Разрушение эмульсий воздействием электрическим полем

Воздействие электрическим полем на водонефтяную эмульсию при подготовке нефти широко используется уже десятки лет. При правильном подборе деэмульгатора и температуры процесса оно способствует эффективному разрушению адсорбционных защитных слоев на поверхности глобул воды, активизирует столкновение этих глобул, их коалесценцию и разделение фаз. Поэтому электродегидраторы стали обязательным аппаратом как заводских установок (ЭЛОУ), так и промысловых установок подготовки нефти (УКПН). Вместе с тем, электродегидраторы имеют недостатки -большой расход энергии, опасность работы с высоким напряжением. Серьезные проблемы возникают при работе со стойкими трудноразрушаемыми эмульсиями: накопление промежуточного слоя на границе раздела нефть-вода может при­вести к короткому замыканию между электродами и к серьезной аварии.

С учетом того, что относительная доля поступающих на переработку тяжелых нефтей растет, весьмаактуален поиск альтернативных методов физического воздействия на эмульсии. Один из таких методов - обработка эмульсионной нефти ультразвуком.Сегодня ультразвук применяется в различных отраслях промышленности во всем мире, и использование новых технологий позволяет постоянно улучшать характеристики ультразвуковых устройств,увеличивая их полезную мощность в ультразвуковом диапазоне.В основе действия ультразвука в жидких средахлежит явление кавитации, возникающее в ультразвуковом поле.Акустическая кавитация в отличие от гидродинамической (обусловленной понижением давления, вследствие больших локальных значений скоростив потоке движущейся жидкости) возникает при прохождении звуковых волн высокой интенсивности- и амплитуды звукового давления, превосходящей - некоторую пороговую величину. Кавитационные пу­зырьки появляются во время полупериода разрежения на так называемых кавитационных зародыша, которыми чаще всего являются газовые включения, - содержащиеся в жидкости и на колеблющейся по верхности акустического излучателя. Поэтому кавитационный порог повышается по мере снижения содержания газа в жидкости, при увеличении гидростатического давления, при охлаждении жидкости, а кроме того, при увеличении частоты звука и при сокращении продолжительности озвучивания. Кавитация возникает при интенсивностях звукового поля, превышающих определенное для данных условий пороговое значение. В течение все­го отрицательного полупериода давления и частиположительного наблюдается рост кавитационного пузырька до некоторого максимального размера, после чего он захлопывается, создавая импульсы дав­ления величиной до нескольких тысяч атмосфер.

Величина максимального ударного давления Р определяется по формуле

где Р_г и Р₀ - давление газа в пузырьке и жидкос­ти соответственно;

к -отношение теплоемкости газа при посто­янном давлении к теплоемкости газа при постоян­ном объеме.

При температуре жидкости, близкой к точке ки­пения, доминирующий вклад в образование пузырь­ков вносит испарение жидкости. Такие процессы наблюдаются, например, при возникновении кави­тации в криогенных жидкостях.

Звуковое поле в жидкости, вызывающее кавита­цию, обычно неоднородно по пространству. Это при­водит к тому, что наряду с пульсациями пузырек движется поступательно. При размере пузырька меньше резонансного (R<R_рез) пузырьки пульсиру­ют в фазе с колебаниями давления и мигрируют по направлению к пучности давления, а при R>R_рез пу­зырьки перемещаются к узлам давления.

Момент возникновения кавитации характеризу­ется критическим числом с_к, которому соответству­ет критическое значение звукового давления Р_К. Обе эти величины зависят от многих параметров, ха­рактеризующих состояние жидкости -газосодер­жание, температура, наличие примесей, звуковое поле (частота, длительность излучаемого импульса) и т.д. [1-4].

Ультразвуковое воздействие широко применя­ется при эмульгировании и основано на благопри­ятном воздействии ультразвука, способствующего энергичному деформированию (растягиванию) ка­пель дисперсной фазы. При превышении опреде­ленной критической длины происходит распадение жидких цилиндров на ряд очень мелких капель, ко­торые и создают стойкие эмульсии. Однако действие ультразвука также может быть применено в обрат­ных процессах: при разрушении эмульсий, в част­ности, водонефтяных.Инициирующий эффект от ультразвукого воздействия связан с увеличением дисперсности системы и как следствие с повышение площади контактирующихся фаз.С увеличением поверхности раздела в условиях генерирования ультразвуковых волн улучшаются условия доставки реагентами до границы раздела фаз, что способствует стимулированию процесса деэмульсации.

В литературе имеется ряд работ описывающих возможность и условия использования ультразвука в процессе разрушения водонефтяных эмульсий

Так в работе Афанасьева Е.С. было изучено влияние ультразвука на полученныемодельных эмульсий, в присутствиидеэмульгаторовЕС-2134А и СНПХ-4410.

