RU187612U1

RU187612U1 - ELECTRIC DEHYDRATOR

Info

Publication number: RU187612U1
Application number: RU2018135329U
Authority: RU
Inventors: Владимир Нисонович Швецов; Анас Анварович Юнусов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НЕФТЕХ" (ЗАО "НЕФТЕХ")
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2019-03-13

Abstract

Полезная модель относится к электродегидраторам для обезвоживания и обессоливания нефти и может использоваться в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности. Электродегидратор включает корпус, штуцер ввода и коллектор распределения сырья, штуцеры вывода нефти и дренажа воды, высоковольтный источник питания, узел ввода высокого напряжения и систему вертикальных чередующихся потенциальных и заземленных электродов. Потенциальные электроды выполнены в виде решеток из вертикальных трубчатых композитных элементов с заданной нелинейной электропроводностью, а заземленные электроды выполнены в виде решеток из горизонтальных трубчатых или стержневых металлических элементов.The utility model relates to electric dehydrators for dehydration and desalination of oil and can be used in the oil and refining industries. The electric dehydrator includes a housing, an input fitting and a raw material distribution header, oil output fittings and water drainage, a high voltage power supply, a high voltage input unit and a system of vertical alternating potential and grounded electrodes. Potential electrodes are made in the form of arrays of vertical tubular composite elements with a given nonlinear electrical conductivity, and grounded electrodes are made in the form of arrays of horizontal tubular or rod metal elements.

Description

Полезная модель относится к электродегидраторам для обезвоживания и обессоливания нефти и может быть использована в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.The utility model relates to electric dehydrators for dehydration and desalination of oil and can be used in the oil and refining industries.

Известен электродегидратор, включающий корпус, систему ввода и распределения сырья, штуцера вывода нефти и воды, два высоковольтных источника питания и электроды, расположенные в вертикальных плоскостях и поочередно соединенные с соответствующими источниками питания, а электроды выполнены в виде параллельных решеток из вертикальных металлических трубчатых или иной формы элементов (Пат. RU на ПМ №106131, опуб. 10.07.2011 Бюл. №19). Этому электродегидратору присущи все те же недостатки, что характерны для всех аппаратов с металлическими электродами:Known electric dehydrator, including a housing, a system for input and distribution of raw materials, an oil and water outlet fitting, two high-voltage power sources and electrodes located in vertical planes and alternately connected to appropriate power sources, and the electrodes are made in the form of parallel lattices of vertical metal tubular or other forms of elements (Pat. RU at PM No. 106131, publ. 07/10/2011 Bull. No. 19). This electric dehydrator has all the same disadvantages that are characteristic of all devices with metal electrodes:

- высокая вероятность межэлектродных пробоев и коротких замыканий электродов;- high probability of interelectrode breakdowns and short circuits of electrodes;

- вызванная этим высокая чувствительность и критичность к обводненности поступающего в аппарат сырья;- the resulting high sensitivity and criticality to the water content of the raw materials entering the apparatus;

- неоптимальная конфигурация электрического поля в электродной зоне, обусловленная эквипотенциальностью поверхности металлических электродов, и как следствие - нерациональный режим электрообработки водонефтяной эмульсии, не учитывающий изменения ее структуры (содержания водной фазы, ее дисперсности и расстояний между каплями) в процессе ее восходящего движения в электродной зоне, и в результате существенно ограничивающий эффективность электродегидратора и глубину обезвоживания и обессоливания нефти.- non-optimal configuration of the electric field in the electrode zone, due to the equipotentiality of the surface of the metal electrodes, and as a result - irrational mode of electric treatment of oil-water emulsion, not taking into account changes in its structure (water phase content, its dispersion and the distance between the droplets) during its upward movement in the electrode zone , and as a result, significantly limiting the efficiency of the electric dehydrator and the depth of oil dehydration and desalination.

