Обработка нефти СВЧ-сигналом

20 декабря 2000 года была опубликована информация по новому способу обезвоживания и обессоливания нефти. Авторами данного изобретения являлись: Ильин С.Н.,Бекишов Н.П.,Лушкин Л.Ю., Сироткин О.Л. Патент принадлежит Обществу с ограниченной ответственностью "БИГ-96".

Изобретение относится к нефтепереработке и может быть использовано в процессе глубокого обезвоживания и обессоливания нефти на пунктах подготовки и нефтеперерабатывающих заводах. Способ заключается в обработке нефти СВЧ-сигналом, который формируют с набором спектральных компонент как результирующий сигнал выходных сигналов системы не менее трех источников СВЧ. Одновременно с обработкой СВЧ-сигналом создают турбулизацию потока нефти и осуществляют воздействие магнитным полем, направление силовых линий которого составляет 90^o по отношению к вектору скорости поступательного движения нефти. Достигается снижение энергетических и аппаратных затрат при обезвоживании и обессоливании нефти и создание условий ускоренного разделения фаз нефть-вода в непрерывном потоке без использования деэмульгаторов. СВЧ-сигнал может быть сформирован системой источников СВЧ в режиме как непрерывных, так и импульсных колебаний. При этом, формирование сигнала осуществляется или в режиме взаимного захвата частоты источников СВЧ-колебаний, или в режиме частичного увлечения частоты каждого из источников СВЧ колебаний, а также в стохастическом режиме работы каждого из указанных источников.

Поскольку сама нефть практически не поглощает СВЧ-энергию на частотах, близких к используемой - 2,5 Ггц и обладает слабой теплопроводностью, а вода, содержащаяся в каплях, поглощает интенсивно, то при воздействии СВЧ-сигнала на водонефтяную эмульсию происходит интенсивное, ударное нарастание температуры капель воды и ее бронирующих оболочек, что и приводит к разрушению последних при незначительном росте температуры основной массы нефти. Помимо этого, при воздействии СВЧ-сигнала возникают колебательные процессы, следствием которых является значительная периодическая деформация капель воды и разрушение их оболочек. Внешнее магнитное поле, в котором движется поток водонефтяной эмульсии, ослабляет поверхностное натяжение пограничного слоя бронирующих оболочек и тем самым способствует интенсификации термоэнергетического и колебательного механизмов их разрушения. Проводимая одновременно с воздействием СВЧ-сигнала и магнитного поля турбулизация потока создает условия взаимного столкновения капель воды.
Такое комплексное воздействие на водонефтяную эмульсию обеспечивает интенсивное разрушение бронирующих оболочек, столкновение и коалесценцию капель с последующим их осаждением в течение короткого интервала времени.

Реакция капель воды на воздействие СВЧ-сигнала определяется рядом параметров: диаметром капли, содержанием и составом солей в ней, структурой и составом бронирующей оболочки, наличием механических примесей и т.д.
Основное количество воды большинства водонефтяных эмульсий содержится в каплях с диаметрами 1-15 мкм, но процентное содержание капель различных диаметров и указанные параметры существенно меняются для различных месторождений нефти. Поэтому обеспечить оптимальный энергосберегающий режим обработки нефтяных эмульсий различных месторождений, используя при этом СВЧ-сигнал с одним и тем же набором спектральных составляющих, не представляется возможным.

Предлагаемый способ обезвоживания и обессоливания нефти позволяет подбирать спектральный состав СВЧ-сигнала, обеспечивающий наиболее эффективный режим обработки конкретных водонефтяных эмульсий.
Транспортируемая по трубопроводу нефть с содержанием воды не более 10% поступает через входной каплеобразователь в модуль СВЧ-обработки, представляющий собой волноводный сумматор выходных сигналов трех источников СВЧ, объединенных в систему за счет связей по волноводному тракту (рис. 2)

Рисунок 2. Схема воздействия СВЧ-излучения и магнитного поля на нефтяную эмульсию.