Был использован ультразвуковой гене­ратор с емкостью (ультразвуковая ванна) со сле­дующими характеристиками: рабочая частота - 35 кГц; мощность генератора - 50 Вт.

Аппарат сконструирован таким образом, что ис­точник механических колебаний жестко закреплен за пределами сосуда, благодаря чему сама ванна ста­новится резонансным телом.

Исследование действия ультразвуковой обработ­ки в процессе разрушения эмульсий проводилось на свежеприготовленных модельных эмульсиях «гептан-вода». Для приготовления эмульсий ис­пользовалась вода, дистиллированная в объеме 50 мл и гептан 50 мл. В качестве стабилизирующего агента выступили смолы, выделенные из нефти Новодмитриевского месторождения, как проявив­шие наибольшую стабилизирующую способность. Количество вносимых на эмульсию смол - 50 мг. Методика выделения смол описана ранее.

Модельные эмульсии готовились следующим об­разом: в ячейку вносили воду, гептан и определен­ное количество стабилизатора. Затем содержимое ячейки перемешивали при помощи электромешал­ки в течение 5 минут.

Разрушение полученных эмульсий осуществля­лось при температуре 50°С, в качестве деэмульгаторов были использованы ЕС-2134А и СНПХ-4410. Деэмульгаторы вносились в количествах 1 и 2 мл в виде 0,1% об.раствора в толуоле на эмульсию с последующим перемешиванием в течение одной минуты. Затем эмульсию помещали в емкость ультра­звукового генератора. Обработка ультразвуком про­водили кратковременно (1 мин) с одновременным нагревом эмульсии до заданной температуры.

Обработанную таким образом эмульсию перено­сили в мерный цилиндр, помещенный в водяную баню с необходимой температурой, и фиксировали количество отделившейся воды. Далее велось наблюдение, и производилась запись последующей ди­намики разрушения. Принятое значение темпера­туры поддерживалось на протяжении всего опыта.

Проведенные авторами опыты показали, что бо­лее длительная обработка ультразвуком не только не способствует интенсификации процесса разру­шения эмульсий, а, напротив, тормозит его, а также ведет к образованию прямой эмульсии типа «масло вводе».

Динамика разрушения эмульсий представлена на рис. 1 и 2. Для сравнения приведены графики разру­шения эмульсий, обработанных аналогичным обра­зом, за исключением ультразвукового воздействия. В случае эмульсий, обработанных ультразвуком, начальная точка на графиках соответствует состоя­нию сразу после ультразвуковой обработки.

На рис. 1 показана динамика разрушения эмуль­сий под воздействием деэмульгатора ЕС-2134А, на рис. 2 - СНПХ-4410.

Как видно из представленных графиков, воздей­ствие ультразвука оказывает ярко выраженный по­ложительный эффект. Практически начальное ми­нутное воздействие заменило длительный процесс отстаивания, выделяя такое же количество отделив­шейся воды (см. рис. 16 и 2а), а также значительно улучшая разделение (рис. 26). Только в одном опыте было зафиксировано снижение количества отделив­шейся воды.

В работах сотрудников АзНИПИнефтьБагирова О.Т., Келовой И.Н. были изучены зависимости эффективности деэмульгирования от концентрации деэмульгатора.

На рис. 1, 2 представлены результаты комбинированного воздействия с использованием различных реагентов.

Рис.1

Рис.2

Так например, в экспериментах 75%-ный эффект деэмульгирования по глубине обезвоживания реагентом дисольван достигается при дозировке 125 г/т. Этот же эффект при ультразвуковом воздействии может быть достигнут при добавке реагента в количестве 50 г/т. В этом случае сокращается расход реагента на 60%, что в условиях больших объёмов и дороговизны реагента составляет солидную сумму.

Установлена возможность применения ультразвукового воздействия для стимулирования процесса деэмульсациинефтей химическими реагентами.

Исходя из вышесказанного, предлагается использовать для турбулизации смеси водонефтяной эмульсии и деэмульгатора излучатели ультразвуковых волн.

Мерициди И.А. и Росляков В.В предлагают устанавливать магнитострикционные ультразвуковые излучатели в промысловый трубопровод после точки ввода деэмульгатора в поток эмульсии. Схема предлагаемой установки излучателей представлена на рис. 1. С помощью тройников в прямолинейной части трубопровода создается ответвление, в «начале» и в «конце» которого устанавливаются впомощью фланцевого соединения ультразвуковые излучатели. Таким образом, на участке между двумя излучателями создаются ультразвуковые колебания, турбулизирующие смесь эмульсии с реагентом и способствующие слиянию капель пластовой воды и деэмульгатора.

Рис. 1. Схема установки ультразвуковых излучателей в трубопровод.

