саратовский резервуарный завод производит горизонтальные нефтяные отстойники* производительностью до 15000 м 3 в сутки:
*(описание и технические характеристики оборудования смотрите в соответствующих разделах Каталога продукции)
Горизонтальный способ размещения наиболее распространен благодаря высокой производительности и площади отстаивания. Дополнительно в некоторых типах оборудования может выполняться обессоливание нефти, например, в аппаратах типа БОН. Осевшие примеси и шлам удаляются механическим или гидравлическим способом в зависимости от степени оснащенности оборудованием и степенью автоматизации.
Внутри нефтяные отстойники разделены перегородками на отсеки, в которых происходит постепенное осаждение дисперсной жидкости и отделение нефти при давлении от 0,6 МПа до 2,5 МПа. Внутреннее устройство агрегатов позволяет равномерно распределять эмульсию, что препятствует созданию возмущения из-за входящей струи.
Центрифуги и фильтры для разделения водонефтяной эмульсии
Процесс расслоения проходит более интенсивно в центрифугах (по сравнению с отстойниками), в которых создаются центробежные силы. Данный способ используется только с нестойкими эмульсиями, является энергозатратным из-за высокого электропотребления для создания высокоскоростных центробежных ускорений, превышающих свободное падение. Кроме того, наличие в рабочей среде механических примесей замедляет скорость движения потока и, следовательно, снижает производительность установки.
Фильтрация не обладает высокой производительностью и требует достаточных затрат на смену фильтрующего гидрофобного или гидрофильного элемента. В гидрофобных фильтрах применяются материалы, которые не накапливают на себе молекулы воды, а лишь задерживают их и пропускают нефть. Гидрофильные элементы состоят из материалов, которые впитывают в себя взвешенные частицы воды, тем самым задерживая ее и пропуская уже обезвоженную нефть.
Особенности процесса механического разделения водонефтяной эмульсии требуют использование дополнительных методов обезвоживания нефти. Например, при нагреве жидкости в деэмульгаторах до 100ºС снижается ее вязкость и плотность. А при прохождении эмульсии через электрическое поле переменной частоты и при высоком напряжении в электродегидраторах происходит разрушение эмульгированной оболочки и поляризация частиц воды.
Совместное использование всех методов обезвоживания нефти позволяет получить нефть глубокой очистки с содержанием воды до 0,1%.
Источник
Способ разделения воды и нефти или нефтепродукта
Владельцы патента RU 2424843:
Изобретение относится к гравитационным способам разделения воды и нефти или нефтепродукта, в частности обводненного топочного мазута. Способ включает гравитационный отстой смеси в емкости и отвод разделенных продуктов. В смесь добавляют раствор соли или сухую соль в количестве, необходимом для создания градиента плотностей воды и нефти или нефтепродукта не менее 20 кг/м 3 , затем перемешивают и отстаивают. Необходимое количество соли определяют по формуле, при введенной в тексте описания. Технический результат состоит в повышении эффективности отстоя путем увеличения градиента плотностей разделяемых продуктов. 3 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к гравитационным способам разделения воды и нефти или нефтепродукта, в частности обводненного топочного мазута.
Известны способы разделения воды и нефти или нефтепродуктов путем отстоя в нефтеловушках различного типа: горизонтальных, радиальных, с параллельными пластинами (Справочник нефтепереработчика. Ленинград, изд. «Химия», 1986 г., стр.574-576).
Общим недостатком этих способов является недостаточно эффективное разделение, зависящее от разности (градиента) плотностей воды и нефти или нефтепродукта.
Известен способ разделения несмешивающихся жидкостей с различным удельным весом, согласно которому разделение ведут путем гравитационного отстоя смеси в емкости с последующим отводом разделенных фаз (продуктов) за пределы емкости (Пат. РФ № 2048644, опубл. 20.11.95, БИ № 32, МПК E02B 15/04).
Недостатком известного способа также является то обстоятельство, что при приближении плотности легкой фазы (нефти) к плотности тяжелой фазы (воды), т.е. при уменьшении градиента плотностей между компонентами смеси, эффективность процесса разделения снижается.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности отстоя путем увеличения градиента плотностей разделяемых продуктов.
Указанная задача решается тем, что в способе разделения воды и нефти или нефтепродукта, включающем гравитационный отстой смеси в емкости и отвод разделенных продуктов, согласно изобретению в смесь добавляют раствор соли или сухую соль в количестве, необходимом для создания градиента плотностей воды и нефти или нефтепродукта не менее 20 кг/м 3 , затем перемешивают и отстаивают.
Необходимое количество соли рассчитывают по формуле
,
где Рс — вес добавляемого крепкого раствора соли или сухая соль, кг;
Рв — вес подслойной воды, содержащейся в емкости обводненной нефти или нефтепродукта, кг;
Скр — концентрация крепкого раствора соли или сухая соль, %;
Сз — заданная концентрация раствора соли в подслойной воде, %.
Целесообразно в качестве соли использовать хлористый натрий. В качестве хлористого натрия может быть использован нейтральный раствор хлористого натрия — отхода производства с блока подготовки воды для котлов ТЭЦ.
Целесообразно крепкий раствор соли готовить в отдельной емкости с использованием слива отстоявшейся воды от предыдущего цикла процесса разделения.