Формирование синхронного, многочастотного или стохастического режима работы системы осуществляется путем изменения электрической длины волноводных трактов, по которым осуществляется взаимная связь между источниками СВЧ. Структура СВЧ-поля сформирована в волноводном сумматоре таким образом, что линии электрического поля совпадают по направлению с вектором скорости поступательного движения потока нефти. Трубопровод выполнен из радиопрозрачного материала с геометрией, обеспечивающей турбулентный режим движения потока.

Одновременно на движущийся в модуле СВЧ поток нефти воздействует магнитное поле, силовые линии которого составляют угол 90^o с вектором поступательного движения потока. Для водонефтяных эмульсий с диаметрами капель в пределах 1-15 мкм на входе в модуль СВЧ-обработки после прохождения модуля размеры капель увеличиваются до 30-70 мкм и их бронирующие оболочки полностью разрушаются. Время пребывания водонефтяной эмульсии в модуле СВЧ составляет 15-30 секунд и определяется конкретными свойствами обрабатываемой нефти.

В качестве источников СВЧ-колебаний предпочтительно использовать серийные магнетроны непрерывного действия с рабочей частотой 2,5 Ггц (рис. 3).

Рисунок 3. Устройство магнетрона.

Магнетрон [от греч. magnetis — магнит и электрон]коаксиальный цилиндрический диод в магнитном поле, направленном по его оси; в электронной технике — генераторный электровакуумный прибор СВЧ, в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю.

Для более глубокого обезвоживания и обессоливания нефти дополнительно после обработки СВЧ-сигналом осуществляют диспергирование пресной промывочной воды в отделенную нефть в количестве 2-10% к объему нефти, а затем осуществляют повторную обработку нефти аналогично первичной обработке.

Для нефтей с содержанием воды менее 1%, имеющих большое количество солей, дополнительно до обработки СВЧ-сигналом осуществляют диспергирование пресной промывочной воды в обрабатываемую нефть в количестве 2-10% к объему нефти.

Для особо стойких эмульсий с высокой степенью засоленности в результате одного цикла обработки СВЧ-сигналом остаточное содержание воды в отделенной нефти может составить 1-1,5%, а соли 200-300 мг/л. В этом случае необходимо провести предварительное диспергирование пресной промывочной воды в отделенную нефть в количестве 2-10% к объему нефти и затем осуществить повторный цикл обработки по заявляемому способу.
При обработке нефтей с содержанием воды менее 1,5% и высокой засоленностью целесообразно сразу проводить диспергирование пресной промывочной воды, а затем выполнять обработку по описанному способу.
Экспериментально было подобрано значение интегральной мощности СВЧ-сигнала, необходимой для разрушения бронирующих оболочек. Значение интегральной мощности выбиралось из условия нагрева капель воды от исходной температуры 20^oC до 105^oC за время 30 секунд с учетом засоленности воды в каплях. Для нагрева капель воды за 30 сек при обводненности нефти 1% интегральная мощность должна лежать в пределах 76-150 Вт на 1 л эмульсии.

По техническим требованиям НПП ООО "БИГ - 96" Саратовской фирмой "Трайтек" было разработано устройство, предназначенное для управления комплексной установкой глубокого обезвоживания и обессоливания нефти, включающей использование энергии микроволновых полей.

Установка обеспечивает предварительную обработку нефти энергией микроволновых полей с целью получения физико-химических характеристик нефти, соответствующих товарным требованиям экспортных поставок (содержание воды не более 0,2%, солей не более 70 мг/л). Уровень излучения вне модуля микроволновой обработки < 10 Вт/см.

Устройство микропроцессорного управления (УМПУ) выполнено в виде шкафа, является модульным, конфигурируемым изделием, построенным на базе IBM PC совместимого промышленного контроллера, модулей устройств связи с объектом (УСО), графического дисплея, клавиатуры (рис 4).Питание УМПУ осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220В, частотой 50 Гц. Нормы качества электроэнергии - по ГОСТ 13109-89.

Принцип действия УМПУ основан на опросе дискретных и аналоговых датчиков, сравнении полученных данных с заданными, анализе результатов и выдаче управляющих воздействий на исполнительные устройства в соответствии с установленным программным обеспечением.

Рисунок 4. Устройство микропроцессорного управления по обработке нефти.

Параметры входных/выходных сигналов и внешнего интерфейса: