СПОСОБ ПРОФИЛАКТИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ЁМКОСТЯХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И/ИЛИ ТРАНСПОРТИРОВКИ НЕФТИ
METHOD FOR PREVENTION OF FORMATION OF BOTTOM DEPOSITS IN RESERVOIRS FOR STORAGE AND/OR TRANSPORTATION OF OIL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области транспорта и хранения нефти, в частности, к области профилактики образования донных отложений, в частности тяжелых фракций нефти, воды и мехпримесей в емкостях для хранения и/или транспортировки нефти.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При длительном хранении нефти в нефтяных резервуарах, а также при транспортировке ее в танкерах из нее выделяется и оседает на дно емкости агломерат, состоящий из воды, неорганических примесей, парафина, смол и асфальтенов. Органическая часть осадка есть результат окисления нефти кислородом воздуха и связанных с ним процессов конденсации. Неорганические примеси и вода попадают в нефть в процессе добычи. Понижение температуры при хранении нефти снижает растворимость ее тяжелых компонентов. Отложения уменьшают полезный объем, стимулируют коррозионные процессы, осложняют отбор нефти и дренирование воды.
Известны механические способы удаления отложений из резервуаров. Они включают в себя этапы, на которых с помощью скребковых или шнековых устройств отложения либо с помощью отводящего трубопровода, либо транспортерной ленты подаются за пределы резервуара, в зависимости от консистенции отложений. Еще нередко для удаления отложений из больших резервуаров применяют ковшовый бульдозер. Для реализации этого способа в стенке нефтяного резервуара вырубают «ворота [1]».
Недостатки механических способов очистки отложений обуславливаются следующим. После извлечения отложений возникает необходимость их захоронения или утилизации. Захоронение ведет к загрязнению окружающей среды, а также теряются углеводородные составляющие остатка. Для утилизации полезных компонентов обычно применяют обработку извлеченных отложений растворителями, поверхностно-активными веществами (ПАВ), пропуская смесь через фильтр-прессы, либо центрифуги, с помощью которых можно регенерировать большую часть нефтепродуктов и сделать остаток менее опасным для окружающей среды. Это связано с дополнительным удорожанием процесса очистки резервуаров. Кроме того, эта технология удаления отложений связана с довольно продолжительным, на несколько недель, выводом резервуара из эксплуатации.
Кроме механических из уровня техники известны способы с применением растворителей [2] химических реагентов [3], воды и теплового воздействия [4], [5]. Для очистки может использоваться теплая нефть, подогреваемая на внешнем теплообменнике [6]. Такие способы предполагают опорожнение емкости на период от 2 до 7 недель в зависимости от размера емкости, объема осадков и времени года; и обеспечение воздействия на очищаемую емкость химических реагентов, воды, а также теплового воздействия [7]. Близким к предлагаемому изобретению является способ очистки нефтяного резервуара с использованием циркулирующего теплоносителя [8] и узла подогрева теплоносителя, расположенного вне емкости. Однако все упомянутые здесь способы очистки с применением растворителей химических реагентов, воды и теплового воздействия, включая [8], подразумевают опорожнение и вывод резервуара из эксплуатации на длительное время, чего не требуется в предлагаемом изобретении.
Другими словами, описанные выше методы имеют дело с уже образовавшимся в процессе хранения нефти осадком, в то время как в предлагаемом изобретении предлагаются методы профилактики его образования.
Предотвратить образование осадка, как правило, выгоднее, чем делать зачистку уже осевших отложений. Один из таких способов основан на использовании внутренних винтовых устройств, которые, совершая принудительную циркуляцию нефти в придонной области, предотвращают образование осадка. Примерами являются устройства типа «Диоген» или «Тайфун» [9-11]. Однако этот способ имеет существенный недостаток: он не гарантирует отсутствие застойных зон, в особенности при хранении высоковязкой нефти, где длина компактной части струи от винтового устройства невелика, что ведет к накоплению отложений. К тому же циркуляция нефти усиливает теплообмен стенки емкости с внешней средой, что в холодное время ведет к дополнительному остыванию нефти и дополнительному осаждению парафинов; при этом происходит частичное перераспределение осадка от днища к вертикальной стенке, что повышает площадь коррозионного воздействия осадка, а также осложняет очистку резервуара.
Описан «Способ хранения нефти и ее продуктов в резервуаре», основанный на использовании воды, которая, имея плотность больше плотности нефти, образует гидравлическую подушку в придонной области [12]. Основное ее назначение - повышение надежности хранения и предотвращение утечки нефти/нефтепродукта через негерметичное днище резервуара. Недостатком является использование коррозионно-активной среды, выводящей из строя резервуар, необходимость использования ПАВ и ингибиторов коррозии, а также отсутствие очистки/утилизации используемой воды.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «Способ хранения нефти и устройство для его осуществления» [13], который имеет целью предотвращение образования донных осадков с помощью гидравлической подушки. В нем материал гидравлической подушки (вода) не смешивается с нефтью и имеет большую плотность, чем нефть; используется циркуляция жидкости подушки через внешнее устройство очистки, а также используется нагрев жидкости подушки.
К недостаткам указанного способа можно отнести следующее:
1. Прямой контакт нефти и воды, тем более в присутствии ПАВ (строки 24-26), способствует увеличению содержания воды в нефти, что снижает ее качество (сортность) при описанном способе хранения.
2. Прямой контакт воды и днища резервуара стимулирует коррозионные процессы, что требует дополнительных профилактических мер (применение ингибиторов коррозии, удаление кислорода из воды). В противном случае заметно сокращается срок службы резервуара.
3
3
3
3. Образование осадка при хранении нефти связано с коллоидной неустойчивостью нефтяных систем. Отделяющийся от основной массы нефти осадок состоит, как правило, на 60% из воды и на 40% из тяжелых компонентов нефти, - парафина и асфальтенов. Плотность парафина около 900 кг/м, плотность асфальтенов - около 1100 кг/м, так что суммарная плотность осадка практически не отличается от 1000 кг/м, т.е. от плотности воды, а у тяжелых асфальтенистых нефтей даже ее превосходит. Из этого следует, что вместе с частицами мехпримесей, в объем водяной подушки будет оседать агломерат из воды, асфальтенов и смол (нефтяные осадки), что приведет к потерям углеводородного сырья.
4. По указанной в п. 3 причине нагревательное устройство, выполненное в виде трубчато-решетчатого полотна, установленного в поперечном сечении придонной части корпуса (строки 29-31), будет постоянно «обрастать» мехпримесями и нефтяными осадками, что снизит его коэффициент теплопередачи, а также создаст дополнительные проблемы при очистке резервуара от донных отложений: кроме днища надо будет чистить развитую поверхность нагревательного устройства.
Примечание:
По причине близких значений плотности нефтяных осадков и воды в объеме гидравлической подушки при перемешивании и выводе ее за пределы резервуара будут циркулировать не только частицы мехпримесей, но и частицы тяжелых компонентов нефти. Отстой и сепарация будут сопровождаться не только отделением мехпримесей, но также отделением частиц нефтяного осадка, что ставит под сомнение утверждение авторов об исключении потерь продуктов хранения (строка 44). В присутствии ПАВ (строки 24-26) вероятность диспергирования тяжелых компонентов нефти в водной фазе только возрастает. К тому же, операция отстоя и сепарации предполагает наличие дополнительной емкости, что усложняет технологию.
Источники информации
1. Гималетдинов Г.М., Саттарова Д.М. Способы очистки и предотвращения накопления донных отложений в резервуарах / Нефтегазовое дело, 2006, стр. 1-12. http://www.ogbus.ru
2. Рогачёв М.К. Физико-химические методы совершенствования процессов добычи нефти в осложненных условиях. Дисс. д.т.н., специальность 25.00.17, Уфа, 2002.
3. Гребнев А.Н. Асфальтосмолопарафиновые отложения и их ингибирование химическими реагентами. Дисс. к.х.н., специальность 02.00.13, Тюмень, 2009.
4. Заявка на изобретение РФ 97103368/12 Способ очистки резервуаров от нефтяных отложений и установка для его осуществления // Чушкина З.Ю., Опубл. 20.09.1988.
5. Заявка на изобретение РФ 2002116442/12 Способ очистки резервуаров от вязких нефтяных отложений и вязких отложений нефтепродуктов и устройство для его осуществления // Чушкина З.Ю., Опубл. 10.03.2004.
6. Патент РФ RU 2442632. Способ очистки резервуара от нефтешламов // Исьянов Ф.Т. и др., Опубл. 20.02.2012 Бюл. №5
7. Патент США 5085710 Способ использования водных растворов химреагентов для возврата углеводородов и минимизации потерь в нефтяных резервуарах // Michael L. Goss, опубл. 04.02.1992.
8. RU 99731 U1 Устройство для очистки стационарных емкостей хранения нефтепродуктов от нефтешлама // Болдырев A.M. и др., опубл. 27.11.2010.
9. Чепур П.В., Тарасенко А.А. Особенности совместной работы резервуара и устройств размыва донных отложений винтового типа // Фундаментальные исследования. - 2015. - №2-8. - С. 1671-1675;
www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10006558.
10. Валиев М.Р. Современные способы очистки полости резервуаров вертикальных стальных от донных отложений, www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C11/V2/236.pdf
11. Н.Я. Багаутдинов, О.Я. Макаренко, Б.Н. Мастобаев, A.M. Шаммазов. Ресурсосберегающие технологии и экологическая безопасность на магистральных нефтепроводах. С-Пб, Недра, 2012, С. 397-405.
12. Патент RU 2093442 Способ хранения нефти и ее продуктов в резервуаре // Тронов В.П. и др., опубл. 20.10.1997.
13. Патент RU 2286297 Способ хранения нефти и устройство для его осуществления // Гущин В.В. и др., опубл. 27.10.2006.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей предлагаемого изобретения является продление срока службы резервуара, увеличение пробега между его очистками, уменьшение потерь компонентов нефти, а также повышение качества нефти при ее хранении в резервуаре, что в совокупности дает повышение эффективности использования резервуарного парка.
Поставленная задача решается тем, что в качестве жидкости гидравлической подушки используются многоатомные органические спирты или их производные, не смешивающиеся с углеводородами нефти и имеющие плотность выше, чем плотность нефти. Из них предпочтение отдается глицерину и его производным, из которых сам глицерин по критерию цена/качество является наиболее предпочтительным материалом гидравлической подушки. Глицерин так же, как и вода, не смешивается ни с алифатическими, ни с ароматическими углеводородами нефти и так же, как и вода не является токсичной жидкостью. Однако глицерин по сравнению с водой обладает рядом преимуществ:
1. Он не вызывает коррозию металла, поэтому отпадает необходимость в мерах защиты от коррозии (ингибиторы, защитное покрытие днища и др.).
3
3
2. Глицерин тяжелее воды, его плотность 1,26 г/см, что служит гарантией от попадания в гидравлическую подушку тяжелых компонентов нефти под действием сил гравитации: асфальтены, самые тяжелые из них, имеют плотность 1,1 г/см.
3. Глицерин экстрагирует воду, которая присутствует в нефти в небольших количествах (до 1,0%), поэтому вода в процессе хранения мигрирует через зеркало подушки из нефти в глицерин. При этом повышается качество нефти.
4. Глицерин более вязкая жидкость, чем вода, поэтому неорганические примеси, попадающие в гидравлическую подушку, дольше удерживаются в ее объеме, что делает возможным их удаление на внешнем фильтрующем устройстве прежде их оседания на днище резервуара.
Для повышения температуры жидкости подушки периодически используют ее циркуляцию через внешнее устройство, где производится подогрев глицерина до необходимой температуры, который имеет своей целью повышение температуры нефти на границе раздела фаз, что вызовет конвекционное движение нижних слоев нефти вверх и будет препятствовать концентрированию тяжелых компонентов вблизи поверхности раздела. Кроме того, на внешних устройствах осуществляется удаление из глицерина поглощенной из нефти воды, а также фильтрование глицерина от неорганических примесей. Освобождение глицерина от поглощенной воды осуществляется с помощью молекулярных сит, либо вакуумной отгонки. Освобождение от неорганических примесей осуществляется с помощью прохождения глицерина через фильтр.
Пример реализации предлагаемого изобретения
3
Перед заполнением нефтью в чистый резервуар заливают глицерин, характеризующийся тем, что его плотность (1260 кг/м) выше плотности нефти, и он не смешивается с нефтью. Объем глицерина подбирают таким образом, чтобы его уровень превосходил верхнюю точку днища резервуара не менее чем на 10 см.
Заполняют резервуар нефтью.
Подогревают нефть в зоне поверхности раздела глицерина и нефти путем осуществления циркуляции глицерина через внешний теплообменник.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в предотвращении осаждения тяжелых компонентов нефти и неорганических примесей на дно резервуара и соответственно в увеличении времени пробега резервуара между очистками, а также в уменьшении коррозионного воздействия на днище, что в результате приводит к продлению срока службы резервуара.
Технический результат достигается благодаря следующим факторам:
- все этапы могут осуществляться с помощью оборудования, размещенного вне емкости, что дает возможность периодической очистки нефти в процессе ее хранения, а также проведения ремонтных работ без вывода резервуара из эксплуатации;
- увеличивается сохранность тяжелых компонентов нефти, за счет исключения их проникновения через зеркало гидравлической подушки;
- предотвращается концентрирование тяжелых компонентов нефти вблизи поверхности раздела за счет нагрева жидкости гидравлической подушки и создания конвекционных потоков в объеме нефти вблизи контакта с зеркалом гидравлической подушки.
Также эффективность разработанного способа повышается благодаря следующим преимуществам изобретения:
- в варианте осуществления изобретения, при котором способ содержит этап, на котором удаляют воду и неорганические примеси из жидкости гидравлической подушки, дополнительно повышается эффективность способа, так как благодаря этому уменьшается воздействие коррозионно-активных компонентов на днище емкости;
- в варианте осуществления изобретения, при котором способ содержит циркуляцию жидкости гидравлической подушки через фильтр, эффективность дополнительно повышается за счет утилизации мехпримесей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ профилактики образования донных отложений в емкости для хранения и/или транспортировки нефти включает в себя этап, на котором в чистую емкость перед ее заполнением нефтью заливают жидкость гидравлической подушки, которая тяжелее нефти (то есть его плотность выше плотности нефти) и которая с ней не смешивается. После этого емкость заполняется нефтью, в результате чего образуется нижний слой не смешивающейся с нефтью жидкости гидравлической подушки, покрывающий всю поверхность днища емкости.
Далее, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в ходе функционирования емкости периодически осуществляют циркуляцию жидкости гидравлической подушки через внешний теплообменник, где ее нагревают до температуры, на 4-35°C превышающей температуру нефти, предпочтительно на 5-10°C. В случае необходимости нефть может быть кратковременно нагрета до 60°C для интенсификации перемешивания. В этом случае происходит интенсивная конвекция нефти за счет движения легких фракций, находящихся вблизи температуры кипения. Теплообменник предпочтительно является внешним относительно основного объема емкости. Этим обеспечивается подогрев приграничной области жидкость - нефть по всей площади емкости, который вызывает конвекцию оседающего на гидравлическую подушку агломерата парафина, смол и асфальтенов.
3
3
В качестве жидкости гидравлической подушки могут быть использованы многоатомные спирты. Например, по меньшей мере один из: этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, и др., а также их смеси. Могут быть также использованы их производные, например сложный эфир глицерина и уксусной кислоты (моноглицерилацетат), монометиловый эфир глицерина и др. Многоатомные спирты и некоторые их производные не смешиваются с углеводородами нефти и имеют плотность от 1,11 г/см (этиленгликоль) до 1,26 г/см (глицерин). Они широко используются в технике (теплоносители, антифризы, гидравлические жидкости, сырье для производства пластиков и др.) и являются относительно недорогими продуктами. В последнее время, например, объем производства глицерина существенно увеличился, поскольку он является побочным продуктом получения биодизеля из растительных масел, и его стоимость имеет тенденцию к снижению. Высокая температура кипения позволяет нагревать эти жидкости в широком температурном интервале. При этом этиленгликоль является умеренно токсичным материалом, а пропиленгликоль и глицерин совершенно безвредны.
3
Можно использовать другие тяжелые жидкости, не смешивающиеся с нефтью, например, перфорированные углеводороды (перфторалканы). Они имеют плотность выше 1,7 г/см и практически не смешиваются с углеводородами и водой. Однако, в этом случае высокая стоимость, от $50/кг, делает нерентабельным их применение даже при минимальных потерях. Потери жидкости гидравлической подушки неизбежны, поскольку идеально несмешивающихся жидкостей не существует.
3
Рассмотрим подробнее в качестве примера применение многоатомных спиртов, а именно глицерина, в качестве рабочей жидкости «гидравлической подушки». Плотность такой смеси составляет 1,26 г/см. Глицерин являются гигроскопичным материалом, который неограниченно смешивается с водой. Глицерин, таким образом, будет вбирать в себя оседающую из нефти воду. Для ее удаления в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ включает в себя этап, на котором осуществляют циркуляцию жидкости гидравлической подушки через установку удаления воды из жидкости. Для удаления воды могут применяться адсорбенты, либо установка для вакуумной отгонки воды из водно-глицериновой смеси. Этап удаления воды (осушка) может выполняться не постоянно, а периодически.
Механические примеси (мехпримеси) являются самыми тяжелыми включениями нефти. И хотя их содержание невелико, при длительном хранении они накапливаются на дне емкости, составляя твердую часть отложений. В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ содержит этап, на котором удаляются мехпримеси из жидкости гидравлической подушки. Удаление может осуществляться путем циркуляции через внешний фильтр, выполненный с возможностью удаления мехпримесей из жидкости гидравлической подушки. Глицерин является своего рода буферной зоной между нефтью и днищем емкости. Его вязкость в несколько сотен раз превышает вязкость воды. Частицы песка, ила, органических солей проникают в гидравлическую подушку и постепенно в ней оседают. Время удерживания частиц во взвешенном состоянии достаточно для прохождения жидкости гидравлической подушки через внешнее фильтрующее устройство. Таким образом, решается проблема накопления в емкости песка, ила и других механических включений. Этап удаления мехпримесей может выполняться не постоянно, а периодически.
Следует отметить, что неорганические соли, растворенные в воде и присутствующие в нефти в виде примесей, при контакте с глицерином будут выпадать в осадок и удаляться из глицерина вместе с мехпримесями.
3
3
Днища емкостей (нефтяных резервуаров) емкостью более 5000 т имеют, как правило, коническую форму с уклоном от центра 1:100. Высота гидравлической подушки должна превышать высоту конуса днища, в предпочтительном варианте не менее чем на 10 см, чтобы вся его поверхность гарантированно покрывалась тяжелой жидкостью гидравлической подушки (фиг. 1). Исходя из этого, минимальный объем гидравлической подушки для резервуара объемом 20000 т должен составлять 292 м, для резервуара емкостью 50000 т - 875 м.
Максимальный объем гидравлической подушки рассчитывается из экономической целесообразности: с одной стороны, предотвращается образование осадка и коррозия днища емкости, с другой - объем подушки является «мертвым объемом» емкости, выключенным из товарных операций.
При ограниченном попадании многоатомного спирта в нефть он не повлияет на ее качество. Например, этиленгликоль, имея температуру кипения 197°C, при перегонке нефти в минимальных количествах может присутствовать в дизельной фракции нефти, никак не снижая ее потребительские свойства. [Аналогичные добавки используют, например, для предотвращения выделения и замерзания (кристаллизации) растворенной в топливе воды, что уменьшает вероятность обледенения карбюраторов и топливных фильтров]. Что касается глицерина, который способен переходить в нефтяную фазу лишь в следовых количествах, его влияние на качество нефти никак не скажется.
Применение глицериновой гидравлической подушки обладает рядом преимуществ по сравнению с водной, применяемой в RU 2286297. Во-первых, для достижения результата, предотвращения отложений тяжелых компонентов нефти, требуется относительно небольшое количество электроэнергии, требуется подогреть нефть вблизи границы жидкость - жидкость на 5-10°С. При этом для достижения того же эффекта с водной подушкой потребуется более чем в полтора раза больше энергии из-за разницы теплоемкостей воды и глицерина. Во-вторых, попадающая из нефти вода и растворенные в ней неорганические примеси (например, соли) выводятся за пределы емкости и отделяются от жидкости-носителя и не вызывают коррозию днища. В-третьих, мехпримеси более эффективно выводятся за пределы емкости за счет более высокой вязкости и плотности глицерина и оседают на фильтре внешнего устройства.
Важно отметить, что все описанные процессы можно проводить на внешнем устройстве без вывода емкости из эксплуатации, причем одно такое устройство может обслуживать несколько емкостей. Ремонтные работы на внешнем устройстве также можно проводить без вывода емкостей из эксплуатации.
Способ согласно настоящему изобретению можно использовать для повышения сортности нефти, если по каким-то причинам в нее попало избыточное количество воды или мехпримесей. При достаточно продолжительной выдержке над гидравлической подушкой избыточная вода и мехпримеси могут быть удалены из нефти.
Использование всех возможностей глицериновой гидравлической подушки позволит многократно увеличить пробег емкостей между ремонтами и в целом повысить эффективность эксплуатации резервуарного парка.
Настоящее изобретение было подробно описано со ссылкой на предпочтительный вариант его осуществления, однако очевидно, что оно может быть осуществлено в различных вариантах, не выходя за рамки заявленного объема правовой охраны, определяемого формулой изобретения.