Способ обезвоживания нефти или нефтяной эмульсии и вакуумоэлектроиндукционное устройство для его реализации.
METHOD OF OIL OR OIL EMULSION DEHYDRATION AND VACUUM ELECTRICALLY INDUCTIVE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к энергосберегающим и экологически безопасным способам обезвоживания нефти и нефтяной эмульсии и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Перед отправкой на нефтеперерабатывающие предприятия сырая нефть, находящаяся на пунктах сбора в резервуарах-отстойниках, подвергается сепарации для устранения воды, при этом между слоями нефти и воды образуется трудноразделяемый слой эмульсии, который приводит к нарушению нормального технологического процесса отстоя. Для решения этой проблемы используют различные методы обезвоживания нефти и разрушения нефтяной эмульсии.
Известно большое количество изобретений, предназначенных для решения задачи обезвоживания нефти и нефтяных эмульсий. В настоящее время не существует эффективных технологий, позволяющих проводить процесс обезвоживания различных видов водо-углеводородных эмульсий, т.к. при их переработке возникает ряд экологических и экономических проблем.
Известен способ обезвоживания нефти, заключающийся в нагреве во до содержащих нефтяных отходов в замкнутом объеме до температуры 65-90 градусов Цельсия и их многократном перекачивании при помощи насоса (см. патент DE №3344526, МПК C10G 33/00, опубл. 20.06.1985).
Недостатком известного технического решения является высокие энергозатраты на обогрев и перекачку больших объемов нефти или нефтяной эмульсии, необходимость повторения цикла обезвоживания в случае не соответствия результата нормативным показателям.
Известен способ обезвоживания нефтяных отходов, заключающийся в создании разрежения над поверхностью нефти для условий подкипания воды в объеме нефти, в системе подогрева нефти, расположенной ниже средней линии нефтеемкости циркуляцией воды по контуру, до температуры, соответствующей температуре насыщения воды при давлении разрежения над поверхностью нефти, (см. патент РФ №2233310, МПК C10G 33/00, опубл. 27.07.2004).
Существенным недостатком данного технического решения является то, что подкипание водной фракции происходит ступенчато и локально - только в верхнем слое объема нефтяных отходов (из-за циркуляции нефтяные отходы с более высокой температурой поднимаются вверх, а разрежение обеспечивают только над их поверхностью), высокие энергетические затраты на обогрев нефтяных отходов, неудовлетворительная степень обезвоживания.
В качестве ближайшего аналога принят способ обезвоживания водосодержащих нефтяных отходов, включающий их нагрев в замкнутом объеме с давлением ниже атмосферного при тепловой обработке на основе утилизации теплоты низкопотенциальных теплоносителей в виде дымовых газов или воды непрерывной продувки котлоагрегатов. (см. патент РФ №2557621, МПК C10G 33/00, опубл. 27.06.2015).
Недостатками данного решения являются необходимость подачи нефтепродуктов насосами; сложность обеспечения контроля и регулировки нагрева нефти низкопотенциальными носителями (дымовые газы, вода с непрерывной продувкой котлоагрегатов).
Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является создание способа и устройства обезвоживания нефти и нефтяной эмульсии, характеризующегося универсальностью, высокой степенью эффективности контроля и регулирования процессов нагрева нефти или нефтяной эмульсии, обеспечение высокой степени безопасности, надежности и экологичности.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении степени обезвоживания нефти или нефтяной эмульсии за счет обеспечения фазового перехода водяной фракции на основе разогрева нефти и нефтяной эмульсии электроиндукционным способом.
Поставленная задача решается тем, что способ обезвоживания нефти и нефтяных эмульсий включает их распыление в замкнутом объеме с давлением ниже атмосферного при температуре, соответствующей температуре насыщения воды при соответствующем давлении в замкнутом объеме, отличающийся тем, что ограниченный объем (порцию) водосодержащей нефти или нефтяной эмульсии предварительно нагревают до температуры 50 градусов Цельсия электроиндукционным способом в узле предварительного нагрева (в горловине слива загрузочной емкости), состоящем из электроиндукционного нагревателя, емкости с металлическими трубчатыми или сотовыми структурами. Далее подогретый объем (порцию) нефти или нефтяной эмульсии по вакуумной магистрали подают в узел основного нагрева, состоящий из электроиндукционного нагревателя, емкости с металлическими трубчатыми или сотовыми структурами и расширительной камеры, соединенных между собой клапаном высокого давления. Здесь температуру доводят до 60-80 градусов Цельсия, после чего по вакуумной магистрали нефть или нефтяную эмульсию подают через механическую форсунку в замкнутый объем вакуумоиспарительной камеры №1 с давлением 0,05-0,1 ата, в которой происходит их распыление с формированием факела распыла, что обусловливает непрерывное объемное вскипание воды и легких фракций нефти.