Восстановление первоначальной концентрации раствора соли возможно путем испарения (упаривания) излишков воды от слитой отстоявшейся воды или нейтрального раствора хлористого натрия (отхода производства) с блока подготовки воды для котлов ТЭЦ.
Способ разделения воды и нефти или нефтепродукта гравитационным методом осуществляют следующим образом. После приема обводненного нефтепродукта, например топочного мазута, в емкость-сепаратор отбирают пробу продукта для анализа и контрольного опыта по отделению воды от топочного мазута с определением величины показателей процесса разделения, в частности количества воды (Рв), содержащейся в пробе; требуемой концентрации раствора соли для добавления в обводненный топочный мазут (Сз), в частности, для поваренной соли не менее 3% (3 г на 100 г раствора); с учетом концентрации имеющегося запаса раствора соли — разбавителя (Скр) определяют по вышеприведенной формуле расчетное количество этого раствора (Рс).
С учетом полученных результатов анализа и контрольного опыта проводят соответствующие мероприятия в масштабе полученной партии топочного мазута, т.е. в приемную емкость-сепаратор, имеющую нижнее днище конического типа, закачивают расчетное количество раствора соли, смесь в емкости перемешивают, например, путем ее циркуляции и проводят отстой обводненного топочного мазута. В процессе отстоя через штуцер (пробоотборник) в нижнем коническом днище емкости периодически проводят отбор подслойной воды для определения концентрации (плотности) раствора соли и содержания нефтепродукта. По результатам анализа, при необходимости коррекции показателей, проводят закачку второй порции крепкого раствора соли, ее перемешивание и продолжают процесс отстоя обводненного текущего мазута до получения требуемых показателей по качеству отстоявшейся воды, в частности допустимого содержания нефтепродуктов (≤300 мг/л). Для повышения эффективности процесса отстоя повышают концентрацию (плотность) раствора соли в подслойнной воде, а также регулируют температуру, которая не должна превышать температуру вспышки нефтепродукта (80-100°C). По окончании процесса отстоя обводненного топочного мазута проводят последовательно слив через патрубок с нижнего конического днища сначала подслойной воды в промежуточную емкость (бак), а затем нефтепродукта — топочного мазута в емкость готового продукта. Последний по мере необходимости направляют к потребителю.
Ниже приведен конкретный пример реализации предлагаемого способа.
Получили партию обводненного нефтепродукта — топочного мазута в количестве 50 т. Определили содержание воды в смеси, которое составило 10%. Определили плотность топочного мазута, она составила 1000 кг/м 3 . Отобранная проба обводненного топочного мазута отстаивается очень медленно, более 72 часов.
Для повышения эффективности отстоя необходимо повысить плотность подслойной воды за счет прибавления крепкого раствора соли до величины не менее 1020 кг/м 3 (1020-1000=20), что, например, для хлористого натрия соответствует 3%-ному раствору (Справочник химика, т.3, М.-Л.: Химия, 1964 г., стр.541).
Контрольный опыт отстоя пробы обводненного топочного мазута за счет повышения концентрации (плотности) поваренной соли в подслойной воде до 3% (1020 кг/см 3 ) путем добавления в нее 26%-ного (1197 кг/м 3 ) крепкого раствора соли, сопровождается образованием в верхней части делительной воронки слоя (пятна) нефтепродукта в течение 60 минут, с четкой границей раздела фаз: нефтепродукт — вода. Полученные положительные результаты анализа и контрольного опыта позволяют перейти на расчеты показателей процесса отстоя в масштабе поступившей партии (50 т) обводненного нефтепродукта -топочного мазута.
Определяем необходимое количество крепкого раствора поваренной соли, которое необходимо добавить в обводненный топочный мазут, для получения 3%-ного раствора соли в подслойной воде по вышеприведенной формуле:
где Ркр — вес крепкого раствора соли в кг или (575/1197=0,480 м 3 или 480 литров)в л;
Рв=5000 кг — вес подслойной воды, содержащейся в обводненном топочном мазуте (50000·10/100=5000 кг);
Сз=3%-ная заданная концентрация раствора соли в подслойной воде;
Скр=26%-ная концентрация крепкого раствора (разбавителя) соли, имеющегося в емкости на данный момент.
После отстоя в течение 24 часов определили содержание нефтепродукта в подслойной воде, которое составило 270 мг/л.
Таким образом, увеличение градиента плотностей между водой и нефтепродуктом — топочным мазутом за счет добавления крепкого раствора соли позволяет повысить эффективность процесса отстоя несмешивающихся жидкостей.
1. Способ разделения воды и нефти или нефтепродукта, включающий гравитационный отстой смеси в емкости и отвод разделенных продуктов, отличающийся тем, что в смесь добавляют раствор соли или сухую соль в количестве, необходимом для создания градиента плотностей воды и нефти или нефтепродукта не менее 20 кг/м 3 , затем перемешивают и отстаивают.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимое количество соли определяют по формуле:
Рс=Рв·Сз/Скр,
где Рс — вес добавляемого крепкого раствора соли или сухая соль, кг;
Рв — вес подслойной воды, кг;
Скр — концентрация крепкого раствора соли или сухая соль, %;
Сз — заданная концентрация раствора соли в подслойной воде, %.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли используют хлористый натрий.
4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что в качестве хлористого натрия используют нейтральный раствор хлористого натрия — отход производства с блока подготовки воды для котлов ТЭЦ.
Источник
