Нефтеперерабатывающие заводы в качестве исходного сырья получают продукты добычи скважинных месторождений. В основном это нефтегазовые ресурсы, которые извлекаются в виде эмульсии с примесями и минеральными солями. Без предварительной очистки такие смеси могут навредить технологическому оборудованию даже на ранних этапах переработки сырья, поэтому применяются методы обезвоживания и обессоливания нефти, которые по эффектам можно сравнить с фильтрацией.
Общие принципы технологий обезвоживания и обессоливания
Смесь нефти и попутных примесей, как правило, формируется из нескольких видов жидкостей, которые могут включать и твердые частицы. В простейших эмульсиях водный компонент размешивается с сырой нефтью тонкими каплями по молекулярной структуре. Надо отметить, что процессы обезвоживания и обессоливания нефти могут быть связаны не только с естественным загрязнением и разбавлением целевого продукта в скважине и в ходе добычи. Технология эрлифтной эксплуатации скважин предусматривает намеренное разбавление ресурса с целью его извлечения на поверхность под внутрискважинным давлением. В качестве активных поднимающих сред может выступать воздух или углеводородные газы, поэтому дальнейшая очистка нефти является обязательной технологической мерой подготовки ресурса. Другое дело, что низкое содержание кислорода при эрлифтной методике облегчает процесс сепарации сырья.
Наиболее же распространенное применение технологий очистки нефти связаны с отделением соли и воды на молекулярном уровне. В частности, к простейшим технологиям обессоливания нефти можно отнести воздействие электростатического поля, создаваемое электродами с трансформаторным питанием под напряжением 12-25 кВ. Электростатическое поле заставляет молекулы воды двигаться, сталкиваться и слипаться друг с другом. По мере накопления объема жидкости появляется возможность ее отстаивания с последующим отделением от нефтяной фазы. Это один из общих принципов работы методов обезвоживания и обессоливания, но также широко применяются технологии, предполагающие добавление различных активных компонентов, ускоряющих и оптимизирующих процессы сепарации.
Сырая нефть и ее характеристики
В неочищенной добытой нефти также присутствуют натуральные эмульгаторы с диспергированными примесями и минерализованными хлоридами. В некоторых случаях в зависимости от технологии разработки скважины могут сохраняться и газовые компоненты – летучие и неорганические. Все эти составляющие относятся к активным и могут рассматриваться как обязательные для сохранения или нежелательные – их статус определяется требованиями к конечному продукту и на этапах переработки определяет перечень допустимых способов обезвоживания и обессоливания нефти, которая будет также влиять и на выбор оборудования нефтеперерабатывающих заводов. То есть даже некоторые из полезных компонентов могут нанести вред технологическим узлам, поэтому на определенных этапах переработки их также исключают, после чего вводят обратно.
Процесс обезвоживания считается одним из базовых. Его реализуют посредством разрушения водно-нефтяной среды с подключением деэмульгаторов, которые в ходе адсорбции на границе разделения фаз расслаивают капли жидкости в нефти. В качестве активного компонента должен применяться состав, который и сам по себе легко будет отделяться от целевого продукта. Например, применяемые для обезвоживания и обессоливания нефти деэмульгаторы никак не влияют на свойства очищаемого сырья и не вступают в реакции с водой. Это синтезированные соединения, которые также инертны к оборудованию и экологически безвредны. Деэмульгаторы из группы нефтерастворимых легко смешиваются с нефтесодержащими эмульсиями и в то же время плохо вымываются водой. Существуют и органические неэлектролитные деэмульгаторы, к особенностям которых относят растворяющую функцию относительно эмульгаторов нефти. В результате химического воздействия также снижается вязкость сырья.
