Разрушение водонефтяных эмульсий

Разрушение водонефтяных
эмульсий
Основные способы:
гравитационное холодное разделение (отстаивание);
фильтрация
разделение в поле центробежных сил
(центрифугирование);
электрическое воздействие;
термическое воздействие;
внутритрубная деэмульсация;
воздействие магнитного поля.
Отстаивание

Отстаивание применяют при высокой обводненности
нефти и осуществляют путем гравитационного
осаждения диспергированных капель воды. На
промыслах применяют отстойники периодического и
непрерывного действия разнообразных конструкций. В
качестве отстойников периодического действия обычно
используют сырьевые резервуары, при заполнении
которых сырой нефтью происходит осаждение воды в
нижнюю часть. В отстойниках непрерывного действия
отделение воды происходит при непрерывном
прохождении обрабатываемой смеси через отстойник. В
зависимости от конструкции и расположения
распределительных устройств, движение жидкости в
отстойниках осуществляется в преобладающем
направлении горизонтально или вертикально.




Фильтрацию применяют для разрушения нестойких эмульсий. В
качестве материала фильтров используются вещества, не смачиваемые
водой, но смачиваемые нефтью.
Центрифугирование производят в центрифуге, которая представляет
собой вращающийся с большой скоростью ротор. Эмульсия подается в
ротор по полому валу. Под действием сил инерции эмульсия
разделяется, так как вода и нефть имеют разные значения плотности.
Воздействие на эмульсии электрическим полем производят в
электродегидраторах, снабженных электродами, к которым подводится
высокое напряжение переменного тока промышленной частоты. Под
действием электрического поля на противоположных концах капель
воды появляются разноименные электрические заряды. В результате
капли притягиваются, сливаются в более крупные и оседают на дно
емкости.
Термическое воздействие на водонефтяные эмульсии заключается в
том, что нефть, подвергаемую обезвоживанию, перед отстаиванием
нагревают до температуры 45-80 0С. При нагревании уменьшается
прочность слоев эмульгатора на поверхности капель, что облегчает их
слияние. Кроме того, уменьшается вязкость нефти и увеличивается
разница плотностей воды и нефти, что способствует быстрому
разделению эмульсии. Подогрев осуществляют в резервуарах,
теплообменниках и трубчатых печах.
Седиментация капель воды в
нефтепродукте



Установившаяся скорость оседания капель воды в
нефтепродукте определяется из условия равенства внешней
силы, действующей на каплю, силе сопротивления среды
движению капли. Внешняя сила, действующая на каплю,
находящуюся в нефтепродукте, равна разности между силой
тяжести и архимедовой силой (силой плавучести)

где а - радиус капли, g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного
падения, Δρ - разность значений плотности воды и
нефтепродукта (Δρ = ρв - ρн).
В силу большой вязкости нефтепродукта и малых размеров
капель воды их осаждение происходит в пределах ламинарного
диапазона числа Рейнольдса (Rе ≤ 0,5) и сила сопротивления
среды определяется по формуле Стокса

где Vc - скорость седиментации (осаждения); μэф эффективная вязкость среды.
 Эффективная вязкость отличается от вязкости
среды (нефтепродукта) из-за того, что движение
капли относительно нефтепродукта вызывает
циркуляцию воды в капле и это приводит к
некоторому уменьшению сопротивления среды по
сравнению с движением твердой сферической
частицы.
где μ, Па - вязкость нефтепродукта в зависимости от
его сорта; μв, Па - вязкость воды.
 Приравнивая выражения для сил, получим
выражение для скорости седиментации
Седиментация
в электрическом поле
 Скорость движения капель в электрическом поле в
нефтепродукте определяется из равенства силы,
действующей в электрическом поле на каплю, и
силы сопротивления среды движению капли
 В электрическом поле капля приобретает
наибольший возможный заряд равный
 Е, кВ/см – напряженность поля, ε- диэлектрическая
проницаемость среды.
 Сила, действующая на каплю в электрическом
поле, будет равна

Приравнивая эту силу к силе сопротивления среды получим
формулу для скорости движения капель в электрическом
поле:

Сопоставим скорость движения капель под действием
электрического поля и в результате седиментации.
 Для частиц менее 100 мкм движение в электрическом
поле может рассматриваться как более
предпочтительный механизм удаления капель влаги
из объема нефтепродукта.
Критическая напряженность
и критический размер капли
Капли, попадая в электрическое
поле, поляризуются, и их форма
приближается к эллипсоидальной

