Устройство для разделения эмульсий

 

Изобретение относится к технике разделения несмешивающихся жидкостей, в частности эмульгированных углеводородных сред с различным типом эмульсий в широком интервале обводненности, и может быть использовано для глубокого обезвоживания сырой и ловушечной нефти, газового конденсата, светлых нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов и других невязких углеводородных сред в нефтегазодобывающей и нефтегазоперерабатывающей, химической и других областях промышленности. Устройство включает горизонтальный цилиндрический корпус, в котором размещен влагоотделительный пакет, составленный из олеофильных и гидрофильных эластичных пористо-ячеистых полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой, уложенных поперечными слоями под углом не ниже угла оттекания жидкости к движущемуся потоку, при расположении влагоотделительного пакета выше границы раздела фаз. Пакет дополнительно содержит пористо-ячеистые материалы с модифицированной для усиления коалесцирующих свойств поверхностью или состоит только из материалов с такой поверхностью. Влагоотделительный пакет, опираясь на глухую перегородку, перекрывает рабочее сечение вдоль аппарата. Нижняя часть пакета установлена под углом оттекания жидкости к вертикальной оси глухой перегородки. Технический результат состоит в повышении эффективности разделения. 1 табл. , 2 ил.

Изобретение относится к технике разделения несмешивающихся жидкостей, в частности к устройствам для разделения и глубокого обезвоживания эмульгированных углеводородных сред с различным типом эмульсий в широком интервале обводненности, и может быть использовано для глубокого обезвоживания сырой нефти и ловушечной, газового конденсата, светлых нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов и других невязких углеводородных сред в нефтегазодобывающей и нефтегазоперерабатывающей, химической и других областях промышленности.

Наиболее близким по достигаемому эффекту является устройство для разделения эмульсий, высокоэффективное при использовании как в процессе деэмульсации обводненных светлых нефтепродуктов, так и нефтяного сырья при глубоком обезвоживании и обессоливании его в процессе подготовки на нефтеперерабатывающих заводах и нефтепромыслах [1]. Патент РФ 2146550, опубл. БИ 8, март 2000 г.

В горизонтально установленном цилиндрическом корпусе устройства размещен влагоотделительный пакет из композиции олеофильных и гидрофильных эластичных вспененных пористо-ячеистых полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой, уложенных поперечными слоями в виде дисков с диаметром, превышающим внутренний диаметр цилиндрического корпуса под углом к горизонтали не ниже угла оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку при обеспечении расположения влагоотделительного пакета на уровне, превышающем границу раздела фаз.

Устройство с высокой экономической эффективностью используется в процессах деэмульсации на потоках большой производительности и различной степени обводненности в крупнотоннажных промышленных схемах, таких как обезвоживание и обессоливание сырой нефти, при значительном обороте промывочных вод. Высокая степень обезвоживания обеспечивается оптимальным подбором расчетной площади фильтрации и толщины фильтрующе-коалесцирующего слоя пакета, а также компоновки оптимального набора пористо-ячеистых полимерных материалов с олеофильными и гидрофильными свойствами при максимально развитой фильтрующе-коалесцирующей поверхности, обусловленной фиксированной пористо-ячеистой структурой используемых полимерных материалов.

Тем не менее, при явных конструкционных преимуществах, при простоте технического исполнения, устройство имеет следующие недостатки.

Так, модернизация действующих промышленных схем на нефтеперерабатывающих заводах с целью повышения эффективности глубокого обезвоживания нефтепродуктов и нефтяного сырья производится, в основном, за счет реконструкции имеющегося емкостного оборудования в составе технологических схем установок. Как правило, бывшие гидростатические и термохимические отстойники оснащаются влагоотделительными фильтрующе-коалесцирующими пакетами и выполняют назначение высокоэффективных устройств для разрушения эмульсий различного типа ("вода в нефти" или "нефть в воде") и различной степени дисперсности и обводненности. Крупные размеры используемого емкостного оборудования способствуют повышению эффективности обезвоживания, т.к. значительный объем в аппарате перед пакетом способствует снижению влияния эффекта турбулентности потока, а также эффективной эвакуации крупнодисперсной влаги в зону раздела фаз как перед пакетом, так и после него.

Однако перекрытие полного рабочего поперечного сечения аппарата фильтрующе-коалесцирующим пакетом не всегда позволяет одинаково эффективно использовать всю фильтрующую поверхность и объем влагоотделительного пакета при различных технологических параметрах работы установок в каждом конкретном случае. Даже при своевременном дренировании водной фазы, в некоторых случаях, зона застоя при намокании может занимать в пакете существенный объем.

