СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКОЙ СМЕСИ, СОДЕРЖАЩЕЙ НЕФТЬ И/ИЛИ НЕФТЕПРОДУКТЫ, И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SEPARATING MIXED FLUID CONTAINING OIL AND/OR MINERAL OIL AND RELATED EQUIPMENT FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам разделения нефтяных смесей, имеющих в своем составе светлые фракции с различными температурами кипения, и может найти применение в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности и других отраслях.
На сегодняшний день все традиционные методы переработки сырой нефти включают в себя в общем виде три стадии:
- стадию подготовки нефти (обессеривание, удаление гидрофильных примесей, воды и солей);
- стадию первичной атмосферно-вакуумной прямой перегонки с образованием легких фракций и мазута;
- стадию каталитического крекинга мазута с получением на выходе дополнительного количества легких фракций и парафина.
В последнее время получили развитие различные методы предобработки нефти, направленные на частичное изменение структуры углеводородных связей для того, чтобы повысить выход легких фракций на самой первой стадии прямой перегонки нефти.
Известен способ переработки нефти и нефтепродуктов путем воздействия на них ионизирующего ϒ-излучения или потока быстрых нейтронов, после чего продукт воздействия подвергают каталитическому крекингу, или гидроочистке, или электрообессоливанию (RU 2100404, 27.12.1997).
Недостатком данного способа переработки нефтепродуктов является возникающая при этом радиационная опасность и связанная с этим большая сложность установки и ее обслуживания.
2
5
2
Известен способ, согласно которому перед подачей отбензиненной нефти на ректификацию в атмосферную колонну или мазута в вакуумную колонну поток нефти подвергают комплексной гидромеханической и акустической обработке в роторно-пульсационном акустическом аппарате при частоте вращения ротора 1000-12500 об/мин, воздействуя акустическим полем интенсивностью 10-10 Вт/см в интервале частот дисково-веерных колебаний ротора и статора 0,01-63,0 кГц. В результате такой предварительной обработки выход нефтяных дистиллятов увеличивается по сравнению с традиционными способами (RU 2158288, 27.10.2000).
Недостатками описанного выше способа комплексной гидромеханической и акустической обработки в роторно-пульсационном акустическом аппарате являются большая энергоемкость и материалоемкость, а также то, что с его помощью нельзя непосредственно получить сами нефтяные дистилляты.
Известна установка для облегчения процессов ректификации нефтяного сырья без его предварительной подготовки с помощью жидкостно-газового струйного аппарата, который используют для создания вакуума в ректификационных колоннах. Его устанавливают на выходе из ректификационной колонны перед сепаратором. В качестве жидкой рабочей среды в сопло жидкостно-газового струйного аппарата подают жидкую рабочую среду с давлением насыщенных паров не ниже давления в вакуумной ректификационной колонне, поддерживая при этом в сепараторе давление, составляющее от 1,1 до 160 давлений парогазовой фазы на входе ее в ректификационную колонну. После смешения парогазовой фазы и жидкой рабочей среды в струйном аппарате, перед подачей этой смеси в сепаратор организуют процесс конденсации в жидкой рабочей среде легко конденсируемых компонентов парогазовой фазы (RU 2113634, 20.06.1998).
Недостатком данного устройства является его сложность, а также то, что оно является только вспомогательным средством, а сам процесс разделения светлых фракций осуществляют в традиционной ректификационной колонне.
Наиболее близким по технической сущности является способ разделения жидкой смеси, содержащей нефть и/или нефтепродукты, включающий эжектирование заранее выбранного газа разделяемой жидкой смесью с использованием сверхзвукового эжектора при циркуляции газа и разделяемой смеси по соответствующим замкнутым контурам, отделение газопаровой фазы, конденсацию паров, сбор сконденсированной компоненты (RU 2165281, 20.04.2001).
По данному способу проводят эжектирование газа исходной смесью со скоростью не менее 30 м/с, с температурой большей, чем температура, при которой давление насыщения удаляемых легкокипящих компонентов оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания воздуха, и смешение этой смеси с газом в сверхзвуковом жидкостно-газовом эжекторе при обеспечении массового отношения суммарного расхода эжектируемого воздуха и выделившегося пара легкокипящей компоненты к расходу исходной жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, поддерживая при этом постоянное давление в газовом контуре системы и постоянное разрежение в приемной камере эжектора. Он, в принципе, может быть использован для разделения любых жидких смесей, состоящих из компонентов с различными температурами кипения, например для разделения водно-спиртовых смесей или отделения бензина от воды.
Недостатком способа является невозможность осуществления непрерывного процесса разделения и сложность процессов поддержания постоянного давления в газовом контуре системы и постоянного разрежения в приемной камере эжектора.
