УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ НА ФРАКЦИИ

Полезная модель относится к нефтехимической промышленности, в частности, к малотоннажным установкам для переработки углеводородного сырья, позволяющим непосредственно вблизи скважины отделять от газоконденсата или нефти фракции легких углеводородов, используемых для производства бензина, и тяжелых углеводородов, используемых для производства дизельного топлива.
Известно, что из нефтяных скважин добывают нефтесодержащие жидкости, включающие нефть, воду и другие технические жидкости. В таких НСЖ непосредственно содержание углеводородов может достигать всего 50-70%, а, следовательно, их доставка на нефтеперерабатывающий завод связана с затратами на дополнительную очистку сырья. Кроме того, в углеводородном сырье наиболее ценные фракции - бензиновые и дизельные составляют от 50 до 70%, а все остальное - мазут и гудрон.
Поэтому одной из задач нефтехимической промышленности является переработка углеводородного сырья вблизи нефтяной скважины, чтобы снизить материальные и финансовые затраты на доставку к местам основной переработки некондиционного сырья. Сложность решения указанной задачи в том, что большинство нефтедобывающих скважин расположены в малонаселенных болотистых северных территориях, т.е. в районах с тяжелыми климатическими условиями, накладывающими следующие дополнительные требования на нефтеперерабатывающие установки.
Во-первых, они должны отвечать самым жестким требованиям экологии, т.к. указанные регионы являются местом проживания коренных народов Севера. Известно, что процессы восстановления экологического равновесия на данных территориях идут крайне медленно и любая техногенная авария на нефтедобывающих, нефтеперегонных или нефтеперерабатывающих сооружениях практически приводит к локальной экологической катастрофе.
Во-вторых, добыча углеводородов ведется в местах с ограниченными энергетическими ресурсами, значит сооружаемые объекты должны быть малоэнергоемкими, должны запитываться от слаботочных автономных источников электропитания, например дизельных генераторов.
В третьих, установки для переработки углеводородного сырья должны отвечать самым жестким требования по промышленной безопасности, в том числе по пожаро- и взрывобезопасности, т.к. при взрывах и пожарах непосредственно вблизи нефтяных
скважин может произойти их возгорание и полное уничтожение всей окружающей инфраструктуры, что связано с полным отсутствием в малонаселенных труднодоступных местах пожарной службы.
В четвертых, установка для переработки углеводородного сырья должна быть мобильной, чтобы при резком сокращении дебита нефтяной скважины, ее можно было быстро и без больших затрат установить у новой скважины.
3
Известна мобильная установка, смонтированная на передвижном шасси для переработки углеводородного сырья на фракции, содержащая ректификационную колонну с магистралями подвода нагретого нефтяного сырья, отвода жидкой фракции и остатка, теплообменник, конденсатор-дефлегматор, сепаратор с магистралью отвода конденсата, отстойник и сборник бензина (см. патент РФ №2098452, кл. С 10 G 7/00, 1997 г.). Установка может производить бензин и печное топливо для паровых и водогрейных котлов. При этом для работы установки требуется до 200 кг/час водяного пара при ее производительности до 40 м сырой нефти в сутки. Установка установлена на подвижной раме и может работать в непосредственной близости от установок нефтедобычи.
Основными недостатками известной установки являются, во-первых, ее низкие экологические характеристики, т.к. при работе установки требуется утилизировать сбросные промышленные воды.
Во-вторых, для проведения технологического процесса, необходимого наличие автономного источника пара, требующего затрат на его содержание и обслуживание, что повышает себестоимость получаемой продукции.
В третьих, для работы установки необходим предварительный нагрев исходного сырья до 120°С, что с точки зрения промышленной безопасности (особенно по пожаро- и взрывобезопасности), представляет определенную угрозу как для обслуживающего персонала, так и для работающих нефтяных установок.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является установка для переработки углеводородного сырья на фракции, взятая в качестве прототипа, включающая снабженную тангенциальным устройством ввода исходного сырья неподвижную цилиндрическую вихревую камеру с внутренней горизонтальной диафрагмой и устройством вывода отобранных фракций, включающую систему газовых каналов в верхней крышке вихревой камеры, расположенных на различном удалении от ее вертикальной оси (см. а.с. СССР №1555341, кл. C 10 G 7/00, 1990 г.). Обессоленную и обезвоженную нефть, нагретую до 140°С при давлении 0,35 МПа направляют в вихревую камеру, и в
паровой фазе получают на выходе пять фракций из пяти интервалов радиусов, которые затем охлаждают и конденсируют.
