УСТРОЙСТВО ПОДГОТОВКИ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ К ТРАНСПОРТУ

Полезная модель относится к устройствам для осуществления подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту и предназначена для использования в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.
Известны устройства, в которых для улучшения реологических свойств нефтепродуктов применяют термообработку, (патент RU №2065548 C1, опубл. 20.08.1996) добавление поверхностно-активных веществ, депрессорных присадок (патент RU №2470212 C1, опубл. 16.06.2011), электрохимическую обработку (патент RU №2436835 C1, опубл. 20.12.2011) Однако данные методы являются дорогими и энергозатратными, а эффект улучшения реологических свойств нефтепродуктов в указанных устройствах не является долгосрочным.
Известен виброструйный перемешиватель и разжижитель вязких жидкостей и суспензий (Патент RU №2208474, B01F 11/00, B01F 13/08, опубл 20.07.2003) содержащий корпус, электромагнитный вибропривод, отделенный перегородкой от рабочего органа в виде нескольких подпружиненных плоскими пружинами пластин с подковообразными трапецеидальными отверстиями, являющихся якорями электромагнитов вибропривода, каждая из которых установлена с другой стороны перегородки напротив магнитопровода, расстояние от перегородки до якорей выполнено не меньше, чем амплитуда колебаний якорей в жидкой среде с собственной частотой, равной частоте напряжения питания электромагнитного вибропривода. Корпус выполнен в виде правильной многоугольной призмы, каждая пластина расположена на грани корпуса и закреплена на большем плече пружины, выполненной в виде несимметричной полукруглой скобы, причем отношение длины большего плеча пружины к радиусу ее закругления должно быть не меньше трех.
Недостатками указанного устройства являются недостаточно высокая эффективность обработки жидкостей из-за значительной турбулизации струй.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство виброструйной магнитной активации жидкостей и растворов, выбранное за прототип (Патент RU №2275956, B01F 13/08, опубл. 10.05.2006). Изобретение относится к устройствам магнитной активации, применяемым в различных технологических процессах перемешивания, разжижения жидкостей и суспензий. Устройство содержит корпус в виде правильной многоугольной призмы, рабочий орган выполнен в виде нескольких подпружиненных пружинами пластин-активаторов с трапецеидальными отверстиями, являющихся якорями электромагнитов вибропривода, каждая из которых установлена с другой стороны перегородки напротив магнитопровода. Расстояние от перегородки до якорей выполнено не меньше, чем амплитуда колебаний якорей в жидкой среде с собственной частотой, равной частоте напряжения питания электромагнитного вибропривода. Каждая пластина-активатор выполнена в виде конусного диска с круговым трапецеидальным отверстием, имеет в центральной части конусный струеобразователь и дополнительно по периферии имеет отверстия, расположенные симметрично относительно продольной оси.
Недостатками данного устройства является сложность технического увеличения единичной мощности вибрационных устройств, длительный период обработки нефти и низкая надежность упругих элементов вибраторов.
Указанные недостатки существенно ограничивают производительность устройства виброструйной магнитной активации жидкостей и растворов, и существенно затрудняют применение его в технологических процессах подготовки парафинистых нефтей к транспорту.
Основной задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту, позволяющего с минимальными энергозатратами существенно снизить вязкость нефтепродукта и температуру его застывания путем многокомпонентного воздействия, повышающего степень активации растворов.
Технический результат - повышение эффективности и надежности подготовки нефтепродуктов к транспорту, а также снижение энергозатрат на активацию нефтепродуктов.
Технический результат достигается тем, что тем, что устройство для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту содержащее корпус, конусный струеобразователь, электромагнит и устройство ввода электропитания, имеет корпус, выполненный в виде единого проточного модуля, в котором последовательно расположены конусный струеобразователь, диспергирующая пята и немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита, при этом выходное сопло конусного струеобразователя расположено соосно с диспергирующей пятой, угол раскрытия конусного струеобразователя выбран в пределах 120-160 градусов, внутреннее ярмо электромагнита жестко соединено с диспергирующей пятой и имеет общий сквозной канал, а на внутреннее ярмо электромагнита намотана катушка электромагнита постоянного тока, соединенная с электрическим гермовводом.
Целесообразно выполнить единый проточный модуль в виде навинченных друг на друга входного и выходного патрубков.
Оптимально установить конусный струеобразователь во входном патрубке.
Рекомендуется установить диспергирующую пяту от сопла конусного струеобразователя на расстоянии равном 0,5-1 диаметра сопла.
Целесообразно дополнительно включить в состав устройства для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту формирователь тангенциальной составляющей потока, выполненный в виде шнека.
Оптимально выполнить устройство для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту с блоком охлаждения высоковязких нефтепродуктов.
