СПОСОБ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ, ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F17D1/16 B01J19/08 

Изобретение относится к области технологии подготовки товарной нефти и может быть использовано на производствах нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки водонефтяных смесей.

Известны способы и устройства СВЧ-обработки водонефтяной эмульсии, см., например, патент РФ №2196227, МПК 7 Е21В 43/34, опубликованный 10.01.2003, Бюл. №1. Устройство разделения водогазонефтяной смеси. Устройство состоит из трубопровода водонефтяной эмульсии, в который подается энергия СВЧ от системы дискретных излучателей. Микроволновая обработка в этих устройствах производится дискретными излучателями электромагнитной энергии. Недостатком способа, реализуемого этими устройствами, является то, что в них формируют воздействие энергии СВЧ с поверхности обрабатываемой среды и в результате из-за наличия значительных потерь в этой среде электромагнитному воздействию подвергаются только наружные слои, т.е. имеет место большая неравномерность микроволновой обработки водонефтяной эмульсии.

Прототипом изобретения является Патент РФ №2234824. Приоритет 03.03.2003 г. Опубликован 20.08.04. Бюл. №23 «Способ микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды и устройство для его осуществления». Воробьев Н.Г., Аюпов Т.А.

Способ заключается в формировании требуемого распределения интенсивности воздействия электромагнитной энергии СВЧ на обрабатываемую в трубопроводе жидкую или сыпучую среду с потерями, используя процесс затухания внешнего поля электромагнитной волны, которую возбуждают в отрезке открытой нерегулярной линии передачи, помещенной в обрабатываемую жидкую или сыпучую среду и характеризуемой в этой среде выбранным нормированным распределением энергии потерь электромагнитного поля, изменяющимся вдоль линии по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции f_(z), принимающей значения от нуля до единицы.

Устройство, реализующее способ, содержит: узел ввода энергии СВЧ, выполненный в виде нерегулярной открытой линии передачи выбранного типа, характеризующейся в обрабатываемой жидкой или сыпучей среде, выбранным нормированным распределением энергии потерь электромагнитного поля вдоль линии, изменяющегося по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции, например вида , принимающей значения от нуля до единицы.

Данный способ и устройство обеспечивают формирование в трубопроводе режима микроволновой обработки, например, для водонефтяной эмульсии, но процесс сепарации эмульсии в отстойных резервуарах после такой обработки протекает достаточно медленно и неполно. Это происходит потому, что отдельные капли воды в эмульсии, протекающие с эмульсией через межтрубную зону, образованную на участке трубопровода поверхностью направляющей структуры и стенками трубопровода, после СВЧ-обработки остаются разрозненные и, не соприкасаясь друг с другом, долго сохраняются в нефти, обретая исходное состояние эмульсии. Улучшить процесс разделения эмульсии в такой ситуации можно путем увеличения длины трубопровода с направляющей структурой, что приведет к увеличению числа соприкосновения капель воды в эмульсии в зоне воздействия поля СВЧ и их слиянию. Однако из-за необходимости использования открытой направляющей структуры большой протяженности, чтобы обеспечить условия для слияния разрозненных капель воды в нефти, процесс микроволновой обработки требует повышенных затрат СВЧ-энергии из-за необходимости обеспечения повышенной длительности MB воздействия на поток водонефтяной эмульсии и повышения мощности сигнала на входе направляющей структуры вследствие увеличения ее длины.

Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении качества разделения водонефтяной эмульсии путем увеличения числа и интенсивности соприкосновения между собой капель воды в потоке водонефтяной эмульсии, находящейся под воздействием СВЧ-энергии в межтрубной зоне, образованной на участке трубопровода поверхностью направляющей структуры и стенками самого трубопровода. Снижения затрат электромагнитной энергии СВЧ, подаваемой на вход узла ввода энергии СВЧ открытой направляющей структуры, необходимой для подготовки водонефтяной эмульсии к сепарации в отстойных резервуарах. Уменьшение длины открытой направляющей структуры в трубопроводе и при заданной длительности MB-воздействия t на водонефтяную эмульсию в потоке по межтрубной зоне в трубопроводе.

Техническая задача в способе микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, заключающемся в формировании распределения энергии потерь СВЧ от источника СВЧ-энергии в потоке водонефтяной эмульсии с расходом Q в трубопроводе с площадью поперечного сечения S_т, протекающей вдоль открытой направляющей структуры длиной L с площадью поперечного сечения S_л, размещенной в трубопроводе вдоль его оси и образующей в нем межтрубную зону длиной L с площадью поперечного сечения (S_т-S_л), используя процесс затухания внешнего поля электромагнитной волны открытой направляющей структуры, характеризуемой в водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, выбранным нормированным распределением внешнего электромагнитного поля вдоль направляющей структуры, достигается тем, что поток водонефтяной эмульсии в межтрубной зоне пропускают через структуру из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и установленных в межтрубной зоне вдоль открытой направляющей структуры по направлению потока водонефтяной эмульсии, а требуемую минимально допустимую длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию устанавливают путем изменения расхода Q водонефтяной эмульсии в потоке по трубопроводу в пределах 0<Q≤Q_max=(S_т-S_л)L/t_min, где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии, L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t_min - минимально допустимая длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию, S_л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода.

