СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕФТЕВОДЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
UHF PLANT FOR OIL-WATER EMULSION PROCESSING

Изобретение относится к области нефтехимии, в частности к установкам для отделения нефти и других углеводородов (дизтоплива, бензина и др.) от воды, в том числе от минерализованных (солесодержащих) пластовых вод, путем обработки их СВЧ-излучением с разрушение минерализованных нефтеводяных эмульсий с их последующим фракционированием.
Известна установка, содержащая СВЧ-генератор, подключенный через развязывающее устройство к волноводу, внутри которого расположен бокс (коалесцентор) из прозрачного для СВЧ-излучения материала (тефлона), заполненный рифленым полипропиленом. Эмульсия, проходя через волновод, нагревается в боксе СВЧ-излучением и разрушается (см. патент US №4853119, кл. B01D 17/04, 01.08.1989).
Недостатком этой установки является то, что максимально допустимое сечение волновода (45×90 мм), внутри которого еще расположен также и бокс, имеет малую пропускную способность; кроме того, отсутствует возможность регулировки мощности СВЧ-излучения.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является СВЧ установка для обработки нефтеводяных эмульсий, содержащая СВЧ-генератор, подключенный к волноводу, в котором коаксиально расположен микроволновый коалесцентор, расположенный под излучающими СВЧ-энергию рупорными излучателями и выполненный в виде трубы из СВЧ прозрачного материала для прохода нефтеводяной эмульсии с закрепленными внутри трубы увеличивающими площадь смачивания элементами (см. патент RU №2338775, кл. C10G 33/02, 20.11.2008).
Однако в данной установке не представляется возможным получить глубокое разделение фаз воды и нефти, так как на поверхности холодных СВЧ-прозрачных листов и вблизи них вязкость водонефтяной эмульсии настолько велика, что это затрудняет интенсивное движение капель воды, необходимое для их соударения и укрупнения с последующим осаждением в отстойнике.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение возможности обессоливания водонефтяных эмульсий с глубоким фракционированием фаз воды и нефти и их последующим разделением.
Технический результат заключается в повышении качества нефти на выходе из установки и повышение ее производительности.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что СВЧ установка для обработки нефтеводяных эмульсий содержит СВЧ-генератор, подключенный к волноводу, в котором коаксиально расположен микроволновый коалесцентор, облучаемый рупорными излучателями СВЧ генератора и выполненный в виде трубы из СВЧ прозрачного материала для прохода нефтеводяной эмульсии с закрепленными внутри трубы увеличивающими площадь смачивания элементами, коалесцентор установлен внутри выполненного из диэлектрического СВЧ прозрачного материала трубопровода для подачи нефтеводяной эмульсии коаксиально последнему, волновод охватывает трубопровод для подачи нефтеводяной эмульсии, рабочая частота СВЧ-генератора составляет от 2400 до 2500 МГц при выходной мощности до 5 кВт или от 905 до 925 МГц при выходной мощности от 5 до 50 кВт с возможностью работы в непрерывном или импульсном режиме, при этом СВЧ-генератор через развязывающее устройство и рупорные излучатели подключен к волноводу, выполненному в виде трубы с 8-угольным поперечным сечением, увеличивающие площадь смачивания элементы изготовлены из поглощающего СВЧ-излучение материала на основе пористой керамики с возможностью нагрева под воздействием СВЧ-излучения до температуры от 70 до 90°С, а на выходе к коалесцентору подсоединен расположенный вертикально центробежный сепаратор статического действия, выполненный в виде обечайки с торцевой стенкой на выходе, в которой выполнено выходное отверстие, в боковой стенке выполнены на разном уровне отверстия для раздельного отвода воды с нижерасположенного уровня и нефти с вышерасположенного уровня, а внутри обечайки размещено устройство для закрутки поступающего в него потока.
Увеличивающие площадь смачивания элементы могут быть выполнены в виде лопастей, закрепленных на стенках коалесцентора.
Увеличивающие площадь смачивания элементы могут быть выполнены в виде установленных вдоль коалесцентора трубчатых элементов.
Коалеесцентор, предпочтительно снабжен автономным замкнутым циркуляционным нагревательным контуром, выполненным из охватывающего трубчатые элементы трубопровода, причем последний изготовлен из тефлона, заполненного циркулирующим через него раствором эмульсии, образованной коллоидным раствором золь-гель наночастиц окислов металлов и/или графита в растворителе, нагревающихся под воздействием СВЧ-излучения до температуры от 70 до 90°С.