Если при увеличении нагрузок по потоку при высокой обводненности появляется необходимость увеличения толщины фильтра, то это может сказываться на устойчивости режима коалесцирующей фильтрации более вязких сред, т.к. при возрастании скорости движения более вязкого потока через фильтрующие слои большей толщины (эффективность коалесценции в более вязких средах требует увеличения толщины фильтрующего слоя), пористо-ячеистый материал может сжиматься, и при уплотнении внутренней структуры пористо-ячеистого пространства может возрасти перепад давлений до пределов, которые могут вызвать устойчивую деформацию эластичного пористо-ячеистого полимерного материала, что приведет к снижению эффективности влагоотделения.

Наиболее целесообразно увеличение производительности аппаратов осуществлять за счет увеличения фильтрующей поверхности влагоотделительного пакета, однако это условие не всегда может быть выполнено за счет увеличения размеров аппаратов, особенно в случаях реконструкции установок при отсутствии таковых из числа имеющихся на производстве. Кроме того, решение вопросов реконструкции производства в нефтепереработке и нефтедобыче с использованием фильтрующе-коалесцирующих влагоотделительных устройств в крупнотоннажных технологических схемах на установках подготовки сырья с большим оборотом нефти и промывочных вод, сдерживается в некоторых случаях проблемностью решения вопроса размещения необходимого количества металлоемкого оборудования в стесненных условиях на промплощадках.

Предлагаемое устройство предназначено для повышения эффективности и интенсификации процесса деэмульсации, обводненных углеводородных топлив и других продуктов, а также нефтяного сырья (нефти) в процессе его глубокого обезвоживания и обессоливания в технологии подготовки нефти как на нефтеперерабатывающих заводах, так и на нефтепромыслах путем максимального увеличения площади фильтрации без увеличения объема аппаратов.

Указанный технический результат достигается тем, что для глубокого обезвоживания непрерывных эмульгированных потоков нефтяного сырья и углеводородных продуктов в широком интервале обводненности и при больших производительностях предлагаемое устройство содержит горизонтальный цилиндрический корпус, в котором размещен влагоотделительный пакет из композиции олеофильных и гидрофильных эластичных пористо-ячеистых полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой, уложенных поперечными слоями под углом не ниже угла оттекания жидкости к движущемуся потоку, при расположении влагоотделительного пакета на уровне, превышающем границу раздела фаз, причем композиция материалов пакета может дополнительно содержать пористо-ячеистые материалы с модифицированной поверхностью или может состоять только из набора материалов с модифицированной поверхностью, а влагоотделительный пакет, опираясь на глухую перегородку, перекрывает рабочее сечение по направлению вдоль аппарата, причем нижняя часть пакета установлена под углом оттекания жидкости к вертикальной оси глухой перегородки.

На фиг.1 изображен продольный разрез аппарата, общий вид; на фиг.2 - поперечный разрез аппарата, общий вид.

Предлагаемое устройство содержит горизонтальный цилиндрический корпус (1), патрубки: ввода эмульгированного обводненного продукта (2), вывода обезвоженного продукта (4), вывода водной фазы (5); распределительное устройство (3), влагоотделительный пакет (6), глухую сплошную перегородку (7), водосборный карман (8) и устройства автоматизированного отвода водной фазы (9, 10).

Часть аппарата перед пакетом представляет собой приемную зону (11), а после пакета - зону отвода обезвоженного продукта (12).

Для максимального увеличения производительности устройства, за счет увеличения площади фильтрации влагоотделительного пакета без изменения размеров аппарата, влагоотделительный пакет располагают, перекрывая рабочее сечение не поперек, а вдоль аппарата.

Влагоотделительный пакет (6) представляет собой набор фильтрующих слоев пористо-ячеистых, преимущественно эластичных вспененных полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой, составляющих оптимальную композицию коалесцирующих материалов с естественными олеофильными и гидрофильными свойствами высокоразвитой пористо-ячеистой поверхности или их с модифицированной поверхностью, или композицию тех и других вместе, набранных в определенной последовательности.

Выбор материалов - предпочтительно пористо-ячеистых вспененных эластичных полимеров, преимущественно с олеофильными (гидрофобными) или гидрофильными свойствами поверхности для формирования композиционного состава фильтрующе-коалесцирующего пакета, обусловлен высокоэффективной развитой поверхностью, сформированной в процессе технологии производства. Пористо-ячеистая структура материалов, даже при максимальной плотности пористо-ячеистого пространства с минимальным размером ячей и пор, позволяет при незначительном гидравлическом сопротивлении пакета обеспечивать большие производительности непрерывных потоков. Для усиления гидрофобных или гидрофильных свойств коалесцирующей поверхности материалы могут быть модифицированы различными способами с сохранением химической и механической стойкости в рабочих средах.

