Конструкция и эксплуатация вертикальных электродегидраторов

К.В. Таранцев, (к.т.н., доцент)
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ
ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ
(обзор патентованной литературы)
г. Пенза, Пензенский государственный университет
В
настоящее
время
для
обезвоживания
нефти
на
электрообессоливающих установках применяются электродегидраторы
для разделения эмульсий типа вода в нефти.
Разделение эмульсии в электродегидраторах может проходить в
однородном и неоднородном электрическом поле. Практика показывает,
что данный процесс более эффективен в неоднородном электрическом
поле. Ниже проведен анализ влияния неоднородности электрического
поля на интенсивность обезвоживания нефти на основе патентов.
На ранних этапах нефтедобычи на промыслах США устанавливали
вертикальные электродегидраторы, которые были выполнены в виде
сварного
газонепроницаемого
резервуара,
снабжённого
двумя
электродами, из которых один изолирован и от корпуса резервуара и от
земли, а другой заземлён [1].
Нефть с водой вводилась в дегидратор через центральную
впускную трубу, поднималась вверх, распределялась специальным
распределителем
в
области
электрического
поля
и
подвергалась
обработке. Освобождённая от воды нефть непрерывно поднималась в
верхнюю
часть
дегидратора
и
отсюда
подавалась
в
складские
1
резервуары;
вода
отводилась
автоматически
из
нижней
части
дегидратора непрерывным потоком.
Применялись дегидраторы нескольких размеров. Стандартный
дегидратор, применявшийся на установках периодической обработки или
на установках для работы на дополнительных линиях, имел 3,04 м в
диаметре и 3,66 м в высоту и обладал ёмкостью порядка 28,5 м3 (рис. 1)
[1]. Производительность таких установок составляла от 158 до 635 м 3
чистой нефти в сутки.
Рис. 1. Схема дегидратора с горизонтальным неоднородным полем
[1].
В США применялись вертикальные электрические дегидраторы с
электродами типа горизонтального неоднородного (концентрированного)
поля (H.C.F.) и электродами типа концентрических колец (C.R.).
Высокая напряженность поля, через которую проходит эмульсия,
специфически сформированные пути движения жидкости и радиальное
положение
электродов,
являются
основными
особенностями
этих
конструкций. Дегидратор данного типа с успехом разрушал чрезвычайно
стойкие эмульсии и применялся главным образом для периодической
обработки.
2
В
дегидраторе
[3]
(рис.
на
2)
изоляторе
14
подвешен
сложносоставной электрод, выполненный в виде трубы Вентури с
закрепленными на выходе из диффузора 24 осадительными полками 18,
20, 21.
Рис. 2. Схематическое изображение электродегидратора [3]: а вертикальное сечение; б - горизонтальное сечение, взятое по линии 2-2;
в - сечение, поясняющее устройство сопла.
Аппарат перед
началом работы
заполняется сухой нефтью.
Эмульсия поступает на обработку через сопло 30. Внутри сопла, соосно
закреплен заземленный электрод 31`. Поступающая эмульсия увлекает в
движение осушенную нефть как обозначено стрелками 45, которая
образует диэлектрический барьер и препятствует короткому замыканию
электродов.
Направление
движения
потоков
в
корпусе
аппарата
организовано так, что они не препятствуют процессу осаждения капелек
воды из нефти. Кроме того, между внешними краями дисковых
электродов и стенкой корпуса аппарата образуется дополнительное поле,
способствующее процессу коалесценции капель.
В следующей конструкции электродегидратора [5] (рис. 3) имеется
две зоны обработки. Эмульсия поступает вначале в поле высокой
напряженности и интенсивной циркуляции между соплом-электродом 30
3
и электродом Вентури 21, а затем в поле меньшей напряженности,
меньших скоростей циркуляции и меньшего содержания воды, между
заземленным корпусом 11 и экраном 16. Нижний экран 40 позволяет
организовать еще одну зону обработки 43, и предотвращает пробой на
границе раздела воды с нефтью.
Рис. 3. Схематическое изображение электродегидратора [5]: а вертикальное сечение; б - горизонтальное сечение, взятое по линии 2-2;
в - сечение, поясняющее устройство сопла.