Техническая задача в устройстве микроволновой обработки потока водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, содержащем источник СВЧ-энергии, узел ввода энергии СВЧ в трубопровод, выполненный в виде открытой направляющей структуры длиной L и с площадью поперечного сечения S_л, расположенной в трубопроводе с площадью поперечного сечения S_т и образующей с ним межтрубную зону длиной L, достигается тем, что в межтрубной зоне трубопровода вдоль открытой направляющей структуры длиной L, взятой в соответствии с выражением L=(t_minQ_max)/(S_т-S_л), установлена структура из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и ориентированных вдоль оси открытой направляющей структуры, а в трубопроводе со стороны входа в межтрубную зону установлена задвижка с площадью сечения проходного отверстия S_з, изменяющегося в пределах 0<S_з<S_т,

где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии, L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t - длительность воздействия электромагнитной энергии на ВНЭ в трубопроводе, t_min - минимальная длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяной эмульсии в трубопроводе, S_л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода, S_з - площадь поперечного сечения задвижки.

В качестве структуры из элементов могут быть использованы, например, структуры из элементов, выполненные из диэлектрических материалов: в виде пластин, ребристых структур, стержней, волокон, сеток и т.д., расположенных в электромагнитном поле открытой направляющей структуры в межтрубной зоне в потоке водонефтяной эмульсии, и ориентированные по направлению этого потока.

На фигуре 1 приведена схема устройства для осуществления способа.

На фигуре 2 показана структура из элементов в виде радиальных диэлектрических пластин, расположенных в межтрубной зоне.

На фигуре 3 показана структура из элементов в виде сетки, коаксиально расположенной в межтрубной зоне.

Схема устройства, иллюстрирующая осуществление способа микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, по фигуре 1 содержит: источник СВЧ-энергии 1, узел ввода СВЧ-энергии, выполненный в виде открытой направляющей структуры 2, например, коаксиального типа, длиной L, расположенной внутри трубопровода 3, образующей с ним на участке длиной L межтрубную зону 4, образованную открытой направляющей структурой 2 и трубопроводом 3, через которую протекает поток водонефтяной эмульсии 5. Заданная длина L, определяемая по формуле, направляющей структуры 2 определяется максимальной величиной расхода водонефтяной эмульсии в потоке Q_max, при заданной минимальной длительности микроволнового воздействия t_min и площади поперечного сечения межтрубного участка трубопровода S_мт=(S_т-S_л). Минимальная длительность микроволнового воздействия t_min определяется типом водонефтяной эмульсии, ее температурой и рядом других физических факторов (см., например, Анфиногентов В.И. Численное моделирование сверхвысокочастотного электромагнитного нагрева несжимаемой вязкой жидкости, движущейся в цилиндрической трубе. Электромагнитные волны и электронные системы. Т.11, №2-3, 2006. - С.3-9).

Так, например, для длительности обработки t_min=10 мин, для расхода водонефтяной эмульсии Q_max=100 л/мин в трубопроводе с площадью поперечного сечения в межтрубной зоне S_МТ=1250 см² требуемая длина направляющей структуры составит 8 м. В трубопроводе 3 перед межтрубной зоной 4 установлена задвижка 6, с помощью которой обеспечивается регулировка расхода в потоке водонефтяной эмульсии по трубопроводу.

В межтрубной зоне 4 вдоль поверхности открытой направляющей структуры 2 установлена структура из элементов 7, выбранных, например, из числа приведенных на фиг.2, 3 и 4, ориентированных вдоль оси трубопровода 3. Открытая направляющая структура 2 одним концом соединена с источником энергии СВЧ 1 посредством тракта СВЧ 8. Трубопровод 3 соединен с накопительной емкостью 9, где происходит накопление расслоившейся воды и нефти. Структура из элементов разделяет поток водонефтяной эмульсии в межтрубной зоне на отдельные каналы, ориентированные вдоль оси трубопровода, увеличивает поверхность контакта потока ВНЭ со стенками структуры из элементов. Требование к этой структуре из элементов, например спирали 10 (фиг.2), радиальных пластин 11 (фиг.3), сетки 12 (фиг.4) и т.д., выбирают из следующих соображений: структура из элементов не должна вызывать сильное возмущение потока, т.е. должна быть обтекаемой. Например, может быть выполнена в виде спирали, сетки или пластин из материалов круглого или плоского обтекаемого профиля. В противном случае сильное возмущение потока может привести к дроблению водяных глобул в эмульсии и, соответственно, к ухудшению процесса разделения водонефтяной эмульсии. В зависимости от вязкости эмульсии меняется плотность размещения элементов в структуре, например, с увеличением вязкости уменьшается требуемая плотность размещения элементов в структуре (см., например, Тронов В.П. Системы нефтегазосбора и гидродинамика основных технологических процессов. Казань: изд. «Фен» 2002 г. 512 с., с.129-135).