Обоснование необходимости обессоливания нефти
Целесообразность задачи снижения концентрации солей в сырой нефти выходит далеко за рамки вреда, который наносят оборудованию процессы коррозии. Надо учитывать, что в производственных процессах и снабжении транспортной инфраструктуры используются нефтяные продукты с определенными наборами физико-химических свойств, устанавливаемых жесткими регламентами. Поэтому обессоливание нефти в принципе является вполне рациональной процедурой – другое дело, что могут применяться разные технологии выполнения этой задачи, не говоря о различиях в степени снижения концентрации. Например, в сферах, где планируется консервация воды, может вводиться процесс двухступенчатого обессоливания.
Какими способами варьируют подходы к регуляции содержания соли? Это зависит от базовой методики. Так, в электротехнических способах будут иметь значение параметры тока, а в рамках химической обработки для обезвоживания и обессоливания нефти используют широкий массив активных веществ, которые изначально по-разному влияют на содержание тех или иных элементов. Преимущественно это те же химикаты из общей группы деэмульгаторов, которые вводятся в эмульсию с определенными условиями. К примеру, для обеспечения плотного смешивания вещества с нефтесодержащим сырьем оно должно направляться вверх по потоку на нормативном расстоянии от промывочного резервуара или зоны сепарации.
Подогрев нефтяного сырья
Одно из подготовительных мероприятий, целью которого является создание достаточного температурного режима для эффективного выполнения процесса обессоливания. Для чего это нужно? У подогрева есть две базовых задачи:
- В условиях высокой температуры водные частицы движутся с более высокой скоростью, что делает активнее процесс слияния молекул в единую структуру. Соответственно, повышается процесс обессоливания нефти, из которой выводятся крупные водяные соединения.
- Понижение вязкости также является следствием температурной регуляции. Вязкость как таковая указывает на способность жидкости к сопротивлению потоку. Если же этот показатель снижается, то инородные компоненты легче выводятся, так как им противодействует меньшая сила препятствия.
Но какой именно температурный режим будет оптимальным для нефтяной эмульсии с точки зрения положительного влияния на дальнейшие процессы сепарации? Конкретный показатель устанавливается с учетом характеристик конкретного образца. Например, для легких маловязких эмульсий в целях предотвращения кипения нефтяной фазы используют умеренные средние температуры, а для углеводородных тяжелых смесей есть смысл повышать планку термического воздействия. В большинстве же случаев за оптимальный режим для обессоливания берется температура нагрева от 100 до 120 °C. Повышенным считается режим до 140 °C.
Химическая обработка нефти
Обработка или разрушение эмульсионной структуры данным способом также требует специальной подготовки. В частности, химические методы обезвоживания и обессоливания нефти выполняются при соблюдении следующих физических условий:
- Для обеспечения контакта нефтяной составляющей и активного вещества должна быть предварительно разрушена межфазная пленка. Это позволит внести в эмульсию необходимый для дальнейшего процесса деэмульгатор.
- Должно быть обеспечено достаточное количество столкновений диспергированных частиц воды за определенный промежуток времени. Иными словами, путем помешивания или за счет вращательного воздействия на содержимое эмульсии искусственно повышается активность дестабилизированных водных частиц.
- Выдержано время оседания, в течение которого крупные водные частицы сформируют осадок на фоне коагуляции.
С этого момента можно приступать к подготовке эмульсии к процессу обессоливания нефти путем подогрева. Все положительные свойства увеличения температуры нефтяной фазы действуют при химическом способе сепарации, но важно учитывать и ограничения, так как чрезмерное повышение температуры может привести к негативным последствиям. В некоторых сепарационных установках при неверной оценке температуры происходит испарение нефти на фоне снижения плотности вещества и потери объема. В целях предотвращения подобных эффектов на многих предприятиях для подстраховки применяются более низкие температуры нагрева. В качестве компенсации недостатка тепловой энергии используют больший объем деэмульгатора и оборудование с более высокой мощностью.
