Конструкция, эксплуатация и перспективы применения

К.В. Таранцев (к.т.н., доцент)
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫНОСНЫХ ЭЛЕКТРОКОАЛЕСЦЕНТОРОВ ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ
(обзор патентованной литературы)
г. Пенза, Пензенский государственный университет
Эксплуатация нефтяных месторождений с применением метода поддержания пластового давления, используемая в настоящее время, позволяет добиться увеличения коэффициента отдачи пластов и сокращения ср оков их разработки, однако увеличивает обводненность продукции. Присутствие капель воды и частиц грязи в нефти как в процессе добычи
нефти на скважинах, так и ее транспортирования по трубопроводам является источником помех и потерь. Вода в нефти обычно находится в форме
соляного раствора. Соляные растворы и нефть образуют устойчивую и
трудно разрушаемую эмульсию.
В настоящее время, практически все нефтеперерабатывающие предприятия оснащены электрообессоливающими установками (ЭЛОУ), о сновными аппаратами которых являются электродегидраторы.
Электродегидраторы классифицируют по: - виду применяемого
электрического поля; - способу ввода нефти в электродегидратор; - конструктивным особенностям.
По виду применяемого электрического поля различают электродегидраторы работающие с полем переменного и с полем постоянного тока.
В РФ электродегидраторы работают в основном с полями переменного то1
ка, как в промысловых, так и в нефтезаводских установках подготовки
нефти.
По вводу нефти в электродегидратор в отечественной и зарубежной
промышленной практике выделяют две принципиально разные системы ввод нефти в нижнюю часть аппарата и непосредственно в межэлектродное пространство.
Установлено, что аппараты с нижним вводом эффективно эксплуатируются и дают лучшие результаты по качеству нефти при обработке
нефтей легкой и средней плотности. Электродегидраторы с межэлектродным вводом эмульсии (без нижней подачи) эффективно работают при увеличении объема электрического поля за счет введения дополнительной
площади электродов и могут иметь меньшие габариты. Установлено также, что очистка от воды и солей существенно повышается при комбинированном вводе эмульсии в аппарат, когда организуется одновременная раздельная подача около 2/3 нефти (по производительности) в подэлектродную зону и около 1/3 в межэлектродную зону [1].
Характерной особенностью электродегидраторов с двумя раздельными вводами является их универсальность, позволяющая при необходимости эксплуатировать эти аппараты только с нижней подачей, когда обрабатывается легкая (по плотности) и малообводненная нефть, или только
с верхней подачей при высокообводненной нефти средней плотности; высоковязкие нефти обрабатываются в аппаратах, как правило, с нижним и
верхним вводами.
По конструктивным особенностям различают несколько типов установок по электрообезвоживанию, работающих на нефтеперерабатывающих предприятиях РФ [1]: вертикальные, объемом 30 м3, разработанные в
середине сороковых годов. На основе этих небольших аппаратов созданы
отдельно стоящие электрообессоливающие установки (ЭЛОУ-10/3), не
связанные с установками первичной перегонки и потребляющие значи-
2
тельное количество водяного пара для подогрева нефти; шаровые ЭДШ600, объемом 600 м 3, созданные в середине пятидесятых годов. Эти электродегидраторы вошли в состав установок ЭЛОУ-10/6, как правило, совмещенных с установками первичной перегонки нефти, в которых подогрев
сырой нефти осуществляется за счет тепла выводимых с установки продуктов перегонки; горизонтальные электродегидраторы типа 2ЭГ-160,
объемом 160 м 3 , разработанные во ВНИИНефтемаше в шестидесятых годах и вошедшие в состав крупных блоков ЭЛОУ мощностью 6 и 8 млн.
т/год, встроенных в AT и АВТ, а также их модификации 2ЭГ-160/3, 2ЭГ160-2 и др.; электрокоалесцирующие аппараты, выполняющие функцию
выносных электродов электродегидраторов или электрокоалесценторов,
интенсивная разработка и внедрение их началась сравнительно недавно.
Аппараты предназначены для проведения процесса коалесценции капель
воды в водонефтяной эмульсии не внутри электродегидратора, а вне его, в
компактном устройстве, обладающем высокой надежностью. Отделение
воды от нефти осуществляется в отстойном аппарате. Такие аппараты позволяют повысить надежность работы оборудования, снизить расход эле ктроэнергии и улучшить качество обессоливания нефти.
