Промышленные способы разделения нефтяных эмульсий

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Нефти и Газа

Базовая кафедра химии и технологии природных энергоносителей и углеродных материалов

 

 

 

Реферат

Промышленные способы разделения нефтяных эмульсий

 

 

Преподаватель                    ___________ /  Е. И. Лесик

 

Студенты групп    НБ 12-08   081201833 ___________ /  Е.В. Супчук

   НБ 12-09   081201820 ___________ /  М. Ю. Шевчук

                              НБ 12-09   081204729 ___________ /  Р.Н. Березин

 

 

Красноярск 2015

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….	3
1мПричины образования и свойства нефтяных эмульсий………………….	5
2мСпособы разрушение водонефтяных эмульсий ………………………....	8
2.1 Отстаивание…………………………………………………………	8
2.2 Фильтрация …………………………………………………………	8
2.3 Центрифугирование………………………………………………..	9
2.4 Электрическое воздействие……………………………………….	9
2.5 Термическое воздействие………………………………………….	11
2.6 Деэмульсация……………………………………...........................	11
2.7 Метод предотвращения  образования стойких эмульсий………...	13
2.8 Воздействие электромагнитной  энергии СВЧ……………………	14
Вывод…………………………………………………………………………..	16
Список литературы……………………………………………………………	17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Подготовка нефти на промыслах занимает промежуточное положение среди основных процессов, связанных с добычей, сбором и транспортированием товарной нефти потребителю: нефтеперерабатывающим заводам или на экспорт. От того, как подготовлена нефть в районах её добычи, зависят эффективность и надёжность работы магистрального трубопроводного транспорта. Перекачка вместе с нефтью даже 1-2% балласта (в виде эмульгированных глобул воды и частиц механических примесей) способствует более интенсивному коррозионному износу насосного оборудования, снижает пропускную способность трубопроводов и повышает опасность их порывов. Повышенное содержание воды в нефти, поступающих на переработку, ухудшает качество получаемых из неё продуктов, создаёт проблемы (на НПЗ) борьбы с коррозией, закупоркой теплообменной и нефтеперегонной аппаратуры. При добыче и переработке нефть дважды смешивается с водой, образуя эмульсии: при выходе с большой скоростью из скважины вместе с сопутствующей ей пластовой водой и в процессе обессоливания, т.е. промывки пресной водой для удаления хлористых солей. В результате эффективного разрушения образующихся в производственных процессах нефтяных эмульсий улучшаются свойства нефти и нефтепродуктов, и увеличивается срок службы нефтеперерабатывающих установок. Известно, что количество добываемой эмульсионной нефти увеличивается в зависимости от продолжительности эксплуатации месторождения. Обводнение продуктивных пластов нефтяных месторождений вносит значительные осложнения в технологию механизированной добычи, сбора и подготовки товарной нефти. Эти осложнения связаны с образованием в стволе скважин водонефтяных эмульсий обратного типа, обладающих высокими значениями вязкости и стойкости к разрушению. Образование стойких эмульсий снижает межремонтный период работы скважин. Наряду с этим снижается суточная производительность установок. В гидропоршневых насосных агрегатах формирование стойких эмульсий является причиной повышения давления нагнетания рабочей жидкости в скважинах и усиленного износа трущихся пар забойных насосов из-за снижения качества подготовки рабочей жидкости, вызванного ухудшением процесса отделения механических примесей в высоковязкой эмульгированной среде. Затрудняются сепарация газа и предварительный сброс воды на УПС. Однако наибольший рост энерго- и металлоёмкости в связи с необходимостью разрушения стойких эмульсий имеет место в системах подготовки нефти. Повышенный расход тепла, электроэнергии и реагентов деэмульгаторов, наибольший удельный вес в стоимости деэмульсационных установок в совокупности с отмеченными выше осложнениями являются причиной больших издержек производства и существенного увеличения себестоимости нефти. Совместный подъём пластовых жидкостей в скважинах происходит с одновременным их смешением и диспергированием в насосном оборудовании. Интенсивное перемешивание пластовых жидкостей в рабочих органах насосных установок и последующая адсорбция природных стабилизаторов на межфазной поверхности в подъемнике приводит к тому, что на устье обводненных скважин имеют место агрегативно устойчивые высокодисперсные эмульсии обратного типа. Эмульсии прямого типа обладают уже низкими значениями устойчивости и вязкости системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Причины образования и свойства нефтяных эмульсий

