ЭЛЕКТРОПУЛЬВЕРИЗАЦИОННЫЙ ДИСПЕРГАТОР

Полезная модель относится к устройствам для ввода промывочной воды в нефть в процессе ее обессоливания и может использоваться в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.
Обессоливание предварительно глубоко обезвоженной нефти достигается последовательным выполнением трех в равной мере важных технологических операций:
- ввода в обессоливаемую нефть пресной промывочной воды путем ее диспергирования в последней до состояния, при котором размеры капель промывочной воды близки к размерам капель остаточной минерализованной пластовой воды;
- смешения промывочной и пластовой вод с целью выравнивания их минерализации;
- деэмульсации нефти и глубокого отделения водной фазы, осуществляемого, как правило, в электродегидраторах.
В настоящее время подача промывочной воды с ее диспергированием осуществляется с помощью устройств гидродинамического действия самых разнообразных конструкций: так называемых смесительных задвижек и клапанов, инжекторов, устройств с форсунками, веерных устройств, диспергаторов с танценциальным вводом воды, регулируемых диспергаторов типов РНСВ, СПВ и т.д.
Несмотря на разнообразие конструктивных решений, всем этим устройствам присущ ряд недостатков технологического характера, основными из которых являются необходимость создания высоких перепадов давления как на линии нефти, так и между промывочной водой и нефтью, а также неудовлетворительная управляемость. Помимо неоправданно высоких энергозатрат на прокачку жидкостей первый недостаток чреват еще и опасностью порывов подводящих трубопроводных линий.
Второй недостаток обусловлен тем, что изменение перепада давления с целью получения требуемой дисперности промывочной воды неизбежно влечет за собой неконтролируемое изменение ее удельного расхода.
Известно устройство для подачи промывочной воды в обессоливаемую нефть путем ее электрической пульверизации в последней (Пат. СССР №1664358, В01Д 17/06, опубл. 23.07.1991, Бюл. №27). Функционирование этого устройства не требует создания высоких перепадов давления в подводящих трубопроводах нефти и воды, а также достаточно просто управляется путем изменения подаваемого на его электроды высокого напряжения. Однако вместе с тем ему присущи и существенные недостатки. Во-первых, секция электропульверизации размещена в одном корпусе с секцией электрокоалесценции и питается от общего высоковольтного источника питания с последней, что делает невозможным раздельное управление электрическими режимами процессов пульверизации и коалесценции, которые существенно различаются по параметрам. Во-вторых, секция электропульверизации оснащена металлическими электродами, что, учитывая высокую электропроводность и склонность металлов к искро- и дугообразованию, чревато не только локальными пробоями водонефтяной эмульсии, но и короткими замыканиями электродов с аварийными отключениями источника питания.
Наиболее близким к заявленному является электропульверизирующий аппарат ЭПА-3000 разработки ЗАО «Нефтех», г. Казань, разрез которого представлен на Фиг. 1. Пульверизация промывочной воды в обессоливаемую нефть осуществляется в кольцевом зазоре между диэлектрическим перфорированным экраном 4 и изолирующей диэлектрической оболочкой 3 внутреннего высокопотенциального электрода 2. Электрическое поле создается между водой, обладающей потенциалом заземленного корпуса 1 и подаваемой в кольцевой зазор под небольшим перепадом давления через отверстия перфорации, и изолированным высокопотенциальным электродом 2.
Преимуществами аппарата перед гидродинамическими устройствами аналогичного назначения являются отсутствие необходимости создания высоких перепадов давления между жидкостями, простота регулирования дисперсности промывочной воды путем изменения значения подаваемого на электроды высокого напряжения, а также независимость управления дисперсностью промывочной воды и ее удельным расходом.
Однако наряду с этим аппарату присущи и существенные недостатки, препятствующие реализации в полной мере преимуществ электропульверизационного метода подачи промывочной воды. Основной причиной недостатков является вынужденное применение изоляции внутреннего электрода, предназначенной для предотвращения коротких замыканий металлических электродов при необходимости подавать промывочную воду в концентрациях, превышающих 2-3% относительно нефти.
Наличие слоя изоляции на внутреннем электроде в результате перераспределения напряжений между нефтью и диэлектриком многократно снижает напряженность электрического поля в рабочем зазоре аппарата до значений, недостаточных для эффективной пульверизации воды. Несложные расчеты показывают, что в случае относительно высокоэлектропроводных нефтей кратность снижения действующей напряженности поля достигает 100 и более раз. Это вынуждает существенно уменьшить толщину рабочего зазора, что, в свою очередь, приводит к резкому росту гидравлического сопротивления аппарата по нефти и снижению его производительности.
Кроме того, перераспределение напряжений, в результате которого подавляющая доля выходного напряжения высоковольтного источника питания оказывается приложенной к слою изоляции, может вызвать ее электрический пробой и разрушение, что неоднократно и наблюдалось в процессе эксплуатации этого аппарата.
Еще одним серьезным недостатком, выявленным в процессе эксплуатации аппарата, является низкая надежность узла ввода высокого напряжения. Хотя его исполнение и было заявлено разработчиком как взрывозащищенное, тем не менее открытые пробои воздушного высоковольтного кабеля в месте его соединения с проходным изолятором происходили с угрожающей регулярностью.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение эффективности, надежности, производительности аппарата и в конечном итоге глубины обессоливания нефти.
Поставленная цель достигается тем, что в электропульверизационном диспергаторе, включающем заземленный корпус, штуцеры ввода обессоливаемой нефти, промывочной воды и вывода эмульсии, высоковольтный источник питания, взрывозащищенный узел ввода высокого напряжения, внутренний высокопотенциальный электрод и перфорированный диэлектрический экран, внутренний электрод выполнен неизолированным из неметаллического электропроводящего композитного материала с заданными физико-химическими и электрофизическими свойствами. Заданные физико-химические свойства композита обеспечиваются выбором материала его диэлектрической матрицы, а электрофизические - природой, структурой, характером распределения и концентрацией проводящего дисперсного наполнителя.
Схематический разрез заявляемого электропульверизационного диспергатора представлен на Фиг. 2. Диспергатор включает заземленный корпус 1 со штуцерами ввода нефти 2, промывочной воды 3 и вывода эмульсии 4, высоковольтный источник питания 5, маслонаполненный взрывозащищенный узел ввода высокого напряжения 6 с проходным изолятором 7, внутренний высокопотенциальный композитный электрод 8 и цилиндрический перфорированный экран из диэлектрического материала 9.
Заявленный электропульверизационный диспергатор действует следующим образом. Обессоливаемая нефть после ступени глубокого обезвоживания через входной штуцер 2 подается в диспергатор и поступает в кольцевой зазор между внутренним высокопотенциальным композитным электродом 8 и перфорированным диэлектрическим экраном 9. Промывочная вода подается через штуцер 3 под незначительным перепадом давления (0,02-0,04 МПа), достаточным для обеспечения ее удельного расхода, характерного для процесса обессоливания нефти и, как правило, не превышающего 5-7% относительно расхода нефти. Под действием электрического поля высокой напряженности, создаваемого между внутренним высокопотенциальным электродом 8 и промывочной водой, обладающей потенциалом заземленного корпуса 1, последняя пульверизирует из многочисленных отверстий малого диаметра диэлектрического экрана 9 в обессоливаемую нефть. Дисперсность капель промывочной воды легко регулируется в необходимом диапазоне изменением выходного напряжения высоковольтного источника питания 5, а заданный удельный расход промывочной воды поддерживается автоматически с помощью регулирующего клапана на линии ее подачи.
Заявляемое техническое решение, несмотря на кажущуюся на первый взгляд простоту, устраняет все технические и технологические недостатки прототипа. Отказ от необходимости изоляции внутреннего высокопотенциального электрода, который стал возможен в результате использования электропроводящего композитного материала вместо традиционного металла, предоставляет заявленному аппарату ряд существенных преимуществ.
В этом случае все выходное напряжение высоковольтного источника питания оказывается приложенным к нефти в рабочем зазоре без паразитного падения подавляющей его доли на толще изолятора, что существенно повышает эффективность процесса электропульверизации промывочной воды, улучшает управляемость процессом и расширяет диапазон достигаемых дисперсностей капель промывочной воды.
Это, в свою очередь, позволяет кратно увеличить толщину (сечение) рабочего зазора между внутренним высокопотенциальным электродом и перфорированным диэлектрическим экраном, а за счет этого существенно уменьшить гидравлическое сопротивление аппарата и повысить его производительность.
Нами экспериментально доказано, что несмотря на отсутствие изоляции, специфический комплекс заданных физико-химических и электрофизических свойств электропроводящего композита полностью предотвращает не только короткие замыкания электродов, но даже и локальные кратковременные пробои нефтяной эмульсии в электрическом поле высокой напряженности.
Комплекс физико-химических свойств композита включает гидрофобность его поверхности, высокую стойкость к воздействию агрессивных сред, превосходные антиадгезионные свойства и широкий диапазон рабочих температур. В частности, гидрофобность композитного материала высокопотенциального электрода препятствует образованию на его поверхности пленки воды и коалесценции и укрупнению на ней образовавшихся в результате электропульверизации капель промывочной воды. Из электрофизических свойств важнейшими являются, во-первых, отсутствие, в отличие от металлов, склонности к искро- и дугообразованию, во-вторых, резистивность: удельное электрическое сопротивление электропроводящего композита на 10÷12 порядков превышает аналогичную характеристику металлов, например, стали. При этом отношение удельных электропроводностей композита и обессоливаемой нефти при рабочей температуре составляет от 2-х до 4-х порядков для высокоэлектропроводных и низкоэлектропроводных нефтей соответственно.
Результаты дисперсионного анализа эмульсий промывочной воды в обессоливаемой нефти, полученные в процессе стендовых испытаний электропульверизационного диспергатора при различных напряженностях электрического поля в аппарате, представлены в таблице:
На Фиг. 3 и 4 в качестве примера представлены дифференциальные гистограммы распределения капель промывочной воды по размерам для двух значений напряженности электрического поля в электропульверизационном диспергаторе.
Результаты испытаний подтверждают, что с ростом напряженности электрического поля дисперсность получаемой эмульсии промывочной воды возрастает (пик распределения смещается влево), а степень ее полидисперсности снижается (эмульсия приближается к монодисперсной). Учитывая тот факт, что остаточная минерализованная пластовая вода в обессоливаемой нефти представлена высокодисперсной и достаточно близкой к монодисперсной фракцией капель, обе эти тенденции несомненно являются факторами, способствующими интенсификации процесса последующего смешения пластовой и промывочной вод и, в конечном итоге, достижению максимально глубокого обессоливания нефти.