Рассмотрим осуществление способа на примере устройства, собранного по схеме, представленной на фигуре 1.

Поток водонефтяной эмульсии 5, транспортируемый по трубопроводу 3 с площадью поперечного сечения S_т, содержащему открытую направляющую структуру коаксиального типа 2 с площадью поперечного сечения S_л, образующую трубопроводом межтрубную зону 4 с площадью поперечного сечения (S_т-S_л) и формирующую распределение энергии потерь СВЧ от источника СВЧ-энергии 1, пропускают через структуру из элементов 7, расположенных в межтрубной зоне 4 вдоль поверхности открытой распределенной направляющей структуры 2.

Структура из элементов 7 увеличивает площадь контакта потока водонефтяной эмульсии с поверхностями диэлектрической структуры в зоне действия электромагнитного поля, изменяет поле скоростей в различных слоях потока, что приводит к взаимному перемещению глобул воды в потоке и их сближению между собой. Длительность взаимодействия потока водонефтяной эмульсии 5 с электромагнитным полем открытой направляющей структуры 2 регулируется задвижкой 6, изменяющей расход в потоке водонефтяной эмульсии 5 по трубопроводу 3. В известных методах разделения водонефтяной эмульсии (см., например, Тронов В.П. Системы нефтегазосбора и гидродинамика основных технологических процессов. Казань: изд. «Фен» 2002 г. 512 с., с.302-319) ускорение разделения эмульсии путем разделения потока на мелкие каналы и увеличения площади контакта с поверхностью обеспечивается за счет формирования в потоке турбулентного движения эмульсии, что приводит к разрушению глобул воды за счет их механического взаимодействия со стенками каналов. Для этого требуется большая скорость потока в канале, определяемая числом Рейнольдса Re = от 50000 до 100000, и процесс разрушения глобул воды протекает неэффективно. В данном случае разрушение глобул воды происходит не за счет их ударов о стенки каналов, а под действием на поверхностные заряды пограничного слоя оболочек, разделяющих глобулы воды, пондемоторных сил, возникающих в электромагнитном поле при их сближении друг с другом в потоке. При этом под действием поля происходит разрушение оболочек контактирующих в потоке между собой глобул воды и их последующее слияние. Этот процесс разрушения и слияния глобул воды в потоке эмульсии происходит не только на стенках структуры из элементов 7, но и внутри перемешиваемой массы в потоке эмульсии. Таким образом, в данном изобретении сочетание двух процессов: механического и электромагнитного приводит к повышению эффективности процесса разделения водонефтяной эмульсии. Выполнение структуры из элементов 7 из диэлектрических материалов необходимо для выполнения требований по обеспечению соответствующих граничных условий для электромагнитного поля в межтрубной зоне (см., например, В.И.Вольман, Ю.В.Пименов. Техническая электродинамика. Изд. «Связь». 1971 г., с.40-51).

В устройстве по прототипу межтрубная зона свободна от структуры из элементов и движение эмульсии в ней протекает в более ламинарном потоке. Это снижает интенсивность взаимодействия глобул воды в потоке эмульсии между собой и процесс их разрушения протекает менее эффективно, поскольку процесс их перемешивания в трубе протекает медленно и требует большего времени. Соответственно, потребуется большая протяженность межтрубной зоны. Таким образом, в устройствах, реализованных согласно прототипу, будут требоваться открытые направляющие структуры большей протяженности. При этом при одинаковой плотности электромагнитного потока с поверхности направляющей структуры потребление СВЧ-энергии возрастет пропорционально увеличению длины направляющей структуры.

Таким образом, размещение структуры из элементов 7 в межтрубной зоне 4 согласно данному изобретению позволяет сжать протяженность L этой зоны по отношению к прототипу и уменьшить длину открытой направляющей структуры, размещаемой в трубопроводе. При заданной плотности потока электромагнитной энергии с поверхности линии передачи ее укорочение будет означать снижение требуемой мощности сигнала, подводимого к ее входу.

