Способ разделения водонефтяной эмульсии и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B01D17/06 

(Л

С

Изобретение относится к подготовке нефти на промыслах и перерабатывающих заводах и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтехимической промышленности. Цель изобретения - повышение эффективности процесса разделения водонефтяной эмульсии. Способ заключается в обработке эмульсии магнитным полем напряженностью 1200-20000 Э в присутствии контактного материала при относительном перемещении эмульсии и контактного материала с определенной скоростью, рассчитанной по формуле. Корпус устройства выполнен из двух вертикальных цилиндроконических частей разного диаметра. Магнитная система размещена в нижней части корпуса снаружи. Крышка выполнена наклонной и снабжена адсорбционным фильтром для газа. Контактный материал выполнен из окислов железа, магнетита или феррита в виде взвешенных в магнитном поле частиц или в виде плоского пучка струн или лент и может быть покрыт магнитопроницаемым материалом. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 2 ил., 5 табл.

Изобретение относится к области подготовки нефти на промыслах и перерабатывающих заводах и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтехимической промышленности,

Целью изобретения является повышение эффективности процесса разделения водонефтяной эмульсии.

Поставленная цель достигается тем, что используют магнитное поле напряженностью 1200-20000 Э, а контактный материал и эмульсию перемещают друг относительно друга со скоростью

v

(1)

gradH

размер контактного

где d - характерный материала; ц- динамическая вязкость эмульсии;

#- удельная магнитная восприимчивость контактного материала;

Н - напряженность магнитного поля;

grad Н - градиент магнитного поля, при обеспечении значения критерия Рей- нольдса 2320.

Контактным материалом могут служить естественные и искусственные магнитные материалы, например магнитные частицы окислов железа, магнетита или феррита, сплавы железа с никелем и кобальтом магнитные волокна, магнитные ленты, струны, ферро- и феррймагнетики, а также ферро s|

ю о о со

о

магнитные смолы.

Сырая нефть, помимо газовых включений (растворенного и окклюдированного газа), содержит глобулы (нефти или воды) с бронирующими оболочками, включающими

продукты коррозии металлов в виде гидроокисей железа и металлов, содержащихся в самой нефти (никель, железо и др.), которые с течением времени в результате старения нефти и окисления превращаются в магнитные формы магнетита, феррита, затрудняющие процесс деэмульсации, обессоливания и обезвоживания нефти.

Предлагаемый способ разделения водонефтяной эмульсии основан на магнитнойобработкеэмульсии(электро)магнитным полем напряженностью 1200-20000 Э при перемещении контактного материала с заданной относительной скоростью, определяемой формулой (1).

Способ заключается в разделении водо- нефтяной эмульсии на нефть, газ и воду с улавливанием легких фракций углеводородов, которые при известных способах обычно терялись, загрязняя окружающую среду.

Способ включает магнитообработку эмульсии намагниченными частицами, магнитными струнами, магнитными волокнами, магнитными лентами или ферромагнитными смолами под действием внешнего маг- нитного поля с относительным перемещением этого контактного материала и эмульсии. При этом происходит магнитная деэмульсация нефти за счет различий в магнитных свойствах бронирующих оболочек глобул воды и нефти и различного их поведения в магнитном поле в зависимости от относительной скорости перемещения магнитного контактного материала, характерного их размера и вязкости водонефтя- ной эмульсии. На процесс магнитной деэмульсации оказывает влияние магнитная восприимчивость частиц и глобул, а также напряженность магнитного поля и относительная скорость их перемещения.

Напряженность магнитного поля подключает к работе силы кулоновского взаимодействия магнитных зарядов, пондеромоторную и потокосцепляющие силы со стороны внешнего магнитного поля и магнитного контактного материала при их относительном перемещении. В неоднородном магнитное поле на глобулу с бронирующей ферромагнитной оболочкой действуют также пондеромоторная и пото- косцепляющая силы как со стороны внешнего магнитного поля (в общем случае электромагнитного), так и со стороны намагниченных частиц контактного материала, введенного в водонефтяную эмульсию, перемещаемых относительно друг друга, включая также перемещение пучка струн или лент с относительной скоростью движения, определяемой формулой (1).