Заявляемое устройство позволяет повысить эффективность процесса подготовки нефтепродуктов к транспорту путем существенного снижения их вязкости и понижения температуры застывания, а также добиться снижения энергозатрат на обработку нефтепродуктов.
Это достигается за счет того, что применяемое в процессе активации устройство подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту обеспечивает улучшение реологических характеристик нефтепродукта за счет комплексного воздействия высоких сдвиговых скоростей и электромагнитной активации, при этом идет разрушение надмолекулярной структуры нефтепродукта, что приводит к достижению необходимой вязкости, причем даже при отрицательных температурах окружающей среды процесс активации идет с затратами энергии в 100 раз меньшими, чем термическим способом.
Выполнение конструкции заявляемого устройства в виде единого проточного модуля позволяет исключить конструктивные узлы и детали, ограничивающие ресурс устройства и препятствующие увеличению единичной мощности модуля.
Многократная обработка нефтепродуктов с помощью устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту позволяет получить длительный эффект снижения их вязкости и понижения температуры застывания.
Заявляемая полезная модель поясняется примерами конкретной реализации и следующими чертежами.
На фиг. 1 изображена конструкция заявляемого устройства.
На фиг. 2 представлена зависимость температуры застывания нефтей и мазута от времени виброобработки: а) 1 - нефть южно-табаганская; 2 - нефть останинская; 3 - нефть урманская; б) 4 - нефть таймурзинская; 5 - мазут.
На фиг. 3 приведено схематичное изображение свободной затопленной струи.
Устройство подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту (фиг. 1) состоит из входного патрубка 1, выходного патрубка 2, конусного струеобразователя (конфузора) 3, диспергирующей пяты 5, внутреннего ярма электромагнита 6, катушки электромагнита постоянного тока 7, электрического гермоввода 9, немагнитной опоры внутреннего ярма электромагнита 10. Входной патрубок 1 навинчивается на выходной патрубок 2, конфузор 3 зажимается между входным патрубком 1 и выходным патрубком 2 по внутреннему диаметру входного патрубка 1, выходное сопло конфузора 3 и диспергирующая пята 5 образуют зону активации и омагничивания 4, внутреннее ярмо электромагнита 6 жестко соединено с диспергирующей пятой 5 и имеет общий сквозной канал, на внутреннее ярмо электромагнита 6 намотана катушка электромагнита постоянного тока 7, которая имеет электрический токоподвод через электрический гермоввод 9, герметизация которого осуществляется герметизирующим компаундом, для герметичного разделения зоны активации и омагничивания 4 от катушки электромагнита постоянного тока 7 служит немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита 10. На фиг. 1 введены обозначения: Q - общий поток нефтепродукта, Φ - направление магнитного потока.
Из графика зависимости температуры застывания нефтепродуктов от времени их обработки устройством подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту (Фиг. 2.) видно, что при получасовой обработке нефти (кривая 2) температура ее застывания снижается в два раза с -15°C до -30°C. При обработке мазута (кривая 1) процесс активации идет более интенсивно. Так, например, при продолжительности обработки мазута в течение 40 мин., температура застывания изменяется от -12°C до -45°C. Максимальный эффект по снижению вязкости при использовании устройства для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту наблюдался для нефтей с высоким содержанием парафиновых углеводородов.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Устройство для подготовки нефтепродуктов включено в общую гидравлическую систему подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту. Гидравлический насос создает пульсирующий напор и поток нефтепродукта Q, частота пульсации напора и расхода соответствует количеству лопаток или зубьев насоса. Поток нефтепродуктов входит во входной патрубок 1 и поступает в неподвижный конфузор 3. В сопле конфузора 3 скорость нефтепродукта возрастает по сравнению со скоростью на входном патрубке 1 обратно пропорционально площади сопла конфузора и прямо пропорционально площади входного патрубка 1. Угол «атаки» конфузора выбирается из расчета максимальных местных гидравлических сопротивлений. На выходе сопла конфузора 3 нефтепродукт с большой скоростью попадает в зону ударного диспергирования и омагничивания 4, при этом нефтепродукт ударяется в диспергирующую пяту 5, разлетается в радиальном направлении и намагничивается, пересекая линии магнитного потока. Из зоны 4 нефтепродукт попадает в канал внутреннего ярма электромагнита 6. По каналу внутреннего ярма электромагнита нефтепродукт поступает в выходной патрубок 2. Катушка электромагнита постоянного тока 7 создает магнитный поток Ф, который замыкается по корпусу выходного патрубка 2, конфузору 3, вдоль зоны ударного диспергирования (активации) и омагничивания 4, внутреннему ярму электромагнита 6. Немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита 10 герметично разделяет зону активации и омагничивания 4 и катушку электромагнита постоянного тока 7, предотвращая шунтирование магнитного потока Φ относительно конфузора.
