CC BY
85
УДК 66.021.1:532.5
Ф. Б. Шевляков (к.т.н., доц.)1, Т. Г. Умергалин (д.т.н., проф., зав. каф.)2, В. П. Захаров (д.х.н., проф.)3, О. А. Баулин (к.т.н., доц.)4
Нейтрализация нефти в турбулентном аппарате
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра общей и аналитической химии, e-mail: [email protected] 2 кафедра химической кибернетики, e-mail: [email protected] 4 кафедра технологии нефти и газа, e-mail: [email protected] 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 3Башкирский государственный университет, кафедра высокомолекулярных соединений и общей химической технологии 450005, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32; тел. (347) 2299724, е-mail: [email protected]
F. B. Shevlyakov1, T. G. Umergalin1, V. P. Zakharov2, O. A. Baulin1
Oil neutralisation in the turbulent apparatus
1 Ufa State Petroleum Technical University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; e-mail: [email protected] 2Bashkir State University 32, Zaki Validi Str., Ufa 450074, Russia; ph. (347) 2299724, е-mail: [email protected]
Рассмотрены закономерности подготовки нефти, в частности, ее нейтрализации раствором щелочи. Для нейтрализации нефти, прошедшей стадию электрообессоливания, предложено использовать малогабаритный высокопроизводительный трубчатый турбулентный аппарат диф-фузор-конфузорной конструкции, который обеспечивает возможность эффективной нейтрализации нефти водными растворами щелочей и органических аминов в эквимолярном соотношении. Предлагаемый аппарат характеризуется низкой металлоемкостью, обеспечивает перепад давления на концах аппарата из пяти секций не более 0.52 атм, и устанавливается как участок трубопровода потока нефти на узле ЭЛОУ.
Ключевые слова: нейтрализация нефти; подготовка нефти; турбулентные аппараты.
Principles of preparation of oil, in particular, its neutralisation by an alkali solution are considered. For neutralisation of oil, which has been passed from stage of electrodesalting, it is offered to use the small-sized high-efficiency tubular turbulent diffuser-confuser, which provides possibility of effective neutralisation of oil with water solutions of alkalis and organic amines in equimolar parity. The offered apparatus is characterised by low metal consumption, provides pressure difference on the ends of the apparatus have five sections no more than 0.52 атм, and is established as a site of the pipeline of a stream of oil on ELOU.
Key words: oil neutralisation; oil preparation; turbulent apparatus.
Реакция гидролиза неорганических солей, протекающая на электрообессоливающей установке (ЭЛОУ) сопровождается образованием кислой среды. Нейтрализацию такой нефти принято проводить как щелочами, так и органическими аминами. Из-за различия плотности и вязкости нефти и щелочных растворов реакция нейтрализации протекает неэквимоляр-но в условиях диффузионного контроля и сопровождается увеличением расходных норм по нейтрализующему агенту. Избыточное количество щелочи, подаваемой на нейтрализа-
Дата поступления 31.08.12
цию, отражается на процессах термической переработки нефти, снижая активность катализаторов крекинга. Уменьшения влияния избыточного количества щелочи можно добиться интенсификацией смешения раствора щелочи в точке ее ввода в поток нефти.
Известен способ нейтрализации нефти водным раствором щелочи, в котором для обеспечения диспергирования данного раствора предлагается, в частности, осуществлять его предварительное смешивание с частью нефти (-1%) 1 или использовать форсунки различной конструкции 2. Как показывает опыт, эффек-
тивность обоих методов невысока. Кроме того, им свойственны недостатки, связанные с необходимостью обслуживания смесителей и их регулирования при изменении расхода нефти и щелочного раствора.
Известен применяющийся на электрообес-соливающих установках способ 3 с использованием смесительных клапанов, которые осуществляют процесс при больших перепадах давления на клапане, что связано со значительными энергетическими затратами на обеспечение требуемой производительности ЭЛОУ по нефти, причем гидравлические потери существенно возрастают при работе с тяжелыми и вязкими нефтями.
Более эффективным является способ нейтрализации нефти на установке электрообессо-ливания с предварительным добавлением деэ-мульгатора, при котором производят смешение нефти с содо-щелочным раствором в статическом смесителе типа БМУ фирмы Зульцер Хемитех 4'5. Недостатком способа является сложность конструкции устройства, большая металлоемкость, высокие перепады давления при больших расходах нефти.