Наиболее близким к предлагаемому является электродегидратор, включающий корпус, систему ввода сырья, штуцера вывода нефти и воды, высоковольтный источник питания, узел ввода высокого напряжения и вертикальные параллельные чередующиеся пластинчатые потенциальные и заземленные электроды, выполненные из гидрофобного полимерного композитного материала с ограниченной электропроводностью, постепенно возрастающей от нижней кромки к верхней (Пат. RU на ПМ №99341, зарегистр. в Гос. реестре полезных моделей РФ 20.11.2010). В этом электродегидраторе недостатки, перечисленные выше, полностью или частично устранены: вероятность коротких замыканий композитных электродов сведена к нулю; степень критичности к обводненности входящего сырья многократно снижена; режим электрообработки в значительной мере согласован с изменением структуры эмульсии в процессе ее вертикального восходящего движения в электродной зоне.Closest to the proposed one is an electric dehydrator, which includes a housing, a raw material input system, an oil and water outlet fitting, a high voltage power source, a high voltage input unit and vertical parallel alternating plate potential and grounded electrodes made of a hydrophobic polymer composite material with limited electrical conductivity, gradually increasing from the lower edge to the upper (Pat. RU at PM No. 99341, registered in the State Register of Utility Models of the Russian Federation on November 20, 2010). In this electric dehydrator, the disadvantages listed above have been completely or partially eliminated: the probability of short circuits of composite electrodes is reduced to zero; the degree of criticality to water cut of incoming raw materials is many times reduced; The electric treatment mode is largely consistent with a change in the structure of the emulsion during its vertical upward movement in the electrode zone.

Однако вместе с тем возникли большие, непреодолимые пока проблемы с изготовлением композитных пластин большой площади с предъявляемыми к ним строгими требованиями к плоскостности, жесткости, механической прочности, величине электропроводности и характеру ее изменения по высоте. Кроме того, логично ожидать, что большая площадь таких электродов обусловила бы чрезмерно высокие значения потребляемого электродегидратором тока и неоправданно высокий расход электроэнергии.However, at the same time, there were large, insurmountable problems so far with the manufacture of composite plates of large area with strict requirements for flatness, rigidity, mechanical strength, the value of electrical conductivity and the nature of its change in height. In addition, it is logical to expect that a large area of such electrodes would result in excessively high values of the current consumed by the electric dehydrator and unreasonably high energy consumption.

Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности, стабильности работы, надежности, упрощение и удешевление изготовления электродегидратора, снижение энергозатрат.The objective of the claimed utility model is to increase efficiency, stability, reliability, simplify and reduce the cost of manufacturing an electric dehydrator, and reduce energy costs.

Указанная задача решается тем, что в электродегидраторе, включающем корпус, штуцер ввода и коллектор распределения сырья, штуцер вывода нефти, штуцер дренажа воды, высоковольтный источник питания, узел ввода высокого напряжения и систему чередующихся потенциальных и заземленных электродов, расположенных в вертикальных плоскостях, перпендикулярных продольной оси аппарата, потенциальные электроды выполнены в виде решеток из вертикальных трубчатых элементов, изготовленных из статистического резистивного композитного материала с заданной нелинейной электропроводностью на основе гидрофобной полимерной матрицы с дисперсным проводящим наполнителем, а заземленные электроды выполнены в виде решеток из горизонтальных трубчатых или стержневых металлических элементов. Потенциальные электроды электрически соединены с высоковольтным источником питания, а заземленные электроды соединены с корпусом электродегидратора.This problem is solved by the fact that in the electric dehydrator, including the housing, the input fitting and the distribution header of the feedstock, the oil output fitting, the water drainage fitting, a high voltage power supply, a high voltage input unit and a system of alternating potential and grounded electrodes located in vertical planes perpendicular to the longitudinal the axis of the apparatus, potential electrodes are made in the form of gratings of vertical tubular elements made of a statistical resistive composite material with a rear hydrochloric nonlinear electrical conductivity on the basis of a hydrophobic polymer matrix with the particulate conductive filler and the ground electrodes are designed as grids of horizontal tubular or rod metal elements. Potential electrodes are electrically connected to a high-voltage power source, and grounded electrodes are connected to the body of the electric dehydrator.

Сущность полезной модели поясняется Фиг. 1-4.The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1-4.

На Фиг. 1 показан продольный разрез электродегидратора, где: 1 - заземленный корпус; 2 - штуцер ввода сырья; 3 - распределительный коллектор; 4 - штуцер вывода нефти; 5 - штуцер дренажа воды; 6 - высоковольтный источник питания; 7 - узел ввода высокого напряжения; 8 - потенциальные электродные решетки; 9 - заземленные электродные решетки.In FIG. 1 shows a longitudinal section of an electric dehydrator, where: 1 - a grounded housing; 2 - raw material input fitting; 3 - distribution manifold; 4 - oil outlet fitting; 5 - fitting for water drainage; 6 - high voltage power supply; 7 - node input high voltage; 8 - potential electrode arrays; 9 - grounded electrode arrays.

