Способ обработки нефти и устройство для его осуществления

 

Изобретения относятся к нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и могут быть использованы для интенсификации тепло- и массообменных процессов. Способ включает обработку нефти низкочастотными акустическими колебаниями вибрационными затопленными струями и гидроударами с частотой, равной собственной частоте вибрационных затопленных струй и амплитудой, обеспечивающей перевод объема среды в виброкипящее состояние. Устройство содержит корпус, вибровозбудитель, перфорированные перегородки и насадки, поршни с мембранами и газовый сепаратор. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.,1 табл.

Изобретение относится к нефтегазовой, нефтеперерабатывающей нефтехимической промышленности и может быть использовано для обработки устойчивых водонефтяных эмульсий с целью обезвоживания нефти, для снижения вязкости нефти при ее транспортировке по трубопроводам, а также для подготовки нефти к ректификации.

Наиболее близким к предложенному является способ обработки нефти, включающий подачу нефти в рабочую камеру, обработку ее в рабочей камере механическими колебаниями и отвод нефти [1] Способ осуществляют в известном устройстве, содержащем корпус, подводящее и отводящее нефть приспособления, вибровозбудитель с мембраной [1] Данное устройство обладает производительностью и эффективностью, вызванной обработкой нефти в ограниченном и локализованном объеме, т.е. в объеме, прилегающем к излучению колебаний, и имеет большую энергоемкость.

Целью изобретения является увеличение производительности и эффективности обработки нефти, снижение энергоемкости и материалоемкости, а также расширение областей применения предлагаемого технического решения в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности, т.е. создание унифицированного способа и устройства, значительно снижающих затраты на приобретение и эксплуатацию разных типов оборудования. Указанная цель достигается за счет воздействия на нефть интенсивных низкочастотных акустических колебаний, вибрационных затопленных струй и гидроударов, приводящих к разрушению структуры устойчивых водонефтяных эмульсий и, как следствие, к освобождению иммобилизационной и физически связанной воды, разрушению надмолекулярных связей, механохимической деструкции макромолекул органического вещества, изменению реологических характеристик нефти и ее фракционного состава.

Способ обработки нефти подачу нефти в рабочую камеру, воздействие на нее механических колебаний и отведение нефти, нефть обрабатывают низкочастотными акустическими колебаниями, вибрационными затопленными струями и гидроударами по всему объему рабочей камеры, при этом частоту колебаний устанавливают равной собственной частоте формируемых при этом вибрационных затопленных струй, амплитуду колебаний увеличивают до возникновения характерного виброкипящего состояния объема нефти, а вибрационные затопленные струи направляют на жесткие перегородки и осуществляют их резкое торможение.

Устройство для обработки нефти содержит корпус, приспособление для подвода и отвода нефти; излучатель механических колебаний. Корпус снабжен неподвижно установленными перфорированными перегородками, двумя поршнями с мембранами, соединенных друг с другом центральным штоком, на котором закреплены перфорированные насадки, циркуляционной трубой, соединенной с корпусом и с газовым сепаратором, при этом оси отверстий смежных перегородок и насадок смещены относительно друг друга и перегородки с насадками установлены друг относительно друга на расстоянии, меньшем или равном длине вибрационных затопленных струй.

Воздействие на нефть низкочастотными акустическими колебаниями, вибрационными затопленными струями и гидроударами по всему объему рабочей камеры обеспечивает разрушение структуры водонефтяных эмульсий, разрушение надмолекулярных связей, механохимическую деструкцию макромолекул, изменение реологических характеристик нефти и ее фракционного состава, причем интенсивность протекания этих процессов управляется амплитудой и частотой воздействия, а также ее длительностью. Устройство обеспечивает равномерную обработку всего объема нефти при минимальных энергетических и материальных затратах, т.к. в устройстве энергия тратится только на совершение полезной работы и не расходуется на преодоление гидростатического давления, при этом за счет дегазации нефти осуществляется отделение газа от нефти с целью дальнейшего его использования. Использование резонансных свойств обрабатываемого объема нефти также повышает эффективность воздействия и снижает энергоемкость процесса.

На фиг. 1 представлено устройство в разрезе, на фиг.2 разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 разрез Б-Б фиг. 1.