Целью настоящего исследования является разработка конструкции малогабаритного смесительного реактора, позволяющей снизить перепад давления в линии нейтрализации и уменьшить расход щелочного агента.
Материалы и методы исследования
Для решения поставленной задачи нейтрализация нефти проводится в турбулентном реакторе диффузор-конфузорной конструкции 6. В этом случае подготовленная нефть, предварительно нагретая до 110—120 оС, поступает во входной канал первой секции трубчатого турбулентного реактора диффузор-конфузорной конструкции с объемным расходом 680— 750 м3/ч, где происходит диспергирование двухфазной системы. Далее в первую секцию реактора-смесителя через торцевые распыли-ватели соосно вводится 1—2 % мас. раствора щелочи. Это позволяет повысить эффективность нейтрализации нефти за счет значительного сокращения объемов свежего и отработанного щелочного раствора. Преимуществами устройства являются отсутствие перемешивающих устройств, малый перепад давления, низкая металлоемкость.
Так как увеличение качества смешения раствора щелочи с нефтью возможно за счет его тонкого диспергирования и равномерного распределения во всем объеме нефти, было
проведено изучение условий по созданию однородной эмульсии на двухфазной модельной системе «жидкость—жидкость» в трубчатом турбулентном аппарате 7'8.
Результаты и их обсуждение
В диффузор-конфузорных каналах при увеличении скорости движения несмешиваю-щихся жидких потоков сужается распределение капель дисперсной фазы по размерам с формированием однородных тонкодисперсных систем. Увеличение объемной скорости движения потоков т и количества диффузор-конфузорных секций Ыс от 1 до 4 приводит к уменьшению объемно-поверхностного диаметра капель дисперсной фазы и, соответственно, к увеличению удельной поверхности раздела фаз, что в случае быстрых химических реакций интенсифицирует протекание процесса в целом. Нецелесообразность использования аппарата с числом диффузор-конфузорных секций Ыс более 5±1, делает эти устройства компактными - длина не превышает 8—10 калибров (Ь/йд), а также простыми и дешевыми в изготовлении и эксплуатации.
Существует определенный интервал объемной скорости движения двухфазного потока, которому соответствует диффузор-конфузор-ный канал с оптимальным соотношением диаметров диффузора к конфузору йд/йк. Снизу этот интервал ограничивается зоной расслоенного течения двухфазного потока, сверху — энергетическими затратами, возникающими вследствие увеличения перепада давления на концах аппарата (Др~т2). В частности, соотношению йд/йк = 3 соответствует интервал 44<т<80 см3/с, а йд/йк = 1.6 — интервал 80<т<180 см3/с, причем дальнейшее увеличение скорости движения дисперсной системы (т>180 см3/с) определяет необходимость дальнейшего уменьшения соотношения йд/йк вплоть до йд/йк = 1, т.е. в этом случае достаточно эффективными являются малогабаритные аппараты цилиндрической конструкции. Таким образом, поток, в котором частицы дисперсной фазы равномерно распределены по объему аппарата, в аппарате диффузор-конфу-зорной конструкции по сравнению с аппаратом с цилиндрическими каналами формируется при более низких скоростях движения дисперсной системы, причем снижение требуемого значения т тем больше, чем выше соотношение йд/йк (изменяется значение критерия Рей-нольдса Яв в соответствии с соотношением Яв ~ йд/йк).
Таким образом, изменение скорости движения жидких потоков т в трубчатых аппаратах и соотношения йд/йк является практически единственным, но весьма эффективным способом воздействия на характер диспергирования и качество получаемых эмульсий. Полученные закономерности позволяют без технических и технологических проблем создавать в оптимальных условиях при минимальном времени пребывания реагентов в зоне смешения тонкие однородные дисперсии в системах «жидкость—жидкость» и использовать простые по конструкции малогабаритные аппараты диффузор-конфузорной конструкции.