На Фиг. 2 показан поперечный разрез электродегидратора, где: 8 - потенциальные композитные электродные решетки; 9 - заземленные металлические электродные решетки; 10 - изолятор подвесной; 11 - проводник к изолятору проходному.In FIG. 2 shows a cross section of an electric dehydrator, where: 8 are potential composite electrode arrays; 9 - grounded metal electrode gratings; 10 - suspension insulator; 11 - conductor to the bushing insulator.

На Фиг. 3 схематически показан характер силовых линий электрического поля в произвольной вертикальной плоскости электродной зоны, где: 8 - потенциальные электроды; 9 - заземленные электроды.In FIG. 3 schematically shows the nature of the electric field lines in an arbitrary vertical plane of the electrode zone, where: 8 are potential electrodes; 9 - grounded electrodes.

На Фиг. 4 схематически показан характер силовых линий электрического поля в произвольной горизонтальной плоскости электродной зоны, где: 8 - потенциальные электроды; 9 - заземленные электроды.In FIG. 4 schematically shows the nature of the electric field lines in an arbitrary horizontal plane of the electrode zone, where: 8 are potential electrodes; 9 - grounded electrodes.

Электродегидратор работает следующим образом. Водонефтяная эмульсия через штуцер ввода сырья 2 поступает в коллектор 3, равномерно распределяется по сечению аппарата и ламинарным потоком движется вверх. В подэлектродной зоне в относительно слабом электрическом поле между нижними торцами потенциальных электродов и поверхностью контактирующей с заземленным корпусом подтоварной воды происходит коалесценция и гравитационное осаждение наиболее крупной фракции капель полидисперсной водной фазы нефтяной эмульсии. Далее эмульсия поступает в зону сильного электрического поля между потенциальными и заземленными электродными решетками.Electrodehydrator operates as follows. The oil-water emulsion through the raw material inlet 2 enters the collector 3, is evenly distributed over the cross section of the apparatus and moves upward in a laminar flow. In the subelectrode zone in a relatively weak electric field between the lower ends of the potential electrodes and the surface of the product water in contact with the grounded body, coalescence and gravitational precipitation of the largest fraction of the drops of the polydisperse aqueous phase of the oil emulsion takes place. Further, the emulsion enters the zone of a strong electric field between potential and grounded electrode arrays.

Особый комплекс электрофизических и физико-химических свойств композитных электродов позволяет реализовать в электродной зоне электродегидратора конфигурацию электрического поля и режим электрообработки, согласованные с изменением структуры обрабатываемой эмульсии в процессе ее вертикального восходящего движения в электродной зоне. Благодаря резистивности композитных электродов и нелинейности их электропроводности по высоте напряженность поля в электродной зоне, минимальная в ее нижней части, монотонно и нелинейно возрастает по вертикали вверх и достигает максимального заданного значения в верхней части электродной зоны. Отношение максимальной напряженности электрического поля в верхней части электродной зоны к минимальной напряженности в нижней ее части составляет от 1,8 до 2,7. Вследствие этого эмульсия, в которой по мере ее движения вверх в результате одновременно и взаимосвязанно протекающих процессов электрокоалесценции капель водной фазы и их гравитационной седиментации численная концентрация капель снижается, средние расстояния между ними возрастают, а размеры остающихся в потоке нефти капель становятся все меньше, последовательно проходит области все большей напряженности электрического поля. Перечисленные характеристики структуры эмульсии изменяются нелинейно, поэтому режим электрообработки в поле с нелинейным характером возрастания напряженности по высоте электродной зоны наиболее полно обеспечивает высокую вероятность коалесценции капель воды полидисперсной эмульсии во всем объеме электродной зоны.A special complex of electrophysical and physicochemical properties of composite electrodes allows realizing the electric field configuration and electric treatment mode in the electrode zone of the electric dehydrator, consistent with a change in the structure of the processed emulsion during its vertical upward movement in the electrode zone. Due to the resistance of composite electrodes and the nonlinearity of their electrical conductivity in height, the field strength in the electrode zone, the minimum in its lower part, monotonically and nonlinearly increases vertically upwards and reaches the maximum target value in the upper part of the electrode zone. The ratio of the maximum electric field strength in the upper part of the electrode zone to the minimum intensity in its lower part is from 1.8 to 2.7. As a result of this, the emulsion, in which, as it moves upward as a result of simultaneously and interconnected processes of electrocoalescence of the droplets of the aqueous phase and their gravitational sedimentation, the numerical concentration of the droplets decreases, the average distance between them increases, and the size of the droplets remaining in the oil flow becomes smaller, areas of increasing electric field strength. The listed characteristics of the structure of the emulsion change nonlinearly; therefore, the electric treatment regime in a field with a nonlinear nature of increasing tension along the height of the electrode zone most fully provides a high probability of coalescence of water drops of a polydisperse emulsion in the entire volume of the electrode zone.