 

Поскольку водонефтяная эмульсия представляет собой неустойчивую систему, тяготеющую к образованию минимальной поверхности раздела фаз, вполне естественно ожидать наличие у нее склонности к расслоению. Однако в реальных условиях эксплуатации нефтедобывающего оборудования во многих случаях образуются эмульсии, обладающие высокой устойчивостью. Это в значительной степени определяет выбор технологии их дальнейшей обработки, а также глубину отделения водной фазы от нефти. Агрегативную устойчивость эмульсий измеряют временем их существования до полного разделения образующих эмульсию жидкостей. В случае эмульсий, полученных из разных нефтей, их устойчивость может составлять от нескольких секунд до года и более. К причинам, обуславливающим агрегативную устойчивость нефтяных эмульсий, относят:

• образование структурно-механического слоя эмульгаторов на межфазной границе глобул;
• образование двойного электрического слоя на поверхности раздела в присутствии ионизированных электролитов;
• термодинамические процессы, протекающие на поверхности глобул дисперсной фазы;
• расклинивающее давление, возникающее при сближении глобул дисперсной фазы, покрытых адсорбционно-сольватными слоями.

Кроме того, устойчивость нефтяных эмульсий зависит от величины глобул воды (ее дисперсности), плотности и вязкости нефти, содержания в ней легких фракций углеводородов, эмульгаторов и стабилизаторов эмульсии, а также от состава и свойств эмульгированной воды.

К естественным стабилизаторам эмульсий относят содержащиеся в нефти асфальтены, смолы, нафтены и парафины, являющиеся природными ПАВ. Кроме того, к ним относят мельчайшие твердые частицы веществ (глина, 10 кварц, соли и т. д.), находящихся в продукции скважин во взвешенном состоянии.

 В зависимости от концентрации дисперсной фазы в эмульсиях их подразделяют на разбавленные или слабо концентрированные (дисперсной фазы менее 20 %), концентрированные (до 74 %) и высококонцентрированные (свыше 74 %). Разбавленные эмульсии с мелкодисперсной структурой обладают высокой стойкостью к разрушению.

В промысловых эмульсиях размер капель дисперсной водной фазы обычно составляет от 0,1 до 250 мкм. Капли более крупного размера могут существовать только в потоке вследствие быстрой седиментации в статических условиях.

Устойчивость большинства нефтяных эмульсий типа "вода в нефти" со временем возрастает. В процессе старения эмульсии на глобулах воды увеличивается слой эмульгатора и, соответственно, повышается его механическая прочность. При столкновении таких глобул не происходит их коалесценции из-за наличия прочной гидрофобной пленки. Для слияния глобул воды необходимо эту пленку разрушить и заменить ее гидрофильным слоем какого-либо ПАВ. Старение эмульсий интенсивно протекает только в начальный период после их образования, а затем заметно замедляется. Особенности старения обратной эмульсии зависят от состава и свойств нефти, пластовой воды, условий образования эмульсии (температура, интенсивность перемешивания фаз). Известно, что пластовая минерализованная вода образует с нефтью более устойчивые и быстро стареющие эмульсии, чем пресная вода.

К основным характеристикам нефтяных эмульсий относят степень разрушения за определенный период времени, эффективную (в ряде случаев структурную) вязкость, средний поверхностно-объемный диаметр эмульгированных капель водной фазы. В совокупности эти параметры отражают интенсивность эмульгирования нефти, ее физико-химические свойства и адсорбцию эмульгатора.