Для получения легких фракций нефти или нефтяной эмульсии, часть паров из камеры №1 по вакуумной магистрали подают в вакуум-охладительную камеру №2. После процесса испарения разогретой порции нефти или нефтяной эмульсии в камеры №1 и №2 подводят охлажденный воздух для конденсации паров. Затем в камерах создают повышенное давление для вывода разделенных фракций. Отделенную воду и легкие фракции нефти выводят в специальные емкости; обезвоженную нефтяную эмульсию или нефть из замкнутого объема удаляют в сборную емкость и далее по назначению.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признак 1. «для снижения вязкости нефти или нефтяной эмульсии для транспортировки по вакуумной магистрали очищаемый объем (порцию) нагревают до температуры 50 градусов Цельсия электроиндукционным способом в узле предварительного нагрева (в горловине слива загрузочной емкости), состоящем из электроиндукционного нагревателя, емкости с наполнением металлическими трубчатыми или сотовыми структурами»
Признак 2. «подогретую порцию нефти или нефтяной эмульсии по вакуумной магистрали подают в узел основного нагрева, состоящий из электроиндукционного нагревателя, емкости с металлическими трубчатыми или сотовыми структурами и расширительной камеры, соединенных между собой клапаном высокого давления, где температуру доводят до 60-80 градусов Цельсия» для обеспечения оптимальной вязкости нефтяных фракций для последующего распыления
Признак 3. «система управления электроиндукционным нагревателем позволяет регулировать температуру и скорость нагрева; движение подогретой нефти или нефтяной эмульсии выполняют за счет вакуума в магистралях устройства»;
Признак 4. «сокращение времени процесса обезвоживания необходимого объема нефти или нефтяной эмульсии происходит за счет автоматизированного разделения его на циклы (предварительный нагрев, основной нагрев, распыление в замкнутом объеме, охлаждение и выведение), что позволяет максимально совместить циклы процесса обезвоживания последующей порции нефти или нефтяной эмульсии с циклами процесса обезвоживания предыдущей порции нефти или нефтяной эмульсии»;
Признак 5. «после процесса испарения разогретой порции нефти или нефтяной эмульсии в камеры №1 и №2 подводят охлажденный воздух для конденсации паров, затем в камерах создают повышенное давление для вывода разделенных фракций».
На прилагаемом чертеже показана схема вакуумоэлектроиндукционного устройства для обезвоживания нефти или нефтяной эмульсии. Устройство содержит: загрузочную емкость - 1, узел предварительного нагрева: электроиндукционный нагреватель - 2, емкость с металлическими трубчатыми или сотовыми структурами - 3; узел основного нагрева: электроиндукционный нагреватель - 2, емкость с металлическими трубчатыми или сотовыми структурами - 3, расширительная камера - 4; клапан высокого давления - 5; механическая форсунка - 6, вакуумоиспарительная камера №1 - 7; вакуум-охладительная камера №2-8; ресивер низкого давления - 9; охладитель воздуха - 10; компрессор (с двумя видами рабочей среды) - 11; ресивер высокого давления - 12; пеногаситель - 13; емкость сбора нефти или нефтяной эмульсии - 14; емкость сбора воды 15; емкость сбора легких фракций нефти - 16; запорные краны для управления коммуникациями устройства - К1…К13.
Поскольку нефть и: нефтяная эмульсия содержат разное количество примесей и являются высоковязким продуктом, для транспортировки и переработки необходимо снизить их вязкость. Для решения этой проблемы используют нагрев, т.к. известно, что при увеличении: температуры: нефтепродуктов их вязкость уменьшается. (Геллер З.И. Мазут как топливо. М.: Недра, 1965. 496 с., стр. 24). В приведенных данных видно, что для различных нефтепродуктов при температуре ниже 50 градусов Цельсия вязкость имеет довольно высокие значения.
Для снижения вязкости нефти или нефтяной эмульсии очищаемый объем (порцию) подогревают до 50 градусов Цельсия электроиндукционным способом в узле предварительного нагрева (в горловине слива загрузочной емкости), состоящем из электроиндукционного нагревателя, емкости с наполнением металлическими трубчатыми или сотовыми структурами. Нагрев в данной части обеспечивает более низкую вязкость нефти и нефтяной эмульсии, необходимую для транспортировки по вакуумной магистрали.
Подогретую порцию нефти или нефтяной эмульсии по вакуумной магистрали подают в узел основного нагрева, состоящий из электроиндукционного нагревателя, емкости с металлическими трубчатыми или сотовыми структурами и расширительной камеры, соединенных между собой клапаном высокого давления, где температуру доводят до 60-80 градусов Цельсия для обеспечения оптимальной вязкости нефтяных фракций для последующего распыления в замкнутом объеме.
Оптимальную температуру нагрева нефти и нефтяной эмульсии определяют исходя из условий обеспечения их оптимальной вязкости для распыления посредством механической форсунки (Блинов Е.А. Топливо и теория горения. Раздел - подготовка и сжигание топлива: Учебно-методический комплекс (учебное пособие). - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007. - стр. 11, табл. 1.1). При более низких температурах показатели вязкости не позволяют произвести эффективное распыление, при более высоких температурах возрастают энергетические и материальные затраты.
Данное решение позволяет производить нагрев нефти или нефтяной эмульсии электроиндукционным способом за более короткое время, нагрев поддается точной регулировке, происходит более равномерно, не требует перемешивания. Распыление нефти или нефтяной эмульсии в замкнутом объеме с давлением ниже атмосферного позволяет снизить энергетические затраты на нагрев.
Известно, что при диапазоне давлений 0,05-0,1 ата температура кипения водяной фракции составляет 35-45 градусов Цельсия (Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение, 1967, стр. 28). Существенная разница между температурой подачи нефти или нефтяной эмульсии на распыление (60-80 градусов Цельсия) и температурой кипения водяной фракции (35-45 градусов Цельсия) обуславливает интенсивный перегрев водной фракции нефтеводяной эмульсии, вследствие чего происходит вскипание части водяной фракции в короткие сроки (Хафизов Ф.Ш., Краснов А.В. Давление насыщенных паров для нефтепродуктов. Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, №3, стр. 411, рис. 3).
Разогретую до 60-80 градусов Цельсия порцию нефти или нефтяной эмульсии по вакуумной магистрали подают через механическую форсунку в замкнутый объем вакуумоиспарительной камеры №1 с давлением 0,05-0,1 ата, в которой происходит их распыление с формированием факела распыла, что обусловливает непрерывное объемное вскипание воды и иных легких фракций нефти.
При большем давлении растет температура кипения, что ведет к снижению интенсивности перегрева водной фракции нефти или нефтяной эмульсии, в то же время глубокий вакуум требует для создания более высоких энергетических затрат.
Распыление повышает эффективность обезвоживания за счет обеспечения высокой дисперсности нефти или нефтяной эмульсии, в результате чего происходит увеличение суммарной площади испарения отдельных капель эмульсии (и, соответственно, выделение водяной фракции из капель нефтеводяной эмульсии), что обусловливает ускорение процесса объемного вскипания водяной фракции в факеле распыла, этому также способствует пониженное давление в замкнутом объеме.
В данном решении вскипание водяной фракции происходит более равномерно, во всем объеме мелкодисперсного факела распыла, параметры которого можно регулировать за счет изменения температуры, давления и объема, подаваемых в замкнутый объем нефти или нефтяной эмульсии, а также давления распыла используемой форсунки.
Для получения легких фракций нефти или нефтяной эмульсии часть паров из камеры №1 по вакуумной магистрали подают в вакуум-охладительную камеру №2. После процесса испарения разогретой порции нефти или нефтяной эмульсии в камеры №1 и №2 подводят охлажденный воздух для конденсации паров, затем в камерах создают повышенное давление для вывода разделенных фракций. Отделенную воду и легкие фракции нефти выводят в специальные емкости; обезвоженную нефтяную эмульсию или нефть из замкнутого объема удаляют в сборную емкость и далее по назначению.
Сокращение времени процесса обезвоживания необходимого объема нефти или нефтяной эмульсии при данном решении происходит за счет автоматизированного разделения процесса на циклы (предварительный нагрев, основной нагрев, распыление в замкнутом объеме, охлаждение и выведение), что позволяет максимально совместить циклы процесса обезвоживания последующей порции нефти или нефтяной эмульсии с циклами процесса обезвоживания предыдущей порции нефти или нефтяной эмульсии.