Механизм магнитной деэмульсации нефти или водбонефтяной эмульсии проходит стадии магнитной флокуляции-коагуля- ции глобул, магнитного отделения их вместе

с контактным материалом, например магнитными частицами, сепарации (разделения) воды, нефти и газа и регенерации контактного материала. Водонефтяные эмульсии типа нефть в воде или вода в

0 нефти, глобулы которых бронированы ферромагнитными частицами с высокой удельной магнитной восприимчивостью (более 3000 10 6см3/г), отделяются и разрушаются под действием внешнего магнитного поля

5 напряженностью 1200-1600 Э. Бронирующие оболочки глобул, экранированные слабомагнитными минеральными частицами и сульфидами металлов с удельной магнитной восприимчивостью (15-500). см3/г, раз0 деляются под действием внешнего магнитного поля напряженностью 10000-20000 Э. На фиг. 1 показано устройство для разделения водонефтяной эмульсии с контактным материалом в виде магнитных или

5 немагничивающих частиц; на фиг.2 - устройство для разделения водонефтяной эмульсии с контактным материалом в виде плоского пучка струн или лент (с линейным контактным материалом).

0Контактный материал имеет диаметр или

толщину порядка 1-0,001 мм. Линейный контактный материал в виде магнитных струн или магнитных лент частично погружается в эмульсию и пучок струн или лент

5 может располагаться наклонно с целью удобства вывода и разделения эмульсии, А с целью защиты контактного материала (магнитного или намагничивающегося) от растворяющих веществ он предохраняется

0 магнитопроницаемым покрытием из стекла, полимера или смолы, благодаря чему магнитные свойства его не ухудшаются.

Устройство для разделения водонефтяной эмульсии (фиг.1) включает корпус 1 и

5 расположенную снаружи магнитную систему 2 в нижней части корпуса. Загрузка контактного материала осуществляется через воронку с трубой 3. В корпусе расположен контактный материал 4. Устройство содер0 жит конфузор 5, патрубок 6 входа эмульсии, шаровой клапан 7, нижний цилиндр 8, коническую вставку 9, верхний цилиндр 10 большего диаметра, крышку 11, патрубок 12 вывода газа с адсорбционным фильтром 13,

5 патрубки выхода нефти 14 и воды 15, патрубок 16, шламосборник 17, конденсатосбор- ник 18 и задвижку 19. Корпус 1 выполнен из двух вертикальных последовательно соединенных цилиндрических частей 8 и 10 разного диаметра (верхний большего диаметра,

нижний меньшего), связанных между собой конической вставкой 9. При этом крышка 11 корпуса 1 выполнена наклонной для скатывания конденсата и для облегчения выведения легких фракций нефти в форме нефтяного газа и соединена с адсорбционным фильтром 13с загрузкой из активированного угля или волокна. Выпуск осушенного (сухого отбензиненного) газа осуществляется через патрубок 12, а сброс уловленных легких углеводородов нефти и газа осуществляется в конденсатосборник 18 посредством отдувки или вакуум-отсоса через задвижку 19. Загрузка контактного материала в виде частиц осуществляется через воронку с трубой 3. Нижний цилиндр 8 меньшено диаметра состыкован с конфузо- ром 5 с шаровым клапаном 7 и связан с патрубком 16 и шламосборником 17.

Устройство (фиг.1) работает следующим .образом.

Водонефтяная эмульсия поступает через патрубок 6 в нижнюю часть корпуса 1, а именно в его коническую часть - конфузор 5. При этом шаровой клапан 7 под действием потока открывается. Сверху в загрузочную воронку с трубой 3 засыпают контактный материал 4 в зону магнитной системы 2 или подают в нее вместе с водо- нефтяной эмульсией через патрубок 6. Внешнее магнитное поле (в общем случае электромагнитное) накладывают на водо- нефтяную эмульсию со стороны коицент- рично расположенных полюсов магнитной системы 2 на нижнюю часть корпуса 1, а именно на нижний цилиндр 8 меньшего диаметра. Водонефтяную эмульсию перемещают относительно магнитно-зависающего контактного материала со скоростью, определяемой формулой (1). Под действием внешнего магнитного поля напряженностью 1200-1600 Э бронированные магнетитом, ферритом или окислами железа глобулы нефти и воды разделяются в магнитном поле, пропуская через взвешенный магнитный слой контактного материала очищенную нефть и воду. После магнитной сепарации в расширенной части корпуса 1, а именно в зоне осветления цилиндра 10, происходит дополнительная гравитационная сепарация нефти и воды, освобожденных уже от стабилизирующих бронированных оболочек. Последующее разрушение глобул водонефтяной эмульсии происходит при увеличении напряженности магнитного поля в присутствии контактного материала; При напряженности магнитного поля 10000-20000 Э происходит магнитная фло- куляция и коагуляция с коалесценсией нефтяных капель, которые, освобождаясь от

