СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ К ТРАНСПОРТУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F15D1/02 F17D1/16 

Изобретение относится к области подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке, а именно к способам и устройствам для осуществления подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке и предназначено для использования в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

Для улучшения реологических свойств нефтепродуктов применяют термообработку, добавление поверхностно-активных веществ, депрессорных присадок. Однако данные методы являются дорогими и энергозатратными, а эффект улучшения реологических свойств нефтепродуктов не может быть долгосрочным.

Известен способ подготовки высоковязкой парафинистой нефти к транспорту, заключающийся в обработке нефти азотистыми поверхностно-активными веществами при нагревании (Патент RU №987277, МПК F17D 1/16 от 30.04.1981).

Недостатками способа является необходимость поддержания температуры парафинистой нефти существенно выше температуры застывания нефти и применение поверхностно-активных веществ.

Наиболее близким к заявляемому является способ улучшения реологических параметров высоковязких парафинистых нефтей с применением технологии виброструйной магнитной активации, прототип (Патент RU №2203862, МПК C02F 1/48 от 20.09.1999). Способ заключается в том, что в растворе формируют малые объемные порции, которые многократно подвергаются многокомпонентному воздействию создающими их модулями активации. Многокомпонентное воздействие происходит вследствие образования объединенных неделимой совокупностью активирующих факторов: турбулентных струй, сдвиговой скорости слоев раствора, квазипостоянного магнитного поля, чередующихся депрессий и компрессий, акустического поля.

К недостаткам указанного способа можно отнести необходимость поддержания температуры парафинистой нефти выше температуры застывания нефти, сложность технического увеличения единичной мощности вибрационных устройств, длительный период обработки нефти, что существенно ограничивает производительность способа.

Известен виброструйный перемешиватель и разжижитель вязких жидкостей и суспензий (Патент RU №2208474, B01F 11/00, B01F 13/08 от 22.11.1999) содержащий корпус, электромагнитный вибропривод, отделенный перегородкой от рабочего органа в виде нескольких подпружиненных плоскими пружинами пластин с подковообразными трапецеидальными отверстиями, являющихся якорями электромагнитов вибропривода, каждая из которых установлена с другой стороны перегородки напротив магнитопровода, расстояние от перегородки до якорей выполнено не меньше, чем амплитуда колебаний якорей в жидкой среде с собственной частотой, равной частоте напряжения питания электромагнитного вибропривода. Корпус выполнен в виде правильной многоугольной призмы, каждая пластина расположена на грани корпуса и закреплена на большем плече пружины, выполненной в виде несимметричной полукруглой скобы, причем отношение длины большего плеча пружины к радиусу ее закругления должно быть не меньше трех.

Недостатками указанного устройства являются недостаточно высокая эффективность обработки жидкостей из-за значительной турбулизации струй.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство виброструйной магнитной активации жидкостей и растворов, выбранное за прототип (Патент RU №2275956, B01F 13/08 от 05.01.2004). Изобретение относится к устройствам магнитной активации, применяемым в различных технологических процессах перемешивания, разжижения жидкостей и суспензий. Устройство содержит корпус в виде правильной многоугольной призмы, рабочий орган выполнен в виде нескольких подпружиненных пружинами пластин-активаторов с трапецеидальными отверстиями, являющихся якорями электромагнитов вибропривода, каждая из которых установлена с другой стороны перегородки напротив магнитопровода. Расстояние от перегородки до якорей выполнено не меньше, чем амплитуда колебаний якорей в жидкой среде с собственной частотой, равной частоте напряжения питания электромагнитного вибропривода. Каждая пластина-активатор выполнена в виде конусного диска с круговым трапецеидальным отверстием, имеет в центральной части конусный струеобразователь и дополнительно по периферии имеет отверстия, расположенные симметрично относительно продольной оси.

Недостатками данного устройства является сложность технического увеличения единичной мощности вибрационных устройств, длительный период обработки нефти и низкая надежность упругих элементов вибраторов.

Низкая надежность, низкая единичная мощность вибраторов и длительный период обработки нефти существенно ограничивают производительность устройства виброструйной магнитной активации жидкостей и растворов и существенно затрудняют применение его в технологических процессах подготовки парафинистых нефтей к транспорту.

Указанные проблемы могут быть разрешены с помощью заявляемой группы изобретений.

Основной задачей заявляемой группы изобретений является создание способа подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту и устройства для его осуществления, позволяющих с минимальными энергозатратами существенно снизить вязкость нефтепродукта и температуру его застывания путем многокомпонентного воздействия, повышающего степень активации растворов.

Технический результат - повышение эффективности и надежности подготовки нефтепродуктов к транспорту, а также снижение энергозатрат на активацию нефтепродуктов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке, содержащем корпус с конусным струеобразователем и электромагнит с токоподводом, корпус выполнен в виде единого проточного модуля, в котором расположен конусный струеобразователь, диспергирующая пята и немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита, при этом выходное сопло конусного струеобразователя расположено соосно с диспергирующей пятой, внутреннее ярмо электромагнита жестко соединено с диспергирующей пятой и имеет общий сквозной канал, а на внутреннее ярмо электромагнита намотана катушка электромагнита постоянного тока, соединенная с электрическим гермовводом, при этом немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита установлена за диспергирующей пятой.

Оптимально выполнить единый проточный модуль в виде навинченных друг на друга входного и выходного патрубков.

Предпочтительно выполнить конусный струеобразователь с углом 130-150 градусов, обеспечивающим максимальное гидравлическое сопротивление, и установить его во входном патрубке.

Целесообразно установить диспергирующую пяту от сопла конусного струеобразователя на расстоянии, равном 0,5-1 диаметра сопла.

Устройство может дополнительно содержать формирователь тангенциальной составляющей потока, выполненный в виде шнека и блок охлаждения высоковязких нефтепродуктов.

Поставленная задача решается также тем, что в способе подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке, используют заявляемое устройстве, при этом высоковязкие нефтепродукты подают во входной патрубок единого проточного модуля упомянутого устройства, и проводят в едином проточном модуле их омагничивание и активацию с обеспечением повышения сдвиговых скоростей посредством ударного диспергирования на выходе из сопла конусного струеобразователя устройства.

В одном из вариантов реализации способа высоковязкие нефтепродукты подвергают предварительному охлаждению до температуры ниже температуры застывания нефтепродуктов на 5-7°С.

Заявляемые способ и устройство позволяют повысить эффективность процесса подготовки нефтепродуктов к транспорту путем существенного снижения их вязкости и понижения температуры застывания, а также добиться снижения энергозатрат на обработку нефтепродуктов.

Это достигается за счет того, что применяемое в процессе активации устройство для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке обеспечивает улучшение реологических характеристик нефтепродукта за счет комплексного воздействия высоких сдвиговых скоростей и электромагнитной активации, при этом идет разрушение надмолекулярной структуры нефтепродукта, что приводит к достижению необходимой вязкости, причем даже при отрицательных температурах окружающей среды процесс активации идет с затратами энергии, в 100 раз меньшими, чем термическим способом.

Выполнение конструкции заявляемого устройства в виде единого проточного модуля позволяет исключить конструктивные узлы и детали, ограничивающие ресурс устройства и препятствующие увеличению единичной мощности модуля.

При этом возможно осуществление многократной обработки нефтепродуктов с помощью устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту, что позволяет получить длительный эффект снижения их вязкости и понижения температуры застывания.

Заявляемые способ и устройство подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел.

Действительно, специально для реализации способа подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту было создано устройство с оригинальной конструкцией, позволяющей реализовать качественную активацию нефтепродуктов.

Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию единства изобретения.

Заявляемая группа изобретений поясняется примерами конкретной реализации и следующими чертежами.

На фиг. 1 изображена конструкция заявляемого устройства.

На фиг. 2 представлена зависимость температуры застывания нефтей и мазута от времени виброобработки: а) 1 - нефть южно-табаганская; 2 - нефть останинская; 3 - нефть урманская; б) 4 - нефть таймурзинская; 5 - мазут.

На фиг. 3 приведено схематичное изображение свободной затопленной струи.

Устройство для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке (фиг. 1) состоит из входного патрубка 1, выходного патрубка 2, конусного струеобразователя (конфузора) 3, диспергирующей пяты 5, внутреннего ярма электромагнита 6, катушки электромагнита постоянного тока 7, создающего магнитный поток 8 от сопла конусного струеобразователя электрического гермоввода 9, немагнитной опоры внутреннего ярма электромагнита 10. Входной патрубок 1 навинчивается на выходной патрубок 2, конфузор 3 зажимается между входным патрубком 1 и выходным патрубком 2 по внутреннему диаметру входного патрубка 1, выходное сопло конфузора 3 и диспергирующая пята 5 образуют зону активации и омагничивания 4, внутреннее ярмо электромагнита 6 жестко соединено с диспергирующей пятой 5 и имеет общий сквозной канал, на внутреннее ярмо электромагнита 6 намотана катушка электромагнита постоянного тока 7, которая имеет электрический токоподвод через электрический гермоввод 9, герметизация которого осуществляется герметизирующим компаундом. Для герметичного разделения зоны активации и омагничивания 4 от катушки электромагнита постоянного тока 7 служит немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита 10. На фиг. 1 введены обозначения: Q - общий поток нефтепродукта, Ф - направление магнитного потока.

Из графика зависимости температуры застывания нефтепродуктов от времени их обработки устройством подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке (Фиг. 2.) видно, что при получасовой обработке нефти (кривая 2) температура ее застывания снижается в два раза с -15°С до -30°С. При обработке мазута (кривая 1) процесс активации идет более интенсивно. Так, например, при продолжительности обработки мазута в течение 40 мин температура застывания изменяется от -12°С до -45°С. Максимальный эффект по снижению вязкости при использовании устройства для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту наблюдался для нефтей с высоким содержанием парафиновых углеводородов.

Способ и устройство реализуются следующим образом.

Устройство для подготовки нефтепродуктов включено в общую гидравлическую систему подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту. Гидравлический насос создает пульсирующий напор и поток нефтепродукта Q, частота пульсации напора и расхода соответствует количеству лопаток или зубьев насоса. Поток нефтепродуктов входит во входной патрубок 1 и поступает в неподвижный конфузор 3. В сопле конфузора 3 скорость нефтепродукта возрастает по сравнению со скоростью на входном патрубке 1 обратно пропорционально площади сопла конфузора и прямо пропорционально площади входного патрубка 1. Угол «атаки» конфузора выбирается из расчета максимальных местных гидравлических сопротивлений. На выходе сопла конфузора 3 нефтепродукт с большой скоростью попадает в зону ударного диспергирования и омагничивания 4, при этом нефтепродукт ударяется в диспергирующую пяту 5, разлетается в радиальном направлении и намагничивается, пересекая линии магнитного потока. Из зоны 4 нефтепродукт попадает в канал внутреннего ярма электромагнита 6. По каналу внутреннего ярма электромагнита нефтепродукт поступает в выходной патрубок 2. Катушка электромагнита постоянного тока 7 создает магнитный поток Ф, который замыкается по корпусу выходного патрубка 2, конфузору 3, вдоль зоны ударного диспергирования (активации) и омагничивания 4, внутреннему ярму электромагнита 6. Немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита 10 герметично разделяет зону активации и омагничивания 4 и катушку электромагнита постоянного тока 7, предотвращая шунтирование магнитного потока Ф относительно конфузора.

Высокоскоростная струя нефтепродуктов, обладающая высокой кинетической энергией после прохождения конфузора 3, ударяется о диспергирующую пяту 5, резко теряет скорость с одновременным разрушением надмолекулярной структуры, и омагничивается. При выходе нефтепродукта из сопла кинетическая энергия струи переходит в потенциальную энергию высокого давления зоны резкого расширения. Этот переход сопровождается гидравлическими потерями энергии, которые идут на дополнительное разрушение надмолекулярной структуры нефтепродукта. Магнитный поток создается электромагнитной катушкой постоянного тока, замыкается по магнитопроводящим элементам конструкции устройства и пронизывает зазор между конфузором 3 и диспергирующей пятой 5, тем самым омагничивая нефтепродукт, проходящий через этот зазор.

Затопленная струя (Фиг. 3), вытекающая из конфузора 3 устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту, имеет ядро струи (пространство, где сохраняется первоначальная скорость жидкости) и расходящуюся зону турбулентного течения. Длина начального участка струи L зависит от радиуса конфузора R и равняется примерно 8R. На этом расстоянии ядро струи сходит на нет. Поэтому в одном из вариантов исполнения устройства для более полного использования гидравлической энергии на пути струи расстояние от сопла до диспергирующей пяты выбирается в пределах (1÷2)×R.

Для разрушения надмолекулярной структуры нефтепродуктов конфузор 3 гидродинамической установки должен иметь максимальные гидравлические потери, при этом угол закрытия конфузора 3, в одном из вариантов исполнения устройства составляет не менее 130 градусов.

С целью увеличения абсолютной величины сдвиговой скорости в одном из вариантов исполнения перед конфузором 3 размещают формирователь тангенциальной составляющей скорости нефтепродукта (на чертежах не показан). Конструкция формирователя тангенциальной составляющей скорости может быть различной (винтовая проточка, неподвижные лопасти или шнек).

Значительный эффект виброструйной магнитной активации посредством устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке проявляется только при температурах близких к температуре застывания нефтепродукта. При нагреве активированного нефтепродукта эффект снижения вязкости и снижения температуры застывания пропадает, и свойства нефтепродукта становятся близкими к свойствам исходного. Поэтому в одном из вариантов реализации способа нефтепродукты подвергают предварительному охлаждению до температуры ниже температуры застывания нефтепродуктов на 5-7°С в необходимых случаях.

Многократные воздействия устройством подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту в одном из вариантов реализации способа позволяют поддерживать нефтепродукт постоянно в текучем состоянии, с температурой не выше температуры застывания нефтепродукта, и устраняют необходимость нагревать нефтепродукт в процессе транспортировки до температур, выше температуры его застывания.

Примеры практической реализации способа и устройства.

Пример 1. Нефть объемом 30 м³ в была помещена в резервуар. Измеренная температура нефти в резервуаре Т_н составила +0°С, а температура застывания нефти плюс 7°С. Нефть обрабатывалась в установке в течение 6 часов и в процессе активации приобрела существенную текучесть. Текучесть сохранялась более 42 часов при температуре окружающей среды минус 20°С. Температура застывания нефти снизилась до минус 22°С. Расчет показал, что удельная энергия, затраченная на активацию нефти, составила всего 2.27 кДж/л.

Пример 2. На Южно-Табаганском месторождении Томской области проводились испытания высоковязкой нефти скважины №137. Объем обрабатываемой нефти составлял 20 м³. Нефть при температуре окружающего воздуха минус 18°С являлась абсолютно не текучей. После обработки установкой с проточным модулем в течение шести часов нефть в резервуаре полностью разжижилась. Температура застывания нефти составила минус 21°С. После отключения установки, изменений показателей вязкости нефти и температуры застывания не происходило в течение длительности рабочей смены (8 часов).

Пример. 3. В Институте химии нефти СОРАН г. Томска проводились лабораторные испытания устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке. Изменение значений кинематической вязкости и температуры застывания нефти Арчинского месторождения после активации с течением времени показано в таблице.

Полученные результаты показывают высокую эффективность применения метода активации для улучшения реологических свойств нефти Арчинского месторождения.

Таким образом, разрушение надмолекулярной структуры и достижение необходимой вязкости при помощи устройства подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспорту даже при отрицательных температурах окружающей среды достигается с минимальными затратами энергии и с высокой эффективностью.

Группа изобретений относится к подготовке высоковязких нефтепродуктов к транспортировке. Устройство содержит корпус со струеобразователем и электромагнит с токоподводом. Корпус выполнен в виде единого проточного модуля, в котором расположены конусный струеобразователь, диспергирующая пята и немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита. Выходное сопло конусного струеобразователя расположено соосно с диспергирующей пятой, внутреннее ярмо электромагнита жестко соединено с диспергирующей пятой и имеет общий сквозной канал, а на внутреннее ярмо электромагнита намотана катушка электромагнита постоянного тока, соединенная с электрическим гермовводом. Немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита установлена за диспергирующей пятой. Высоковязкие нефтепродукты подают во входной патрубок проточного модуля и проводят в проточном модуле их омагничивание и активацию с обеспечением повышения сдвиговых скоростей посредством ударного диспергирования на выходе из сопла конусного струеобразователя. Обеспечивается повышение эффективности и надежности подготовки нефтепродуктов к транспортировке. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 3 пр.

1. Устройство для подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке, содержащее корпус со струеобразователем и электромагнит с токоподводом, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде единого проточного модуля, в котором расположены конусный струеобразователь, диспергирующая пята и немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита, при этом выходное сопло конусного струеобразователя расположено соосно с диспергирующей пятой, внутреннее ярмо электромагнита жестко соединено с диспергирующей пятой и имеет общий сквозной канал, а на внутреннее ярмо электромагнита намотана катушка электромагнита постоянного тока, соединенная с электрическим гермовводом, при этом немагнитная опора внутреннего ярма электромагнита установлена за диспергирующей пятой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что единый проточный модуль выполнен в виде навинченных друг на друга входного и выходного патрубков.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конусный струеобразователь выполнен с углом 130-150 градусов, обеспечивающим максимальное гидравлическое сопротивление, и установлен во входном патрубке.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диспергирующая пята установлена от сопла конусного струеобразователя на расстоянии, равном 0,5-1 диаметра сопла.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит формирователь тангенциальной составляющей потока, выполненный в виде шнека.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит блок охлаждения высоковязких нефтепродуктов.

7. Способ подготовки высоковязких нефтепродуктов к транспортировке, отличающийся тем, что используют устройство по п. 1, при этом высоковязкие нефтепродукты подают во входной патрубок проточного модуля и проводят в проточном модуле их омагничивание и активацию с обеспечением повышения сдвиговых скоростей посредством ударного диспергирования на выходе из сопла конусного струеобразователя.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нефтепродукты подвергают предварительному охлаждению до температуры ниже температуры застывания нефтепродуктов на 5-7°С.