Цех подготовки и перекачки нефти

Плотность эмульсии можно  рассчитать, если известны плотность  нефти и воды и их содержание в  эмульсии, по следующей формуле:

 

р_э = р_H(1-W) + р_BW, (1)

 

где р_н - плотность нефти, кг/м³;

р_в - плотность воды, кг/м³;

W - содержание воды в объёмных долях.

 

1.2.4 Электрические  свойства эмульсии

Нефть и вода, взятые в  чистом виде, хорошие диэлектрики. Электропроводность нефти колеблется от 0,5 10^-6 до 0,5 10^-7 Ом м^-1, пластовой воды – от 10^-1 до 10 Ом м^-1. Даже при незначительном содержании в воде растворенных солей или кислот электропроводность увеличивается в десятки раз. Поэтому электропроводность нефтяной эмульсии обусловливается не только количеством содержащейся воды и степенью её дисперсности, но и количеством растворенных в этой воде солей и кислот.

В нефтяных эмульсиях, помещённых в электрическое поле, капельки воды располагаются вдоль его силовых  линий, что приводит к резкому  увеличению электропроводности этих эмульсий. Это объясняется тем, что капельки чистой воды имеют приблизительно в 40 раз большую диэлектрическую  проницаемость, чем капельки нефти.

Свойства капелек воды располагаться в эмульсиях вдоль  силовых линий электрического поля и послужило основной причиной использования  этого метода для разрушения нефтяных эмульсий/1/.

1.2.5 Температура эмульсии

Чем выше температура, чем  меньше вязкость нефти, тем менее  устойчива эмульсия. Это особенно заметно для парафинистых нефтей. С понижением температуры частицы  парафина выделяются, легко адсорбируясь на поверхности водяных капель, стойкость  эмульсии повышается. Этим объясняется  резкое увеличение устойчивости эмульсии на многих нефтяных месторождениях зимой.

 

1.3 Устойчивость  нефтяных эмульсий и их "старение"

Важным показателем для  нефтяных эмульсий является их устойчивость, т.е. способность в течение определенного  времени не разрушаться и не разделяться  на нефть и воду.

На устойчивость нефтяных эмульсий влияют; дисперсность системы, физико-химические свойства эмульгаторов, образующих на поверхности раздела  фаз адсорбционные защитные оболочки, наличие на капельках дисперсной фазы двойного электрического заряда, температура и время существования  эмульсии.

По дисперсности нефтяные эмульсии делятся на мелкодисперсные  с размером капель воды от 0,2 до 20 мкм, среднедисперсные, содержащие капли  размером от 20 до 50мкм; грубодисперсные - с каплями воды размером от 50 до 100 мкм. Труднее поддаются разрушению мелкодисперсные эмульсии.

На устойчивость эмульсий огромное влияние оказывают стабилизирующие  вещества (естественные ПАВ), называемые эмульгаторами.

Устойчивость зависит  также от заряда на поверхности капель воды, образующего за счёт их движения двойной электрический слой, защищающий эти капли от слипания подобно адсорбционным оболочками. Капли, имеющие на своей поверхности одинаковые заряды, будут взаимно отталкиваться.

Чем выше температура, тем  менее устойчива нефтяная эмульсия.

Эмульсии способны "стареть", т.е. повышать свою устойчивость со временем. Процесс «старения» нефтяных эмульсий в начальный период происходит весьма интенсивно, затем постепенно замедляется  и часто уже через сутки  прекращается. Свежие эмульсии легче  поддаются разрушению и поэтому  обезвоживание и обессоливание  нефтей необходимо проводить на промыслах/1,4/.

 

1.4 Теоретические основы обезвоживания нефти

Электронно-ионные технологии применяются при обезвоживании  сырой нефти и нефтепродуктов. Вода в нефть попадает при добыче нефти из нефтяных скважин, а также  в ходе технологических процессов  переработки нефти в нефтепродукты. Для обеспечения высокого качества нефтепродуктов необходимо в ходе технологического процесса обезвоживания вывести  в максимально доступном количестве соли и воду из нефти.

Удаление воды из нефти  может происходить в результате организации направленного движения капель воды из объема нефти.

Первым направлением является использование седиментации капель воды. Иными словами, в процессе отстоя капли воды под действием силы тяжести осаждаются на дно резервуара.