Устройство содержит корпус 1, подводящее нефть приспособление 2, отводящее нефть приспособление 3, вибровозбудитель 4, нижний поршень 5 с мембраной 6, центральный шток 7, верхний поршень 8 с мембраной 9, неподвижные перегородки 10 с выполненными в них отверстиями 11, насадки 12 с выполненными в них отверстиями 13, газовый сепаратор 14 с газоподводящим патрубком 15, внутренним полым цилиндром 16, газоотводящим коллектором 17 с задвижкой 18, перфорированной перегородкой 19 и возвращающим патрубком 20 с воронкой 21. Подводящее приспособление 2 выполнено в виде тороида 22 с перфорированной или щелевидной внутренней поверхностью 23.

Устройство работает следующим образом. Исходная нефть под давлением через приспособление 2 подается в корпус 1 и заполняет весь его объем, при этом в корпусе устанавливается давление, равное давлению в подводящем приспособлении 2, например 9 х 10⁵ н/м² (0,9 МПа). Это давление действует с равной силой на поршень 5 с мембраной 9, при этом силы давления направлены противоположно и посредством штока 7 компенсируют друг друга. Таким образом, поршни 5 и 8 с соответствующими мембранами 6 и 9, приводимые в колебательное движение вибровозбудителями 4 и штоком 7, нагружены не на гидростатическое давление, а на массу нефти, заполняющей корпус 1. Это значительно снижает необходимую амплитуду толкающей силы и уменьшает до минимума затраты энергии на возбуждение колебаний. Сопротивление колебательному движению поршней 5 и 8 определяется только инерционностью массы нефти и сопротивлением отверстий 11 и 13 перегородок 10 и насадок 12.

Колебательное движение поршня 5 с мембраной 6, штока 7 с насадками 12 и поршня 8 с мембраной 9 трансформируется в низкочастотные акустические колебания нефти и вибрационные затопленные струи, которые формируются отверстиями 11 и 13 перегородок 10 и насадок 12.

При действии низкочастотных акустических колебаний в зоне расположения тороида 22 дважды за период происходит локальное падение давления в силу закона Бернулли, т.к. при движении поршня 5 вверх и вниз максимальная скорость колебаний развивается в месте сужения потока. Падение давления способствует дополнительному засасыванию нефти патрубок 2 и совместно с активным сопротивлением перфораций (или щели) боковой поверхности 23 тороида 22 препятствует передаче пульсаций давления по подводящему приспособлению 2.

Под действием низкочастотных акустических колебаний происходит разрушение структуры водонефтяной эмульсии с образованием двух трудносмешиваемых фаз нефти и воды. Обработанная эмульсия удаляется из корпуса 1 через отводящее приспособление 3 и подается на отделение нефти и воды.

В случае высоковязких водонефтяных эмульсий, в случае обработки нефти с целью разрушения ее надмолекулярной структуры, а также в случае обработки нефти с целью деструкции макромолекул, т.е. в случае, когда необходимы высокие интенсивные воздействия, низкочастотные акустические колебания возбуждаются на частоте, равной собственной частоте колебаний вибрационных затопленных струй.

Возбуждаемые поршнями 5 и 8 с мембраной 6 и 9 низкочастотные акустические колебания отверстиями 11 неподвижных перегородок 10 трансформируются в вибрационные затопленные струи так же, как и колебания насадок 12 трансформируются отверстиями 13 в вибрационные затопленные струи. При движении обрабатываемой среды через отверстия 11 и 13 происходит резкое увеличение скорости, т.к. площадь поперечного сечения соответствующих отверстий меньше площади поперечного сечения корпуса 1 и в силу закона Бернулли давление в струях резко падает. Падение давления приводит к выделению из нефти растворенного и свободного газа. При снижении давления до уровня давления насыщенных паров соответствующих углеводородных компонентов нефти происходит их испарение с образованием микро- и макропузырьков. Достаточно быстро среда насыщается пузырьками и ее сжимаемость резко возрастает. Периодическое движение среды в области между каждой парой неподвижных перегородок 10 эквивалентно периодическому изменению массы, а чередование положительных (при давлении поршней 5 и 8 вверх) и отрицательных (при движении этих же поршней вниз) фаз колебаний приводит к периодическому изменению сжимаемости объема среды. Кроме того, отверстия пеергородок 10 и насадок 12 совместно с объемом среды лежащей по обе стороны от них представляют собой своеобразные резонаторы Гельмгольца. Взаимодействие реактивных факторов, а именно: периодическое изменение массы и сжимаемость среды в зонах между перегородками, и свойства резонаторов Гельмгольца вызывает сложный параметрический резонанс, когда совпадение частоты колебаний поршней 5, 8 и насадок 12 с собственной частотой среды вызывает резкое увеличение длины и скорости вибрационных затопленных струй. На резонансной частоте увеличением амплитуды колебаний поршней 5 и 8 добиваются формирования характерного виброкипящего состояния среды, фиксируемого по появлению многочисленных газовых пузырьков и по изменению сопротивления нагрузки на поршнях 5 и 8.