Помимо пульсации скорости и давления вультразвуком поле происходит интенсивный нагрев обрабатываемой среды, что также положительно сказывается на снижение прочности бронирующих оболочек, а, следовательно, улучшается процесс разрушения эмульсии.

Также в российском реестре патентов имеются различные схемы разрушения водонефтяных эмульсий.

Так Пивоваровой Н.А. предлагается усовершенствование способа промысловой подготовки парафинистой нефти, приводящее к уменьшению коррозионной активности оборудования за счет снижения содержания хлористых солей и механических примесей; позволяющее уменьшить давление, снизить нагрузку на технологическое оборудование, получить дополнительное количество бензиновой фракции по месту добычи, снизить затраты на транспорт отбензиненной нефти к нефтеперерабатывающему предприятию за счет увеличения выхода легкой бензиновой фракции при промысловой подготовке парафинистой нефти к переработке. Что достигается тем, что в сырую парафинистую нефть (водонефтяную эмульсию) добавляют отработанное масло в количестве от 0,5 до 2,5 мас.% (для увеличения парамагнитной активности нефти), перемешивают и подвергают последовательно ультразвуковому воздействию с основной частотой излучателя 25-80 кГц и воздействию постоянного магнитного поля с магнитной индукцией 0,05-0,5 Тл со скоростью потока нефти через магнитное поле 0,01-0,5 м/с для преобразования дисперсной структуры водонефтяной эмульсии, обогащенной парамагнитными центрами, после чего направляют в сепаратор для отстаивания соленой воды и механических примесей. Обессоленную и очищенную от механических примесей нефть смешивают с 0,5-2,5 мас.% отработанного масла для увеличения ее парамагнитной активности и подвергают последовательно ультразвуковому воздействию с основной частотой излучателя 25-80 кГц и воздействию постоянного магнитного поля с магнитной индукцией 0,05-0,5 Тл со скоростью потока нефти через магнитное поле 0,01-0,5 м/с для преобразования дисперсной структуры нефти и направляют в ректификационную колонну, в которой происходит разделение подготовленной нефти на углеводородные газы, легкий бензин и полуотбензиненную нефть. Благодаря комбинированному волновому воздействию и добавкам отработанного масла для усиления его влияния степень обессоливания и очистки от механических примесей увеличивается по сравнению с известным способом в несколько раз, а полнота отбора легкой бензиновой фракции н.к.-120°C - на 1,5-5 мас.%.

Принципиальная технологическая схема подготовки парафинистой нефти к переработке по предлагаемому способу приведена на фиг.1, имеющей следующие обозначения: 1 - насос; 2, 6 - теплообменники; 3 - смеситель; 4, 7 - блок ультразвуковой и магнитной обработки; 5 - сепаратор; 8 - отбензинивающая колонна; I - сырая нефть; II - вода; III - деэмульгатор; IV - отработанное масло; V, VIII - углеводородный газ; VI - солестоки; VII - обессоленная и очищенная от мехпримесей нефть; IX - полуотбензиненная нефть; X - орошение.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом: сырую парафинистую нефть, нагретую до температуры 40-60°С, смешивали с водой (0,1-0,5 мас.%), с 5-50 ppmдеэмульгатора (Геркулес 1603; Кемеликс; Прогалит; Дипроксамин и др.) и с 0,5-2,5 мас.% отработанного масла, перемешивали и на проточной установке подвергали воздействию ультразвука с основной частотой излучателя 25-80 кГц, а затем постоянным магнитным полем с магнитной индукцией 0,05-0,5 Тл при скорости потока 0,01-0,5 м/с и направляли в емкость для отстаивания. Обессоленную и очищенную от механических примесей нефть отбензинивали, предварительно подвергая последовательно ультразвуковому воздействию с основной частотой излучателя 25-80 кГц и воздействию постоянного магнитного поля с магнитной индукцией 0,05-0,5 Тл при скорости потока 0,01-0,5 м/с, смешав с 0,5-2,5 мас.% отработанного масла.

Содержание хлористых солей и механических примесей уменьшилось в 15-35 раза. Выход фракции увеличился на 1,5-5 мас.%.

Сахабутдинов Р.З. с соавторами предлагает снижать материальные затраты на переработку высокостойких водонефтяных эмульсий с высоким содержанием механических примесей, путем нагрева, обработки его реагентом-деэмульгатором, акустической коалесценции в ультразвуковом поле, двухкратном центрифугировании и разделении на твердую и жидкую фазы. Применение данной схемы позволяет уменьшить количество углеводородов на 50,4 %.

Таким образом, к достоинствам применения ультразвука можно отнести следующее:

• простота оборудования;

• малое энергопотребление;

• экологическая чистота и безопасность приме­няемых ультразвуковых полей;

• при больших объемах обрабатываемой жидкос­ти возможность использования проточных установок.

Дата добавления: 2014-11-08