Об интенсивности разрушения эмульсии можно судить по разности между плотностями воды и нефти ∆ρ, а также отношению суммарного содержания асфальтенов (а) и смол (с) к содержанию парафинов (n) в нефти (а+с)/n. Последний показатель предопределяет способ деэмульгирования нефтяных эмульсий. Показатель ∆ρ соответствует движущей силе гравитационного отстаивания. Оба показателя являются качественными характеристиками эмульсий и позволяют разделять их на группы. В зависимости от соотношения плотностей воды и нефти эмульсии классифицируют на трудно расслаиваемые (∆ρ= 0,200-0,250 г/см3), расслаиваемые (∆ρ= 0,250-0,300 г/см3) и легко расслаиваемые (∆ρ= 0,300-0,350 г/см3). По показателю (а+с)/n нефти подразделяют на смешанные ((а+с)/n = 0,951-1,400), смолистые ((а+с)/n = 2,759-3,888) и высокосмолистые ((а+с)/n = 4,774-7,789).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Способы разрушение водонефтяных эмульсий

 

Существуют следующие способы разрушения водонефтяных эмульсий:

• гравитационное холодное разделение (отстаивание);
• фильтрация;
• разделение в поле центробежных сил (центрифугирование);
• электрическое воздействие;
• термическое воздействие;
• деэмульсация;
• воздействие электромагнитной энергии СВЧ;

 

2.1 Отстаивание

 

Применяют при высокой обводненности нефти и осуществляют путем гравитационного осаждения диспергированных капель воды. На промыслах применяют отстойники периодического и непрерывного действия разнообразных конструкций. В качестве отстойников периодического действия обычно используют сырьевые резервуары, при заполнении которых сырой нефтью происходит осаждение воды в их нижнюю часть. В отстойниках непрерывного действия отделение воды происходит при непрерывном прохождении обрабатываемой смеси через отстойник. В зависимости от конструкции и расположения распределительных устройств, движение жидкости в отстойниках осуществляется в преобладающем направлении горизонтально или вертикально.

 

2.2 Фильтрация

 

Для деэмульсации нестойких эмульсий применяют метод фильтрации, основанный на явлении селективной смачиваемости веществ различными жидкостями. Материалом фильтрующего слоя могут быть обезвоженный песок, гравий, битое стекло, стекловата, древесная стружка из осины, тополя и других несмолистых пород древесины, а также металлическая стружка. Особенно часто применяют стекловату, которая хорошо смачивается водой и не смачивается нефтью. Фильтры из стекловаты долговечны.

Фильтрующие вещества должны обладать следующими основными свойствами: хорошо смачиваться водой, благодаря чему глобулы воды прилипают к поверхности фильтрующего вещества, коагулируют и стекают вниз; иметь высокую прочность, которая обеспечивает длительную работу фильтра; иметь противоположный, чем у глобул, электрический заряд. Тогда при прохождении глобулами воды фильтра электрический заряд с поверхности капли снимается, чем снижаются отталкивающие силы между ними. Капли укрупняются и стекают вниз, а нефть свободно проходит через фильтр.

Фильтрующие установки обычно выполняют в виде колонн, размеры которых определяются в зависимости от вязкостных свойств эмульсии и объема обезвоживаемой нефти. Обезвоживание нефти фильтрацией применяют очень редко из-за малой производительности, громоздкости оборудования и необходимости частой смены фильтрующего материала. Фильтрация более эффективна в сочетании с процессами предварительного снижения прочности бронирующих оболочек.

 

2.3 Центрифугирование

 

Производят в центрифуге, которая представляет собой вращающийся с большой скоростью ротор. Эмульсия подается в ротор по полому валу. Под действием сил инерции эмульсия разделяется, так как вода и нефть имеют разные значения плотности.