В зависимости от характера фильтруемой среды и параметров технологии обезвоживания подбираются в композицию соответствующие наиболее эффективные материалы.

Высокий эффект коалесценции обеспечивает глубокое обезвоживание углеводородных сред с различной степенью обводненности при высокой стойкости мелкодисперсных эмульсий.

Для формирования каждого фильтрующего слоя используется материал с одинаковыми свойствами поверхности и пористостью. Компоновка слоев по характеристикам немодифицированных и модифицированных материалов, т.е. их количество и чередование в определенной последовательности, производится с учетом характера, обрабатываемой среды и требуемых норм технологического режима, а также исключения застойных зон намокания в пакете и обеспечения максимальной фильтрующе-коалесцирующей поверхности.

Каждый фильтрующий слой состоит из листов материала одинаковой толщины и должен быть ровным без выпуклостей и вмятин. Листы плотно укладываются между собой и плотно прилегают к стенкам корпуса по всему периметру фильтрующей поверхности во избежание деформации в процессе эксплуатации и образования канального движения. Каждый последующий слой сплошной поверхности перекрывает стыки листов предыдущего слоя. Первый и последний слой материала в пакете ограничивается металлическими сетками. Все слои фильтрующего пакета равномерно прижимаются сетками друг к другу с помощью болтов, во избежание нарушения целостности фильтрующих слоев во время движения фильтруемого потока, не нарушая структуры пористо-ячеистого пространства материала, что могло бы привести к снижению внутреннего объема и активной пористо-ячеистой поверхности. В случае значительных размеров площади фильтрующей поверхности влагоотделительного пакета, для надежности сохранения оптимально плотной упаковки слоев материала, при необходимости, используются дополнительные промежуточные сетки. Весь пакет вкладывается в каркас и устанавливается на глухой перегородке вдоль аппарата по всей длине.

При необходимости регенераций пакет промывается продуктом, а при необходимости замены, он легко демонтируется и вновь монтируется. Фильтрующе-коалесцирующий пакет устанавливается вдоль аппарата с наклоном фильтрующих слоев под углом оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку.

При расположении пакета вдоль значительно сокращается путь движения эмульгированного потока как в приемной зоне (11) до пакета (6), так и зоне вывода обезвоженного продукта (12) от пакета к патрубку вывода (4), т.к. длина пути стала равна диаметру аппарата.

С целью усиления эффекта коалесценции крупнодисперсной влаги перед пакетом подача эмульсии через распределительное устройство (3) осуществляется преимущественно в направлении стенки корпуса, аппарата. При ударе струй эмульгированного обводненного продукта о стенку корпуса происходит деформация и слияние более крупных частиц водных взвесей и стекание их по стенке в водосборный карман (8). Оборудование аппарата водосборным карманом оптимального объема, который позволяет вынести зону раздела водной и нефтяной фаз из аппарата, необходимо, т. к. в противном случае она будет занимать значительный объем в аппарате. Присутствие ее в аппарате, к тому же, требует жесткого соблюдения условия максимального преобразования турбулентного потока в ламинарный, во избежание перемешивания слоев фаз с нарушением границы четкого раздела, что может привести к замачиванию нижней части влагоотделительного пакета, снижению эффективной площади коалесцирующей фильтрации и эффективности обезвоживания.

Во избежание замачивания нижней части пакета за счет скоалесцированной влаги, которая может скапливаться за пакетом за счет оседания укрупнившихся капель при выдавливании их из структуры пористо-ячеистого пространства при больших скоростях движения потока и стекании водной пленки по наклонной поверхности на выходе из пакета, граница раздела фаз из этой зоны (12) также выносится в водосборный карман, в котором стабильный уровень границы раздела поддерживается с помощью автоматизированного устройства для дренирования (10).

Своевременная эвакуация влаги из нижней части фильтрующе-коалесцирующего пакета, с целью исключения застоя, достигается еще и тем, что нижняя стенка (пластина) каркаса пакета также имеет угол наклона по направлению к вертикальной оси глухой перегородки, способствуя своевременному отводу скоалесцированной влаги из структуры пористого эластичного материала, которая стекает в сторону наклона и эвакуируется в отстойную зону водосборного кармана.

Устройство работает следующим образом.

Обводненная водно-нефтяная эмульсия с различной степенью дисперсности и устойчивости водной фазы поступает через патрубок ввода (2) и распределительное устройство (3) в приемную зону аппарата (11). При ударе струй о стенку корпуса аппарата (1) происходит коалесценция крупнодисперсных водных взвесей. Водная фаза пленкой и крупными каплями окатывается в донную часть аппарата и далее в водосборный карман (8), где происходит разделение водной и нефтяной фаз. Турбулентный поток эмульгированного продукта, в значительной степени преобразованный в ламинарный, поступает на влагоогделительный пакет (6).

