Электростатический обессоливатель

Электростатическое обессоливание и обезвоживание сырой нефти является базовым и в то же время критически важным этапом предварительной подготовки в нефтепереработке. Его основная цель заключается не в «непосредственном удалении соли из нефти», а в том, чтобы отделить воду, содержащуюся в сырой нефти, и вывести вместе с водной фазой растворённые в ней неорганические соли.

В процессе добычи, сбора, транспортировки и хранения сырая нефть практически неизбежно содержит определённое количество солёной воды. Эта вода присутствует не в виде твёрдых частиц соли, а в форме чрезвычайно мелких капель воды, диспергированных в нефтяной фазе, образуя относительно устойчивую водонефтяную эмульсионную систему. Именно такое дисперсное состояние делает эффективное разделение только за счёт гравитационного отстоя затруднительным в реальных условиях эксплуатации.

Если сырая нефть, не прошедшая обессоливание и обезвоживание, непосредственно подаётся в установки атмосферной и вакуумной перегонки, то при высоких температурах соли могут разлагаться с образованием коррозионно-активных сред, вызывая сильную коррозию теплообменников, колонн и трубопроводов, а также приводить к загрязнению и засорению оборудования. Эти факторы существенно сокращают межремонтный период установки. Поэтому в современных процессах переработки нефти электростатические установки обессоливания обычно устанавливаются перед блоками перегонки как обязательный и незаменимый этап предварительной подготовки.

Обессоливание и обезвоживание сырой нефти не основано на применении какого-либо одного метода. На ранних этапах развития или в относительно простых установках использовались гравитационный отстой, химическая деэмульсация или исключительно тепловая обработка. Однако при переработке нефти с высоким содержанием солей или устойчивых эмульсий эти методы часто характеризуются низкой эффективностью и нестабильной работой.

Сущность электростатического обессоливания заключается в усиленном разделении нефти и воды на основе традиционных принципов сепарации. В электростатическом обессоливателе подача промывной воды, нагрев, деэмульсация и воздействие электрического поля не действуют разрозненно, а образуют единый технологический процесс с выраженным синергетическим эффектом:

• подача воды формирует переносимую водную фазу для вывода солей из нефти;
• нагрев снижает вязкость нефти, улучшая подвижность капель воды и условия их осаждения;
• электрическое поле является ключевым механизмом интенсификации всего процесса электростатического обессоливания;

Благодаря очевидным преимуществам по эффективности разделения, адаптивности к изменению свойств нефти и возможности непрерывной стабильной эксплуатации, электростатическое обессоливание широко применяется на современных нефтеперерабатывающих заводах как основной метод предварительной подготовки сырой нефти. В зависимости от характеристик нефти применяются электрические поля переменного тока, постоянного тока или их комбинированные AC/DC-конфигурации.

1. Механизм коалесценции капель воды (эффект электрического поля)

С физической точки зрения электростатическое обессоливание сырой нефти основано на поведении разделения двухфазной системы «нефть–вода» в электрическом поле. В сырой нефти вода присутствует в виде эмульсии: капли имеют малый размер и сильно диспергированы, поэтому быстрое разделение только за счёт гравитационного отстоя затруднено.

После поступления нефти в электростатический обессоливатель диспергированные капли воды в нефтяной фазе под действием высоковольтного электрического поля испытывают электростатическую индукцию и поляризацию. Поляризованные капли создают взаимное притяжение в электрическом поле, благодаря чему ранее рассеянные мелкие капли легче сталкиваются и постепенно объединяются в более крупные.

Сила коалесценции между каплями воды может быть выражена следующим образом:

• F: сила коалесценции между каплями воды;
• K: постоянная, связанная со свойствами среды;
• E: напряжённость электрического поля;
• r: радиус капли воды;
• L: расстояние между центрами капель воды;

Из приведённой зависимости видно, что сила коалесценции капель воды пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля и очень чувствительна к размеру капель и расстоянию между ними. Это и является теоретической основой существенного усиления коалесценции капель за счёт электрического поля в установках электростатического обессоливания.

2. Механизм осаждения капель воды (закон Стокса)

После того как капли воды под действием электрического поля постепенно укрупняются, эффективность их отделения от нефтяной фазы в конечном счёте определяется скоростью осаждения. Поведение диспергированных капель воды в нефтяной фазе обычно можно приближённо описать законом осаждения Стокса:

• u: скорость осаждения капли воды (м/с);
• d: диаметр капли воды (м);
• ρ1, ρ2: плотности воды и нефти соответственно (кг/м³);
• ν: кинематическая вязкость нефти (м²/с);
• g: ускорение свободного падения (м/с²);

Данная зависимость показывает, что основные способы увеличить скорость осаждения капель воды включают увеличение диаметра капель, снижение вязкости нефтяной фазы и увеличение разности плотностей нефти и воды.

Именно это является физической основой повышения эффективности обессоливания и обезвоживания: нефть подогревают для снижения вязкости и одновременно усиливают коалесценцию капель воды под действием электрического поля.

3. Рациональный выбор напряжённости электрического поля

Следует отметить, что ключ к электростатическому обессоливанию — это не просто «чем выше напряжение, тем лучше».

Хотя увеличение напряжённости поля способствует коалесценции капель воды, при определённых условиях оно также может усиливать диспергирование капель. Кроме того, эффективность обессоливания не растёт линейно с напряжённостью поля: после некоторого диапазона дальнейшее повышение напряжения даёт ограниченный прирост результата.

Поэтому в инженерной практике большее внимание уделяется согласованию параметров электрического поля со свойствами нефти, температурой, расходом промывной воды и временем пребывания, чтобы обеспечить стабильную и управляемую эффективность обессоливания и обезвоживания.

В инженерной практике электростатическое обессоливание сырой нефти обычно осуществляется по относительно фиксированной технологической схеме.

Сначала нефть подогревают в теплообменниках или печи, чтобы снизить вязкость и улучшить условия разделения «нефть–вода». Затем вводят определённую долю промывной воды, благодаря чему соли, содержащиеся в нефти, максимально переходят в водную фазу.

Далее смешанная нефть поступает в аппарат электростатического обессоливания, где под действием высоковольтного электрического поля завершаются коалесценция капель воды и их осаждение с разделением фаз. Отделившиеся солесодержащие сточные воды непрерывно выводятся из нижней части аппарата, а обессоленная нефть отбирается сверху и направляется на последующие установки атмосферной и вакуумной перегонки.

Хотя схема выглядит простой, эффективность процесса в значительной степени зависит от корректного управления режимными параметрами. Температура, напряжённость электрического поля, расход промывной воды и время пребывания в аппарате должны находиться в динамическом балансе. Отклонение любого параметра от оптимального диапазона напрямую проявляется в колебаниях эффективности обессоливания.