МОДУЛЬНАЯ СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТИ Российский патент 2008 года по МПК C10G33/02 

Изобретение относится к СВЧ обработке жидкостей и может быть использовано для оперативного обезвоживания нефтяной эмульсии, что необходимо нефтедобывающим организациям, МЧС при ликвидации разливов нефти, авиационной и военной технике.

Известно разделение эмульсии в системах нефтеподготовки, которое производится с применением:

- центрифуг, однако эти установки дают невысокую степень разделения фракций и имеют высокую стоимость;

- электродегидраторов. Они используются в том случае, если содержание воды не превышает 1-1,5%;

- отстаивания в емкостях. В этом случае процесс идет медленно, старые эмульсии не разрушаются;

- термохимической обработки. Для этого используются жаровые трубы, на поверхности которых температура нефти больше, чем в остальном объеме. Это приводит к структурным изменениям нефти, ухудшающим ее характеристики. Чтобы разрушить бронирующие оболочки на каплях воды, необходимо нагреть весь объем нефти, что энергетически невыгодно. При этом необходимо подбирать химические реагенты для каждого месторождения (см. Левченко Д.Н., Бергштейн Н.В., Худякова А.Д., Николаева Н.М. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения. - М.: Химия, 1967).

Известен опытный образец полупромышленной установки с непрерывным потоком эмульсии, использующий УВЧ-энергию (см. Королев А., Галдецкий А., Бойко А., Использование УВЧ-энергии для деэмульгации нефти и нефтепродуктов, Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 3/2001).

Однако данное устройство не позволяет получить глубокого разделения фаз, так как не используется коалесцентор ни в области распространения УВЧ-поля, ни вне ее, что делает процесс укрупнения капель воды слабо выраженным.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является установка, содержащая СВЧ-генератор, подключенный через циркулятор к накоротко замкнутому с одного конца отрезку волновода, внутри которого расположен коалесцентор в виде бокса из тефлона, заполненный рифленым полипропиленом; в боксе и, соответственно, волноводе имеются входное и выходное отверстия для прохода водонефтяной эмульсии (см. патент США №4853119, МПК B01D 17/04).

Однако данное устройство не позволяет обеспечить высокую производительность установки, так как бокс расположен внутри волновода, который на частоте 2450 МГц имеет сечение 45×90 мм, и следовательно, его размеры не позволяют прокачивать за единицу времени большие объемы нефти, т.е. мала пропускная способность. Кроме этого, использование одного источника микроволновой энергии не позволяет регулировать в широких пределах СВЧ-мощность, что необходимо при работе с нефтями, имеющими разный химический состав, вязкость, степень обводненности.

Нельзя признать удачным и способ подачи микроволновой энергии в бокс через открытый конец волновода. Если обводненность нефти велика, например 50%-60%, то электромагнитное поле, при достаточной длине бокса, затухает, не дойдя до закороченного конца волновода, и эффект стоячей волны с большой амплитудой электрического поля отсутствует. Чтобы избежать этого явления надо уменьшать длину бокса, т.е. коалесцентора, что неблагоприятно скажется на процессе укрупнения глобул воды.

Задачей предлагаемого изобретения является создание промышленного образца установки для обезвоживания и обессоливания нефти с высокой производительностью и глубоким разделением фаз.

Техническим результатом изобретения является возможность разрушения стойких нефтяных эмульсий, получающихся, например, при длительном хранении нефти, а также высоковязких эмульсий с высоким содержанием смол, асфальтенов и парафинов.

Поставленная задача решается тем, что в СВЧ-установку для обезвоживания и обессоливания нефти, содержащую СВЧ-генератор, подключенный к волноводу, в котором расположен коалесцентор с гофрированными поверхностями внутри него, выполненными из радиопрозрачного материала, и имеющий входное и выходное отверстия для прохода нефти, согласно решению введены дополнительные СВЧ-генераторы, в качестве волновода выбран круглый многомодовый волновод с окнами связи, снабженный согласующими рупорами для подключения СВЧ-генераторов, расположенными под углом 45° к продольной оси волноводов, угол наклона и геометрические параметры рупоров выбраны из условия минимизации СВЧ-энергии, отраженной от коалесцентора, коэффициет стоячей волны (КСВ) составляет 1,5÷1,7, при этом коалесцентор выполнен в виде трубы из радиопрозрачного материала, образуя с волноводом коаксиальную конструкцию.

Установка содержит дополнительный волновод с коалесцентором, расположенный параллельно с первым и соединенный с ним с одной стороны, с открытым концом с другой стороны.

Установка дополнительно содержит модуль коалесценторов, расположенный вне СВЧ-поля, подключенный к волноводу и представляющий собой ряд параллельных труб, соединенных между собой в виде змеевика, при этом гофрированные поверхности внутри каждой трубы выполнены из полиэтилена.

Устройство СВЧ-обработки эмульсии содержит несколько СВЧ-генераторов (в конкретном случае их двенадцать), соединенных через согласующие рупорные излучатели и окна связи с многомодовыми круглыми волноводами (в конкретном случае их два). Внутри волноводов коаксиально расположена труба коалесцентора из радиопрозрачного материала, содержащая в себе листы (в конкретном случае их два) из гофрированного радиопрозрачного материала для увеличения отношения площади смачивания к объему аппарата. Внешний модуль коалесценторов, включенный после модуля СВЧ-обработки, представляет собой ряд соединенных перемычками стальных труб с теплоизоляцией, внутри которых размещены гофрированные листы из полиэтилена.

Предлагаемая конструкция обеспечивает распределенное в пространстве СВЧ-излучение, что позволяет получить длительную обработку эмульсии СВЧ-полем, и в совокупности с эффектом контакта эмульсии с коалесцентором в то время, когда она обладает наибольшей температурой, - синергетический результат. В случае особо стойких эмульсий можно улучшить процесс коалесценции капель воды, подключая дополнительный модуль коалесценторов. При необходимости часть СВЧ-генераторов отключается, что позволяет экономно использовать электроэнергию. Достаточно большой диаметр трубы, транспортирующей нефть, позволяет получить высокую производительность всей установки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид устройства; на фиг.2 - фрагмент модуля СВЧ-обработки; на фиг.3 - сечение по Б-Б фрагмента модуля СВЧ-обработки, на фиг.4 - одна из труб модуля коалесценторов, сечение А-А на фиг.1, где

1 - многомодовый волновод;

2 - СВЧ-генераторы;

3 - рупорные излучатели;

4 - труба коалесцентора;

5 - гофрированные поверхности коалесцентора в виде полос из полиэтилена;

6 - переходы;

7 - внешний модуль коалесценторов - стальные трубы с теплоизоляцией;

8 - гофрированные полосы внешнего модуля коалесценторов;

9 - взрывозащищенная задвижка с электрическим приводом.

Установка состоит из модуля СВЧ-обработки, содержащего два многомодовых круглых волновода 1, расположенных параллельно и соединенных между собой переходом, возбуждаемых через окна связи СВЧ-генераторами (магнетронами) 2, каждый из которых подключен к согласующим рупорным излучателям 3, установленным на волноводах под углом 45° к их оси, внутри каждого волновода коаксиально расположена труба 4 из радиопрозрачного материала, содержащая в себе полосы из гофрированного полиэтилена 5 или другого радиопрозрачного материала - коалесцентор, и модуля коалесценторов 7, представляющего собой последовательно соединенные через переходы 6 трубы из стали с теплоизоляцией (не показана), с расположенными внутри каждой трубы полосами из гофрированного полиэтилена 8; модуль коалесценторов подключается к модулю СВЧ-обработки через взрывозащищенную задвижку с электрическим приводом 9.

Устройство для СВЧ-деэмульсации нефти работает следующим образом.

Нефть (эмульсия) при помощи насосов (не показаны) через открытую задвижку поступает в трубу коалесцентора 4 из радиопрозрачного материала модуля СВЧ-обработки до полного ее заполнения. Задвижка 9 на его выходе закрыта. После этого включаются генераторы СВЧ-энергии и за счет работающего насоса нефть поступает в блок коалесценторов через открытую в момент подачи СВЧ-энергии выходную задвижку 9.

Молекулы воды обладают дипольным моментом, а нефть нет, поэтому глобулы воды нагреваются сильней и этот выборочный нагрев создает температурный градиент, разрушающий устойчивость сил поверхностного натяжения, поддерживающих раздельное сосуществование нефтяной и водной фаз. Второй фактор воздействия микроволн связан с поверхностно-активными веществами, молекулы которых имеют поляризованный и неполяризованный концы, связывающие нефть и воду. Со стороны электромагнитного поля воздействие испытывает только дипольная часть молекулы, что разрушает ее связь с недипольной частью и ослабляет способность ПАВ сохранять водонефтяную структуру эмульсии. Эти два фактора разрушают стойкие эмульсии и отсутствуют в других установках.