В данной статье проведен обзор существующих конструкций электрокоалесцентров и проведен анализ их эффективности с точки зрения
возможных областей применения.
Первое практическое применение электростатических полей для
обезвоживания эмульсий сырой нефти было предложено Frederick Gardner
Cottrell. Им получен патент США [2] на новую конструкцию для слияния
и отделения капель одной жидкости распределенных в другой жидкости.
Для увеличения расстояние между капельками и повышения стабильности
работы аппарата Cottrell разбавляет «влажную» нефть «сухой» нефтью.
В настоящее время патенты на процесс электрической дегидрации
Cottrell контролируются фирмой Petrolite Corporation. Фирма строит уста-
3
новки, производит пуск их под руководством своих инженеров и затем
сдаёт их владельцам. При возникновении в дальнейшем каких-либо эксплуатационных неполадок фирма высылает на места своих инженеров для
ознакомления с причинами неполадок и устранения их.
Принцип электрической дегидратации предложенный Frederick
Gardner Cottrell [2] является основой большинства запатентованных конструкций и заключается в следующем: если тонкий слой эмульсии воды в
нефти поместить в емкость и опустить туда два заряженных провода, подключенных к противоположным полюсам высоковольтного источника тока, выбрав при этом, расстояние между электродами значительно больше,
чем то, на котором наблюдается короткое замыкание, то, капли воды в
нефти начинают выстраиваться в структуры, простирающиеся от одного
электрода к другому. К цепочке капель притягиваются новые капельки, в
основном на свободном конце, а капли, самые близкие к электроду укрупняются. Процесс происходит и в постоянном и в переменном поле, но в
практических случаях, последнее имеет ряд преимуществ. Постоянный
ток используется для случая, где на образование цепочки капель жидкости
от одного электрода до другого, расходуется менее секунды. Катафорез,
т.е. течение жидкости вдоль наиболее интенсивных силовых линий поля,
разрушает цепь капель, предотвращая их формирование и соединение.
Описываемая Frederick Gardner Cottrell конструкция отличается от
ранее предлагавшихся, использовавших для своего осуществления явления катафореза или электроосмоса. Принцип действия этих конструкций,
был основан на миграции частиц или жидкости от одного электрода постоянной полярности к другому с противоположной полярностью, и огр аничивался системами постоянного тока. В предлагаемом процессе, эти явления - просто сопутствующее явление.
На рисунке 1 показана конструкция электрокоалесцентора [2].
4
Рис. 1 Схематическое изображение установки и вид сверху корпуса
электрокоалесцентора [13]: А - корпус аппарата; T – трансформатор; С –
электрод; S –кронштейны; I1, I2, I3 – изоляторы; P – трубопровод; Q –
трубопровод подачи острого пара; V - трубопровод для введения очищенной нефти; Р1, Р2, Р3 и Р4 - форсунки.
Принцип действия конструкции Cottrell и последующих ее модификаций, был основан на предположении, что эмульсия является множеством электрических конденсаторов, электродами которых являются капли
воды, а диэлектрическим слоем служит непрерывная нефтяная фаза. Под
влиянием переменного электрического поля высокой напряженности, заряженные капли воды разрывают окутывающие нефтяные пленки и сливаются, формируя большие скопления (агломераты). Последующая рег истрация протекающих процессов на кино- и фотопленку подтвердила это
предположение.
В патентах Harmon F. Fisher [4-7] предлагалось создать барьерный
слой, относительно обезвоженной нефти между электродами, а электроды
электрокоалесцентора изготовить такой формы, чтобы электрическое поле
в рабочей зоне между электродами было существенно не однородным.
Указывается что если, в случае однородного поля между электродами расположенными на расстоянии двух дюймов, на которые подан потенциал
5
10000 В, напряженность поля 5000 В на дюйм, то, в случае неоднородного
поля эта напряженность может составлять от 2 000 В до 8 000 В на дюйм.
В работе [6] Harmon F. Fisher предложил электрокоалесцентор, в котором эмульсия подается под давлением, вдоль центрального электрода, в
узкую часть трубы Вентури, выполняющую роль электрода и подключенного к источнику высокого напряжения (рис. 2). Сухая нефть циркулирует
вокруг внешнего электрода, под действием эффекта инжекции влажной
нефтью, формирует диэлектрический барьер, который предотвращает короткое замыкание.
