Электрогидродинамическая дегидратация водонефтяных эмульсий для вторичного использования нефтесодержащих отходов

В результате производственной деятельности человека образуется большое количество водонефтяных эмульсий, возникающих в процессе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов. Попадая в окружающую среду, они загрязняют поверхностные и подземные воды, изменяют состав почв.

После разделения водонефтяных эмульсий на воду и нефтепродукты, и вода и нефть могут быть повторно использованы. При этом решается проблема не только утилизации нефтесодержащих отходов, но и экономии водных ресурсов за счет повторного возвращения в технологический цикл очищенной воды. Немаловажной является возможность вторичного использования очищенных нефтепродуктов.

В связи с этим актуальны поиск и разработка эффективных технологий разделения водонефтяных эмульсий.

Существующие механические, термические и физико-химические способы разрушения нефтяных эмульсий обладают малой производительностью, являются затратными и не всегда позволяют достичь необходимого качества извлекаемых нефтепродуктов и очищаемой воды.

Перспективным методом разделения водонефтяных эмульсий является обработка ее в постоянном или переменном электрическом поле. Исследованиям в данном направлении посвящены работы Frederick G. Cottrell, Harmon F. Fisher, J.R. Melcher, Л. И. Слонима, Г. Н. Позднышева, A.A. Гуреева, Д. Н. Левченко, А. Г. Мартыненко, Г. М. Панченкова, Л. К. Цабека, С. Ш. Гершуни, В. А. Проскурякова, М. С. Апфельбаума, В. В. Буткова, К. В. Таранцева.

Эффективность разделения водонефтяных эмульсий определяется многими факторами: скоростью и режимом течения эмульсии, ее дисперсным составом, напряженностью электрического поля, электропроводностью, вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением на границе раздела жидкости, формой и размерами рабочих зон электродов и др.

В связи с этим необходимо проведение исследований для определения степени влияния перечисленных факторов на эффективность процесса разделения водонефтяных эмульсий с целью разработки оптимальной конструкции электродегидраторов, позволяющих при минимальных затратах добиться максимальной степени извлечения нефтепродуктов и качества очищаемой воды.

Целью работы является установление закономерностей процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и определение оптимальных параметров процесса электродегидратации с разработкой на их основе технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий и конструкции электродегидратора.

Объект исследования: водонефтяные эмульсии, образующиеся в ходе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов.

Предмет исследования: электрогидродинамический метод разделения водонефтяных эмульсий и инженерные решения на его основе по конструктивному оформлению процесса и технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий.

Методы исследования: в ходе работы над диссертацией были использованы натурные испытания, численное моделирование с использованием пакета СОМБОЬ, регрессионный анализ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии.

2. Впервые создана математическая модель слияния капель в электрическом поле, позволяющая определить зависимость времени от гидродинамических (формы и размеров электродов, конфигурации рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) параметров рабочих сред.

3. Созданы математические модели для определения оптимальных режимов электродегидратации как вновь создаваемых, так и существующих элек-тродегидраторов, позволяющие моделировать происходящие в них процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.

Практическую значимость работы составляют:

1. Результаты моделирования процесса слияния капель воды в электрическом поле, позволяющие определять оптимальные параметры процесса электродегидратации водонефтяных эмульсий.

2. Технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле на основе полученных закономерностей.

3. Разработанные конструкции электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами.

4. Рекомендации по организации процессов в электродегидраторах, с целью повышения степени разделения эмульсий в электрическом поле без дополнительных затрат.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы диссертации используются: в ОАО «Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке» при проведении экспериментальных исследований, конструкторских и технологических расчетовв ООО «Агентство инженерно-экологического проектирования» для моделирования процессов в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств с помощью численных методов и математических моделейв учебном процессе Пензенской государственной технологической академии, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием современных методов исследования, результатами практического использования предложенных в диссертации методов и устройств, актами об использовании и внедрении результатов работы, а также апробацией работы на конференциях различного уровня.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (2008, Пенза) — VII Всероссийской научно-методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе: Технические науки, экология и защита в ЧС» (2009 г., Пенза) — II Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (2010 г., Санкт-Петербург) — Международной научно-практической конференции «Молодёжь. Наука. Инновации» (2010 г., Пенза) — IV Научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (2011 г., Пенза).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 — в журналах, входящих в перечень ВАК.