Поскольку перегородки 10 и насадки 12 расположены друг от друга на расстоянии, равном или меньшем длины вибрационных затопленных струй и от отверстий 11 и 13 смещены относительно друг друга, то струи смежных перегородок падают друг на друга. При этом происходит их резкое торможение, носящее характер гидроудара. Образованные газовые и парогазовые пузырьки частично схлопываются. При схлопывании пузырьков подобно кавитационному процессу развиваются большие локальные давления (до 100 МПа) и высокотемпературные тепловые импульсы (до 10000^oK). Действие низкочастотных акустических колебаний и резонансных вибрационных затопленных струй вызывает разрушение надмолекулярной структуры нефти, в том числе разрушение связей между минеральными частицами и углеводородными молекулами. Пульсирующие и осциллирующие газовые и парогазовые пузырьки осуществляют обработку нефти на микроуровне, в результате чего изменяются ее реологические характеристики и, в частности, резко падает вязкость и увеличивается текучесть. Схлопывание газовых и парогазовых пузырьков, а также гидроударное воздействие к механохимической деструкции преимущественно макромолекул нефти, в результате чего увеличивается содержание в нефти компонентов с более низким молекулярным весом, что выражается в изменении выхода фракции с низкими температурами кипения.

Интенсивность колебаний в нижней части корпуса 1, т.е. в области между нижним поршнем 5 с мембраной 6 и ближайшей к ним перегородкой 10, выше интенсивности колебаний в области верхнего поршня 8 с мембраной 9, вследствие потерь части энергии на неподвижных перегородках 10. По этой же причине из движущейся снизу вверх нефти происходит выделение газа, который по газоподводящему патрубку 15 поступает в газовый сепаратор 14.

В момент запуска устройства не только корпус 1, но и газовый сепаратор 14 заполняются нефтью, а при работе устройства не только газ, но и нефть поступает в газовый сепаратор по патрубку 15. С целью отделения нефти от газа патрубок 15 расположен тангенциально к боковой поверхности газового сепаратора 14, которая совместно с внутренним полым цилиндром 16 организует вращательное движения нефтегазовой среды. Под действием центробежной силы газ более полно отделяется от нефти и удаляется через внутреннюю полость цилиндра 16 в коллектор 17 и подается далее на утилизацию. Содержащаяся в газовом сепараторе 14 нефть и отделяемая от газа нефть собирается в нижней конусной части 21. Действующие в корпусе 1 колебания по патрубку 20 передаются на заполняющую его и конусную часть 21 нефть. Коническая часть (т.е. воронка 21) обладает анизотропией сопротивления колебательному движению среды. В направлении сужения конической части 21 сопротивление меньше, чем в обратном направлении. Поэтому при действии колебаний происходит преимущественное движение нефти из газового сепаратора 14 в корпус 1, т.е. эта конструкция работает как вибронасос. С целью гашения образующихся при колебаниях в патрубке 20 струй нефти в газовом сепараторе установлена перфорированная перегородка 19.

Обработанная и дегазированная нефть отводится через отводящее приспособление 3, при этом козырьком 24 осуществляется гарантированное отделение пузырьков газа с тем, чтобы они не уносились в патрубок 24. Обработанная нефть подается либо на разделение нефти от воды, либо направляется в трубопроводы, либо отводится на дальнейшую переработку.

Пример осуществления способа.

Осуществление способа проводилось на стенде, включающем корпус, подводящее и отводящее приспособления, вибровозбудитель с двумя поршнями и мембранами, соединенными общим штоком с закрепленными на них перфорированными насадками. В корпусе также неподвижно закреплялись перфорированные перегородки. Полость корпуса соединялась газоподводящей трубой с газовым сепаратором. Проверка проводилась в диапазоне частот от 2 до 50 Гц и в диапазоне амплитуд от 2 до 20 мм. При фиксированной амплитуде колебаний изменением частоты определялась дальность действия струй, формируемых отверстиями неподвижных и подвижных перегородок внесением специальных зондов. Амплитудно-частотная характеристика длины вибрационных затопленных струй в значениях отношения L/d, т.е. длины струи к диаметру отверстия, представлена на фиг. 4. Кривая 1 построена для струй, формируемых неподвижными перегородками, а кривые 2, 3 для струй, формируемых подвижными перегородками. Экстремальные значения длины струй реализуются при небольшом сдвиге частот, что возможно обусловлено погрешностями измерений или какими-либо еще неучтенными факторами. Дальнейшие экспериментальные исследования проводились в диапазоне частот 14-16 Гц, при этом в зависимости от цели обработки нефти амплитуда колебаний изменялась от 2 до 20 мм. Увеличением амплитуды при фиксированной частоте обеспечивалось формирование виброкипящего состояния среды, что фиксировалось по возникновению многочисленных пульсирующих и осциллирующих в объеме нефти пузырьков и по падению нагрузки на вибровозбудитель.