После обработки в микроволновом модуле и модуле коалесценторов эмульсия поступает в сепаратор (не показан), где под действием сил гравитации происходит окончательное разделение фаз. При необходимости внешний модуль коалесценторов может быть отключен и обработка производится только СВЧ-модулем.

Угол наклона рупоров к оси многомодового волновода и их геометрия выбирались по критерию минимального отражения СВЧ-энергии от многомодового волновода с расположенной внутри него трубой, заполненной эмульсией. КСВ тракта рупор - волновод составлял 1,5÷1,7, что позволяет считать их хорошо согласованными. Магнетроны подключались к излучающим рупорам через коаксиально-волноводные переходы. Развязка между двумя соседними магнетронами была не хуже 15 дБ.

Пример работы установки производительностью 50 т в сутки с 12 магнетронами мощностью 1000 Вт каждый, работающими на частоте 2450 МГц.

Внешний модуль коалесценторов имел четыре трубы длиной 4000 мм и диаметром 100 мм каждая. Нефть, поступающая из нижнего слоя накопительного резервуара, имела содержание воды порядка 12-15%.

После полного заполнения объема сепаратора пробы брались из его среднего уровня с интервалом один час. Анализ по методу Дина-Старка показал содержание воды в пробах менее 0,5% и солей менее 70 мг/дц³. Была получена товарная нефть с возможностью непрерывной поставки потребителю из сепаратора. Чтобы получить нефть с содержанием воды 0,5% термохимическим способом, требуется после полного заполнения сепаратора время отстоя более суток. Это связано с неэффективным процессом коалесценции капель в указанном способе.

Установка проста и легка в обслуживании, предусматривает возможность наращивания мощности, а тем самым увеличения производительности и глубины разделения фаз за счет увеличения до необходимого количества источников СВЧ-энергии.

Все элементы установки легко заменяются и ремонтируются. В качестве генераторов СВЧ-энергии применяются недорогие, серийно выпускаемые, маломощные магнетроны с большим сроком службы. Источники питания магнетронов хорошо разработаны, дефицитных деталй не содержат. В модуле СВЧ-обработки отсутствуют нагревающиеся поверхности, ухудшающие характеристики нефти. Нет газовых горелок, что делает установку экологически чистой.

Изобретение относится к СВЧ-обработке жидкостей и может быть использовано для оперативного обезвоживания нефтяной эмульсии, что необходимо нефтедобывающим организациям, МЧС при ликвидации разливов нефти, в авиационной и военной технике. Установка состоит из модуля СВЧ-обработки, содержащего два многомодовых круглых волновода, расположенных параллельно и соединенных между собой переходом, возбуждаемых СВЧ-генераторами (магнетронами), каждый из которых подключен к рупорным излучателям, установленным на волноводах. Внутри каждого волновода расположена труба-коалесцентор из радиопрозрачного материала, содержащая полосы из гофрированного полиэтилена или другого радиопрозрачного материала. Модуль коалесценторов представляет собой последовательно соединенные через переходы трубы из стали с теплоизоляцией, с расположенными внутри каждой трубы полосами из гофрированного полиэтилена. Модуль коалесценторов подключается к модулю СВЧ-обработки через взрывозащищенную задвижку с электрическим приводом. Техническим результатом изобретения является возможность разрушения стойких нефтяных эмульсий, получающихся, например, при длительном хранении нефти, и высоковязких эмульсий с высоким содержанием смол, асфальтенов и парафинов. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. СВЧ-установка для обезвоживания и обессоливания нефти, содержащая СВЧ-генератор, подключенный к волноводу, в котором расположен коалесцентор с гофрированными поверхностями внутри него, выполненными из радиопрозрачного материала, имеющий входное и выходное отверстия для прохода нефти, отличающаяся тем, что в нее введены дополнительные СВЧ-генераторы, в качестве волновода выбран круглый многомодовый волновод с окнами связи, снабженный согласующими рупорами для подключения СВЧ-генераторов, расположенными под углом к продольной оси волновода, угол наклона и геометрические параметры рупоров выбраны из условия минимизации СВЧ-энергии, отраженной от коалесцентора, при этом коалесцентор выполнен в виде трубы из радиопрозрачного материала, образуя с волноводом коаксиальную конструкцию.2. СВЧ-установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный волновод с коалесцентором, расположенный параллельно с первым и соединенный с ним с одной стороны, с открытым концом с другой стороны.3. СВЧ-установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит модуль коалесценторов, расположенный вне СВЧ-поля, подключенный к волноводу и представляющий собой ряд параллельных труб, соединенных между собой в виде змеевика, при этом гофрированные поверхности внутри каждой трубы выполнены из полиэтилена.