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

Изобретение относится к способам разделения водно-органических смесей, имеющих в своем составе воду, диспергированную в углеводородах в различном виде, в том числе в виде субмикронных частиц, может найти применение в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, транспортной сфере, энергетике и других отраслях.
Разделение водонефтяных эмульсий осуществляют различными способами, в зависимости от их состояния и содержания воды. Высокообводненные, стойкие эмульсии трудно поддаются обезвоживанию и их обычно разделяют в многоступенчатом процессе с предварительным введением деэмульгатора. Как правило, данные эмульсии подвергают комплексному термохимическому воздействию, иногда с использованием физических методов.
Известен способ и установка для очистки нефтешлама, в котором разделение эмульсии нефть-вода ведут путем добавления в нее раствора деэмульгатора, после чего обрабатывают переменным магнитным полем, подогревают в устройстве, оборудованном акустическими системами, после чего смесь направляют на разделение в центрифугу (RU 2174957, 20.10.2001).
Недостатком способа является его технологическая сложность, обусловленная использованием различных систем.
Известен способ разделения водонефтяных эмульсий, в котором проводят обезвоживание сначала путем отстаивания в двух отстойниках до остаточного содержания воды 7-10 об.%, а затем на трехступенчатой электрообессоливающей установке при нагреве до 60-70°C и подаче 30-100 г/т неионогенного эмульгатора (RU 2318865, 10.03.2008).
Содержание остаточной воды согласно способу находилось на уровне 0,6-1,2 об.%, что не соответствует требованиям, предъявляемым к перерабатываемой нефти. Другим недостатком является технологическая сложность процесса.
Известен способ разделения водонефтяных эмульсий, в котором процесс разделения ведут на многоступенчатой комбинированной термохимической и электрообессоливающей установке при 80-120°C, используя в качестве деэмульгатора композицию, состоящую из ПАВ и водорастворимого смачивателя при их суммарном расходе 100-1000 г/т исходного продукта. По данному способу проводят трехступенчатый процесс разделения, сначала в термоотстойнике, добавляя при перемешивании и нагревании в исходный продукт различные деэмульгаторы, затем проводят отстаивание воды от нефтепродуктов и в заключение проводят окончательное разделение воды и нефти в двух последовательных электродегидраторах. При проведении процесса в интервале 100-120°C и введении реагентов в количестве 800-1000 г/т удается достигнуть приемлемых показателей по содержанию воды в товарной нефти (на уровне 0,1-0,2%) (RU 2318865, 10.03.2008).
Недостатком данного способа также является технологическая и аппаратурная сложность, малая производительность, обусловленная необходимостью использовать аппараты-отстойники.
Кроме того, по описанным выше способам принципиально невозможно осуществить обезвоживание высоковязких органических продуктов типа мазута М-100. Даже после 48 часов отстаивания мазута с исходным содержанием воды на уровне 30-40% при 90-100°C и добавления в него ПАВ и экстрагентов остаточное содержание воды не удается снизить более чем в два раза. Отогнать воду из водомазутной смеси не удается даже при нагреве в течение 5-6 часов в вакуумных аппаратах при температурах выше 150°C. Нагрев при более высоких температурах (выше 200°C) приводит к осмолению парафинов, содержащихся в мазутной фракции, и потере товарного качества.
Известен способ разделения водонефтяных смесей, включающий испарение воды и светлых нефтепродуктов при нагревании смеси в турбулентном потоке, образованном газом и диспергированной в нем смесью, находящейся в роторном испарителе, транспортировку образовавшихся паров из аппарата в конденсатор, конденсацию паров светлых нефтепродуктов и воды в теплообменнике, пофракционный сбор светлых нефтепродуктов с водой, водной фазы и кубового остатка. Для интенсификации процессов испарения воды из высоковязких смесей в данном способе используют перекрестную схему движения в системе газ-жидкость, которую реализуют в роторно-пленочном испарителе, снабженном контактным устройством в виде ленточной спирали с Z-образными сгибами по ее периметру, в которой имеется, как минимум, одно отверстие для прохода газа. Процесс испарения ведут при повышенных температурах в противоточном режиме. При поступлении водонефтяной смеси в роторно-пленочный испаритель она распределяется под действием центробежной силы, создаваемой за счет вращения ротора, в виде тонкой пленки, а в местах Z-образных изгибов под действием газового потока диспергируется на капли. В результате возникает межфазная турбулизация, интенсифицирующая массообмен (UA 69779, 15.09.2004).
Недостатком способа является технологическая сложность и энергоемкость, вызванная необходимостью проводить процессы испарения при значительном перегреве исходной смеси. Кроме того, при испарении высоковязкой жидкости ее не удается распределить под действием центробежных сил на контактном ленточном устройстве равномерно, поэтому процессы испарения во всем объеме испарителя характеризуются неравновесностью, что также приводит к перерасходу тепловой энергии.
Известно устройство для разделения водонефтяных смесей, включающее сборник обводненных нефтепродуктов, отгонный аппарат в виде куба, узел транспортировки паров, конденсатор паров, сборники обезвоженных нефтепродуктов, сконденсированных легких фракций и отогнанной воды (RU 2042372, 27.08.1995).
В известном устройстве проводят удаление воды из различных водонефтяных смесей, в том числе, из высоковязких продуктов, путем испарения воды из обогреваемого куба, которое ведут в вакуумном режиме при нагреве смеси до 95-120°C.
Недостатками данного устройства являются использование двухступенчатой перегонки с двумя последовательно расположенными отгонными аппаратами (большой и малый отгонный кубы), двумя конденсаторами и вакуум-насосом, что значительно усложняет саму аппаратурную схему, и то что отгонные аппараты в силу своей конструкции являются установками периодического действия, что не позволяет интенсифицировать процесс.
Наиболее близким по технической сущности является способ разделения жидкой смеси, содержащей воду и 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 удаляемой воды 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, поддержания постоянного давления в газовом контуре системы и постоянного разряжения в приемной камере эжектора.
Недостатком способа является невозможность осуществления непрерывного процесса разделения и сложность процессов поддержания постоянного давления в газовом контуре системы и постоянного разряжения 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 и сборники-накопители конденсируемых жидкостей (RU 2165281, 20.04.2001).
В известной установке можно осуществить как разделение водноспиртовых смесей, так и отделение легких фракций нефтепродуктов (бензина) от воды, однако, для выделения воды из устойчивых водонефтяных смесей установка не эффективна 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 водонефтяных смесей в непрерывном режиме.
Задачей настоящего изобретения является создание высокопроизводительного простого и надежного способа и установки для его реализации, пригодных для разделения любых типов водонефтяных смесей, включая стабильные коллоидные системы и высоковязкие среды.
Поставленная задача решается описываемым способом разделения жидкой смеси, содержащей воду и нефть и/или нефтепродукты, включающим эжектирование заранее выбранного газа-воздуха 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 50-90°C под давлением, обеспечивающим скорость смеси на входе в эжектор, равной 20-28 м/с, при этом на выходе из эжектора поддерживают атмосферное давление.
Предпочтительно, на эжектирование подают смесь при температуре 70-90°C. После разделения смеси можно осуществить дополнительно очистку отделенной нефти и/или нефтепродуктов от солей.
Предпочтительно, очистку от солей ведут путем контактирования нефти и/или нефтепродуктов с дистиллированной водой или водноспиртовой смесью при объемном соотношении, равном 1:(0,01-0,02), соответственно, с последующим отстаиванием водной и органической фаз.
Поставленная задача решается также описываемой установкой для осуществления заявленного способа, содержащей соединенные трубопроводами бак для разделяемой жидкой смеси, электронасос, теплообменник, блок сверхзвукового жидкостно-газового эжектора, устройство для отделения парогазовой фазы от жидкой фазы, конденсаторы, емкость для сбора сконденсированной фазы, контрольно-измерительные приборы, 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 в верхней части снабжен расширителем-компенсатором газовой фазы и патрубком ввода исходной смеси, а в нижней части патрубком вывода обезвоженной нефти и/или нефтепродукта.
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 смесей типа вода-мазут для обеспечения нормального режима протекания и создания условий для выделения воды экспериментально установлено, что необходимым и достаточным признаком является обеспечение скорости в интервале 24-28 м/с.
Схема заявленной установки приведена на чертеже. Работа установки проиллюстрирована на образце жидкой нефтяной эмульсии при производительности, обеспечивающей удаление 6 л воды в час из исходной эмульсии.
Теплоизолированную емкость - 1 заполняют водонефтяной эмульсией, затем все полости установки (трубопроводы, теплообменники, конденсатор, сепаратор, компенсатор) продувают (заполняют) заранее выбранным газом-воздухом. 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. Процесс разделения водонефтяной смеси ведут в интервале температур 50-90°C.