Второе направление - зарядка  и организация движения частиц воды в электрическом поле таким образом, чтобы капли воды ушли за пределы  объема нефти.

Капельки воды могут под  действием сил электрического поля собираться на электродах или специальных  пористых перегородках и стекать  на дно сосудов. Удаление воды со дна резервуара производится путем слива.

Удаление воды из нефти  основано на том, что вода имеет большую  плотность, чем нефть, и в процессе отстоя капли воды падают на дно  резервуара. Нефть всплывает и  остается в верхней части резервуара. Эффективность процесса удаления воды из объема нефти зависит от вязкости нефти. Вязкость определяется температурой, и, чем выше температура, тем меньше вязкость и больше скорость седиментации. Также скорость процесса зависит  в значительной мере от размера капель воды: чем больше радиус капли, тем  выше скорость оседания капель.

 

1.4.1 Седиментация  капель воды в нефти

Установившаяся скорость оседания капель воды в нефти определяется из условия равенства внешней  силы F, действующей на каплю, силе сопротивления среды движению капли. Внешняя сила, действующая на каплю, находящуюся в нефти, равна разности между силой тяжести и архимедовой силой (силой плавучести)

 

F_вн = π а³ g Δρ (2)

 

где а - радиус капли,

g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения,

Δρ - разность значений плотности воды и нефти (Δρ = ρ_в - ρ_н).

В силу большой вязкости нефти и малых размеров капель воды их осаждение происходит в пределах стоксовского диапазона числа Рейнольдса (Rе ≤ 0,5) и сила сопротивления  среды определяется по формуле Стокса

 

F_с = 6 π μ_эф а V_c (3)

 

где V_c - скорость седиментации (осаждения);

μ_эф - эффективная вязкость среды.

Эффективная вязкость в формуле (3) отличается от вязкости среды (нефти) из-за того, что движение капли относительно нефти вызывает циркуляцию воды в  капле и это приводит к некоторому уменьшению сопротивления среды  по сравнению с движением твердой  сферической частицы. Тогда 

 

Μ _экв = μ (4)

 

где μ = (1÷10)·10^-2 Па - вязкость нефти в зависимости от ее сорта;

μ_в= 10^-3 Па - вязкость воды.

 

Приравнивая (2) и (3), получим  выражение для скорости седиментации

 

V_c = (5)

 

При ρ_в=1000 кг/м³ и ρ_нефти = 850 кг/м³ получим скорость седиментации равной

 

V_c=5·10⁴a².

 

Таким образом, скорость осаждения  капель в нефти растет пропорционально  квадрату радиуса капель.

 

1.4.2 Процессы укрупнения  капель воды

Процессы укрупнения капель воды в нефти играют очень важную роль, так как приводят к существенному  возрастанию скорости седиментации. Процесс слияния капель воды, или  коалесценция, может происходить  в результате соударения частиц разного размера при седиментации, при взаимодействии поляризованных частиц в электрическом поле или при соударении частиц, участвующих в турбулизированном движении среды.

Число соударений при седиментации растет при увеличении относительной  скорости сближения частиц. Как следует  из (5)

 

Vотн = а²₁- а²₂

 

где а₁ и а₂ - соответственно радиусы взаимодействующих частиц.

Таким образом ясно, что  эффективность коалесценции растет с увеличением радиуса частиц при одновременном увеличении различия в их размере.

На процесс слияния  капель воды при столкновении оказывает  влияние слоя нефти, который препятствует этому слиянию.

Разрушение тонкого слоя нефти на поверхности капли обеспечивается воздействием химическими веществами - деэмульгаторами. Действие деэмульгатора  приводит к снижению сил поверхностного натяжения и, таким образом, облегчает  их слияние.

Основным недостатком  процесса удаления влаги за счет седиментации являются:

1. Большая длительность  процесса седиментации.

2. Необходимость содержания  больших объемов нефти в специальных отстойниках/3/.