В экспериментальной установке, не содержащей структуру из элементов (согласно прототипу), трубопровод с межтрубной зоной длиной L=6 м, с расходом в потоке эмульсии 2 л/мин и мощностью источника энергии СВЧ Р₀=1400 Вт, после отстоя в течение 5 мин в результате расслоения водонефтяной эмульсии отделилась нефть с обводненностью 4-6%.

При размещении структуры из элементов в межтрубной зоне в виде коаксиально расположенной лавсановой сетки с ячейками 5×5 мм, длиной L=2,5 м, с расходом в потоке эмульсии 2 л/мин и мощностью источника энергии Р₀=700 Вт, после отстоя в течение 3 мин обводненность отслоившейся нефти составила 3-4%. Исходный продукт ВНЭ - с содержанием воды 20%.

Изобретение относится к области технологии подготовки товарной нефти и может быть использовано на производствах нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки водонефтяных смесей. Обеспечивает повышение качества разделения водонефтяной эмульсии путем увеличения числа и интенсивности соприкосновения между собой капель воды в потоке водонефтяной эмульсии, находящейся под воздействием СВЧ-энергии в межтрубной зоне, образованной на участке трубопровода поверхностью направляющей структуры и стенками самого трубопровода, а также снижение затрат электромагнитной энергии СВЧ, подаваемой на вход узла ввода энергии СВЧ открытой направляющей структуры. Способ заключается в формировании распределения энергии потерь СВЧ от источника СВЧ-энергии в потоке водонефтяной эмульсии, используя процесс затухания внешнего поля электромагнитной волны открытой направляющей структуры, характеризуемой в водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, выбранным нормированным распределением внешнего электромагнитного поля вдоль направляющей структуры, посредством пропускания потока водонефтяной эмульсии в межтрубной зоне через структуру из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и установленных в межтрубной зоне вдоль открытой направляющей структуры по направлению потока водонефтяной эмульсии, а требуемую минимально допустимую длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию устанавливают путем изменения расхода Q водонефтяной эмульсии в потоке по трубопроводу в пределах 0<Q<Q_max=(S_т-S_л)L/t_min, где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии, L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t_min - минимально допустимая длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию, S_л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода. В устройстве микроволновой обработки потока водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, содержащем источник СВЧ-энергии, узел ввода энергии СВЧ в трубопровод, выполненный в виде открытой направляющей структуры длиной L в межтрубной зоне трубопровода вдоль открытой направляющей структуры длиной L, взятой в соответствии с выражением L=(t_minQ_max)/(S_т-S_л), установлена структура из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и ориентированных вдоль оси открытой направляющей структуры, а в трубопроводе со стороны входа в межтрубную зону установлена задвижка с площадью сечения проходного отверстия S₃, изменяющегося в пределах 0<S₃<S_т. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, заключающейся в формировании распределения энергии потерь СВЧ от источника СВЧ-энергии в потоке водонефтяной эмульсии с расходом Q в трубопроводе с площадью поперечного сечения S_т, протекающей вдоль открытой направляющей структуры длиной L с площадью поперечного сечения S_л, размещенной в трубопроводе вдоль его оси и образующей в нем межтрубную зону длиной L с площадью поперечного сечения (S_т-S_л), используя процесс затухания внешнего поля электромагнитной волны открытой направляющей структуры, характеризуемой в водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, выбранным нормированным распределением внешнего электромагнитного поля вдоль направляющей структуры, отличающийся тем, что поток водонефтяной эмульсии в межтрубной зоне пропускают через структуру из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и установленных в межтрубной зоне вдоль открытой направляющей структуры по направлению потока водонефтяной эмульсии, а требуемую минимально допустимую длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию устанавливают путем изменения расхода Q водонефтяной эмульсии в потоке по трубопроводу в пределах 0<Q<Q_max=(S_т-S_л)L/t_min, где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии, L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t_min - минимально допустимая длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию, S_л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода.2. Устройство микроволновой обработки потока водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, содержащее источник СВЧ-энергии, узел ввода энергии СВЧ в трубопровод, выполненный в виде открытой направляющей структуры длиной L и с площадью поперечного сечения S_л, расположенной в трубопроводе с площадью поперечного сечения S_т и образующей с ним межтрубную зону длиной L, отличающееся тем, что в межтрубной зоне трубопровода вдоль открытой направляющей структуры длиной L, взятой в соответствии с выражением L=(t_minQ_max)/(S_т-S_л), установлена структура из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и ориентированных вдоль оси открытой направляющей структуры, а в трубопроводе со стороны входа в межтрубную зону установлена задвижка с площадью сечения проходного отверстия S_з, изменяющегося в пределах 0<S_з<S_т,

где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии, L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t - длительность воздействия электромагнитной энергии на ВНЭ в трубопроводе, t_min - минимальная длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяной эмульсии в трубопроводе, S_л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода, S_з - площадь поперечного сечения задвижки.