2
В качестве окислов металлов могут быть использованы FeO, TiO, CuO.
В качестве растворителей могут быть использованы вода, а также растворы солей, сахара или этиленгликоля.
В ходе проведенных ислледований было выявлено, что разрушение (коалесценция) нефтеводяной эмульсии, состоящей из шариков микрокапсул типа «вода в нефти», СВЧ-излучениями основано на том, что нефть «прозрачна» для СВЧ-излучения, а вода его хорошо поглощает. При этом происходит интенсивный селективный нагрев капель воды и, как следствие, разрушение бронирующих нефтяных оболочек на их поверхности, так как оболочки состоят из веществ с низкой температурой плавления - смолы, асфальтены, парафины и т.д. Как результат эмульсия делится на две фазы - нефть и воду, которые можно быстро фракционировать и использовать по назначению.
Применение СВЧ-энергии для этих целей известно. Так, институтом Carnegie Mellon Research Institute (CMRI) (г. Питсбург, США) для фирмы Imperial Petroleum Recovery Corp. были разработаны СВЧ-системы для разделения шламов, образующихся в сталелитейной промышленности, и шламов «сырой» нефти. В процессе их СВЧ-обработки загрязненный металлом нефтешлам смешивается с веществом типа моющего средства и облучается СВЧ-излучением в проточной системе, а затем жидкость проходит через центрифугу для разделения твердых фракций (преимущественно железо и окись железа), нефти и воды. Твердые фракции можно повторно использовать в промышленности, нефть может быть продана как топливо, а вода, после отделения от нее деэмульсификатора, подается на очистные сооружения (см. Dagani R. «Молекулярные чудеса СВЧ». Труды I-го Международного Конгресса по СВЧ. Вашингтон, 1997). Однако подобные методы обработки СВЧ-излучением требуют использования специальных химических добавок - деэмульсификаторов, при этом образуются отходы, утилизировать которые сложно и дорого. Было выявлено, что представляется возможным в значительной степени упростить установку для СВЧ обработки нефтеводяных эмульсий, чего удалось добиться за счет того, что коалесцентор установлен внутри выполненного из диэлектрического СВЧ прозрачного материала трубопровода для подачи нефтеводяной эмульсии коаксиально последнему, волновод охватывает трубопровод для подачи нефтеводяной эмульсии, рабочая частота СВЧ-генератора составляет от 2400 до 2500 МГц при выходной мощности до 5 кВт или от 905 до 925 МГц при выходной мощности от 5 до 50 кВт с возможностью работы в непрерывном или импульсном режиме, при этом СВЧ-генератор через развязывающее устройство и рупорные излучатели подключен к волноводу, выполненному в виде трубы с 8-угольным поперечным сечением, увеличивающие площадь смачивания элементы изготовлены из поглощающего СВЧ-излучение материала на основе пористой керамики с возможностью нагрева под воздействием СВЧ-излучения до температуры от 70 до 90°С, а на выходе к коалесцентору подсоединен расположенный вертикально центробежный сепаратор статического действия, выполненный в виде обечайки с торцевой стенкой на выходе, в которой выполнено выходное отверстие, в боковой стенке выполнены на разном уровне отверстия для раздельного отвода воды с нижерасположенного уровня и нефти с вышерасположенного уровня, а внутри обечайки размещено устройство для закрутки поступающего в него потока.
При этом для нефтепроводов диаметром до 300 мм более предпочтительно применять СВЧ-генераторы, в частности магнетроны, работающие как в непрерывном, так и в импульсном режимах излучения на частоте 2450±50 МГц с длиной волны 12 см; выходной мощностью до 5 кВт и потребляемой мощностью до 10 кВт.
Для диаметров труб свыше 300 мм предпочтительно использовать СВЧ-генераторы, работающие на частоте 915±10 МГц с длиной волны 30 см выходной мощностью до 25 и 50 кВт и потребляемой мощностью 35 и 75 кВт соотв.
В качестве СВЧ-прозрачного материала для врезки в нефтепровод может применяться фторопласт (тефлон) и другие термостойкие полимерные материалы; в качестве СВЧ-поглощающего и при этом нагревающегося материала (нагревательного элемента коалесцентора) может применяться содержащая соединения Fe, Ti, Al, Cr, Ni, С и др. пористая керамика на основе глиносодержащих материалов (например, керамика типа КТ-30); могут быть использованы также обычные кирпичные дренажные или канализационные трубы или специальное стекло и погонажные изделия на его основе.
2
2
В коалесценторе нефтепровода большого диаметра целесообразно разместить дополнительный источник нагрева нефтеводяной эмульсии, в качестве которого может быть использован намотанный на трубчатые элементы из керамики автономный замкнутый нагревательный контур - трубчатый змеевик из СВЧ-прозрачного материала (тефлона) с отдельной замкнутой системой подачи и циркуляции теплоносителя - жидкости, интенсивно поглощающей СВЧ-излучение и при этом нагревающейся до температур порядка 70-90°С. В качестве таких жидкостей наиболее эффективно использовать так называемые «тепловые наноэмульсии» - коллоидные растворы золь-гель наночастиц FeO, TiO, графита или СuО в воде, растворах солей типа NaCl и СаСl, сахара, этиленгликоля, что позволяет увеличить нагрев нефтеводяной эмульсии практически вдвое и повысить температуру эмульсии, сокращая время на ее СВЧ-обработку, что, в свою очередь, снижает энергозатраты на обработку нефтеводяной эмульсии.
По сравнению с известными вышеуказанными установками время обработки эмульсии удалось увеличить с обычных ≈ 0,7 сек до 2 мин. Таким образом, процесс разрушения эмульсии здесь происходит во время ее естественного движения (перекачки) по нефтепроводу, а разделение фаз осуществляется в отдельном центробежном сепараторе статического действия, что экспериментально подтверждает возможность разрушения водонефтяной эмульсии СВЧ-излучением до следов (содержание воды 0,03%) за счет селективного нагрева глобул воды, устраняющего защитный слой на их поверхности.
На фиг.1 схематически представлена СВЧ установка для обработки нефтеводяных эмульсий.
На фиг.2 представлен поперечный разрез волновода с увеличивающими площадь смачивания элементами, которые выполнены в виде лопастей, закрепленных на стенках коалесцентора.
На фиг.3 представлен поперечный разрез волновода с увеличивающими площадь смачивания элементами, которые выполнены в виде установленных вдоль коалесцентора трубчатых элементов.
СВЧ установка для обработки нефтеводяных эмульсий содержит СВЧ-генератор 1, подключенный к волноводу 2, в котором коаксиально расположен микроволновый коалесцентор 3, облучаемый рупорными излучателями 4 СВЧ-генератора 1 и выполненный в виде трубы из СВЧ прозрачного материала для прохода нефтеводяной эмульсии с закрепленными внутри трубы увеличивающими площадь смачивания элементами 5. Коалесцентор 3 установлен внутри выполненного из диэлектрического СВЧ прозрачного материала трубопровода 6 для подачи нефтеводяной эмульсии коаксиально последнему. Волновод 2 охватывает трубопровод 6 для подачи нефтеводяной эмульсии. Рабочая частота СВЧ-генератора 1 составляет от 2400 до 2500 МГц при выходной мощности до 5 кВт или от 905 до 925 МГц при выходной мощности от 5 до 50 кВт с возможностью работы в непрерывном или импульсном режиме. СВЧ-генератор 1 через развязывающее устройство 7 и рупорные излучатели 4 подключен к волноводу 2, выполненному в виде трубы с 8-угольным поперечным сечением. Увеличивающие площадь смачивания элементы 5 изготовлены из поглощающего СВЧ-излучение материала на основе пористой керамики с возможностью нагрева под воздействием СВЧ-излучения до температуры от 70 до 90°С. На выходе к коалесцентору 3 подсоединен расположенный вертикально центробежный сепаратор 8 статического действия, выполненный в виде обечайки 9 с торцевой стенкой 10 на выходе, в которой выполнено выходное отверстие 11. В боковой стенке обечайки 9 выполнены на разном уровне отверстия 12 и 13 для раздельного отвода воды с нижерасположенного уровня (отверстие 12) и нефти с вышерасположенного уровня (отверстие 13), а внутри обечайки 9 размещено устройство 14 для закрутки поступающего в него потока.
Увеличивающие площадь смачивания элементы 5 выполнены в виде лопастей, закрепленных на стенках коалесцентора 3 или в виде установленных вдоль коалесцентора 3 трубчатых элементов.
Коалесцентор 3 предпочтительно снабжен автономным замкнутым циркуляционным нагревательным контуром, выполненным из охватывающего трубчатые элементы, формирующие увеличивающие площадь смачивания элементы 5, трубопровода 15, причем последний изготовлен из СВЧ прозрачного материала - тефлона, заполненного циркулирующим через него раствором эмульсии, образованной коллоидным раствором золь-геля с наночастицами окислов металлов и/или графита в растворителе, нагревающихся под воздействием СВЧ-излучения до температуры от 70 до 90°С.
СВЧ-генератор 1 подключен к блоку питания 16.
2
В качестве окислов металлов могут быть использованы FeO, TiO, CuO.
В качестве растворителей могут быть использованы вода, а также растворы солей, сахара или этиленгликоля.
При работе установки нефтеводяная эмульсия поступает из трубопровода, по которому ее транспортируют в выполненный из диэлектрического СВЧ прозрачного материала участок трубопровода 6 с установленным в нем коалесцентором 3, где нефтеводяная эмульсия нагревается и разрушается под воздействием СВЧ излучения, и далее из коалесцентора 3 полученная в нем нефтеводяная смесь поступает в вертикально установленный центробежный сепаратор 8 статического действия, где смесь закручавается устройством 14 и разделяется на воду и нефть с отводом воды через нижерасположенное отверстие 12 и нефти через вышерасположенное отверстие 13. Имеющиеся в нефтеводяной эмульсии твердые примеси оседают на торцевую стенку 10 и выводятся через выполненное в ней отверстие 11.
В ходе создания установки были проведены испытания, в ходе которых получены приведенные ниже результаты.
Эксперименты были проведены при работе СВЧ-генератора 1, в данном случае магнетрона, в непрерывном и импульсном режимах. Их результаты представлены в таблице 1. Исследовались пробы естественной эмульсии с объемной долей воды 1,2%; максимальное время облучения составляло 10 мин.
Таблица 1
Импульсная мощность, кВт
18 кВт
-
-
Непрерывная мощность, Вт
-
360
1000
Время облучения, мин
10
10
10
% воды в эмульсии
0,03
0,75
0,7
Соли, мг/дм<sup>3</sup>
14
76
45
В таблице 1 приведены результаты по содержанию воды и солей в отстоявшейся нефти, обработанной в импульсном и непрерывном режимах СВЧ-облучения. По этим результатам очевидны преимущества импульсного режима.
3
3
Содержание воды, при одинаковой средней мощности в непрерывном режиме, снизилось практически до следов: 0,03% - в импульсном режиме и 0,7% - в непрерывном режиме; содержание солей, как следствие уменьшения воды, также снизилось: 14 мг/дм - в импульсном режиме и 76 мг/дм - в непрерывном режиме.
Результаты экспериментов со временем обработки 2 мин, приведенные в табл.2, показали, что по сравнению со временем обработки 5 мин и неизменном режиме СВЧ-излучения, содержание воды не изменилось и поэтому 2 мин воздействия СВЧ-излучения было взято за основу для разработки СВЧ установки.
В таблице 2 приведены результаты обработки нефти в различных промыслов (Перелюб и Соколовогорские промыслы). Ниже в таблице 3 приведены результаты обработки Перелюбской нефти при повышенной импульсной мощности и исходном содержании воды (порядка 2%).
Расчет затрат электроэнергии проводился для режима с Р 60 Вт и временем обработки 5 мин, и составил 50 кВт/час на одну тонну нефти.
Таким образом, использование СВЧ-энергии для обработки нефтеводяной эмульсии в коалесценторе 3 и ее нагрев позволяет реализовать более длительную обработку эмульсии в процессе ее транспортировки по трубопроводу, что увеличивает время необходимое для разрушения защитного слоя на каплях воды до 2-3 мин вместо 0,7 сек, типичных для ранее известных установок. Разделение фаз после обработки водонефтяной эмульсии СВЧ-излучением происходит в центробежном сепараторе 8 статического действия, из которого обезвоженная нефть затем может поступать на перегонку. Затраты электроэнергии на обезвоживание одной тонны нефти при времени обработки порядка 2 минут составляет около 20 кВт/час.
Изобретение может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности при ликвидации последствий разливов нефти и нефтепродуктов в результате аварии при их добыче, транспортировке, переработке и хранении.