Cоударение и слияние капель
происходит за счет кулоновского
взаимодействия противоположных
по знаку поляризационных
зарядов частиц, оказавшихся
вблизи друг от друга

сила взаимодействия,
определяющая сближение и слияние
капель:

Таким образом, эффективность
коалесценции капель в
электрическом поле существенно
растет с увеличением размера

частиц и напряженности поля
F a E
2
2
Критическая напряженность
и критический размер капли


Деформация капель в электрическом поле может привести к
процессу обратному по отношению к коалесценции разрыву капель. Это происходит, когда действие поля на
поляризационные заряды превышает действие сил
поверхностного натяжения, препятствующих разрыву
F  a 2 E 2  a
  коэффициент поверхностного
капель.
натяжения на границе нефть  вода
Критический радиус капли а и критическую напряженность
поля определяют по формулам:
Зависимость
критической
напряженности
поля от радиуса капли
Схема промышленной технологической установки для
обессоливания и обезвоживания нефти и
нефтепродуктов
Схема обезвоживания и обессоливания на НПЗ
Конструкции промышленных технологических установок
для обессоливания и обезвоживания нефти и нефтепродуктов
Конструкции электродегидраторов:
а) шаровой конструкции; б) вертикального типа; в) горизонтального типа
Характеристики ЭДГ









1. ЭДГ шаровой конструкции:
Производительность аппарата 300-500 м3/ч, диаметр 10.5 м,
объем 600 м3. Имеет 3 пары электродов диаметром 2-3м.
Расстояние между электродами 0.14 – 0.17 м, можно
регулировать. ИВН – трансформатор мощностью 50 кВА.
Давление 0.6 МПа, температура до 425К.
2. ЭДГ вертикальной конструкции:
Производительность аппарата 12500кг/ч, диаметр 3м, высота
3.5м, на постаменте – 6м. Имеет 2 электрода диаметром 2.7м.
Расстояние между электродами 0.1 – 0.15 м. ИВН –
трансформатор мощностью 15кВА. Давление до 0.4 МПа,
температура 383-393К.
2. ЭДГ горизонтальной конструкции:
емкость, м3…………….80
100
160
диаметр, м……………...3
3
3.4
длина, м………………..11.6
14.2
17.6
производительность, кг/ч..68 500
91 300
114 100
Электродная система ЭДГ

Электродная система представляет собой набор металлических прутков
диаметром 2,5 мм при расстоянии между ними 20 см. Прутки собираются в
виде двух плоских рам, расположенных в двух параллельных плоскостях с
расстоянием между плоскостями 15÷20 см

Электродные системы и технологический режим должны быть организованы
таким образом, чтобы не давать возможности капелькам воды создавать
замыкающие электроды цепочки
Технологии обезвоживания нефтепродуктов


В зависимости от содержания воды различают: глубокое обезвоживание,
сверхглубокое обезвоживание и обезвоживание высокообводненных нефтей
Под глубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального
значения с Wводы ≥ 0,1 % до конечного с Wводы ≤ 0,05 %. Это соответствует диапазону
концентраций эмульгированной воды в сырой нефти. Поэтому приемлем только способ
коалесценции в электрическом поле.


чем выше напряженность электрического поля, тем эффективнее процесс коалесценции.
Однако для очень крупных капель в сильных полях появляется обратный эффект, при
котором капля поляризуется, растягивается вдоль линий поля и разрывается
Для укрупнения капель выше критического размера при рабочей напряженности поля
применяется специальное ступенчатое питание установки
Сверхглубокое обезвоживание
 Под сверхглубоким обезвоживанием понимается
изменение концентрации воды от начального
значения с W ≤ 0,05 % до конечного с W = 0. Это
соответствует диапазону концентраций
эмульгированной воды в светлых нефтепродуктах
(бензин, керосин, трансформаторное масло).
 Используемая традиционно механическая очистка с
помощью фильтров имеет целый ряд недостатков:
1. необходима регулярная регенерация или
периодическая замена фильтров;
2. проходя через фильтр топливо дополнительно
электризуется.
Принципиальная схема установки для сверхглубокого
обезвоживания светлых нефтепродуктов