 

2.4мЭлектрическое воздействие

 

Электрическое обезвоживание и обессоливание нефти особенно широко распространено в заводской практике, реже применяется на нефтепромыслах. Возможность применения электрического способа в сочетании с другими способами (термическим, химическим) можно отнести к одному из основных его достоинств. Правильно выбранные режимы электрической обработки практически позволяют успешно провести обезвоживание и обессоливание любых эмульсий. 
Рассмотрим механизм обезвоживания нефтяных эмульсий в электрическом поле.

В результате индукции капли воды вытягиваются вдоль цепи электрического поля с образованием в вершинах электрических зарядов. Под действием основного и индивидуального полей капли приходят в упорядоченное движение и сталкиваются, что приводит к их коалесценции. При прохождении эмульсии через электрическое поле, создаваемое переменным по величине и направлению током, так же, как и при постоянном токе, капли, имеющие заряд, стремятся к электродам. Однако вследствие изменения напряжения поля капли воды начинают двигаться синхронно основному полю и поэтому все время находятся в колебании. При этом форма капель непрерывно меняется. В связи с этим происходит разрушение адсорбированных оболочек капель, что облегчает их слияние при столкновениях. Установлено, что деэмульсация нефти в электрическом поле переменной частоты и силы тока в несколько раз эффективнее, чем при использовании постоянного тока.

На эффективность электродеэмульсации значительно влияют вязкость и плотность эмульсии, дисперсность, содержание воды, электропроводность, а также прочность адсорбированных оболочек. Однако основным фактором является напряженность электрического поля. В настоящее время электродеэмульсаторы в основном работают на токах промышленной частоты в 50 Гц, реже — на постоянном токе и совсем редко — на токах высокой частоты. Напряжение на электродах деэмульсаторов колеблется от 10 000 до 45 000 В.

2.5 Термическое воздействие

 

Термическое воздействие на водонефтяные эмульсии заключается в том, что нефть, подвергаемую обезвоживанию, перед отстаиванием нагревают до температуры 45-80 0С. При нагревании уменьшается прочность слоев эмульгатора на поверхности капель, что облегчает их слияние. Кроме того, уменьшается вязкость нефти и увеличивается разница плотностей воды и нефти, что способствует быстрому разделению эмульсии. Подогрев осуществляют в резервуарах, теплообменниках и трубчатых печах.

 

2.6 Деэмульсация

 

Деэмульсацию проводят посредством добавления в эмульсию химического реагента - деэмульгатора. Это позволяет разрушать эмульсию в трубопроводе, что снижает ее вязкость и уменьшает гидравлические потери. Для каждого состава нефти подбирают свой наиболее эффективный деэмульгатор, предварительно оценив результаты отделения пластовой воды в лабораторных условиях. Любое органическое вещество, обладающее моющими свойствами, может с той или иной эффективностью использоваться в качестве деэмульгатора. Существует большое количество деэмульгирующих композиций для обезвоживания и обессоливания водонефтяных эмульсий на основе алкилбензосульфоната кальция и алкансульфоната натрия, азотсодержащих соединений, блоксополимера окисиэтилена и пропилена, а также глутарового альдегида, продуктов оксиалкилирования с подвижным атомом водорода и метилдиэтилалкоксиметилом аммония метилсульфатом.

Высокоэффективные деэмульгаторы, применяемые на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах для обезвоживания и обессоливания нефти, содержат смесь ПАВ различных структур и модификаций, которые, как  правило, являются синергистами (действующими вместе).

Теории, объясняющие механизм действия деэмульгаторов, разделяют на две группы:

• физическая, предполагающая протекание физической адсорбции молекул деэмульгатора на коллоидных частицах, разрыхляющее и модифицирующее действие деэмульгаторов на межфазный слой, которое способствует вытеснению и миграции молекул (частиц) стабилизатора в ту или иную фазу;
• химическая, основанная на предположении о преобладающей роли хемосорбции молекул деэмульгатора на компонентах защитного слоя с образованием прочных химических связей, в результате чего природные стабилизаторы нефти теряют способность эмульгировать воду.