Известна также установка для разделения жидких сред, которая содержит последовательно соединенные трубопроводами электронасос, сопловой блок жидкостно-газового эжектора, герметичный бак, верхняя часть которого соединена рециркуляционной магистралью с устройством для отделения от парогазовой смеси капельного уноса жидкой смеси, охлаждаемый конденсатор, сборники-накопители конденсируемых жидкостей и контрольно-измерительные приборы (RU 2165281, 20.04.2001).
В известной установке можно осуществить отделение легких фракций нефтепродуктов, например бензина, однако для пофракционного разделения нефти установка неэффективна вследствие следующих факторов:
- используемый в качестве устройства для отделения от парогазовой смеси жидкой фазы бак отстоя пены или пеногаситель является неэффективным и малопроизводительным;
- расширитель-компенсатор, установленный на сборнике-накопителе сконденсированной жидкой фазы, не позволяет обеспечить стабильный режим работы эжектора при атмосферном давлении.
- установка не позволяет проводить процесс разделения нефтяных смесей в непрерывном режиме.
Задачей настоящего изобретения является создание высокопроизводительного простого и надежного способа и установки для его реализации, пригодных для разделения любых типов нефтяных смесей с получением нефтяных дистиллятов, включая и высоковязкую "тяжелую" нефть.
Поставленная задача решается описываемым способом разделения жидкой смеси, содержащей нефть и/или нефтепродукты, включающим эжектирование заранее выбранного газа разделяемой жидкой смесью с использованием сверхзвукового эжектора при циркуляции газа и разделяемой смеси по соответствующим замкнутым контурам, отделение газопаровой фазы, конденсацию паров, сбор сконденсированной компоненты, согласно которому на эжектирование подают смесь при температуре 35-200°C под давлением, обеспечивающим скорость смеси на входе в эжектор, равную 20-28 м/с, при этом на выходе из эжектора поддерживают атмосферное давление.
В качестве заранее выбранного газа используют углекислый газ или азот.
После разделения смеси бензиновую фракцию подвергают отстаиванию.
Поставленная задача решается также описываемой установкой для осуществления заявленного способа, содержащей, как минимум, один модуль, содержащий соединенные трубопроводами бак для разделяемой жидкой нефтяной смеси, электронасос, теплообменник, блок сверхзвукового жидкостно-газового эжектора, устройство для отделения парогазовой фазы от жидкой фазы, конденсатор, емкость для сбора сконденсированной фазы, при этом соединительные трубопроводы установлены с образованием двух замкнутых контуров для жидкой и парогазовой фаз соответственно, выходной конфузор эжектора непосредственно соединен с устройством для отделения парогазовой фазы от жидкой, выполненным в виде циклона, установленного вертикально, верхняя часть которого соединена с конденсатором парогазовой фазы, а нижняя часть с баком для разделяемой смеси, причем упомянутый бак снабжен расширителем-компенсатором газовой фазы, размещенным в его верхней части, и патрубками для подачи и вывода нефтепродуктов.
Предпочтительно установка содержит блок из нескольких сверхзвуковых эжекторов, соединенных параллельно.
Предпочтительно установка содержит 2-4 последовательно соединенных модуля, в первом из которых по ходу движения жидкой смеси конденсируют бензин, во втором-третьем - легкий и тяжелый газойль, а в четвертом - дизтопливо, причем патрубок ввода исходной смеси каждого последующего модуля соединен с патрубком вывода тяжелой фракции предыдущего модуля. Технический результат заявленного процесса разделения нефтяной смеси обеспечивается указанной выше совокупностью признаков, поскольку циркуляция газа по замкнутому контуру происходит непрерывно за счет эжекции газа самой разделяемой смесью, циркулирующей по замкнутому контуру с помощью электронасоса. Эффективность отделения легкокипящей компоненты (сначала бензина, затем газойля и дизеля) обеспечивается за счет эффективного дробления разделяемой жидкости в скачках уплотнений, образующихся при торможении двухфазной газопарожидкостной смеси на выходе из сверхзвукового эжектора. Благодаря этому при относительно низких температурах (35-200°C) удается обеспечить практически полную первичную перегонку нефти, которая в обычной ректификационной колонне проходит при 400-450°C. Тем самым достигается большая экономия тепловой энергии. Последующее охлаждение образующейся при пропускании через эжектор парогазовой смеси в конденсаторе приводит к отделению легкокипящих фракций нефти и воды. Температура газа, подходящего к эжектору, практически равна температуре в конденсаторе, а при смешении с разделяемой смесью в камере смешения эжектора температура газа повышается до температуры обрабатываемой смеси и газ становится по отношению к удаляемой компоненте "пересушенным-сухим", за счет чего эффективно вбирает в себя пары отделяемой компоненты и транспортирует их.