Электродегидраторы для обессоливания нефти
В простейших схемах реализации электромеханических процессов отделения соли и воды от нефтяного продукта используют электродегидраторы. Это многофункциональное оборудование, выполняющее несколько поэтапных задач, среди которых нагрев, электрическое воздействие, сепарация и отстойник. Горизонтальные электродегидраторы для обезвоживания и обессоливания нефти базируются на резервуаре, в котором происходят одно- или двухступенчатые процессы сепарации. Модели с функцией нагрева (термосепараторы) также содержат в основе конструкции емкость, но дополненную входной нагревательной секцией.
Электромеханические дегидраторы имеют в конструкции коалесцирующие узлы, электростатические решетки и ту же нагревательную аппаратуру. Отличительной чертой этой модификации можно назвать реализацию коалесцирующих устройств, предназначенных для работы с фазами в формате жидкость/жидкость. Данный тип электродегидратора для обессоливания нефти применяется в обслуживании проблемных эмульсий.
В общей технологии применения электромеханических дегидраторов заключительным этапом является осадительная процедура. В ее рамках обслуживается разделенный поток нефти, при движении которого обеспечивается газовыделение и нормируются температурные показатели.
Принцип действия электродегидратора
При вхождении сырой нефтяной компоненты в электрическое поле водяные молекулы с отрицательным зарядом начинают движение, принимая грушевидную форму капель, обращенных к плюсовому электроду. На пути стремления к последнему, капли сталкиваются и формируют крупную фракцию, готовую к дальнейшему осаждению и сепарации. Сложность заключается в том, что одного цикла обработки эмульсии будет недостаточно для отделения воды и соли. Хотя соли естественно растворяется в водной среде, при высокой концентрации полностью их вывести невозможно. Для более эффективной очистки в смесь может дополнительно вноситься пресная вода, которая по мере нескольких циклов электрического воздействия будет вымывать солевую часть. Наряду с электрообработкой установка обессоливания нефти с дегидратором производит осаждение (функция отстойника). Для этого применяется опциональная оснастка, которая может иметь разные формы, габариты и вспомогательные инструменты контроля процесса.
Хотя электродегидраторы представляют собой технологически сложное и дорогостоящее оборудование, их все чаще используют не только крупные, но и небольшие нефтеперерабатывающие заводы. Такая востребованность объясняется следующими преимуществами агрегатов:
- Экономия. Как показывает практика, и по затратам на расходные материалы, и по энергопотреблению электродегидраторы являются наиболее выгодным решением для сепарации нефти в своем классе.
- Эргономика. Это относительно новое оборудование, поэтому его конструкция уже в первых поколения разрабатывалась с акцентом на современные формы управления с автоматикой и электронными пультами диспетчерского контроля.
- Качество обработки. Продуманная конструкционная система вкупе с широкими возможностями применения химических катализаторов обеспечивает практически лабораторное качество подготовки нефти к самым разным технологическим процессам на ответственных производствах.
- Высокая степень надежности техники. В составе предусматриваются защитные устройства с автоматикой, которые по заложенным алгоритмам контролируют технологические операции с незначительным риском ошибки. Функции персонала при этом сводятся к минимуму, а в высокотехнологичных версиях заменяются интеллектуальными системами управления.
Комплексная сепарация нефтяной эмульсии
Если электродегидраторы используются конкретно для задач отделения чистой нефти от воды и солей, то промышленные сепараторы в комплексе реализуют функцию разделения эмульсии на составляющие. Например, при тестировании скважины необходимо по извлеченной пробе получить общий анализ твердого слоя в забое. В данных мероприятиях обессоливание нефти можно рассматривать как косвенную задачу наряду с определением концентрации железа или магния, но от этого польза сепаратора не уменьшается. Дело в том, что нефтеперерабатывающие компании на практике сами заинтересованы не столько в точечном выводе соли из целевого продукта, сколько в комплексной его подготовке для дальнейшего применения. В этом смысле исключения твердых примесей наряду с обезвоживанием и обессоливание только приветствуется.