примесей, всплывают в зону осветления расширенного цилиндра 10, где отсепари- рованный слой нефти удаляется посредством патрубка 14, а чистый слив воды,

освобожденный от нефтяных включений, отводится по патрубку 15. Легкие углеводороды в виде нефтяного газа, содержащегося в сырой нефти, после магнитной флокуляции и разрушения глобул направляются вадсор0 бционный фильтр 13, где адсорбируются и конденсируются загрузкой из активированного угля (КАД-йодный, СКТ) или ионообменным активированным волокном. Очищенный и осушенный газ через патру5 бок 12 выбрасывается в атмосферу с утилизацией легких наиболее ценных фракций углеводородов в виде газового бензинового конденсата, который через регулирующую задвижку 19 направляется в конденсатос0 борник 18.

Используя в качестве контактного материала ионообменные гранулированные ферромагнитные смолы, можно не только осуществлять магнитную деэмульсацию

5 нефти, но и производить обезметалливание нефти и пластовой воды. Покрывая ферромагнитный контактный материал защитной магнитопроницаемой оболочкой, увеличивают срок службы магнитных частиц, предо0 храняя их от загрязнения и растворения в агрессивной среде, что облегчает их регенерацию и повторное (многократное) использование.

Устройство по фиг.2 выполнено с линей5 ным контактным магнитным материалом в виде плоского пучка магнитных струн или магнитных лент, а также струн и лент, намагничивающихся под действием внешнего магнитного поля, которые перемещаются

0 относительно эмульсии с заданной скоростью, определяемой формулой (1), при соблюдении ламинарного режима. На ленту с одной стороны может быть наклеено магнитное или ферромагнитное ионообменное

5 волокно для одновременной магнитной де- эмульсации и извлечения ценных маталлов из пластовой воды и нефти, чем достигается обезвоживание и обессоливание нефти и воды в одном аппарате с одновременным

0 улавливанием легких фракций из газа в адсорбере с активированным углем или волокном. Струны и ленты покрывают магнитопроницаемым защитным покрытием из стекла, полимера или смолы. Диаметр

5 струн и лент составляет 1-0,001 мм, а волокон менее 0,001 мм. Для интенсификации адсорбции, облегчения адсорбции и удаления из корпуса с целью повышения эффективности разделения водонефтяной эмульсии плоский пучок струн или лент располагают наклонно к свободной поверхности. Извлечение нефти и глобул осуществляется под действием внутреннего трения и магнитоэлектрокапиллярных эффектов с разделением водонефтяной эмульсии.

Устройство (фиг.2) включает корпус 1, линейный контактный магнитный или намагничиваемый материал 20 в виде плоского пучка струн или лент, частично погруженных в эмульсию и приводимых в движение относительно эмульсии ведущим роликом-барабаном 21 с натяжным роликом 22 и двух прижимных регенерирующих роликов 23, т.е. устройство снабжено прижимными роликами для регенерации струн и лент с магнитной внешней системой в виде электромагнита 24. Отжим нефти производится прижимным роликом 23 под наклонной крышей корпуса 1 со сливом ее на свободную поверхность нефти или над крышей со сливом в сборник 25 обезвоженной нефти. Отсепарированная нефть вода и газ отводятся посредством соответствующих патрубков 26-28, а поступление водонефтяной эмульсии или сырой обводненной нефти осуществляется через патрубок 29 входа. Легкие углеводороды в газообразной форме улавливаются адсорбционным фильтром 30 с загрузкой из активированного угля или волокна, где после конденсации отсасываются в конденсатосборник 31 и утилизируются в виде газобензинового конденсата.

Устройство (фиг.2) работает следующим образом.

В корпус 1 через патрубок 29 подают эмульсию до определенного уровня. В водо- нефтяную эмульсию частично, например на 2/3 ее глубины, погружают линейный магнитный контактный материал 20 и виде плоского пучка струн или магнитных лент, или ленты (лент) с наклейкой тонкого слоя магнитного волокна или магнетита. Линейный контактный материал 20 приводят в движение ведущим приводным роликом-барабаном 21. Натяжение регулируют натяжным роликом 22. Скорость движения линейного контактного материала в форме плоского пучка струн или бесконечной ленты по отношению к эмульсии определяется формулой (1) при соблюдении ламинарного режима с толщиной (характерным размером) 1- 0,001 мм. Для разделения эмульсии и отде- ления глобул с бронирующими ферромагнитными частицами включают внешнее магнитное поле от электромагнита 24. В результате происходит магнитная де- эмульсация с обезвоживанием нефти и разделением эмульсии на нефть, газ и воду. Обезвоженная нефть за счет внутреннего трения и электрокапиллярных явлений извлекается выше уровня свободной поверхности воды и отводится патрубком 26, а от- сепарированная вода выводится через нижерасположенный патрубок 27, Пучок

