ЭЛЕКТРОДЕГИДРАТОР

Полезная модель относится к электродегидраторам для обезвоживания и обессоливания нефти и может быть использована в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.
Известен электродегидратор, включающий корпус, систему ввода и распределения сырья, штуцера вывода нефти и воды, два высоковольтных источника питания и электроды, расположенные в вертикальных плоскостях и поочередно соединенные с соответствующими источниками питания, а электроды выполнены в виде параллельных решеток из вертикальных металлических трубчатых или иной формы элементов (Пат. RU на ПМ №106131, опуб. 10.07.2011 Бюл. №19). Этому электродегидратору присущи все те же недостатки, что характерны для всех аппаратов с металлическими электродами:
- высокая вероятность межэлектродных пробоев и коротких замыканий электродов;
- вызванная этим высокая чувствительность и критичность к обводненности поступающего в аппарат сырья;
- неоптимальная конфигурация электрического поля в электродной зоне, обусловленная эквипотенциальностью поверхности металлических электродов, и как следствие - нерациональный режим электрообработки водонефтяной эмульсии, не учитывающий изменения ее структуры (содержания водной фазы, ее дисперсности и расстояний между каплями) в процессе ее восходящего движения в электродной зоне, и в результате существенно ограничивающий эффективность электродегидратора и глубину обезвоживания и обессоливания нефти.
Наиболее близким к предлагаемому является электродегидратор, включающий корпус, систему ввода сырья, штуцера вывода нефти и воды, высоковольтный источник питания, узел ввода высокого напряжения и вертикальные параллельные чередующиеся пластинчатые потенциальные и заземленные электроды, выполненные из гидрофобного полимерного композитного материала с ограниченной электропроводностью, постепенно возрастающей от нижней кромки к верхней (Пат. RU на ПМ №99341, зарегистр. в Гос. реестре полезных моделей РФ 20.11.2010). В этом электродегидраторе недостатки, перечисленные выше, полностью или частично устранены: вероятность коротких замыканий композитных электродов сведена к нулю; степень критичности к обводненности входящего сырья многократно снижена; режим электрообработки в значительной мере согласован с изменением структуры эмульсии в процессе ее вертикального восходящего движения в электродной зоне.
Однако вместе с тем возникли большие, непреодолимые пока проблемы с изготовлением композитных пластин большой площади с предъявляемыми к ним строгими требованиями к плоскостности, жесткости, механической прочности, величине электропроводности и характеру ее изменения по высоте. Кроме того, логично ожидать, что большая площадь таких электродов обусловила бы чрезмерно высокие значения потребляемого электродегидратором тока и неоправданно высокий расход электроэнергии.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности, стабильности работы, надежности, упрощение и удешевление изготовления электродегидратора, снижение энергозатрат.
Указанная задача решается тем, что в электродегидраторе, включающем корпус, штуцер ввода и коллектор распределения сырья, штуцер вывода нефти, штуцер дренажа воды, высоковольтный источник питания, узел ввода высокого напряжения и систему чередующихся потенциальных и заземленных электродов, расположенных в вертикальных плоскостях, перпендикулярных продольной оси аппарата, потенциальные электроды выполнены в виде решеток из вертикальных трубчатых элементов, изготовленных из статистического резистивного композитного материала с заданной нелинейной электропроводностью на основе гидрофобной полимерной матрицы с дисперсным проводящим наполнителем, а заземленные электроды выполнены в виде решеток из горизонтальных трубчатых или стержневых металлических элементов. Потенциальные электроды электрически соединены с высоковольтным источником питания, а заземленные электроды соединены с корпусом электродегидратора.
Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1-4.
На Фиг. 1 показан продольный разрез электродегидратора, где: 1 - заземленный корпус; 2 - штуцер ввода сырья; 3 - распределительный коллектор; 4 - штуцер вывода нефти; 5 - штуцер дренажа воды; 6 - высоковольтный источник питания; 7 - узел ввода высокого напряжения; 8 - потенциальные электродные решетки; 9 - заземленные электродные решетки.
На Фиг. 2 показан поперечный разрез электродегидратора, где: 8 - потенциальные композитные электродные решетки; 9 - заземленные металлические электродные решетки; 10 - изолятор подвесной; 11 - проводник к изолятору проходному.
На Фиг. 3 схематически показан характер силовых линий электрического поля в произвольной вертикальной плоскости электродной зоны, где: 8 - потенциальные электроды; 9 - заземленные электроды.
На Фиг. 4 схематически показан характер силовых линий электрического поля в произвольной горизонтальной плоскости электродной зоны, где: 8 - потенциальные электроды; 9 - заземленные электроды.
Электродегидратор работает следующим образом. Водонефтяная эмульсия через штуцер ввода сырья 2 поступает в коллектор 3, равномерно распределяется по сечению аппарата и ламинарным потоком движется вверх. В подэлектродной зоне в относительно слабом электрическом поле между нижними торцами потенциальных электродов и поверхностью контактирующей с заземленным корпусом подтоварной воды происходит коалесценция и гравитационное осаждение наиболее крупной фракции капель полидисперсной водной фазы нефтяной эмульсии. Далее эмульсия поступает в зону сильного электрического поля между потенциальными и заземленными электродными решетками.
Особый комплекс электрофизических и физико-химических свойств композитных электродов позволяет реализовать в электродной зоне электродегидратора конфигурацию электрического поля и режим электрообработки, согласованные с изменением структуры обрабатываемой эмульсии в процессе ее вертикального восходящего движения в электродной зоне. Благодаря резистивности композитных электродов и нелинейности их электропроводности по высоте напряженность поля в электродной зоне, минимальная в ее нижней части, монотонно и нелинейно возрастает по вертикали вверх и достигает максимального заданного значения в верхней части электродной зоны. Отношение максимальной напряженности электрического поля в верхней части электродной зоны к минимальной напряженности в нижней ее части составляет от 1,8 до 2,7. Вследствие этого эмульсия, в которой по мере ее движения вверх в результате одновременно и взаимосвязанно протекающих процессов электрокоалесценции капель водной фазы и их гравитационной седиментации численная концентрация капель снижается, средние расстояния между ними возрастают, а размеры остающихся в потоке нефти капель становятся все меньше, последовательно проходит области все большей напряженности электрического поля. Перечисленные характеристики структуры эмульсии изменяются нелинейно, поэтому режим электрообработки в поле с нелинейным характером возрастания напряженности по высоте электродной зоны наиболее полно обеспечивает высокую вероятность коалесценции капель воды полидисперсной эмульсии во всем объеме электродной зоны.
В то же время уже достаточно укрупнившиеся и осаждающиеся в гравитационном поле капли воды последовательно проходят области электрообработки с постепенно снижающейся в направлении их движения напряженностью поля, что предотвращает возможность повторного электродиспергирования и способствует их доукрупнению.
Особый комплекс электрофизических и физико-химических свойств композитных электродов включает такие свойства, как: резистивность, благодаря которой задаваемая при изготовлении электродов электропроводность переменна по их высоте, вследствие чего их поверхность является неэквипотенциальной; гидрофобность поверхности, препятствующая образованию на ней непрерывной проводящей пленки воды, способной превратить эту поверхность в эквипотенциальную, что лишило бы композитные электроды принципиальных преимуществ перед металлическими; полное отсутствие коррозии и высокая стойкость к воздействию агрессивных сред; превосходные антиадгезионные свойства; кратно более низкую плотность (и вес) по сравнению с металлическими электродами.
Физико-химические свойства композита определяются его полимерной матрицей, в качестве которой могут быть использованы, например, полиэтилен низкого давления, полипропилен, политетрафторэтилен, капролон и др. Электрофизические свойства определяются природой проводящего наполнителя, его объемной долей в композите, дисперсностью частиц, их формой, характером распределения в объеме полимерной матрицы и в значительной степени технологией изготовления электродов. Из трех групп электропроводящих полимерных композитов (матричные, структурированные и статистические) выбрана последняя как наиболее изученная и позволяющая задавать на стадии изготовления электродов их электрофизические свойства в максимально широком диапазоне. В качестве наполнителя может использоваться, например, технический углерод.
Применение в электродной системе резистивных композитных электродов позволило полностью устранить межэлектродные пробои эмульсии и короткие замыкания электродов в широком диапазоне обводненностей входящего сырья, что подтверждено как в лабораторных условиях, так и в промышленных аппаратах. Высокая коррозионная и химическая стойкость композита позволила изготавливать потенциальные электроды в виде тонкостенных трубок, обладающих малым весом, и сократить за счет этого количество недешевых подвесных изоляторов.
Перпендикулярность трубчатых композитных элементов потенциальных электродных решеток и горизонтальных трубчатых или стержневых элементов металлических заземленных решеток дает еще одно преимущество заявляемому электродегидратору. Вследствие этого в электродной зоне создаются регулярные области неоднородности электрического поля с повышенной напряженностью как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях (фиг. 3, 4). В результате известного механизма втягивания в эти области поляризованных во внешнем электрическом поле капель эмульгированной воды под действием диэлектрофоретических сил в таких областях численная концентрация капель увеличивается, средние расстояния между ними сокращаются, а диполь-дипольные силы взаимного притяжения существенно возрастают, что приводит к росту вероятности их коалесценции и укрупнения и, в конечном итоге, к увеличению глубины обезвоживания и обессоливания нефти. Вследствие низких вертикальных скоростей движения сырья в электродегидраторах (около 0,7÷2 мм/с) эффективность этого механизма достаточно высока.
Наконец, изготовление заземленных электродов не из композита, а из металла кратно снижает стоимость электродной системы электродегидратора без какого-либо снижения его эффективности, надежности и экономичности, что подтверждено экспериментально.
В 2017 году предлагаемый электродегидратор успешно прошел опытно-промышленные испытания, в ходе которых обводненность входящего в аппарат сырья достигала 20%, а его производительность по сырью доходила до 3-х объемов аппарата в час. При этом глубина обезвоживания и обессоливания нефти отвечала требованиям 1-ой группы качества ГОСТ Р 51858-2002.
В настоящее время аппарат находится в промышленной эксплуатации в ОАО «Сургутнефтегаз».