Пример 1. Обезвоживание нефти.

Проводилась обработка устойчивых водонефтяных эмульсий с содержанием воды от 10 до 90% Обработанную в течение 0,5-15 мин эмульсию помещали в отстойник и определяли время разделения. Установлено, что эффективность разделения нефти и воды зависит от длительности и интенсивности обработки. Во всех случаях при формировании виброкипящего состояния среды время обработки не должно превышать 1-2 мин, так как при большей длительности идет процесс интенсивного эмульгирования сред с получением практически не отстаиваемой эмульсии. При малых интенсивностях колебаний оптимальное время обработки составляет 8-10 мин при этом расслаивание воды и нефти происходит в течение 2-6 часов при нормальной температуре и без применения каких-либо реагентов. Остаточное содержание воды в нефти не превышало 0,5% мас. При отводе обработанной эмульсии из корпуса устройства наблюдается интенсивное выделение газовых пузырьков.

Пример 2. Уменьшение вязкости нефти изменением ее надмолекулярной структуры.

Проводилась обработка нефти с вязкостью 5-40 мм²/с при 20^oC. Плотность составляла 0,82-0,87 г/см³. Установлено, что при малых интенсивностях колебаний при длительности обработки от 2 до 10 мин вязкость снижается в 1,8-2,2 раза. При высокой интенсивности воздействия, когда формируются виброкипящие состояния нефти вязкость падает в 5-8 раз, при этом чем более вязкая нефть, тем в большей степени уменьшается ее вязкость. Так, вязкость нефти 40 мм²/с в течение 5 мин снижалась до 4,76 мм²/с. Обработка Саматлорской нефти с исходной вязкостью 6,4 сСт в течение 5 и 10 мин дает снижение вязкости соответственно до 3,6 сСт и 1,27 сСт. Отмечено, что за время наблюдения, равного 2 неделям, восстановление вязкости не превышало 5-12% от полученного значения, т.е. изменение вязкости происходит практически необратимо.

Пример 3. Изменение фракционного состава нефти за счет механохимической деструкции молекул.

Проводилась обработка в течение 15 мин с высокой интенсивностью. Изменение состава нефти определялось по изменению начала кипения ее компонентов. Результаты представлены в таблице 1.

Как видно из табл. 1 в обработанной нефти значительно увеличивается содержание легких фракций, что свидетельствует о процессе механической деструкции молекул нефти.

Формула изобретения

1. Способ обработки нефти, включающий подачу нефти в рабочую камеру, обработку ее в рабочей камере механическими колебаниями и отвод нефти, отличающийся тем, что в качестве механических колебаний используют низкочастотные акустические колебания и одновременно воздействуют на нефть вибрационными затопленными струями и гидроударами по всему объему рабочей камеры, при этом частоту колебаний устанавливают равной собственной частоте вибрационных затопленных струй, поддерживают амплитуду колебаний с обеспечением виброкипящего состояния объема нефти, а вибрационные затопленные струи направляют на жесткие перегородки с осуществлением их резкого торможения.

2. Устройство для обработки нефти, содержащее корпус, подводящее и отводящее нефть приспособления, вибровозбудитель с мембраной, отличающееся тем, что корпус снабжен дополнительной мембраной, двумя поршнями, установленными в мембранах и соединенными друг с другом, и вибровозбудителем посредством центрального штока, неподвижно установленными перфорированными перегородками, перфорированными насадками, закрепленными на штоке между неподвижными перегородками и газовым сепаратором, соединенным с корпусом посредством циркуляционной трубы, при этом оси отверстий соседних перегородок и насадок смещены относительно друг друга, а перегородки и насадки установлены друг от друга на расстоянии, меньшем или равном длине вибрационных затопленных струй.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5