Высокопроизводительные сепараторы также работают с обеспечением вводно-грязевых и газовых отстоев. Такие установки применяются для обессоливания воды на объектах подготовки нефти для потребляющих предприятий с конечным циклом производства. То есть на выходе должна получаться товарная чистая нефть, характеристики которой позволяют ее использовать в качестве топлива или других материалов. Например, сепаратор подготавливает нефтяную эмульсию с характеристиками, допускающими производство битума, смазочных материалов, синтетической резины и т. д. Столь высокое качество нефти получается за счет прохождения нескольких этапов обработки, среди которых газоочистители, коагуляторы, промывочные баки, термические сепараторы и другие функциональные блоки в разных конфигурациях.
Технология глубокого обессоливания
Недостаточность обессоливания нефтяной эмульсии также сказывается на состоянии технологического оборудования и качестве конечной продукции. Поэтому для требовательных производителей перерабатывающие предприятия выпускают продукцию, прошедшую глубокую сепарацию. В данном случае оборудование для обессоливания нефти снижает количество солей до 3-5 мг/л. Каким образом достигается такой результат? Использоваться могут разные технологии, но оптимальным считается комбинированный электротермохимический способ.
Достичь высоких показателей глубокой сепарации можно при комплексной очистке с подключением разноплановых методов выведения солей в водной среде. При этом должно обеспечиваться интенсивное осаждение в промывочной жидкости при сильном воздействии электротока. Что касается химического способа, то и он подключается в виде добавления активных деэмульгаторов.
Еще один способ обеспечения глубокого обессоливания – гидромеханический. В данном случае не применяются химические и электрические воздействия. Упор делается на гравитационной функции, которая способствует естественному отслоению водной среды от нефти. Блок обессоливания в такой схеме представляет собой цилиндрический отстойник с емкостью 100 – 150 м3. В нем предусматриваются зоны для разделения фракций, в которых под давлением до 1,5 МПа происходит перетекание жидкостей. Также поддерживается и температурный режим от 120 до 140 °С, способствующий процессам разделения сред.
Технология воздействия поля AC-Direct
Этот метод также называют полем постоянного/переменного тока. То есть он полностью строится на электрическом воздействии, обеспеченном выпрямителем в трансформаторе. В условиях действия постоянного тока электростатическая решетка обретает полярность (отрицательную или положительную), что способствует движению водных молекулы в направлении электрода. В результате взаимного притяжения молекул друг к другу образуется водный пласт, который выводится по наиболее удобной схеме.
Сложность применения электротехнической установки для обезвоживания и обессоливания нефти заключается в том, что процесс коалесценции водной среды предполагает риски короткого замыкания. Связано это с тем, что отрицательные и положительные электроды могут контактировать между собой из-за образующихся мостов при движении водных частиц. Данный негативный фактор устраняется триодным тиристором, но лишь в виде частичного снижения вероятности замыкания. В обработке тяжелой нефтяной фракции технология AC-Direct не допускается или ограничивается и по другим причинам. В таких средах даже при тепловом воздействии активность водных молекул не столь активна, что в принципе снижает интенсивность и общее качество процесса сепарации.
Так или иначе, сама методика электрического воздействия имеет преимущество перед другими способами как наиболее практичная, удобная в применении и нетребовательная в части технической организации. Сложности вызывают лишь требования к обеспечению безопасности процесса, что выражается в необходимости использования предохранительных блоков, узлов предотвращения короткого замыкания, стабилизаторов напряжения и т. д.
Дополнительный функционал обессоливателей
Поскольку на нефтедобывающих предприятиях и перерабатывающих заводах очистка нефти обычно сопрягается с целым рядом других технологических операций, сепарационное оборудование обеспечивается и набором вспомогательных возможностей, в числе которых:
- Контрольно-измерительные функции. Применяются как обязательные, так и второстепенные опциональные средства измерения. Например, манометры, гидростатические аппараты, мультиметры, дозиметры и т. д. В химических установках обессоливания нефти также используются специальные устройства для определения вида и количества деэмульгаторов.
