Методи за деемулгиране на нефт

Процесът деемулгиране представлява разделянето на емулсия суров нефт в отделни фази вода и нефт. Три фактора са най-важни за производителя на нефт от гледна точка на метода за деемулгиране - скоростта на извършвания процес, количеството вода, която остава в суровия нефт, както и качеството на отделената за изхвърляне вода.

Бързото разделяне, малкото количество остатъчна вода в суровия нефт и ниската стойност нефт в отстранената вода са търсените резултати. Полученият продукт трябва да отговаря на конкретните спецификации на компанията поръчител и нефтопровода, за който е предназначен.

Например нефтът, доставян от преработвателни съоръжения, не трябва да съдържа повече от 0,2% утайки и вода (BS&W) и не повече от 4,5 кг соли на всеки хиляда барела суров нефт. Солта е неразтворима в нефт, поради което се свързва с останалите количества вода в третирания суров продукт. Ниското съдържание на BS&W и сол е необходимост с оглед намаляването на корозията и отлагането на соли.

От първостепенно значение при обработката на суров нефт е премахването на неорганичните соли от състава му, тъй като те могат да корозират или да повлияят по друг вреден начин на оборудването в рафинериите. Те се отстраняват чрез промиване или обезсоляване със сравнително свежа вода.

Емулсията трябва да бъде разделена почти изцяло, преди нефтът да може да се транспортира и обработи допълнително. Разделянето на нефта и водата се осъществява като се дестабилизират емулгиращите слоеве около водните капки.

Този процес се извършва чрез всеки един или комбинация от следните методи: добавяне на химични деемулгатори, повишаване на температурата на емулсията, прилагане на електростатични полета, които подпомагат оформянето на фази вода и нефт или намаляване скоростта на потока, което позволява гравитационното разделяне на нефт, вода и газ, често извършвано в мащабните сепаратори и обезсолители.

Методите за деемулгиране се различават според конкретното приложение, тъй като съществува голямо разнообразие от видове суров нефт, луги, оборудване за разделяне, химични деемулгатори и продуктови спецификации. Освен това и самите емулсии, и условията, в които се намират, се менят с времето, което допълнително усложнява процеса.

Най-често срещаните методи за деемулгиране са термичната обработка и добавянето на химичен деемулгатор, който да катализира дестабилизацията. След тях най-прилагани са електростатичните полета, които подпомагат гравитационната сепарация.

Термични методи

Чрез загряването на емулсията се намалява вискозитета на нефта и се ускоряват темповете, с които водата се отделя от него. Повишените температури променят вискозната еластичност на граничните слоеве, а по-високата топлинна енергия на водните капки ускорява честотата, с която те се сливат една с друга. Като цяло загряването ускорява разделянето на емулсията, но много рядко е достатъчно да извърши целия процес самостоятелно.

Промяната на температурата носи и някои отрицателни ефекти - освен че енергийните разходи са по-големи, съществува възможност леки фракции суров нефт да бъдат изгубени, което би намалило относителното тегло и обема на третирания продукт. Повишената температура също така предразполага отлагането на някои форми котлен камък и корозията на обработващото оборудване.

Решението за прилагане на топлинен метод за разделяне на емулсия трябва да е основано на цялостен икономически анализ на съоръжението. Рентабилността на процеса трябва да бъде съпоставена с по-дългото време на обработка (при по-голям сепаратор), загубата на леки фракции и съответно по-ниската цена на петролния продукт, химичните разходи и разходите за инсталация и модернизация на електростатична инсталация.

Механични методи

Съществува голямо разнообразие от механично оборудване, което може да разделя водно-нефтени емулсии, включително машина за избиване на вода, дву- и трифазни сепаратори (с клапани за ниско и високо налягане), обезсолители и утаители.

Машините за избиване на вода могат да отделят както водата, така и някои от газовете в състава на емулсията суров нефт. Тези машини са само допълнение към главното оборудване и са предназначени за улесняване на обработката на суров нефт.

Трифазните сепаратори се използват за разделяне на произведените течни вещества на отделни фракции нефт, вода и газ. Те могат да са разположени във вертикално или хоризонтално положение. Всеки сепаратор се оразмерява спрямо конкретно време на задържане, достатъчно, за да осигури разделянето на емулсиите при определена скорост на пропускане.

Сепараторът може да съдържа нагревател, вода за измиване, раздел за филтри, раздел за обединяване или стабилизиране, както и електростатични мрежи. Разделянето на нефт и вода обикновено е гравитационно - тъй като водата има по-голяма плътност, водните капки се утаяват под нефта.

Законът на Стокс предсказва скоростта на утаяване на водните капки - според него тази скорост нараства при увеличаване разликата в плътността на водата и нефта, намаляване на вискозитета и уголемяване на капките. Въпреки това, когато се работи с емулсии, законът на Стокс трябва да се прилага много внимателно.

По-високата скорост на сливане води до увеличаване на размера на капките, което оказва най-голям ефект върху скоростта на утаяване. И въпреки че действително капките с по-голям диаметър се утаяват по-бързо, емулгаторите предотвратяват последващото им сливане една с друга в обработващата система.

Друг важен фактор е, че законът на Стокс се отнася само за статични системи с непроменящи формата си капки. И двете условия не са изпълнени в сложните системи за обработване на емулсии, които са динамични и движението на флуидите е интензивно. Освен това, законът на Стокс е приложим само за изолирани частици, или в този случай само за вече разредени емулсии.