При заполнении объема аппарата из пористо-ячеистой структуры материала пакета вытесняется воздух, и благодаря олеофильным свойствам поверхности пористо-ячеистое пространство равномерно заполняется углеводородной средой.

Передний фильтрующий слой пакета, составленный из гидрофобного материала, является коалесцирующей поверхностью для водных взвесей, размер которых превышает размер ячей и пор используемых материалов, и капли воды, укрупняясь, при столкновении между собой скатываются по наклонной поверхности или, срываясь, падают вниз, накапливаясь в отстойной зоне водосборного кармана (8). Высота границы раздела фаз в водосборном кармане контролируется автоматическим средством (9) для своевременного дренирования во избежание перемешивания водной фазы с поступающим обводненным потоком и замачивания нижней части пакета.

Мелкодисперсная взвесь, величина которой соизмерима с размером пор и ячей последующих фильтрующе-коалесцирующих слоев материалов пакета, проходит внутрь пористо-ячеистой структуры. Оптимально подобранная композиция слоев немодифицированных и модифицированных материалов с преимущественно гидрофобной (олеофильной) или гидрофильной высокоэффективной коалесцирующей пористо-ячеистой поверхностью позволяет избежать значительной толщины влагоотделительного пакета. Коалесценция мелкодисперсных частиц водной фазы эмульсии происходит как при соударении частиц при движении внутри ячей и пор гидрофобных слоев, так и в процессе пленочного движения водной фазы, в слоях по развитой гидрофильной поверхности с оттеканием одновременно по наклонным плоскостям слоев пакета внутри, в нижней части и на выходе из пакета. Стекаемая водная пленка и осевшие укрупнившиеся капли накапливаются в водосборном кармане и при четком разделе фаз, водный слой автоматически своевременно выводится при помощи автоматического устройства (10) из водосборного кармана (8), обеспечивая вывод глубоко обезвоженного углеводородного потока. Оптимальная компоновка пакета, с учетом свойств поверхности используемых материалов в композицию и характеристики обводненных потоков углеводородных продуктов или сырья, позволяет исключить капельный вынос влаги с осушенным потоком даже в условиях незначительной длины пути движения его при больших производительностях аппарата.

Увеличение эффективности в условиях интенсификации процесса обезвоживания очевидно на следующем примере. Обводненную нефть пропускали через влагоотделительный пакет, составленный из пористо-ячеистых полимерных материалов с разными свойствами поверхности, набранных в определенной последовательности при оптимальном чередовании, при разном расположении пакета в аппарате без применения деэмульгаторов. Результаты сравнительной оценки приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемое устройство с влагоотделительным пакетом из композиции, набранной в определенной последовательности из немодифицированных и/или модифицированных олеофильных и гидрофильных пористо-ячеистых полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой, стойких в углеводородных средах, при обеспечении максимальной площади фильтрации при расположении пакета вдоль аппарата, с учетом конструкционных особенностей его, позволяет обеспечить высокую эффективность процесса деэмульсации и в значительной степени интенсифицировать эффективный вывод влаги из пакета, при обезвоживании высокопроизводительных непрерывных потоков как нефтяного сырья, так и продуктов нефтепереработки. Максимальное увеличение фильтрующей поверхности позволяет уменьшить толщину фильтрующего слоя, тем самым, снизить гидравлическое сопротивление мелкопористого материала при больших производственных нагрузках по потоку и исключить при этом деформацию эластичного полимера.

Значительное увеличение производительности аппаратов при незначительных габаритах позволяет обеспечить компактность технологических схем крупнотоннажных производств при снижении затрат на металлоемкое оборудование, энергоресурсы, реагентное хозяйство при снижении уровня коррозионной активности обрабатываемых сред.

Формула изобретения

Устройство для разделения эмульсий, включающее цилиндрический горизонтальный корпус, в котором размещен влагоотделительный пакет, составленный из композиции олеофильных и гидрофильных эластичных полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой, уложенных поперечными слоями под углом не ниже угла оттекания жидкости к движущемуся потоку, при расположении влагоотделительного пакета на уровне, превышающем границу раздела фаз, отличающееся тем, что пакет дополнительно содержит пористо-ячеистые материалы с модифицированной для коалесцирующих свойств поверхностью или состоит только из материалов с модифицированной для усиления коалесцирующих свойств поверхностью, а влагоотделительный пакет, опираясь на глухую перегородку, перекрывает рабочее сечение по направлению вдоль аппарата, причем нижняя часть пакета установлена под углом оттекания жидкости к вертикальной оси глухой перегородки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3