Согласно общепринятой в настоящее время теории, разработанной под руководством академика П.А. Ребиндера, при введении ПАВ в нефтяную эмульсию на границе раздела «нефть – вода» протекают следующие процессы.

 ПАВ, обладая большей  поверхностной активностью, вытесняет  природные стабилизаторы с поверхности  раздела фаз, адсорбируясь на  коллоидных или грубодисперсных  частицах природных стабилизаторов  нефтяных эмульсий.

Молекулы деэмульгаторов изменяют смачиваемость, что способствует переходу этих частиц с границы раздела в объем водной или нефтяной фаз. В результате происходит коалесценция (слияние частиц внутри подвижной среды или на поверхности тела).

Таким образом, процесс разрушения нефтяных эмульсий является в большей степени физическим, чем химическим и зависит от:

• компонентного состава и свойства защитных слоев природных стабилизаторов;
• типа, коллоидно-химических свойств и удельного расхода применяемого деэмульгатора;
• температуры, интенсивности и времени перемешивания нефтяной эмульсии с деэмульгатором.

Технологический эффект применения деэмульгатора заключается в обеспечении быстрого и полного отделения пластовой воды при его минимальном расходе.

Как правило, подбор высокоэффективного, оптимального для конкретной водонефтяной эмульсии деэмульгатора осуществляют эмпирически. Это обусловлено тем, что в зависимости от технологии добычи и подготовки нефти, ее химического состава, физико-химических свойств и обводненности, минерализации пластовой воды, наличия в ней механических примесей и других факторов, к деэмульгатору предъявляются специфические требования.

Кроме того, проблема подбора оптимального деэмульгатора возникает вследствие роста обводненности нефти и изменения состава стабилизаторов водонефтяной эмульсии. Последнее обусловлено применением химических реагентов для повышения нефтеотдачи пласта, обеспечения его гидроразрыва, а также для защиты промыслового оборудования от АСПО.

 

2.7 Метод предотвращения образования стойких эмульсий

 

На нефтегазодобывающих предприятиях нашел также применение метод предотвращения образования стойких эмульсий (метод искусственного увеличения обводненности нефти). Сущность метода заключается в возврате на прием насоса некоторой части добываемой воды, расслоившейся в отстойной расширительной камере или в поле центробежных сил. Избыток водной фазы, образовавшейся в насосе, приводит к переходу водонефтяной смеси из одной структуры потока в другую. Вязкость образовавшейся прямой эмульсии в десятки и сотни раз меньше вязкости обратных эмульсий. В соответствии с этим резко снижается и стойкость прямых эмульсий, что создает благоприятные условия для отделения водной фазы и возвращения некоторого ее объема на прием насоса. Подачу оборотной воды на прием насоса можно осуществить самоподливом в затрубное пространство скважины, без применения дополнительных перекачивающих органов.

Метод самоподлива предполагает потерю производительности установки за счет рециркулируемой части водной фазы. Однако многократное снижение вязкости нефти в колонне труб позволяет существенно увеличить коэффициент подачи установок, что не только компенсирует потерю, но и в ряде случаев повышает производительность насосов.

 

2.8 Воздействие электромагнитной энергии СВЧ

 

Воздействия электромагнитной энергии СВЧ диапазонов длин волн широко развиваются и используются в технологических процессах в настоящее время. Области использования энергии СВЧ возрастает с каждым годом, к ним относится сушка различных материалов, обеззараживание отходов, стерилизация, пастеризация, размораживание пищевых продуктов, приготовление пищи и переработка сельскохозяйственной продукции, а том числе кормов, утилизация пищевых и животноводческих отходов, производство строительных материалов, производство и переработка продуктов нефтехимической промышленности и т.д.

Интерес к научным исследованиям и внедрению их в промышленность объясняется рядом преимуществ СВЧ технологий, некоторые из которых невозможно реализовать, применяя традиционные способы обработки материала. СВЧ технологии реализуют экологически чистые процессы, быстродейственны и энергоэкономичны, предоставляется возможность локального воздействия на материал.