Основные выводы и практические результаты работы:

1. Проведен анализ существующих методов разделения водонефтяных эмульсий, выбран электрогидродинамический метод интенсификации процесса разрушения водонефтяных эмульсий и разработаны инженерные решения на его основе — технологическая схема и аппарат для проведения процесса электрогидродинамической дегидратации.

2. Установлены закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии. Выявлено, что:

— при напряженности постоянного поля до 4 кВ/см процесс в электрическом поле идет медленнее, чем в отсутствии электрического поля. Лишь при превышении некоторого критического значения порядка 5 кВ/см наблюдается ускорение процесса слияния капель;

— при напряженности переменного электрического поля до 4 кВ/см в диффузоре процесс слияния капель протекает медленнее, чем в отсутствии электрического поля, а в конфузоре и в канале постоянного сечения увеличения времени слияния капель не наблюдается, а происходит монотонное постоянное ускорение процесса слияния капель по мере роста напряженности электрического поля. Это указывает на преимущество, в случае применения переменного электрического поля, каналов постоянного сечения и сужающихся каналов;

— при напряженности электрического поля 5 кВ/см с увеличением угла раскрытия рабочей зоны электродегидратора (от конфузора с углом раскрытия 20° до диффузора с углом сужения 10°) время на слияние капель сокращается;

— в постоянном электрическом поле для сужающейся рабочей зоны электродегидратора с увеличением скорости протекания эмульсии в рабочей зоне выше 5 кВ/см время монотонно увеличивается, т. е. обычно применяемая в электродегидраторах скорость течения 5 мм/с является оптимальной;

— в постоянном электрическом поле в расширяющейся рабочей зоне электродегидратора с увеличением скорости протекания эмульсии до 18 мм/с наблюдается уменьшение времени, необходимого для слияния капель. При скорости протекания эмульсии более 18 мм/с время для слияния капель возрастает и процесс протекает менее эффективно. То есть в случае прохождения эмульсии по конфузору оптимальной является скорость протекания порядка 18 мм/с.

3. Разработаны математические модели, описывающие влияние гидродинамических параметров (формы и размеров электродов, конфигурации рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических свойств (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) эмульсий на процесс их разрушения в электрическом поле.

4. Разработаны математические модели для определения оптимальных режимов электродегидратации как вновь создаваемых, так и существующих элек-тродегидраторов, позволяющие моделировать происходящие в них процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.

5. Получена регрессионная модель, описывающая влияние гидродинамических параметров и электрофизических свойств эмульсий на процесс их электродегидратации.

6. Предложены инженерные решения по изменению гидродинамических условий и структуры электромагнитного поля в электродегидраторах с учетом результатов моделирования.

7. Разработаны конструкции электродегидраторов для разделения водонеф-тяных эмульсий с заданными свойствами и рекомендации по выбору режимов их работы.

8. Предложена технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и схема включения в нее электродегидратора.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВНЕДРЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

На основе проведенных расчетов были предложены способы модернизации существующих горизонтальных электродегидраторов и разработана новая конструкция электродегидратора с двумя зонами контакта фаз, которые предлагается внедрить в уже существующую технологическую схему обезвоживания (обессоливания) нефти.

Существующая аппаратурно-технологическая схема обессоливающей установки (ЭЛОУ) представлена на рисунке 58. Электрообессоли-вающие установки проектируют двухступенчатыми: в электродегидрато-рах I ступени удаляется 75 — 80% (масс.) соленой воды и 95 — 98% (масс.) солей, а в электродегидраторах II ступени — 60 — 65% (масс.) оставшейся эмульсионной воды и примерно 92% (масс.) оставшихся солей. Число устанавливаемых электродегидраторов при двухступенчатом обес-соливании зависит от объема и качества (т. е. содержания воды, солей и стойкости эмульсий) обрабатываемой нефти, от типа и производительности аппарата. Для современных электрообессоливающих установок проектируют только горизонтальные электродегидраторы.