Накопленные сконденсированные фазы светлых нефтепродуктов собирают в отдельные емкости, газ снова подают на эжекцию, обеспечивая непрерывность процесса, при этом поддерживают постоянное атмосферное давление в герметичной емкости с разделяемой смесью.
Интервал скорости 20-28 м/с обусловлен следующим. Минимальное значение скорости звука в равновесной водовоздушной смеси может составлять величину около 20 м/с при давлении смеси в 1 ата. Следовательно, для реализации сверхзвукового течения и последующей ударно-волновой обработки образующейся в эжекторе двухфазной смеси достаточно обеспечить подачу обрабатываемой жидкости в камеру смешения эжектора со скоростью немного большей скорости звука, т.е. 20 м/с. При значительном превышении этого показателя будут резко возрастать энергетические затраты (например, увеличение скорости жидкости в эжекторе в 2 раза автоматически приводит к необходимости в поднятии давления подачи в 4 раза). Поэтому для маловязких смесей достаточно обеспечить скорость подачи в диапазоне 20-24 м/с. При разделении высоковязких нефтепродуктов для обеспечения нормального режима экспериментально установлено, что необходимым и достаточным признаком является обеспечение скорости в интервале 24-28 м/с.
Схема типового модуля установки с указанием его основных элементов приведена на фиг.1.
Экспериментальным путем было установлено, что для получения бензиновой фракции из нефтяной смеси в модуле достаточно поддерживать температуру до 105°C, при этом сам процесс начинается при нагреве исходного сырья в установке до 35°C. Температура 95-105°C является рабочим интервалом первого модуля, 120-150°C - второго, а 180-200°C - третьего. Соответственно, при непрерывном процессе перегонки нефтяного сырья в первом модуле будет получаться бензин, во втором - газойль, а в третьем - дизтопливо. В случае проведения аналогичного процесса в колбе "Энглера" полная разгонка осуществляется при нагреве нефти выше 400°C.
Установка, состоящая из трех последовательно установленных модулей, в каждом из которых поддерживают оптимальный температурный интервал для непрерывного получения из исходного продукта (нефтяной смеси) бензиновой фракции (t=95-105°C), газойлевой (t=120-150°C) и дизельной (t=180-200°C), приведена на фиг.2. На выходе из каждого модуля получают соответствующие продукты (бензин, газойль, дизельное топливо). А в качестве кубового остатка в последнем, третьем модуле образуется мазутная фракция нефти.
Иллюстрация получения светлых фракций нефти при использовании эжекторной разгонки, в отличие от обычной атмосферной разгонки в колбе Энглера, приведена на фиг.3.
Принцип работы установки проиллюстрирован нижеследующими примерами.
Пример 1. Проводят получение светлых фракций нефти при перегонке образца с суммарным содержанием светлых фракций 49,9%. Содержание светлых фракций определяют предварительно проводя разгонку исходного образца в колбе Энглера, нагревая его в интервале 35-400°C. На обработку в установку подают нефтяную смесь с температурой 20°C и расходом 3,33 г/с (12 л/ч). Разгонку по примеру 1 ведут на установке, изображенной на фиг.1, обеспечивающей получение за один час 6 л дистиллятов следующим образом.
Теплоизолированную емкость 1 заполняют исходной нефтью, затем все полости установки продувают (заполняют) заранее выбранным инертным газом. Подают горячий теплоноситель к штуцеру 18 в теплообменник для нагрева сырья 3, от которого отводят охладившийся теплоноситель через штуцер 19. В качестве теплоносителя может использоваться как вода, так и антифризоподобные жидкости. Включают электронасос 2 и при нагреве до 35°C обеспечивают циркуляцию разделяемой жидкости по замкнутому контуру: емкость - 1, насос - 2, теплообменник - 3, трубопровод подачи жидкости к эжекторам - 4, сопловые блоки эжекторов - 5-1, камеры смешения эжекторов, снабженные на выходе конфузорами - 5-3, центробежный сепаратор - 6 и снова емкость - 1. Поднимают температуру нефтяной смеси до 35°C и осуществляют процесс разделения. Электронасос 2 обеспечивает абсолютное давление жидкости перед сопловыми блоками эжекторов, достаточное для реализации в эжекторе течения газопарожидкостной смеси со скоростью в диапазоне 20-28 м/с. Газ (азот) циркулирует по другому контуру, состоящему из последовательно установленных: приемных камер эжекторов - 5-2, блока эжекторов - 5, в котором он насыщается парами легкокипящей компоненты (бензина), центробежного сепаратора - 6, в котором газ отделяется от капель, теплообменника - 8, в котором происходит нагрев поступающей в исходную емкость - 1 смеси за счет скрытой теплоты парообразования конденсата, конденсатора - 9, в который через штуцер 11 подают холодную воду и отводят через штуцер 12, емкости сбора конденсата - 10 и трубопровода - 17, из которого газ снова поступает в емкость 1. Избыток газа при тепловом расширении может поступать из сепаратора 6 в емкость 1 и из нее в компенсатор 7, благодаря чему в емкости 1 постоянно поддерживается атмосферное давление. Емкость 1 снабжена регулятором отвода готового продукта 16.