Рабочее пространство аппарата частично
заполнено пористым диэлектриком, который
имеет сильно развитую поверхность и
препятствует интенсивному перемешиванию
эмульсии в процессе работы. Нефтепродукт
поступает в свободное пространство аппарата
через тонкую входную щель, где происходит
контактная зарядка капель воды. Таким
образом, эмульсия поступает в камеру аппарата
уже заряженной. В свободном объеме камеры
происходит интенсивное перемешивание
эмульсии за счет возникающих под действием
электрического поля электрогидродинамических
потоков.
Заряженные капельки воды, двигаясь по
силовым линиям поля, попадают на поверхность
диэлектрика и прилипают к ней. Новые капли,
пришедшие с потоком, сливаются с первыми. На
поверхности диэлектрика идет процесс
укрупнения прилипших капель. Как только
капля вырастает до крупных разметов, она
отрывается и стекает в нижнюю часть камеры.
Принципиальная
схема установки
для сверхглубокого
обезвоживания
нефтепродуктов
1 - пористый
диэлектрик
2 - свободное
пространство
Обезвоживание высокообводненных нефтей и аномально
стойких эмульсий



Есть нефти, в которых вода составляет до 60 %. Такие
нефти представляют собой капли воды, покрытые
нефтяной оболочкой, не дающей этим каплям сливаться.
Процесс укрупнения капли воды может быть
осуществлен путем химических добавок, разрушающих
нефтяную оболочку капель и позволяющих каплям
сливаться.
Вторым способом, который является предпочтительнее,
является организация коалесценции капель воды в
электрическом поле. Необходимо обеспечить, чтобы при
этом не возникало короткого замыкания между
электродами, которое возможно из-за высокой
проводимости нефти и наличия большого количества
капель.
Способы устранения короткого
замыкания
 на электродах создать диэлектрическое
покрытие;
 обеспечить газовый зазор у электрода;
 создать вихревое движение жидкости,
которое препятствует образованию
цепочек из капель; использовать
определенные источники высокого
напряжения, которые предотвращают
возникновение коротких замыканий.
Использование
диэлектрического покрытия
 Этот способ реализуется путем нанесения
диэлектрического покрытия на
высоковольтный электрод
 При возникновении проводящих каналов
в нефти напряжение прикладывается к
диэлектрическому слою и короткого
замыкания не происходит. В нормальном
режиме напряжение распределяется
между слоем и нефтью.
 Эквивалентная схема представляется в
виде последовательного соединения двух
сопротивлений zс и Rнефти:
Использование диэлектрического
покрытия
δ - толщина диэлектрического покрытия,
f - частота питающего напряжения,
ε - диэлектрическая проницаемость
диэлектрика, Rнефти - эквивалентное
сопротивление нефти
Аппарат обезвоживания
высокообводненных нефтей
и эквивалентная схема
Использование диэлектрического
покрытия



Для того, чтобы слой нефти находился под воздействием
электрического поля необходимо, чтобы на
диэлектрическом покрытии не возникало большое
падение напряжения. Это достигается путем увеличения
частоты f питающего напряжения или путем увеличения
ε.
Высоковольтные источники высокой частоты дороги.
Кроме того, с ростом частоты напряжения уменьшается
интенсивность электрогидравлических потоков из-за
того, что не будет создаваться избыточных
электрических зарядов, которые являются источниками
этих потоков. В результате интенсивность слияния
капель падает.
Лучшим решением оказалось применение
диэлектрического покрытия из керамики с высоким
значением ε.
Применение газового зазора

При подаче высокого
напряжения на
коронирующие электроды в
газовой среде над
поверхностью нефти
образуется коронный
разряд. Движение
носителей зарядов в нефти
вызывает появление
потоков в слое жидкости. В
результате возникает
интенсивное
перемешивание и
взаимодействие капель,
приводящее к их слиянию.
Схема процесса с
воздушным
зазором между
поверхностью жидкости
и электродами
Специальные источники высокого
напряжения


По железным дорогам нефть перевозят
в цистернах. После слива нефти
цистерны моют водой. В результате
образуется вода, загрязненная
нефтью. Возникает задача отделить от
нефти и использовать воду вторично, а
нефть по назначению. Для решения
этой задачи применяют источники
импульсов высокого напряжения
специальной формы
Высоковольтный источник для
аппарата отделения воды от нефти
вырабатывает импульсное напряжение,
которое используется для разрушения
нефтяных оболочек на каплях воды.
Длительное постоянное напряжение
обеспечивает слияние капель воды
Форма
питающего
напряжения