- Промывочно-очистные операции. Функция относится к системам самообслуживания – после откачки переработанной нефти активизируется промывка резервуара и каналов, обеспечивающих транспортировку эмульсии.
- Средства управления питанием. В электроустановках, как уже говорилось, изменение параметров тока влияет на качество процессов обессоливания нефти, поэтому коррекцию источника энергоснабжения можно рассматривать и как регуляционную рабочую функцию. Для этого используются специальные панели управления, подключенные к амперметрам, вольтметрам и преобразователю тока.
Комплексная установка для обессоливания
На крупных предприятиях нефтепереработки, где процессы очистки и сепарации выполняются с движимым в потоке сырьем, используются специальные агрегаты на флотационных и центробежных принципах работы. Мощности установки поточного обессоливания нефти «УПОН» позволяют обрабатывать до 500 м3/ч сырого материала, обеспечивая уровень солености до 3 г/м3. Однако для поддержания высоких показателей сепарации необходимо соответствующее давление в контуре подачи нефти. Для этого применяются отдельные или встроенные компрессорные установки. Так, средние показатели давления на входе в перерабатывающую линию составляют 1,1-1,5 МПа.
В условиях реализации упрощенной схемы при одноступенчатом смешивании эмульсию предварительно разбавляют с водой, после чего смесь направляется к смесительному клапану и попадает в блок для сепарации. Посредством приемного трубопровода установка поточного обессоливания нефти распределяет подготовленный раствор по всей длине сепарационного сосуда, что позволяет эффективно разделять фракции. В ходе механического разделения может происходить и электростатическое воздействие. На заключительном этапе уже очищенная нефть выпускается в общий канал циркуляции с направлением на следующий технологический этап переработки или временного содержания. Надо отметить, что качество поточного обессоливания довольно низкое из-за исключения функции отстойника, однако в некоторых сферах требования высокой производительности при подготовке нефтепродукта на первое место ставят именно скорость обработки.
Системы дополнительной очистки от шлама
Большинство дегидраторных и сепараторных установок по умолчанию предусматривают выполнение этапа грубой фильтрации с дренажем шламового компонента. Данную процедуру не стоит путать с очисткой от примесей, так как шлам является побочным эффектом нефтедобычи и может навредить системам тонкой очистки сырья на первых же этапах обработки. Поэтому еще до процессов обессоливания нефти выполняется удаление тяжелых примесей. Под шламом в данном случае понимают осадки горных пород, песок и другие крупнофракционные частицы, попавшие в эмульсию на разных стадиях эксплуатации скважины месторождения.
Как выполняется очистка от шлама? Предусматривается несколько процессов удаления, но все они основываются на механических способах фильтрации с дренажом и промывкой. В промышленных установках обезвоживания и обессоливания нефти к этим процессам подключается нагнетатель давления на 4 Бар и выше. В редких случаях шлам подвергается тепловой и химической обработке – это касается особых устойчивых составов, дренажная обработка которых неэффективна.
Заключение
Задачи подготовки нефти к основным процессам технологической переработки для последующего использования в производственном секторе решаются разными средствами и методами. Технологии обезвоживания и обессоливания выполняют далеко не самые важные операции этого спектра, но и без них обойтись нельзя. Современная промышленность старается применять более оптимизированные и энергоэффективные методы решения задач сепарации, что проявляется в подключении новых высокотехнологичных установок. В частности, современные поколения аппаратов для обезвоживания и обессоливания нефти активно развиваются в направления повышения функциональности и эргономики. Об этом свидетельствует появление саморегулируемых трансформаторов и высокоточных измерительных датчиков, позволяющих держать под контролем все основные параметры процесса очистки. Не остаются без внимания и системы обеспечения безопасности. И при химических методах сепарации, и в применении электродегидраторов используются изолирующие и предохранительные средства защиты как самого оборудования, так и операторов, участвующих в процессах технологической обработки нефти.