Рис. 2. Схематическое изображение электрокоалесцентора [6]: а вертикальное сечение; б - поперечный разрез по линии 2-2; в - поперечный разрез по линии 3-3; г – увеличенное вертикальное сечение через
центральный электрод аппарата; д - поперечный разрез по линии 5-5
В [8] авторы предлагают повысить интенсивность очистки путем создания еще одного потока сухой нефти (рис. 3). Этот дополнительный поток вводится через форсунку и направляется вокруг центрального электрода, таким образом, что водная эмульсия оказывается между двумя потоками сухой нефти. Эффективность в этом случае увеличивается в 2 – 10
6
раз по сравнению с электрокоалесцентором, не имеющим вспомогательных потоков сухой нефти.
Рис. 3. Схематическое изображение электрокоалесцентора [8]: а вертикальное сечение; б – увеличенное вертикальное сечение, показывает
патентуемую форсунку аппарата
Конструкция электрокоалесцентора [10] (рис.4),
имеет несколько
существенных отличий от рассмотренных выше. Во-первых, предотвращен чрезмерный ток за счет использования тонкого стержневого электр ода окруженного цилиндрическим внешним электродом или электродом в
форме трубы Вентури, так как если напряженность электрического поля у
стержня критическая, то у внешнего электрода она существенно ниже. В
результате этого имеется возможность существенного увеличения напряженности электрического поля без возникновения электрического пробоя
между электродами.
Во-вторых, для одного из электродов использовано диэлектрическое
покрытие 90, с высокой диэлектрической проницаемостью   7 и более,
также предотвращающее образование устойчивых водных структур между
7
электродами и позволяющее в несколько раз повысить напряженность поля.
Рис. 4. Схематическое изображение электрокоалесцентора [10]: а вертикальное сечение; б – вид сверху; в - сечение, поясняющее устройство
сопла.
В-третьих, интенсивный поток между электродами, смывает образующиеся водные структуры. В-четвертых, предусмотрен вынос электрокоалесцентора за пределы корпуса, т.е. разделены зоны электрообработки и
отстаивания, что позволяет при необходимости отключать на очистку
лишь электрокоалесцентор. В-пятых, конструкция позволяет устанавливать несколько электрокоалесценторов на один сепаратор и при нарушении работы любой из электрокоалесценторов легко отключается. Вшестых, коалесцентор можно подключить к существующим отстойникам,
резервуарам без существенного переоборудования последних и тем самым
добиться существенного улучшения работы уже существующих технологических линий. В-седьмых, осуществлен раздельный подвод нефти, по
крайней мере, с двух уровней, что позволяет варьировать степень сухости
нефти и организовать, при необходимости, поток сухой нефти вокруг
электродов, а это дополнительная защита электродов от короткого замыкания. В-восьмых, эмульсия из электрокоалесцентора в сепаратор поступает через трубу 32, вваренную в корпус сепаратора 20, по касательной.
8
Это позволяет обеспечить вращательное движение эмульсии и использовать энергию потока для отделения капель центробежными силами.
Рассмотренная конструкция является примером удачного сочетания
технологических и конструктивных приемов, направленных на интенсификацию процесса с целью получения продукции высокого качества. и
следует признать, что это одна из лучших предложенных конструкций
электрокоалесцентора.
В нашей стране также ведутся работы по разработке, исследованию
и внедрению электрокоалесцирующих аппаратов, выполняющих функцию
выносных электродов электродегидраторов или электрокоалесценторов.
Применительно к находящимся в эксплуатации электрообессоливающим
установкам (ЭЛОУ) это означает демонтаж электродов и изоляторов в
электродегидраторах и установку перед электродегидратором электрокоалесцентора, напряжение к которому подводится от одного из трансформаторов электродегидратора [11].
Встроенные в отстойный аппарат электрокоалесцирующие устройства улучшают показатели процесса, однако они так же неудобны в эксплуатации, как и электродегидраторы любого типа. Для ремонта или замены изолятора, например, необходимо опорожнение и пропаривание всего аппарата. Значительно проще в эксплуатации выносные электрокоалесценторы, установленные перед отстойником (рис. 5).