 

 

1.5 Деэмульгаторы,  применяемые для разрушения нефтяных эмульсий

Для предотвращения образования, а так же для разрушения уже  образовавшихся нефтяных эмульсий широко применяются деэмульгаторы - поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые в отличие от природных эмульгаторов способствуют значительному снижению стойкости нефтяных эмульсий. Воздействие деэмульгатора на нефтяную эмульсию основано на том, что деэмульгатор, адсорбируясь на поверхности раздела фаз нефть – вода, вытесняет и замещает менее активные поверхностно-активные природные эмульгаторы. Природные эмульгаторы – естественные поверхностно-активные вещества, содержащиеся в нефти (асфальтены, нафтены, смолы, парафины) и в пластовой воде. Деэмульгаторы должны обладать большей активностью, чем эмульгаторы. Пленка, образуемая деэмульгатором, менее прочна. По мере накопления деэмульгатора на поверхности капелек воды между последними возникают силы взаимного притяжения. В результате этого мелкие диспергированные капельки воды образуют большие капли (хлопья), в которых пленки вокруг глобул воды обычно сохраняются. Процесс образования больших хлопьев из мелкодиспергированных капелек воды в результате воздействия деэмульгатора называется флоккуляцией (хлопьеобразованием). В процессе флоккуляции поверхностная пленка глобул воды становится достаточно ослабленной, происходит ее разрушение и слияние глобул воды. Процесс слияния капелек воды называется коалесценцией. Хорошие деэмульгаторы должны обеспечивать не только сближение диспергированных капелек воды в эмульсии, но также и разрушать окружающие их пленки и способствовать коалесценции. В большинстве нефтей присутствуют механические примеси (сульфид железа, ил, частицы глины и т. д.), частички которых собираются на поверхности раздела и способствуют упрочнению пленки, обволакивающей глобулы воды. Часто эти механические примеси являются основными веществами, составляющими материал пленки, и удаление их вместе с водой также является важной задачей при обезвоживании нефти. Деэмульгаторы обволакивают частицы механических примесей тонкой пленкой, хорошо смачиваемой водой, и такие частицы выделяются из нефти и удаляются вместе с водой.

Таким образом, реагенты, применяемые  в качестве деэмульгаторов для разрушения нефтяных эмульсий, должны обладать следующими свойствами:

• способностью проникать на поверхность раздела фаз нефть—вода,
• вызывать флоккуляцию и коалесценцию глобул воды,
• хорошо смачивать поверхность механических примесей.

Такими универсальными свойствами обладает ограниченное число деэмульгаторов. Для разрушения нефтяных эмульсий предложено множество реагентов, которые имеют  те или иные необходимые свойства. Деэмульгаторы обычно подразделяются на две группы: ионогенные(образующие ионы в водных растворах) и неионогенные (не образующие ионы в водных растворах).

Ионогенные, в свою очередь, могут быть подразделены на анионактивные  и катионактивные в зависимости  от того, какие поверхностно-активные группы они содержат -анионы или  катионы.

На месторождениях и нефтеперерабатывающих  заводах из ионогенных деэмульгаторов для обезвоживания и обессоливания  нефтей в течение длительного  времени применялся нейтрализованный черный контакт (НЧК). Однако он имеет  ряд недостатков: низкое содержание поверхностно-активного вещества (в  лучших сортах около 40—60% солей сульфокислот), что приводит к дорогостоящим  перевозкам балласта; высокий удельный расход (0,5—3 кг/т, иногда и более); при  взаимодействии НЧК с пластовой  водой могут образоваться твердые  осадки (гипс, гидрат окиси железа и  др.)» очистка от которых аппаратов  и трубопроводов связана со значительными  затратами. Ионогенные деэмульгаторы  способствуют также образованию  эмульсий типа нефть в воде, что  приводит к значительному содержанию нефти в дренажной воде. В связи  с этим в настоящее время малоэффективные деэмульгаторы: НЧК (нейтрализованный черный контакт) и НКГ (нейтрализованный кислый гудрон), которые в настоящее время для деэмульсации нефти не применяются.

Катионактивные деэмульгаторы  не нашли достаточного применения из-за их низкой активности.

Наибольшее распространение  в настоящее время получили неионогенные деэмульгаторы, т. е. такие, которые  в водных растворах не диссоциируют на ионы. Обычно деэмульгаторы этого  типа получаются присоединением окиси  этилена или окиси пропилена  к органическим веществам с подвижным  атомом водорода. Исходным сырьем для  такого синтеза могут служить  органические кислоты, спирты, фенолы и др., а также окись этилена  и окись пропилена.