Первыми областями применения СВЧТК следует считать радиолокацию. Использование СВЧ колебаний в радиолокации к настоящему времени подробно изучено, и по этому вопросу имеется большое количество публикаций.

Одним из важнейших показателей эффективности использования энергоносителей являются энергозатраты на выработку единицы продукта. К сожалению, по этому параметру Россия сильно отстает от передовых промышленных стран. СВЧ комплексы относятся к числу энергосберегающих, и их внедрение способствует уменьшению энергозатрат на единицу продукта.

Для оценки эффективности внедрения СВЧТК необходимо изучить структуру энергетики. Электроэнергия СВЧТ для нашей страны составила 20% всего энергопотребления. Необходимо отметить, что эта структура не является оптимальной и в развитых странах доля электроэнергии СВЧТ значительно выше. Поэтому можно сделать заключение, что если значительная часть электроэнергии будет использоваться в виде СВЧ энергии, то СВЧТ могут внести существенный вклад в программу энергосбережения вообще.

В настоящее время актуальным вопросом в нефтегазодобывающей промышленности является подготовка нефти к транспортировке. Одним из этапов обработки водонефтяной эмульсии (ВНЭ) является её нагрев. СВЧ нагрев имеет значительные преимущества перед традиционными способами. В отличие от классических методов, нагрев с помощью СВЧ-генератора глобул воды в эмульсии происходит не со стороны дисперсионной среды, а изнутри за счет вращения, трения непосредственно молекул воды. Таким образом, стабилизирующий слой дополнительно прогревается с внутренней стороны, со стороны воды. Видимо, это вносит определенный вклад в положительное воздействие микроволн на процесс обезвоживания нефти. Поэтому проектирование и создание СВЧК обработки ВНЭ является актуальной научно-технической задачей.

 

 

Вывод

 

Свойства водонефтяных эмульсий  в значительной степени зависят от физико-химических свойств составляющих их жидкостей, присутствия в них естественных эмульгаторов, интенсивности перемешивания, способа добычи нефти, условий эксплуатации нефтяного месторождения и так далее. Нефти различных месторождений способны к образованию стойких эмульсий, для разрушения которых требуется применение специальных методов, и нестойких, которые легко расслаиваются на составляющие нефть и воду.

Для разрушения эмульсии в процессах обезвоживания и обессоливания нефти широкое применение, совместно с отстоем, нашли перечисленные выше меры воздействия на эмульсию. При этом обычно применяют одновременно несколько мер воздействия. Такое комбинированное сочетание ряда факторов воздействия на эмульсию обеспечивает быстрое и эффективное ее расслоение. Так, при обезвоживании нефти на промыслах методом так называемого „трубного деэмульгирования” используют в присутствии деэмупьгатора гидродинамические эффекты, возникающие при турбулентном движении эмульсионной нефти по транспортным трубопроводам, успешно сочетая их с отстоем в трубопроводах с ламинарным движением жидкости. Аналогично при обезвоживании нефти термохимическим способом сочетают с отстоем подогрев эмульсионной нефти и подачу в нее деэмульгатора. На электрообессоливающих установках, на которых процесс проводится при малом времени пребывания нефти в аппаратуре и где для достижения высокой степени обессоливания требуется обеспечение большой глубины обезвоживания нефти, комбинируют термохимический способ с электрическим, сочетая четыре фактора воздействия на эмульсию: подогрев, подачу деэмульгатора, электрическое поле и отстой в гравитационном поле.

 

Список литературы

 

1. Левченко, Д.Н. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения. - М., Издательство «Химия», 1967 г. – 200с.
2. Позднышев, Г.Н. Стабилизация и разрушение эмульсий. - М., Недра, 1982. – 222 с.
3. Шайдаков, В.В. Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем: Инкомп-нефть. - 23 с.
4. Э-Хим Чистая химия. URL: http://e-him.ru/?page=dynamic&section=9&article=1305(дата обращения: 09.06.2015)