ВИХРЕВОЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ И РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ И СОЕДИНЕНИЙ И СПОСОБЫ ЕГО РЕАЛИЗУЮЩИЕ
VORTEX HEAT EXCHANGE UNIT FOR DEHYDRATION OF OIL AND OIL PRODUCTS AND SEPARATION OF HYDROCARBON-CONTAINING MIXTURES AND COMPOUNDS, AND METHODS IMPLEMENTING IT

Изобретение относится к способам для подготовки нефти к переработке и может быть использовано на нефтяных промыслах как устройство для обезвоживания нефти и нефтепродуктов, а также в химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, где требуется разделение углеводородсодержащих смесей.
Известен гидроциклон (RU, патент №2097142, МПК В04С 5/12, опубл. 27.11.1997), содержащий корпус, наконечник сливного патрубка с отражающей поверхностью, образующая которой представляет собой ломаную линию с возрастающим углом наклона к оси вращения потока.
Основным недостатком гидроциклонов описанной конструкции является недостаточно высокая разделительная способность.
Известно устройство для разделения нефтегазовой смеси (RU, патент №2042435, МПК В04С 3/06, опубл. 27.08.1995), в котором сепарирующие элементы снабжены цилиндрическими секциями с радиальными отводами и последовательно установлены соосно с общей выхлопной трубой. Тангенциальные входные патрубки выполнены в виде спирали и установлены с разностью углов наклона между собой в пределах 25-30°. Выхлопная труба на ступенях разделения выполнена перфорированной с тангенциально направленными отверстиями.
Недостатком данного устройства является то, что процесс реализуется многоступенчато, то есть с большими затратами времени.
Известен способ обезвоживания тяжелой нефти (RU, патент №2111231, МПК С10G 33/04, опубл. 20.05.1998), заключающийся в смешении ее с утяжелителем - концентрированным раствором соли с плотностью больше плотности нефти и реагентом-деэмульгатором, нагреве и отстое, а также в том, что смешение осуществляют в турбулентном режиме при числе Рейнольдса 180000-300000 и затем полученную передиспергированную водонефтяную эмульсию перемешивают с широкой фракцией легкого нефтепродукта с последующим укрупнением капель воды в ламинарном режиме при числе Рейнольдса 500-2000.
Недостатком известного способа является использование химических реагентов и утяжелителей, так как они являются вредными примесями при последующем использовании или утилизации отделившейся от нефти воды, а также возникает сложность в подборе точного состава реагентов.
Известен способ обезвоживания нефти путем обработки ее реагентом-деэмульгатором при нагревании и отстое с разрушением образующегося на границе "нефть-вода" промежуточного слоя с периодической обработкой его реагентом, в качестве которого используют отход производства вторбутилового спирта процесса гидратации бутилена в присутствии серной кислоты со стадии гидролиза (RU, патент №2124041, МПК C10G 33/04, опубл. 27.12.1998).
Недостатком известного способа является малая эффективность процесса и большие затраты времени на его реализацию, так как необходимо следить за образованием промежуточного слоя и периодически обрабатывать его реагентом.
Известен способ обезвоживания нефти и нефтепродуктов, включающий отделение дисперсной водной фазы от углеводородной среды с использованием гидрофобного фильтрующего материала на первой и последней стадиях и укрупнение мелкоэмульгированных водных капель на промежуточной стадии с использованием коалесцирующего материала (RU, патент №2120323, МПК B01D 17/00, C10G 33/06, опубл. 20.10.1998).
Недостатком известного способа является быстрое засорение фильтров за счет застаивания мелких частиц в порах фильтрующего материала, а вследствие этого снижение качества реализуемого процесса.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является вихревой вертикальный кожухотрубный теплообменник (RU, патент №2200050, МПК 7 В01D 3/00, F25В 9/02, бюл. №7, 10.03.2003), содержащий корпус с размещенной в нем вихревой трубой, закрепленной в трубной доске и снабженной энергоразделителем.
Недостатком данного устройства является малая используемая полезная площадь аппарата из-за направленности потока вниз, а также сложность изготовления вихревой трубы, применяемой в устройстве.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ обезвоживания нефти и нефтепродуктов, заключающийся в нагреве их до температуры подкипания воды, выделении свободной и связанной воды в виде пара и последующим ее удалении (RU, патент №2233310, МПК 7 C10G 33/00, опубл. 27.07.2004).
Недостатком данного способа является то, что, проводя отгонку под вакуумом, удается снизить температуру обработки, однако из-за высокой вязкости испарить воду полностью из сплошной массы обрабатываемой жидкости не удается.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ разделения углеводородсодержащих смесей и соединений (RU, патент №2200050, МПК 7 В01D 3/00, F25В 9/02, бюл. №7, 10.03.2003), заключающийся в нагревании их до температуры кипения низкокипящего компонента, при этом отделение низкокипящих компонентов осуществляют в полости вихревой трубы.
Недостатком данного способа является низкая эффективность работы из-за смешения и уноса осевым потоком жидкой фазы.
Технический результат достигается за счет изменения конфигурации и устройства вихревой трубы, уменьшения металлоемкости и сложности ее изготовления, а также снижения энергозатрат за счет использования самого продукта в нагреве вихревого теплообменного аппарата и посредством предотвращения смешения и уноса осевым потоком жидкой фазы.
Задача изобретения состоит в повышении эффективности процессов обезвоживания нефти и нефтепродуктов, а также разделения углеводородсодержащих смесей и соединений.
Поставленная задача решается тем, что в вихревом теплообменном аппарате для разделения углеводородсодержащих смесей и соединений, включающем корпус и вихревое устройство, согласно изобретению корпус выполнен в виде рубашки, нижняя часть которой имеет штуцер для вывода из нее продукта и направления по трубам в пружинные вихревые трубки, имеет также штуцер для вывода обезвоженного продукта или продукта с отделенным при кипении компонентом, вихревое устройство содержит пружинные вихревые трубки, имеющие сопла, направляющие, которые имеют ступенчатое строение, трубки имеют также оребрение для дополнительной поверхности испарения.
Кроме того, вихревой теплообменный аппарат для разделения углеводородсодержащих смесей и соединений, согласно изобретению, может иметь дополнительную поверхность испарения, которая представляет собой оребрение пружинных вихревых трубок, выполненное в виде резьбы.
Поставленная задача решается тем, что в способе обезвоживания нефти и нефтепродуктов, заключающемся в нагреве их до температуры подкипания воды, выделении свободной и связанной воды в виде пара и последующем ее удалении, согласно изобретению нефть или нефтепродукты нагревают до температуры 100-250°С и при больших скоростях и давлении 0,6-1 МПа запускают в вихревой теплообменный аппарат для разделения углеводородсодержащих смесей и соединений, тем самым разогревают его путем передачи части тепла от нефти или нефтепродуктов к рубашке и в то же время нефть или нефтепродукты дополнительно нагревают до необходимой температуры обеспечения протекания процесса испарения воды за счет сил трения и завихрения потока в пружинных вихревых трубках.
Кроме того, решением поставленной задачи в способе обезвоживания нефти и нефтепродуктов является то, что при выходе из сопел горячий продукт подают по направляющим, по касательной вверх, в четырех различных направлениях, при этом благодаря ступенчатому строению направляющих струи не пересекаются, не мешая друг другу, часть потока задерживают оребрением, по которому он стекает, постепенно охлаждаясь и испаряя воду, другую часть потока разгоняют за счет оребрения и по направляющим подают на внутренние стенки аппарата, используя для испарения жидкости всю свою площадь.
Поставленная задача решается тем, что в способе разделения углеводородсодержащих смесей и соединений в вихревом теплообменном аппарате для разделения углеводородсодержащих смесей и соединений, заключающемся в нагреве их до температуры кипения низкокипящего компонента, при этом отделение низкокипящих компонентов осуществляют в полости вихревой трубы, согласно изобретению отделение низкокипящих компонентов осуществляют дополнительно и при выходе закрученного потока жидкости из сопел и дальнейшем стекании по ребристой поверхности пружинных вихревых трубок и нагретым стенкам рубашки.
Кроме того, решением поставленной задачи в способе разделения углеводородсодержащих смесей и соединений является то, что при выходе из сопел горячий продукт подают по направляющим, по касательной вверх, в четырех различных направлениях, при этом благодаря ступенчатому строению направляющих струи не пересекаются, не мешая друг другу, часть потока задерживают оребрением, по которому он стекает, постепенно охлаждаясь и испаряя углеводородсодержащие смеси, другую часть потока разгоняют за счет оребрения и по направляющим подают на внутренние стенки аппарата, используя для испарения жидкости всю свою площадь.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид вихревого теплообменного аппарата для обезвоживания нефти и нефтепродуктов и разделения углеводородсодержащих смесей и соединений; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение спирально диафрагмированной трубки; на фиг.5 - таблица получаемых фракций; на фиг.6 - график зависимости выделения растворителя от температуры кипения.
Вихревой теплообменный аппарат для обезвоживания нефти и нефтепродуктов и разделения углеводородсодержащих смесей и соединений содержит рубашку 1, в которой размещены пружинные вихревые трубки 2 и каплеотбойники 3, закрепленные на уголках 4, соединенных со съемным фланцем 5. Витки пружинных вихревых трубок соединены распределительными коллекторами 6. Также пружинные вихревые трубки имеют сопла 7 и направляющие 8. В верхней части рубашки расположены штуцер 9 для ввода продукта и крышка 10 со штуцером для вывода пара 11. Нижняя часть рубашки 1 имеет штуцер 12, служащий для вывода из нее продукта и направления в вихревые трубки 2 по трубам 13, содержащим муфту 14, а также штуцер 15 для вывода обезвоженного продукта или продукта с отделенным при кипении компонентом.
Заявленный способ обезвоживания нефти и нефтепродуктов осуществляется следующим образом.
Нагретый продукт до температуры приблизительно 100-250°С поступает в рубашку 1 через штуцер 9 под давлением в пределах 0,6-1 МПа, далее через штуцер 12 по трубам 13, закачивается в пружинные вихревые трубки 2. Пройдя по ним, продукт завихряется, в результате чего поток приходит в интенсивное вращательное движение и за счет сил трения дополнительно нагревается, через сопла разбрызгивается по направляющим и стекает по всем имеющимся стенкам аппарата. При стекании продукта вода в виде газа испаряется за счет температуры кипения и эффекта дегазации, который возникает вследствие завихрения потока и, ударяясь о каплеотбойники 3, выводится через штуцер 11, расположенный в крышке корпуса 10. Обезвоженный продукт выводится через штуцер 15, находящийся в нижней части рубашки.
Разделение углеводородсодержащих смесей и соединений осуществляют следующим образом.
При использовании вихревого теплообменного аппарата для разделения углеводородсодержащих смесей и соединений для разделения углеводородсодержащих смесей и соединений необходимо регулировать температуру нагрева исходного продукта в зависимости от температуры кипения отделяемого компонента. В данном процессе можно получить фракции, указанные в таблице (фиг.5).
Примеры конкретной реализации способов.
d
d
d
d
B
Пример 1. Обезвоживание нефти и нефтепродуктов. На поверхности пружинных вихревых трубок, диаметр d которых не превышает 10 мм, выполнена резьба высотой h=0,6 мм и шагом Р=0,8 мм. Число применяемых трубок зависит от ширины корпуса. Трубки также имеют направляющие, по которым завихренный поток жидкости, выходящий из сопел, направляется по касательной вверх. Резьба и направляющие в данном случае обеспечивают дополнительную поверхность испарения, что и является основной новизной предлагаемого изобретения. Возможно также применение спирально диафрагмированных трубок (фиг.4), которое повышает коэффициент теплоотдачи, снижает расход металла и время охлаждения жидкости. При оптимальном выборе отношения L/h/L (где L - ширина диафрагмы; h - высота диафрагмы; S - толщина трубы; D - внутренний диаметр трубы; L - шаг спирали) эффективность спирально диафрагмированных трубок достаточно велика. А также с помощью изменения шага диафрагмы можно регулировать давление на входе и выходе трубок, что позволяет использовать наиболее дешевые насосы (Ямилев М.З., Исмагилов А.З., научный руководитель Туманова Е.Ю. Исследование влияния профиля диафрагмированных труб теплообменников на эффективность теплообмена. Уфимский государственный нефтяной технический университет. Уфа, 2006).
Нефть или нефтепродукт предварительно необходимо нагреть до температуры 100-250°С, так как продукт отдает тепло, проходя по рубашке, теряя его, и охлаждается до температуры примерно 120-130°С. При протекании по пружинным вихревым трубкам продукт дополнительно нагревается вследствие завихрения и сил трения, действующих от стенок трубок. Поэтому при выходе из сопел и дальнейшем стекании продукт имеет необходимую для испарения воды температуру (не ниже 100°С), вплоть до выхода продукта из аппарата, так как он имеет свойство охлаждаться по мере стекания.
Пример 2. Регенерация растворителя. Фильтрат с содержанием растворителя метилэтилкетона (МЭК) с толуолом до 85% и водой до 2% предварительно нагревают до 78°С и давления, превышающего упругость паров не менее чем на 0,5 атм, начинается выделение низкокипящего компонента; при предварительном нагреве до температуры кипения следующего компонента, например толуола, в вихревой трубе 2 аппарата начинается выделение МЭК + толуол + вода. При температуре нагрева 140°С происходит максимальное выделение растворителя, который в виде осевого потока выводится через штуцер 15, а вода в виде пара выводится через штуцер 11. На фигуре 6 представлена зависимость выделения растворителя от температуры кипения. Из графика видно, что при достижении температуры 140°С выделяется до 16% растворителя. Выделение воды достигает 1,8%. Снижение содержание растворителя в фильтрате позволяет значительно снизить подачу острого пара в стрипинговую колонну при регенерации растворителя в процессе депарафинизации масел. А снижение содержания воды улучшает качество получаемого масла, так как содержание воды в масле усиливает его склонность к окислению, ускоряет процесс коррозии металлических деталей, соприкасающихся с маслом. По сравнению с прототипом предлагаемый способ разделения и устройство для его осуществления более эффективны, так как конфигурация вихревой трубы и оребрение ее поверхности позволяет увеличить производительность процесса в 3-4 раза, сократить материалоемкость и габариты теплообменного аппарата на 30-50% при сохранении его характеристик.
Пример 3. Отделение фракций. В качестве исходного компонента используем нефтешлам. При его нагреве до 50°С и пропускании через вихревую трубу происходит отделение углеводородных газов; при нагреве до температуры 220°С отделяются углеводородные газы, бензиновая и керосиновая фракции; при нагреве до 450°С отделяются углеводородные газы, бензиновая, керосиновая, дизельная фракции и мазут. Все компоненты отделяются в виде газопаровой части и выводятся через штуцер 11, мазут выводится через штуцер 15. Таблица получаемых фракций в зависимости от нагрева исходного компонента приведена на фиг.5.
Таким образом, предлагаемый вихревой теплообменный аппарат для обезвоживания нефти и нефтепродуктов и разделения углеводородсодержащих смесей и соединений может быть использован в нефтеперерабатывающей, химической и нефтедобывающей промышленности, где требуется отделить от продукта содержащуюся в нем воду, также обеспечивает избирательное выделение компонентов и решает задачу снижения энергозатрат и металлоемкости.