Преимуществами горизонтальных аппаратов являются: большая площадь электродов, следовательно, и большая удельная производительность (объем нефти на единицу сечения аппарата) — меньшая вертикальная скорость движения нефти, а значит, и лучший отстой водывозможность проведения процесса при более высоких температурах и давлениях.

Рисунок 58 — Аппаратурно-технологическая схема электрообессоливающей установки.

ЭЛОУ) 1,7, 8,13,14 — насосы- 2 — теплообменники- 3,9- подогреватели- 4,11 -электродегидраторы- 5 -смеситель- 12 — отстойник- 15 — смотровой фонарь. Устройство электродегидратора: 16 — подвесные изоляторы- 17 — шины подвода электрического тока- 18 -трансформатор- 19 — коллектор обессоленной нефти- 20 -электроды- 21 — распределитель ввода сырья- 22 — коллектор соленой воды- 23 — модуль экологического мониторинга и контроля.

Эксплуатация электродегидраторов связана с определенными трудностями. Электродегидраторы чувствительны к изменению состава сырья, обводненности, скачкам производительности. Особенно трудно поддерживать электрический режим при обессоливании нефтей, образующих устойчивые эмульсии. Во многих случаях качество обессоливания нефти на НПЗ не отвечает современным требованиям.

При выборе оптимальной конструкции электродегидратора необходимо учитывать гидродинамические параметры (форму и размеры электродов, скорость прохождения эмульсией рабочей зоны), электрофизические параметры (напряжение, частота, сила тока, полярность электродов) — назначение (обезвоживание «сухого» или «влажного» нефтепродукта).

В случае первичного разрушения эмульсии система чаще всего полидисперсная с высоким содержанием воды, причем необходимо учитывать наличие крупных включений. Рационально произвести первичное обезвоживание другим способом, а затем, используя несколько ступеней электрогидродинамической обработки с промежуточным отстаиванием, добиться требуемой степени обезвоживания. От ступени к ступени изменяется расстояние между электродами и напряженность в зоне электрокоалесцирования.

Для получения напряженности поля более 20 кВ/см (при напряжении питания 20 кВ) необходимо, чтобы между плоскими электродами было расстояние менее 1 см. В этом случае даже капля диаметром 3−5 мм достаточна для замыкания электродов. Чтобы создать такую напряженность при расстоянии между электродами, достаточном для слияния капель без замыкания электродов, нужно сильно неоднородное поле.

Предложены варианты модернизации для наиболее распространенных в РФ горизонтальных электродегидраторов с плоской системой электродов (рисунки 59). у хю3 1.

Рисунок 59 — Геометрия электродов в существующих физонгальных в электодегидраторах.

Предложено в дополнение к существующей плоской системе электродов устанавливать дополнительную — состоящую из конфузора и диффузора (рисунок 60). Это позволит увеличить степень разрушения эмульсии при малых затратах.

Допускается их дополнительная установка к существующей плоской системе электродов, т. е. организация двухступенчатого процесса разделения водонефтяной эмульсии.

Рисунок 60 — Электодегидратор с дополнительной системой электродов в виде конфузора и диффузора.

Практика показывает, что в существующих конструкциях электродегидрато-ров (рисунок 59) после прохождения зоны разрушения в эмульсии все еще остается большое количество воды, т. е. не всегда достигается требуемая степень обезвоживания. Кроме того, в данных аппаратах сложно поддерживать характеристики электрического поля, в связи с непостоянством свойств поступающей в аппарат нефти, связанным с различной степенью ее обводненности.

При высокой обводненности нефти первичное обезвоживание рационально произвести другим способом, а затем, используя несколько ступеней электрогидродинамической обработки с промежуточным отстаиванием, добиться требуемой степени обезвоживания, меняя от ступени к ступени расстояние между электродами и напряженность в зонеэлектрокоалесцирования.

Анализ используемых в мировой практике для разделения водонефтя-ных эмульсий форм и размеров электродов, позволил выбрать для конструктивного воплощения электрокоал ееценторы с системой электродов, подобной трубе Вентури.

На основе произведенных расчетов предложено в существующих элек-тродегидраторах в дополнение к плоской системе электродов установить электроды, образующие каналы для прохождения нефти вначале через конфузор, затем через зону постоянного сечения и, на последнем этапе, через диффузор, и организовать процесс с возвратом части выходящего потока сухого нефтепродукта. Это позволило изменить структуру потоков в электро-дегидраторе и увеличить степень обезвоживания нефтепродукта. Результаты расчета электрического поля для существующей конструкции электродегид-ратора представлены на рисунке 61. хЮ* Т 1.0555KI0'.

Рисунок 61 — Распределение электрического потенциала в существующей конструкции элсктродегидратора.

Результаты расчета электрического поля для модернизированной конструкции электродегидратора представлены на рисунке 62.

Slice Electric potential IV) Slice: Electric potential [VI.

Рисунок 62 — Распределение электрического потенциала в модернизированном электродегидраторе с дополнительной системой электродов в виде конфузора и диффузора.

На рисунке 62 показано поле скорости течения жидкости, рассчитанное для модернизированного варианта. В указанных условиях наблюдаются высокая напряженность электрического ноля и благоприятные условия для слияния капель силами электрического поля, а возникающие при этом дополнительные электрогидродинамические течения существенно интенсифицируют процесс. Однако при малых скоростях в данной системе электродов эмульсия продавливается снизу вверх лишь при превышении скорости поступающей через верхние форсунки эмульсии выше 50 мм/с. В этих условиях начинается необходимое для нормальной работы конструкции течение эмульсии между электродами сверху вниз. шШШШк мша.

Рисунок 63 — Поле скорости течения жидкости, рассчитанное для модернизированного варианта при постепенном увеличении скорости подачи эмульсии: а) 20 мм/сб) 50 мм/с.

Для организации нормального течения вторичного потока сухой нефти, поступающей через верхиие форсунки, были рассмотрены различные варианты ввода потока (рисунок 64): а) в верхнюю часть конфузораб) в верхнюю часть диффузорав) в верхнюю часть диффузора с частичным перекрытием вторичного потока на вход трубы Вентуриг) в верхнюю часть диффузора с полным перекрытием вторичного потока на вход трубы Вентури. в г.

Рисунок 64 — Поле скорости течения жидкости, рассчитанное для модернизированного варианта при разных условиях ввода «сухого» нефтепродукта: а — в верхнюю часть конфузораб — в верхнюю часть диффузорав — в верхнюю часть диффузора с частичным перекрытием вторичного потока на вход трубы Вентуриг — в верхнюю часть диффузора с полным перекрытием вторичного потока на вход трубы Вентури.

Для повышения степени обезвоживания водонефтяной эмульсии в электродегидратор предложено дополнительно установить коалесцентор Такая конструкция позволяет в одном рабочем объеме аппарата организовать две ступени контакта эмульсии с электрическим полем, что приведет к практически полному обезвоживанию обрабатываемого нефтепродукта.

Таким образом, рекомендовано существующие конструкции электродегидраторов, в зависимости от степени обводненности нефтепродукта, оснастить дополнительной 3-х ступенчатой рабочей зоной, состоящей из: 1 — конфузора- 2 — зоны постоянного сечения- 3 — диффузора.

Это позволит добиться обезвоживания нефтепродуктов без существенных дополнительных затрат.

Для вновь разрабатываемых конструкций предлагается учитывать возможность первичной обработки нефтепродукта в электрокоалесценторе с последующим отстаиванием для влажного нефтепродукта и электродегидраторе с двумя зонами контакта для сухого нефтепродукта, что позволит учесть механизм коалесценции капель в электрическом поле.

Разработанные модели могут быть рекомендованы для анализа существующих электродегидраторов с целью улучшения условий их работы, и для подбора оптимальной конструкции вновь проектируемых электродегидраторов с учетом физико-химических характеристик исходных эмульсий при проектировании.