Другой важной величиной, характеризующей качество получаемых эмульсий, является коэффициент полидисперсности к. Соотношение Ьс/йд практически не влияет на полидисперсность получаемых эмульсий. При увеличении соотношения йд/йк наблюдается возрастание разброса частиц дисперсной фазы по размерам, причем достаточно однородные эмульсии формируются в диффузор-конфу-зорном канале трубчатого аппарата с йд/йк = 1.6. В частности, для Ьс/ёд = 2—3 значение к при йд/йк = 1.6 составляет 0.72—0.75, тогда как при соотношении йд/йк, равном 2 и 3, к уменьшается до 0.63 и 0.41 соответственно.
Создание интенсивного продольного перемешивания при течении двухфазных систем в трубчатых турбулентных аппаратах с возможностью увеличения поверхности контакта фаз позволяет интенсифицировать протекании быстрых химических реакций на границе раздела фаз.
Полученные зависимости позволяют прогнозировать диспергирование капель раствора щелочи в нефти, что дает возможность конструирования смесителя для эксплуатации в широком диапазоне расходов смешиваемых жидкостей.
Для эффективного смешения системы нефть—щелочь необходимо проводить процесс при малых перепадах давления, что напрямую связано с затратой энергии для обеспечения требуемой производительности установки ЭЛОУ, причем гидравлические потери существенно возрастают при работе с тяжелыми и вязкими нефтями.
Перепад давления выражается формулой:
АР =
а
где £ — коэффициент местного сопротивления.
Значение | для участка аппарата с внезапным расширением рассчитывается (при расчете скоростного напора по скорости в меньшем сечении)
' 5л2 1-3-
52
2 У
Для цилиндрического участка аппарата =1, для участка аппарата с внезапным сужением (при расчете скоростного напора по скорости в меньшем сечении) | = 0.38.
Значение коэффициента трения для турбулентного течения можно рассчитать по формуле Блазиуса:
л =
0.316
Т025
Sl
Перепад давления АР в секции равен сумме перепадов давлений в гладкой трубе, расширении (диффузоре) и сужении (конфузоре):
АР= (Р1 - Р2) + (Р2 - Р3) + (Р3 - Ра)
Общий перепад давления рассчитывается как сумма перепадов давления в каждой секции.
С использованием экспериментальных данных, полученных при измерении давления на концах трубчатого турбулентного аппарата, состоящего из 20 секций, с водным потоком, проведен расчет по указанным формулам. Сопоставление расчетных данных, полученных применительно к модельной системе, коррелирует с экспериментальными данными для перепада давления в аппарате: АРпракт = 0.955 атм, АРте0р = 1.062 атм.
Исходя из требований, предъявляемых к перепаду давления в аппарате АР < 0.6 атм, проведен расчет диаметра узкого сечения (кон-фузора) секции по предложенным формулам (табл. 1).
5
1
5
2
5
2
3
2
Таблица 1 Расчет диаметра диффузора dк при течении нефти в аппарате диффузор-конфузорной конструкции
АР5секции 0.6 атм
АР секция 0.118 атм
АР 3-4 6643 кгс/м2
АР 2-3 61.1 кгс/м
АР 1-2 7875 кгс/м2
ь 0.38
ь 0
ь 0.46
р 762 кг/м3
L 0.875 м
Лк 0.0087
Лд 0.0115
dd 0.35 м
Re 177104
Red 577 103
wK 6.62 м/с
W 2.163 м/с
Sd 0.096 м2
Sk 0.031 м2
dK 0.198 м
При диаметре конфузора йк = 0.2 м перепад давления на концах аппарата составляет АР5секций ~ 0.52 атм, что является оптимальным для проведения стадии нейтрализации нефти.
При использовании концентрированных растворов реагентов при нейтрализации кислых сред происходит резкий подъем температуры. В этом случае малогабаритные трубчатые турбулентные реакторы диффузор-конфу-зорной конструкции определяют возможность эффективного регулирования температурного поля в зоне реакции по нескольким вариантам: изменение радиуса аппарата и скорости движения потока реагентов, применение зонной модели проведения быстрого химического процесса и использование кожухотрубчатых аппаратов с пучком труб малого радиуса, интенсификация конвективного теплообмена при профилировании аппарата.
Процесс нейтрализации нефти в соответствии с предлагаемым способом предлагается осуществлять следующим образом (рис. 1).