Основным недостатком известной установки является необходимость нагрева исходного сырья до 140°С, что требует значительных энергетических затрат, лишь немного уступающих энергетическим затратам вышеприведенной установки с ректификационной колонной.
Кроме того, при ее эксплуатации также требуются повышенные меры по промышленной безопасности, связанные с пожаро- и взрывобезопасностью, а значит устройство не может продолжительно и безопасно функционировать в автоматическом режиме.
В основу настоящего технического решения поставлена задача создания такого устройства, которое, не требуя значительных энергетических затрат, позволило бы разделять нефтяное сырье на легкие и тяжелые фракции и могло бы продолжительно функционировать в автоматическом режиме, не нарушая при этом требований промышленной безопасности.
Поставленная задача в установке для переработки углеводородного сырья на фракции, содержащей вихревую камеру, снабженную устройствами ввода исходного сырья и вывода отобранных фракций, решена тем, что внутри вихревой камеры установлен герметичный мембранный сепаратор в форме цилиндра с боковой перфорированной поверхностью, разделяющий объем вихревой камеры на предмембранную и замембранную части, при этом устройство ввода исходного сырья соединено с предмембранным объемом вихревой камеры, а устройство вывода отобранных фракций - с его замембранным объемом.
Введение в вихревую камеру мембранного сепаратора позволяет без использования нагрева осуществлять отбор из исходного сырья легких газообразных и тяжелых жидких фракций, а отсутствие высокотемпературных узлов нагрева сырья повышает пожаро- и взрывобезопасность устройства.
Для обеспечения более компактного выполнения установки, выгодно установить мембранный сепаратор с возможностью вращения относительно неподвижной вихревой камеры. При таком выполнении корпус вихревой камеры остается неподвижным в процессе работы и не требует дополнительной наружной защиты установки.
Для обеспечения более простой балансировки вращающейся части установки и исключения необходимости использования дополнительного насоса для подачи исходного сырья, целесообразно вихревую камеру и мембранный сепаратор выполнить в виде единого стакана, установленного на подвижном приводе и снабженного общей герметичной неподвижной крышкой, разделяющей объем вихревой камеры на предмембранный и замембранный объемы.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет создать простую, энергетически малозатратную и экологически безопасную конструкцию установки для переработки углеводородного сырья на фракции, в которой нет необходимости разогрева исходного сырья до температур разложения нефти на фракции и использования промышленной воды для технологического процесса.
На фиг.1 представлена заявляемая установка, в которой мембранный сепаратор установлен с возможностью вращения относительно неподвижной вихревой камеры, включающая: неподвижную камеру 1 с тангенциальным вводом 2; мембранный сепаратор 3 роторного типа с мембраной 4, установленный в подшипниках 5 и приводимый в движение приводом 6 за счет ременной передачи 7 и шкивов 8; предмембранный объем 9, соединенный со входным тангенциальным патрубком 2 и замембранный объем 10, соединенный с каналом 11, для вывода легких газовых фракций и каналом 12, для вывода тяжелых жидких фракций; канал 13 для вывода сбросной фракции с предохранительным клапаном 14.
На фиг.2 представлена установка, в которой вихревая камера и мембранный сепаратор выполнены в виде единого стакана, установленного на подвижном приводе и снабженного общей герметичной неподвижной крышкой, включающая: стакан 15 с предмембранным объемом 9 и замембранным объемом 10; мембраной 4; неподвижную крышку 16 с патрубком 17 для подачи исходного сырья и патрубком 18 для вывода легких газовых фракций; канал 19 для вывода тяжелых жидких фракций; канал 13 для вывода сбросной фракции с предохранительным клапаном 14; герметичные подвижные соединения 20 между неподвижной крышкой 16 и подвижным стаканом 15. В позиции А представлен вариант выполнения узла герметизации крышки 16 со стаканом 15, состоящим из двух графитовых пластин 20, 21 и пружины 22.
Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере установки, представленной на фиг.1. При помощи привода 6, ременной передачи 7 и шкивов 8, мембранный сепаратор 3 приводится во вращательное движение против часовой стрелки (для обеспечения максимальной угловой скорости исходного сырья), а через входной тангенциальный
патрубок 2 в предмембранный объем 9 подается исходное нефтесодержащее сырье (предварительно очищенное от воды и механических включений и подогретое до температуры 10-30°С). За счет тангенциального ввода сырья, подаваемого под давлением, а также вращения ротора 3, подаваемое сырье приводится во вращательное движение и за счет центробежных сил наиболее тяжелая часть его распределяется вдоль стенок неподвижной камеры 1, а ее более легкая часть устремляется к мембране 4 и за счет создаваемого давления насосом и центробежных сил, начинает проходить через мембрану 4 в замембранный объем 10. При этом легкие газовые фракции из верхней части замембраного объема 10 удаляются через канал 11, а тяжелые жидкие фракции из его нижней части - через канал 12. По мере накопления в предмембранном объеме 9 фракций исходного сырья, не прошедших через мембрану 4 мембранного сепаратора 3, давление в нижней, наиболее широкой части неподвижной камеры 1 начинает превышать давление срабатывания предохранительного клапана 14 и через канал 13 они удаляются наружу, где собираются в отдельную емкость (на рисунке не показана) в виде сбросной фракции.
Иначе работает установка, представленная на фиг.2. Сырье в вихревую камеру поступает самотеком, а за счет центробежных сил создаются условия для разделения сырья через мембрану. В этом случае легкие газовые фракции из замембраного объема 10 удаляются через патрубок 18, тяжелые жидкие фракции - через осевой канал 19. Сбросная фракция из предмембранного объема 9 удаляются через канал 13 и предохранительный клапан 14, установленный в крышке 16. В этой установке герметичность между замембранным и предмембранным объемами вихревой камеры достигается за счет подвижных герметичных соединений 20 между неподвижной крышкой 16 и подвижным стаканом 15.
В нижеприведенных примерах отображены данные, полученные на экспериментальных установках, которые сведены в таблицу 1.
Пример 1. В качестве опытного образца была использована установка, представленная на фиг.1. Ввод исходного сырья осуществлялся под давлением 0,32 мПа. Параметры сепаратора:
- диаметр - 150 мм;
- высота - 220 мм;
2
- поверхность мембраны - 0,1 м;
- размер пор мембраны - 10-50 мкм;
- материал мембраны - металлокерамика марок: ФНС, ПНС, ППТЭМ;
- мощность двигателя 1,5 кВт;
- скорость вращения двигателя - 1500-3000 об/мин.
Пример 2. В качестве опытного образца была использована установка, представленная на фиг.2. Ввод исходного сырья осуществлялся самотеком. Параметры сепаратора:
- диаметр - 170 мм;
- высота - 250 мм;
2
- поверхность мембраны - 0,11 м;
- размер пор мембраны - 10-50 мкм;
- материал мембраны - металлокерамика марок: ФНС, ПНС, ППТЭМ;
- мощность двигателя 1,5 кВт;
- скорость вращения двигателя - 1500-3000 об/мин.
Эффективность разделения исходного сырья на различных установках приведена в таблице 1, где приведены экспериментальные данные по переработке различных нефтепродуктов конкретных месторождений, с учетом исходной температуры сырья, подаваемого в установку.
Таблица 1
Наименование сырья
Температура исходного сырья °С
Содержание в % (использовалась установка фиг.1/фиг.2)
Исходное сырье
Легкая фракция
Тяжелая фракция
Сбросная фракция
Мыльджинский газоконденсат
10
100
58/65
36/30
6/5
30
100
88/92
9/7
3/1
Южно-
10
100
21/25
72/65
7/10
черемшанская нефть
30
100
30/35
65/58
5/7
Из таблицы видно, что в качестве исходного сырья может быть использована нефть или газоконденсат. Повышением исходной температуры сырья и характерными особенностями мембранного сепаратора можно изменять коэффициент извлечения легких фракций из исходного сырья, тем самым уменьшая остаток тяжелых фракций.
Таким образом, заявляемая установка для переработки углеводородного сырья позволяет исключить необходимость разогрева исходного сырья до температур, используемых при высокотемпературном разделении его на фракции. Это значительно уменьшает энергетические затраты и повышает эксплуатационные характеристики заявляемой установки.