При нагреве нефтяной смеси в модуле до 105°C происходит полное выкипание бензина, при дальнейшем нагреве в нем до 150°C - выкипание газойля, и, наконец, при нагреве до 200°C происходит полное выкипание дизельной фракции. В данном примере получен суммарный выход светлых фракций 56,7%, что на 7,7% выше, чем при обычной атмосферной перегонке.
Пример 2
3
Проводят дистилляцию образца нефти по примеру 1, за исключением того, что для разгонки используется трехмодульная установка, изображенная на фиг.2, каждый модуль которой оснащен эжектором с производительностью 2,5 м/ч. Процесс проводят, поддерживая в каждом из модулей заранее настроенный на получение определенной фракции температурный режим:
в первом - для получения бензиновой фракции (при t=95-105°C);
во втором - для получения газойлевой фракции (при t=120-150°C);
в третьем - для получения дизельной фракции (при t=180-200°C).
На обработку подают в первый модуль, как и в примере 1, исходную нефтяную смесь с температурой 20°C и расходом 3,33 г/с (12 л/ч). Нагрев нефтяной смеси до необходимой для каждого модуля температуры обеспечивают теплообменником 3, а теплообменник 8 служит для рекуперации тепла от конденсирующихся паров дистиллятов, получаемых в каждом модуле, на подогрев поступающего в этот модуль сырья. Нефтяную смесь подают через штуцер 13 в теплообменник 8, где ее подогревают конденсирующимися парами бензиновой фракции. После этого смесь направляют по трубопроводу 14 через автоподатчик сырья с уровнемером 15 в бак 1. Насосом 2 обеспечивают давление подачи обрабатываемого сырья к сопловому блоку эжектора равным 5 ати, при этом в эжекторе обеспечивается скорость течения газопаровой смеси 28 м/с. После полного выделения бензиновой фракции "кубовый" остаток из первого модуля подается во второй, где осуществляют аналогичный процесс дистилляции при температуре 130-150°C. После выделения газойлевой фракции «кубовый» остаток со второго модуля подают в третий, где осуществляют аналогичный процесс при 180-200°C. При этом в каждом из модулей в теплообменнике 8 происходит передача скрытой теплоты парообразования легких фракций (соответственно бензина, газойля и дизтоплива) поступающему сырью. В данном примере получают 58% светлых фракций, что на 8,1% больше, чем при стандартной разгонке в кубе.
Пример 3
Процесс проводят, как в примере 2, за исключением того, что исходная нефтяная смесь содержит 46% светлых фракций и дополнительно 3% воды, а сам процесс разгонки осуществляют на установке, содержащей 4 последовательно соединенных модуля, которые настроены в следующем температурном режиме:
в первом - для получения бензиновой фракции (при t=95-105°C);
во втором - для получения «легкой» газойлевой фракции (при t=120-130°C);
в третьем - для получения «тяжелой» газойлевой фракции (при t=140-150°C);
в четвертом - для получения дизельной фракции (при t=180-200°C).
В случае присутствия в исходной нефтяной смеси воды в первом модуле при 70-90°C помимо паров бензина будут выделяться пары воды, в результате чего вся вода попадет в бензиновую фракцию. Вследствие разницы плотностей она легко отделяется от бензина отстаиванием и после окончания процесса ее сливают из нижней части сборника конденсата 10. В данном примере получают 59% легких фракций, в основном за счет прироста дизельной и газойлевой фракций нефти, что на 9,1% больше, чем в при стандартной разгонке в кубе.
Отличительной особенностью данного способа от всех традиционных методов ректификации является то, что он, в принципе, не нуждается в предварительном отделении от сырой нефти воды и растворенных в ней солей. Вследствие проведения самого процесса нагрева одновременно с эжекторной циркуляцией нефтяного сырья исключается возможность резкого вскипания паров воды, поэтому обеспечивается безопасность процесса дистилляции нефтяного сырья при любом содержании в нем воды. С другой стороны, все соли будут оставаться в кубовом остатке (мазутной фракции) и не будут попадать в светлые нефтепродукты.
Кроме того, как это видно из представленных примеров, в процессе эжекторной перегонки происходит некоторое увеличение выхода светлых фракций, что может быть связано с химическим реакциями, протекающими в данном процессе.
И наконец, в отличие от стандартной колоночной ректификации, сама установка отличается значительно меньшими габаритами, простотой исполнения и надежностью.