Высокоскоростная струя нефтепродуктов, обладающая высокой кинетической энергией после прохождения конфузора, ударяется о диспергирующую пяту, резко теряет скорость с одновременным разрушением надмолекулярной структуры, и омагничивается. При выходе нефтепродукта из сопла кинетическая энергия струи переходит в потенциальную энергию высокого давления зоны резкого расширения. Этот переход сопровождается гидравлическими потерями энергии, которые идут на дополнительное разрушение надмолекулярной структуры нефтепродукта. Магнитный поток создается электромагнитной катушкой постоянного тока, замыкается по магнитопроводящим элементам конструкции устройства и пронизывает зазор между конфузором и диспергирующей пятой, тем самым омагничивает нефтепродукт, проходящий через этот зазор.
Затопленная струя (Фиг. 3.), вытекающая из конфузора устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту, имеет ядро струи (пространство, где сохраняется первоначальная скорость жидкости) и расходящуюся зону турбулентного течения. Длина начального участка струи L зависит от радиуса конфузора R и равняется примерно 8R. На этом расстоянии ядро струи сходит на нет. Поэтому в одном из вариантов исполнения устройства для более полного использования гидравлической энергии на пути струи расстояние от сопла до диспергирующей пяты выбирается в пределах (1÷2)×R.
Для разрушения надмолекулярной структуры нефтепродуктов конусный струеобразователь гидродинамической установки должен иметь максимальные гидравлические потери, при этом угол раскрытия конусного струеобразователя выбран в пределах 120-160 градусов.
С целью увеличения абсолютной величины сдвиговой скорости в одном из вариантов исполнения перед конфузором размещают формирователь тангенциальной составляющей скорости нефтепродукта (на чертежах не показан). Конструкция формирователя тангенциальной составляющей скорости может быть различной (винтовая проточка, неподвижные лопасти или шнек).
Эффект виброструйной магнитной активации посредством устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту проявляется только при температурах близких к температуре застывания нефтепродукта. При нагреве активированного нефтепродукта эффект снижения вязкости и снижения температуры застывания пропадает, и свойства нефтепродукта становятся близкими к свойствам исходного. Поэтому в необходимых случаях нефтепродукты подвергают предварительному охлаждению до температуры ниже температуры застывания нефтепродуктов на 5-7°C.
Многократные воздействия устройством подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту позволяют поддерживать нефтепродукт постоянно в текучем состоянии, с температурой не выше температуры застывания нефтепродукта и устраняют необходимость нагревать нефтепродукт в процессе транспортировки до температур выше температуры его застывания.
Подготовку высоковязких нефтепродуктов к транспорту с помощью заявляемого устройства можно проиллюстрировать следующими примерами.
3
н
Пример 1. Нефть объемом 30 м в была помещена в резервуар. Измеренная температура нефти в резервуаре T составила +0°C, а температура застывания нефти плюс 7°C. Нефть обрабатывалась в установке в течение 6 часов и в процессе активации приобрела существенную текучесть. Текучесть сохранялась более 42 часов при температуре окружающей среды минус 20°C. Температура застывания нефти снизилась до минус 22°C. Расчет показал, что удельная энергия, затраченная на активацию нефти, составила всего 2.27 кДж/л.
3
Пример 2. На Южно-Табаганском месторождении Томской области проводились испытания высоковязкой нефти скважины №137. Объем обрабатываемой нефти составлял 20 м. Нефть при температуре окружающего воздуха минус 18°C являлась абсолютно нетекучей. После обработки установкой с проточным модулем в течение шести часов нефть в резервуаре полностью разжижилась. Температура застывания нефти составила минус 21°C. После отключения установки изменений показателей вязкости нефти и температуры застывания не происходило в течение длительности рабочей смены (8 часов).
Пример 3. В Институте химии нефти СОРАН г. Томска проводились лабораторные испытания устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту. Изменение значений кинематической вязкости и температуры застывания нефти Арчинского месторождения после активации с течением времени показано в таблице 1.
Таблица 1.
Время активации, мин
Кинематическая вязкость, мм/с
Температура застывания, °C
После обработки
Через 24 ч
После обработки
Через 24 ч
0
77,0
77,0
9,2
9,2
5
61,6
64,3
7,2
9,0
10
54,69
57,9
7,2
9,2
20
26,02
32,1
7,0
10,0
30
43,20
46,9
2,5
8,2
40
48,3
63,6
-1,5
7,0
60
53,6
77,9
-4,5
6,5
Полученные результаты показывают высокую эффективность применения устройства для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту для улучшения реологических свойств нефти Арчинского месторождения.
Таким образом, разрушение надмолекулярной структуры и достижение необходимой вязкости при помощи устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту даже при отрицательных температурах окружающей среды достигается с минимальными затратами энергии и с высокой эффективностью.