Основной поток товарной нефти из трубопровода I смешивается с деэмульгатором II, насосом 1 направляется в теплообменник 2, где нагревается до 110—120 0С. Нефть с деэмульгатором поступает на первую ступень разделения в электродегидратор Э1 3. Из электроде-гидратора 3 сверху нефть поступает с объемным расходом 680—750 м3/ч во входной канал первой секции трубчатого турбулентного реак-
тора 4. Диспергирование происходит в пяти секциях трубчатого турбулентного реактора (рис. 2), что составляет менее 4 м с перепадом давления на концах аппарата до 0.52 атм. Водный щелочной раствор III насосом 5 направляется в соосный патрубок первой секции трубчатого турбулентного реактора 4 диффузор-конфузорной конструкции с торцевыми форсунками (рис. 3). Патрубок перфорирован двадцать одним отверстием с диаметром = 5 мм. Двадцать отверстий на стенках патрубка для радиальной по отношению к потоку нефти подачи щелочи, закрытый торцевой конец патрубка перфорирован одним отверстием для соосного с направлением движения нефти ввода раствора нейтрализующего реагента. Перфорационные отверстия расположены симметрично по сечению (четыре отверстия на одном сечении А-А). Частично обезвоженная и обессоленная нефть поступает под давлением в электродегидратор второй ступени Э2 6. Перед этим электродегидратором нефть смешивается в диафрагменным смесителе 7 со свежей водой IV, подаваемой насосом 8, предварительно нагретой до 65—70 оС. Электродегидра-торы Э1 3 и Э2 6 посредством клапанов автоматического сброса соленой воды 9 и 10 отводят воду в отстойник 11. Отводимые потоки воды, содержащие нефть, насосом 12 и 13 поступают на рециркуляцию. Обессоленная и обезвоженная нефть V с верха электродегид-ратора Э2 6 — отводится с установки.
Рис. 1. Схема узла электрообессоливания нефти:
1, 5, 8, 12, 13 — насосы; 2 — теплообменник; 3, 6 — электродегидратор; 4 — трубчатый турбулентный реактор; 7 — диафрагменный смеситель; 9, 10 — клапаны автоматического сброса соленой воды; 11 — отстойник.
Рис. 2. Общий вид трубчатого турбулентного аппарата для нейтрализации нефти щелочью
А ^2 4
V 1 1 1"1"
о о о о о
А-А
15
О
Рис. 3. Схема патрубка для ввода щелочи
Таким образом трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузорной конструкции обеспечивает возможность эффективной нейтрализации нефти водными растворами щелочей и органических аминов в эквимолярном соотношении. Предлагаемый аппарат диффу-зор-конфузорной конструкции низкой металлоемкости определяет перепад давления на концах аппарата из пяти секций не более 0.52 атм и устанавливается как участок трубопровода потока нефти на узле ЭЛОУ.
Литература
А. П., Павленко ХТТМ.- 1984.-
Сороченко В. Ф., Шутько Н. И., Буколова Т. П. // №7.- С. 37.
Юшманова Г. А., Старостина Н. К., Дьяков В. Г. Современное состояние антикоррозионных методов защиты и выбора материалов для оборудования установок подготовки первичной переработки нефти.- М.: ЦНИИТЭнефтехим.-1985.- С.74.
Бергштейн Н. В., Хуторянский Ф. М., Левченко Д. Н. //ХТТМ.- 1983.- №1.- С. 8. Хуторянский Ф. М., Залищевский Г. Д., Воронина Н. А., Уривская Г. М. и др. //Нефтепереработка и нефтехимия.- 2005.- №1.- С.11.
Залищевский Г. Д., Хуторянский Ф. М., Варшавский О. М., Уривская Г. М., Воронина Н. А. // Нефтепереработка и нефтехимия.- 2000.— №5.- С.16.
Захаров В. П., Шевляков Ф. Б. // ЖПХ. 2006.- Т.79, №3.- С. 410.
Захаров В. П., Мухаметзянова А. Г., Тахавут-динов Р. Г., Дьяконов Г. С., Минскер К. С. // ЖПХ.- 2002.- Т.75, №9.- С. 1462. Минскер К. С., Захаров В. П., Тахавутдинов Р. Г., Дьяконов Г. С., Берлин Ал.Ал. // ЖПХ.-2001.- Т.74, №1.- С. 87.
1
Ь
1
2
а
1
5
8
Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ МД-3178.2011.8, РФФИ (проект № 11-03-97017).