Патент [7] (рис. 4) основан на возможности эффективного
расслоения эмульсий в результате прохождения ламинарного потока
эмульсии, через область действия пульсирующего электрического поля
при
условии
поддержания
плотности
электрического
тока
приблизительно одинаковой в различных точках потока эмульсии.
Разделение эмульсии достигается, при протекании ее относительно
тонким
плавным
потоком
между
расходящимися
электродами
значительной длины. Поток сырой нефтяной эмульсии течет между
концентрическими электродами противоположной полярности. Один или
оба электродов, расходятся так, чтобы электрическое сопротивление во
время расслоения эмульсии не менялось. В расширяющемся кольцевом
пространстве происходит последовательная перестройка водных частиц,
4
и отделение образовавшихся капель на последующих стадиях разделения
в
отстойнике.
Если
угол
расхождения
электродов
подобран
в
соответствии со свойствами эмульсии, т.е. если напряженность поля
между
электродами
без
эмульсии
возрастает
пропорционально
изменению проводимости эмульсии, то поддерживается постоянной
напряженность поля между электродами при заполненном рабочем
пространстве.
Рис. 4. Продольное сечение конструкции электродов [7]; а диаграмма, иллюстрирующая электрическое и механическое
функционирование электродов; б, в - схемы, иллюстрирующие
комбинации электродов.
Постоянный ток позволяет эффективно разрушать эмульсии в
случаях, когда она свободна от твердых коллоидных частиц. В многих
случаях, эти частицы присутствуют, наблюдается эффект катофореза,
который вызывает быструю инкрустацию отрицательного электрода,
последующее нагревание и снижение напряжения, и в присутствии солей
в воде эмульсии приводит к электролизу и выделению газов.
Авторы [7] избегают катафореза, поляризации и существенно
уменьшают электролиз при помощи переменного тока. Преимуществами
данного способа являются его меньшая стоимость и большее удобство
работы и контроля. Поскольку эмульсии, могут содержать разное
5
количество
твердых
частиц,
необходимо,
достаточно
быстрое
чередование полярности, для предотвращения любого перемещения
твердых частиц к электродам. Для большинства эмульсий коммерческая
частота тока 50 или 60 Герц достаточна, чтобы предотвратить катафорез.
После входа в заряженную зону 2, 3, пленки, окружающие капли
воды находятся на грани разрыва и обеспечивают достаточную
проводимость между электродами 1 и 4 через воду. Это состояние
показано на рисунке 4 символом 5, иллюстрирующим физическое
состояние в котором, водные капли являются теперь смежными и пленка
разрывается. Это начало роста капельки.
Таким
образом,
капли
собираются
в
цепочки
и
по
мере
продвижения потока происходит образование и перераспределение
цепочек капель воды, как показано на рисунке 4 символами 6a, 6b, 6c, 6d,
и 6e.
Расположение электродов в данном изобретении отличается от
других, в которых электроды параллельны или сходятся в направлении
потока эмульсии. Это позволяет уменьшить скорость течения эмульсии
между
отклоняющимися
электродами
и
предотвратить
повторное
эмульгирование.
При движении эмульсии вдоль электродов расположенных на
равном расстоянии (рис. 4,б) образующиеся мостики из капель
увеличиваются по мере прохождения потока. Основное количество
электричества проходит в месте выхода эмульсии из рабочей зоны. В
результате электроды, используемые в экспериментах, корродируют на
выходе. В конструкции показанной на рис.4,в корродирует фактически
вся поверхность электродов, что свидетельствует о более равномерном
распределении количества электричества в активной зоне.
Кроме того, в экспериментах с переменным током частотой 50
Герц, для эффективного расслоения эмульсии необходимо обе спечить 15
до 25 циклов обработки между ее входом и выходом из активной зоны.
6
Условие, не достижимое для конструкции, показанной на рис. 4,б, где
активная зона сконцентрирована вдоль очень короткого пути эмульсии и
необходимое время для расслоения не достигается. Таким образом,
конструкция, показанная на рис. 4,б не может обеспечить эффективное
решение.
Авторы указывают, что угол раскрытия электродов не может быть
предсказан для неизвестной эмульсии, он должен быть найден в
результате лабораторных исследований. Хорошие результаты были
получены с углами раскрытия, изменяющимися от 1:5 до 1:25, большие
углы, более пригодны к влажным эмульсиям. Наиболее оптимальным
расстоянием
между
электродами
является
то,
которое
позволяет
обеспечить напряжение от 100 до 3 000 Вт (обычно оно составляет от
300 до 1 500 Вт).
В работе [8], представлены метод и аппарат для разделения
жидкостей
в
электрическом
поле
постепенно
уменьшающейся
напряженности. Поле создается источником постоянного тока. В корпусе
аппарата
(рис.
выполненные
5)
из
установлены
пластин
электроды
постепенно
электроды
расходящихся
12
под
и
13,
углом,
регулирующим степень уменьшения напряженности электрического поля
вдоль потока 6. Эмульсия первоначально поступает в полость 2 по
стрелке
3.
Через
горизонтальный
патрубок
4,
установленный
в
перегородке 5 она направляется в пространство между электродами 12 и
13. Направление потока эмульсии, обозначено стрелкой 6. Длина этого
пути выбирается так, чтобы времени пребывания эмульсии в корпусе
электродегидратора было достаточно для коагуляции мелких капель и их
последующего расслоения на два отдельных потока: воды 7 и нефти 8.
Патрубки для раздельного выхода нефти 9 и воды 10 установлены в
стенке 11.
7
Рис. 5. Схематическое изображение электродегидратора [8]
На рисунке 6 показана конструкция электродегидратора [8], в
котором электрод выполнен в форме конуса установленного внутри
трубопровода 20. Нефтяная эмульсия, течет в направлении стрелки 32.
После процесса разделения, менее плотная, т.е. более легкая нефть
поднимается вверх и выходит из трубопровода 20 через патрубок 22, а
более плотная и более тяжелая вода выходит вниз и из сборника 23.
Рис. 6. Схематическое изображение электродегидратора [8]
8
Выпрямитель 30 включен в схему так, что положительный заряд
подается на электрод 29, в то время как на электрод 25 подается
отрицательный заряд через выпрямитель 31.
Пространственное расхождение электродов позволяет постепенно
уменьшать силу электрического поля. Если на рис. 8 электроды
выполнены из плоских, расходящихся пластин, то, как показано на рис.
6,
уменьшения
напряженности
поля
можно
добиться,
выполнив
электроды в форме конуса и трубы. В обоих случаях, напряженность
электрического поля уменьшается вдоль потока жидкости.
Равномерное распределение потока в рабочие пространства между
электродами можно осуществить с помощью перегородок 42 и 43
установленных вдоль боковых сторон корпуса 40. У каждой перегородки
есть ряд патрубков, через которые эмульсия поступает в пространство
между отклоняющимися плоскими электродами. Вода сливается в
большие
капли,
осаждается
в
результате
совместного
действия
электрического и гравитационного полей, и формирует слой воды 54.
Нефть, лишенная воды, формирует слой 55 выше электродов (рис.7).
Рис.
7.
Схематическое
изображение
вида
сверху
электродегидратора [8], в котором установлен пакет электродов: а –
поперечное сечение корпуса электродегидратора по линии 4—4.
В
патенте
[9]
предлагается
сформировать
множество
электростатических полей так, чтобы эффективно разделить жидкости
составляющие
эмульсию.
Эмульсия
сначала
поступает
в
электростатическое поле между изолированными электродами. Затем
9
перетекает
в
электростатическое
поле
между
неизолированными
электродами. Заключительная стадия - прохождение почти полностью
расслоившейся
электродами,
эмульсии
которые
через
устроены
электростатическое
так,
чтобы
поле
между
напряженность
поля
уменьшалась в направлении движения жидкости.
Давней проблемой расслоения эмульсий воды в нефти является их
переменная диэлектрическая проницаемость. Трудно точно указать
предел, при котором увеличивающееся количество водной фазы в
эмульсии понижает электропроводность эмульсии до величины, при
которой напряжения на электродах будет не достаточно для поддержания
электростатического
поля.
электродегидраторов
не
При
всегда
практическом
удается
использовании
определить
уровень
проводимости, при котором происходит короткое замыкание между
электродами.
На
дополнительного
практике
эту
электрического
проблему
изолятора
решают
между
установкой
заряженными
электродами.
В
патенте
[10]
пульсирующее
напряжение,
подаваемое
периодически на электроды, вызывает пульсирующее однонаправленное
перемещение капель воды. Это позволяет расслаивать эмульсий с
относительно широким диапазоном концентрации воды в нефти и менее
и более 1%. Патент однозначно определяет «влажную» эмульсию, как
эмульсию с содержанием больше 1% воды, в то время как «сухие»
эмульсии, определены с содержанием менее 1%. Так как сложно
расслаивать эмульсии с содержанием воды значительно превышающем
1%, то необходимо использовать другие средства и методы для
уменьшения содержания воды в нефти до 1 % и менее. Для расслоения
эмульсий до требуемого уровня содержания воды рекомендуется
использовать поля с пульсирующим однонаправленным напряжением.
Требования к добытой нефти в ряде случаев определяют содержание
10
капель воды размером 100 микрометров или меньше. В связи с этим
актуально постепенное уменьшение напряженности.
На рисунке 8 приведена схема, поясняющая механизм процесса.
Рис. 8 Элементы конструкции для генерации третьего
электростатического поля [9].
Анализ конструкции представленной на рисунке 11 позволил
авторам [9] сделать вывод, что вертикальный цилиндрический корпус
может эффективно выполнять функцию производственной установки для
обезвоживания добываемой нефти в небольших количествах.
Однако горизонтальное расположение для электродегидраторов
предпочтительнее, чем вертикальное. Обслуживание, ремонт и замена
элементов оборудования на горизонтальном корпусе аппарата удобнее,
чем на вертикальном.
На рисунке 9 [9] изображена конструкция электродегидратора,
реализованная в горизонтально расположенном корпусе. Форма и
расположение электродов 41,42 показаны на рисунке 14.
11
Рис. 9 Сечение горизонтального электродегидратора [9]: а – схема
потоков; б – движение потоков в сечении вдоль линий 5-5.
Таким образом, оба варианта патента предусматривают наличие
трех
электростатических
полей,
через
которые
последовательно
проходит эмульсия. На основе данного изобретения были созданы
лабораторные модели, а впоследствии промышленное оборудование.
На
рис.
10
представлен
график,
построенный
на
основе
экспериментальных данных для эмульсии с 12% воды, полученными
авторами патента [9]. По оси абсцисс отложено процентное содержание
воды, остающейся в эмульсии после того, как эмульсия прошла через
аппарат. По оси ординат - пропускная способность в баррелях эмульсии
в сутки на квадратный фут электродной области. А - типовые аппараты
в виде горизонтального цилиндрического корпуса соответствующего рис.
34, и вертикальных электродов 40 расположенных на расстоянии 8
дюймов друг от друга. Б - с расстоянием между электродами 3 дюйма.
Большая интенсивность электростатического поля, поддерживаемого
между
электродами
расположенными
на
расстоянии
3",
менее
эффективна, чем в случае расстояния 8" и содержание воды можно
уменьшить только до достижения 2 %. С – данные, полученные для
разработанного авторами аппарата [9]. Согласно полученным данным
конструкции соответствующие изобретению [9]
позволяли снизить
содержание воды в нефти до концентрации 0,5 % и ниже.
12
Рис. 10 Рабочие характеристики конструкции: А, Б
-
типовые
аппараты, с расстоянием между электродами 3 и 8 дюймов ; С – данные
для аппарата [9]
Список литературы.
1. Ши Г. Б. Нефтяные эмульсии и методы борьбы с ними. – М.:
ГНТИ НГЛ, 1946, 138 с. 2. патент США № 1838979. 3. патент США №
1838932. 4. патент США № 1838934. 5. патент США № 1838926. 6.
патент США № 2033137. 7. патент США № 2092491. 8. патент США №
4126537. 9. патент США № 4308127. 10. патент США № 3847775
13