При проектирането на сепаратори за обработване на емулсии е необходима известна степен на гъвкавост на дизайна, както и възможност за допълнителни модификации. Условията за работа (като налягане, температури, спирания на вода и състав на нефта) постоянно се изменят през експлоатационния живот на съоръжението, така че оборудването трябва да е в състояние да се справи с тези промени или да може да се промени така, че да ги балансира.

Обезсолителите обикновено са едностепенни или многостепенни. Те използват комбинация от няколко процеса - добавяне на химикал, електростатична обработка и време на изчакване, през което да се обособи утайка. Продължителността на времето на задържане се определя от конкретните спецификации на нефта при дадени изисквания за производствени темпове.

Към химикалите се добавя свежа вода, която да намали концентрацията на разтворена сол (чрез разреждане) в обработваната вода и следователно в произведения суров нефт. Обезсолителите обикновено могат да се оптимизират за работа чрез внимателната промяна на системните параметри. Оперативните данни се извличат, като се променят параметрите и се наблюдава тяхното въздействие върху качеството на нефта.

Електрически методи

Електростатичните мрежи понякога се използват при обработването на емулсии. Когато една непроводима течност (нефт), съдържаща проводима течност (вода), се подложи на влиянието на електростатично поле, едно от три физически явления причиняват сливането на проводимите частици или капки:

• Капките вода се поляризират и се подреждат по границите на мрежата. По този начин положителните и отрицателните полюси на капките се довеждат близо една до друга. Електрическото привличане сближава капките и ги кара да се обединяват;

• Предизвиква се електрически заряд, който привлича водните капки към даден електрод. При постояннотоково поле капките се събират около електродите или отскачат между тях, така образувайки все по-големи и по-големи капки, докато накрая не се утаят от гравитацията.

• Електрическото поле нарушава емулгиращия слой около водните капки, като го отслабва. Разпръснатите в нефта водни капки са подложени на синусоидален променлив ток и променят формата си под въздействието на различното напрежение. През първата половина на цикъла високото напрежение издърпва и удължава капките. През втората половина капките са отпуснати и възвръщат първоначалната си сферична форма, тъй като напрежението е ниско. Този ефект се повтаря с всеки цикъл и така улеснява сливането на капките, когато се сблъскат.

Какъвто и да е механизмът, електрическото поле кара капките да се движат по-бързо, което увеличава вероятността от сблъсък с други капки. Те се сливат, когато са се сблъскали с определена скорост, а колкото по-голямо е изменението на напрежението, толкова по-лесно се случва това.

Въпреки това, данните от изследвания показват, че под дадена конкретна стойност на приложеното напрежение, капките могат да се раздалечат още, вместо да се слеят, което прави емулсията по-силна. Поради тази причина към оборудването за електростатично обработване често се добавят механизми за регулиране на напрежението на място.

Химични методи

Най-често прилаганият метод за обработка на емулсия е добавянето на деемулгатори. Тези химикали са предназначени да неутрализират стабилизиращия ефект на емулгиращите вещества. Деемулгаторите са повърхностно активни съединения, които при добавяне към емулсията се разпръскват по границата между нефта и водата, отслабват граничния слой и улесняват обединяването на капките вода.

За оптимално разделяне на емулсия с деемулгатор трябва да се подбере правилен за конкретната емулсия химикал в подходящо количество. Смесването на химикала и емулсията и необходимото време за утаяване на водните капки също трябва да са съобразени спрямо приложението. За оптимален резултат може да е необходима и употребата на нагреватели, електрически полета и съединители.

Правилният подбор на деемулгатор е от решаващо значение за разделянето на емулсията. С повишеното разбиране на механизмите на емулсията, наличието на нови и подобрени химикали, новите технологии, научните изследвания и развойните старания, процесът по избор на правилен химикал става все по-научен.

Деемулгиращите химикали съдържат разтворители, повърхностно активни вещества и флокуланти. Разтворителите като бензен, толуен, ксилен и късоверижни алкохоли обикновено са носители на активните съставки на деемулгатора. Някои разтворители променят самите условия на разтворимост на естествените емулгатори (например асфалтени), които се натрупват на повърхността на нефта.

Те разтварят повърхностно активните вещества до основната им част и така оказват влияние на повърхностното покритие, което може да улесни сливането или разделянето на водните капки. Повърхностно активните съставки са химикали, които се характеризират с хидрофилно-липофилен баланс. Флокулантите са химикали, които флокулират водните капки и улесняват сливането им.

За да може един деемулгатор да подейства ефективно, той трябва да осъществи близък контакт с емулсията и да навлезе в границата между нефта и водата. Правилното смесване или разбъркване трябва изцяло да размеси химикала в емулсията. Разбъркването насърчава и сливането на капките, следователно точният момент на прибавяне на деемулгатора е от ключово значение. Когато емулсията е разделена, бъркането трябва да се сведе до минимум, за да не се обединят веществата отново.

Докато преминава през системата, емулсията се разбърква добре, така че използваният химикал да е възможно най-ефективен. В сепаратора течността се подлага на по-леко бъркане, което да подпомогне и гравитационното разделяне. Количеството използван химикал също е важно - ако е прекалено малко, емулсията няма да се раздели, а ако е прекалено много, може да се влоши качеството на обработвания продукт.