струн или лент регенерируется от нефти прижимными роликами 23 с отводом обезвоженной нефти в нефтесборник 25 или в слой нефти. Легкие летучие углеводороды улавливаются адсорбционным фильтром 30

в самой верхней части корпуса 1, а адсорбированный и сконденсированный углеводород отводится в конденсатосборник 31. Очищенный газ выводится через патрубок 28.

Пример 1. Сырая нефть с различной обводненностью подвергается деэмульса- ции магнитной сепарацией в устройстве, показанном на фиг.1, в корпусе которого в качестве контактного материала содержатся магнитные частицы крупностью 1,5- 0,0005 мм с удельной магнитной восприимчивостью 10000-10 6 см3/г при различной напряжености и магнитного поля и постоянном градиенте напряженности, равном 10 Э/см. Испытанию подвергалась во- донефтяная эмульсия с обводненностью 10; 30 и 90% с соответствующей вязкостью 58,0- 65,7. и 130-10 2 П и удельным весом соответственно 0,93; 0,914 и

0,900 г/см3 при +20°С. Вязкость пластовой воды при этой температуре 0, П. Скорость относительного перемещения магнитных частиц по отношению к эмульсии не превышала скорости, определяемой формулой (1), и равнялась ей. При этом числа

Рейнольдса (Re ) не превышали

Данные влияния напряженности магнитного поля на остаточную обводненность эмульсии при различном диаметре частиц магнетита представлены в табл.1.

Пример 2. Водонефтяная эмульсия по примеру 1 подвергается деэмульсации

плоским пучком магнитных струн диаметром 1,5-0,0005 мм в виде бесконечной ленты, погруженной в водонефтяную эмульсию на 2/3 глубины под наклоном 60° к свободной поверхности с последующим отжимом

нефти над поверхностью прижимными роликами, регенерирующими струны плоского пучка. Скорость движения плоского пучка струн, намагничивающихся под действием внешнего магнитного поля напряженностью 1000-22000 Э, определялась формулой (1) и не превышала ее по отношению к водонефтяной эмульсии. Диаметр струн изменяли от 1,5 до 0,0005 мм. Относительное движение плоского пучка струн по отношению к эмульсии осуществляли при ламинарном, режиме, когда критерий Рейнольдса не прев.ыщад; 2:320 (Re v dp /r 2320).

Данные влияния напряженности магнитного, поля и диаметра струн на процесс разделения эмульсии представлены в табл.2.

Пример 3. Условия опыта те же, что и в примере 1, только в качестве линейного контактного материала применена магнитная лента, с одной стороны которой наклеено волокно. Толщина ленты 0,1 мм, диаметр во- локна 0,001 и 0,0005 мм при длине врдокна. 5 мм. Результаты опыта приведены в табл.3.

Пример 4. Условия опыта те же, что и в примере 1, только магнитными частицами служат ферриты, обработанные врдора- створимым полимером гомополимерной поливинилацетатной 0,2%-ной концентрации с образованием защитной полимерной пленки на магнитной частице, т.е. магнитная частица в капсюле. Аналогично покры- ваются капиллярные струны и ленты. При этом контактный материал не загрязняется нефтепродуктами, не растворяется в пластовой агрессивной воде, так как пленка защищает магнитную частицу, ленту или струну, а нефтепродукты легко с них снимаются при регенерации контактного материала с магнитопроницаемой пленкой.

Данные влияния напряженности магнитного поля на процесс деэмульсации с магнитными частицами с защитным покрытием толщиной 0,15 мм на ферритных частицах диаметром 0,5 мм приведены в табл.4.