Включают электронасос - 2 и 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. 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 (воздух) циркулирует по другому контуру, состоящему из последовательно установленных: приемных камер эжекторов - 5-2, блока эжекторов - 5, в котором он насыщается парами воды, 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, 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 давление на уровне атмосферного.
Эффективность описываемого способа иллюстрируется нижеследующими примерами:
Пример 1.
Разделение водонефтяной эмульсии с содержанием воды 50% (данная эмульсия не поддавалась разделению традиционными способами, например, электродегидратацией).
На обработку подают исходную нефтяную эмульсию с температурой 20°C и расходом 3,33 г/с (12 л/час). Эмульсию через штуцер - 13 непрерывно подают в теплообменник - 8, где ее нагревают конденсирующимися парами воды от 20°C до 70°C и направляют по трубопроводу - 14 через автоподатчик сырья с уровнемером - 15 в нижнюю часть бака - 1. Обеспечивают насосом - 2 давление подачи обрабатываемого сырья к сопловому блоку эжектора равным 5 ати, при этом в эжекторе обеспечивается скорость течения газопаровой смеси 28 м/с. На нагрев поступающего сырья до 70°C необходимо 472,5 ккал/час. При конденсации пара выделяется 3234 ккал. Таким образом, в теплообменнике - 8 все поступающее сырье нагревают до температуры 70°C и при этом осуществляют конденсацию 0,146 части пара, проходящего через упомянутый теплообменник за 1 час. Остальную часть пара конденсируют в конденсаторе - 9 и накапливают полученную воду в емкостях для сбора конденсата - 10. Для обеспечения работы конденсатора - 9 через штуцер - 11 подают холодную воду с температурой 15°C и отводят через штуцер - 12 воду с температурой 35°C. Количество воды, необходимой для конденсации паров воды, составляет 138 кг/час. Тепло, необходимое для испарения 6 л/час воды, подводят к циркулирующей по замкнутому контуру эмульсии в теплообменнике - 3 за счет подводимого и отводимого через штуцеры - 18 и - 19 теплоносителя, нагреваемого независимым подогревателем (не показан). Мощность данного нагревателя рассчитана на подведение к циркулирующей в установке эмульсии количества тепла, необходимого для испарения воды с учетом возможных тепловых потерь. Производительность установки и степень обезвоживания получаемого нефтепродукта изменяют за счет регулирования расхода эмульсии, подаваемой на обработку. Уменьшение подачи эмульсии на обработку снижает количество воды в получаемом нефтепродукте. В результате разделения исходной водонефтяной смеси получена нефть с содержанием воды менее 0,1% при производительности по исходной эмульсии 12 л/час.
Пример 2.
Процесс проводят, как в примере 1, за исключением того, что в качестве разделяемого сырья используют Флотский мазут Ф-5, в котором содержание воды составляет 5% (по ГОСТ №10585-99 содержание воды в мазуте не должно превышать 0,3%).
На обработку подают исходную мазутную эмульсию с температурой 20°C и расходом 33,3 г/с (120 л/час). Нагревают поступающий на обработку мазут в теплообменнике -8 теплом от конденсации паров воды до 73,9°C, обеспечивая при этом полную конденсацию паров. Недостающее тепло для нагрева мазута до 90°C и испарения заданного количества воды (966ккал) подводят за счет теплообменника - 3. В результате осуществления процесса получен мазут с содержанием воды менее 0,2% при производительности по исходному мазуту 120 л/час.
Пример 3.
Проводят эксперимент по примеру 1, за исключением того, что на разделение подают эмульсию с содержанием воды 28% и солей (железа, марганца и ванадия) суммарно 0,8 г/л.
После обработки 20 л исходного продукта получают 14,41 л очищенной нефти с содержанием воды менее 0,1%. Эту нефть сливают в конусообразный реактор, снабженный нижним штуцером. В него при перемешивании добавляют 0,2 л 5% раствора бутилового спирта в воде. После отстаивания этот водный раствор сливают через нижний штуцер. Содержание металлов в конечном нефтяном продукте не превышает 0,04 г/л.
В соответствии с настоящим изобретением обеспечен непрерывный высокопроизводительный способ выделения воды из стойких водонефтяных смесей и эмульсий. Заявленный способ и установка могут быть использованы также для разделения других смесей и растворов, содержащих легкокипящие компоненты в растворенном или эмульгированном виде.