Рис. 5. Схема установки электрокоалесцентора [11]: 1 - электродегидратор; 2 - электрокоалесцентор; 3 - трансформатор; 4 - шина
Один из возможных вариантов конструкции электрокоалесцентора
производительностью 1-1,5 млн.т/год представлен на рис. 6 [11]. Корпус 1
аппарата выполнен из трубы Dу 250-350. Нефть вместе с промывочной
9
водой поступает через штуцер 2, проходит в кольцевом зазоре между корпусом и патрубком 7 и попадает сначала в область более сильного электрического поля между электродом 6 и патрубком 7, а затем в область более слабого поля между электродом 6 и корпусом 1. Для повышения степени неоднородности этого поля участок электрода ниже патрубка 7
снабжен продольными ребрами 9. Обработанную эмульсию выводят снизу
аппарата и направляют в отстойный аппарат. Объем такого аппарата - несколько сот литров, потребляемая мощность - несколько киловатт в зависимости от электропроводности нефти, подача воды - 1-2% расхода нефти.
Такой аппарат может применяться и для укрупненной взвешенной влаги в
светлых нефтепродуктах.
Для нефтяных эмульсий, требующих большого времени электрообработки, целесообразно применение электрокоалесцирующего аппарата с
рециркуляцией (рис. 7) [11]. Нефть, вводимая в аппарат через сырьевой
патрубок 1, вместе с промывочной водой, поданной в нее через форсунку
2, попадает через сопло 3 внутрь смесительной трубы 4, установленной на
изоляторах 5 и соединенной с помощью токоведущего тросика 6 через
проходной изолятор 7 с высоковольтным трансформатором 8. Между обращенными друг к другу поверхностями заземленного корпуса 9 и трубы электрода 4 генерируется электрическое поле, при прохождении через которое потока эмульсии происходит коалесценция капель воды. После выхода из межэлектродного пространства часть потока эмульсии выводится
из аппарата через штуцеры 10, а часть инжектируется внутрь трубы 4.
Аппарат выполнен так, что проходное сечение трубы 4 равно или несколько меньше сечения кольцевого зазора между этой трубой и корпусом. В
этом случае скорость потока в этой трубе равна или несколько больше
скорости в межэлектродном пространстве, а степень его турбулентности
много выше. В этом аппарате происходит чередование процессов диспер-
10
гирования капель воды внутри смесительной трубы 4 и их коалесценции в
межэлектродном зазоре между этой трубой и корпусом.
Рис. 6. Электрокоалесцентор с входной камерой [11]: 1 - корпус; 2 входной штуцер; 3 - выходной штуцер; 4 - проходной изолятор; 5 - муфта;
6 -электрод; 7 - патрубок; 8 - перегородка; 9 - продольное ребро
Рис. 7. Электрокоалесцентор с рециркуляцией потока [11]: 1 - сырьевой патрубок; 2 - форсунка; 3 - сопло; 4 - электрод; 5 - изолятор опорный;
6 - токоведущий тросик; 7 - проходной изолятор; 8 - трансформатор; 9 корпус; 10 - выходной штуцер
При диспергировании крупных капель воды возрастает их количество в единице объема эмульсии, происходит существенное обновление
граничных слоев и интенсифицируется процесс коалесценции в электрическом поле. Кроме того, за счет рециркуляции потока внутри аппарата
возрастает его скорость и степень турбулентности, что также интенсифицирует процесс коалесценции капель пластовой и промывочной воды и
повышает эффективность аппарата в целом.
В настоящее время ведутся работы по разработке также и других
конструкций электрокоалесцирующих аппаратов, которые могут использоваться либо в дополнение к электродам электродегидратора с целью
улучшения качества обессоливания, в частности, перехода к одноступенчатому обессоливанию, либо взамен электродов электродегидратора, с ко11
торых в этом случае снимается напряжение, а один из трансформаторов
электродегидратора используется для питания электрокоалесцентора [11].
Список литературы.
1. Ластовкин Г.А. Справочник нефтепереработчика. – Л.: Химия,
1986, 648 с. 2. Патент США № 987115. 3. Патент США № 1290369. 4. Патент США № 1838925. 5. Патент США № 1838924. 6. Патент США №
1838928. 7. Патент США № 1838929. 8. Патент США № 1838933. 9. Патент США № 1838923. 10. Патент США № 1873857. 11. Гершуни С. Ш.
Модернизация электродегидраторов и пути повышения эффективности их
использования. М. ЦНИИТЭнефтехим- 1986., 59 с.
12