Пример 5. В водонефтяную эмульсию с вязкостью 65,7. П с плотностью 0,91 г/см3 (плотность дренажной воды 1,06 г/см3), содержащую 30% нефти и 70% воды, вводится 0,2% (отвеса нефтяной эмульсии) магнитных частиц ( у- РеаОз) диаметром 0,02 см (природный магнетит) с удельной магнитной восприимчивостью % 40000 10 6см3/г, а в другом опыте вводят искусственные магниты той же крупности с удельной магнитной восприимчивостью 400000 см3/г в водонефтяную эмуль- сию. Разделение эмульсии проводили при различных скоростях, включая расчетную vp, определяемую формулой (1), при напряженности магнитного поля Н 20000 Эй градиентах 20 и 200 Э/см с соблюдением ламинарного режима. Данные влияния относительной скорости на разделение эмульсии сырой нефти при различных режимах магнитной обработки эмульсии приведены в табл.5, где режим I: Н 20000 Э, dH/dx 20 Э/см, х 40000-10 6 см3/г; режим II: Н 20000 Э, dH/dx 200 Э/см,% 40000-Ю 6 см3/г; режим III: Н

20000 3,dH/dx 200 Э/см, 400000 10 6 см3/г.

Из анализа табл.5 следует, что относительная скорость не должна превышать расчетную.

Таким образом, предлагаемый способ интенсифицирует процесс разделения эмульсии, повышает его эффективность за счет заданной скорости перемещения контактного материала по отношению к эмульсии, обладает сравнительно невысокой напряженностью магнитного поля, которое усиливается магнитным контактным материалом в форме магнитных частиц, (феррита, магнетита, окислов железа или искусственных магнитов на основе специальных сплавов железа, никеля и кобальта), магнитных струн, магнитных лент, магнитных волокон. Эффект разделения эмульсии достигается магнитообработкой и внутренним трением с магнитоэлектрокапиллярны- ми явлениями на границе раздела фаз эмульсия - контактный материал- Магнитное поле, намагничивая ферро- и ферримагнитные частицы, струны, ленты, волокна, вызывает магнитную адсорбцию глобул с бронирующими оболочками, содержащими окисленную форму железа и металлов, их магнитную флокуляцию и коагуляцию, разрушение глобул с коагуляцией нефти в крупные капли, всплытие их и в конечном счете разделение эмульсии с обеспечением деэмульсации сырой обводненной нефти под действием магнитной сепарации, гравитации, внутреннего трения и магнитоэлектрокапиллярных явлений. Обезвоживание нефти осуществляется как на магнитных частицах контактного материала за счет магнитной адсорбции, так и путем отклонения глобул и магнитных частиц в потоке при наложении магнитного, а в общем случае электромагнитного поля, с выведением бронирующих оболочек из эмульсии под действием магнитной сепарации, внутреннего трения и магнитоэлектро- капиллярных явлений на подвижном контактном материале, в результате чего достигается разделение эмульсии на нефть, воду и газ. При этом легкие углеводороды нефти и нефтяного попутного газа утилизируются. Предложенный способ и устройство позволяют легко регулировать процесс, осуществлять его оптимизацию и интенсификацию, что в конечном счете повышает эффективность деэмульсации.

Контактные аппараты,(корпус устройства) могут выполняться из магнитопроницае- мого материала и стали, цилиндрическая часть корпуса может размещаться внутри соленоида электромагнитной катушки с питанием постоянным или выпрямленным током от двухполупериодного выпрямителя. Сгущение глобул водонефтяной эмульсии, их коагуляции и разрушение осуществляются как непосредственно в магнитном поле соленоида, так и с предварительным намагничиванием контактного материала в корпусе, содержащем эмульсию. При этом действие магнитного поля неоднократно усиливается. Извлеченный контактный материал регенерируют, предварительно покрывая его магнитопроницаемым защитным покрытием.

Фор мул а изобретения

v W -H 9radH где d - характерный размер контактного материала;

динамическая вязкость эмульсии;

Х удельная магнитная восприимчивость контактного материала;

Н - напряженность магнитного поля;

grad Н - градиент напряженности магнитного поля,

при обеспечении значения критерия Рейнольд са „ 2320.

из окислов железа, магнетита или феррита.

имеет диаметр или толщину 1-0,001 мм.

расположен наклонно.

или волокна.

Примечание. Отделение и разделение глобул и деэмульсация нефти в

магнитном поле происходит при напряженности магнитного поля 1200-1600 Э,

При напряженности магнитного поля 10000-20000 Э происходит магнитная коалесценсия, коагуляция и флокуляция глобул, их разрушение и всплывание укрупненных капель нефти.

Таблица 1

Таблица 2

Примечание. При всех режимах течение ламинарное, критерий Рейнольдса Re vdp /Ј 2,77 менее 2320.

Таблица

I

Фиг