В то же время уже достаточно укрупнившиеся и осаждающиеся в гравитационном поле капли воды последовательно проходят области электрообработки с постепенно снижающейся в направлении их движения напряженностью поля, что предотвращает возможность повторного электродиспергирования и способствует их доукрупнению.At the same time, water droplets that are already sufficiently enlarged and deposited in the gravitational field pass successively through the electric treatment area with gradually decreasing field strength in the direction of their movement, which prevents the possibility of repeated electrodispersion and contributes to their enlargement.

Особый комплекс электрофизических и физико-химических свойств композитных электродов включает такие свойства, как: резистивность, благодаря которой задаваемая при изготовлении электродов электропроводность переменна по их высоте, вследствие чего их поверхность является неэквипотенциальной; гидрофобность поверхности, препятствующая образованию на ней непрерывной проводящей пленки воды, способной превратить эту поверхность в эквипотенциальную, что лишило бы композитные электроды принципиальных преимуществ перед металлическими; полное отсутствие коррозии и высокая стойкость к воздействию агрессивных сред; превосходные антиадгезионные свойства; кратно более низкую плотность (и вес) по сравнению с металлическими электродами.A special complex of electrophysical and physico-chemical properties of composite electrodes includes such properties as: resistance, due to which the electrical conductivity specified in the manufacture of electrodes is variable in height, as a result of which their surface is nonequipotential; hydrophobicity of the surface, which prevents the formation of a continuous conducting film of water on it, capable of turning this surface into equipotential, which would deprive composite electrodes of fundamental advantages over metal ones; complete absence of corrosion and high resistance to aggressive environments; excellent release properties; multiple lower density (and weight) compared to metal electrodes.

Физико-химические свойства композита определяются его полимерной матрицей, в качестве которой могут быть использованы, например, полиэтилен низкого давления, полипропилен, политетрафторэтилен, капролон и др. Электрофизические свойства определяются природой проводящего наполнителя, его объемной долей в композите, дисперсностью частиц, их формой, характером распределения в объеме полимерной матрицы и в значительной степени технологией изготовления электродов. Из трех групп электропроводящих полимерных композитов (матричные, структурированные и статистические) выбрана последняя как наиболее изученная и позволяющая задавать на стадии изготовления электродов их электрофизические свойства в максимально широком диапазоне. В качестве наполнителя может использоваться, например, технический углерод.The physicochemical properties of the composite are determined by its polymer matrix, which can be used, for example, low-pressure polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, caprolon, etc. The electrophysical properties are determined by the nature of the conductive filler, its volume fraction in the composite, the dispersion of particles, their shape, the nature of the distribution in the volume of the polymer matrix and, to a large extent, the electrode manufacturing technology. Of the three groups of electrically conductive polymer composites (matrix, structured, and statistical), the latter was selected as the most studied and allowing one to set their electrophysical properties at the widest possible range at the stage of electrode production. As a filler, for example, carbon black can be used.

Применение в электродной системе резистивных композитных электродов позволило полностью устранить межэлектродные пробои эмульсии и короткие замыкания электродов в широком диапазоне обводненностей входящего сырья, что подтверждено как в лабораторных условиях, так и в промышленных аппаратах. Высокая коррозионная и химическая стойкость композита позволила изготавливать потенциальные электроды в виде тонкостенных трубок, обладающих малым весом, и сократить за счет этого количество недешевых подвесных изоляторов.The use of resistive composite electrodes in the electrode system made it possible to completely eliminate interelectrode breakdowns of the emulsion and short circuits of the electrodes in a wide range of water cuts of incoming raw materials, which was confirmed both in laboratory conditions and in industrial devices. The high corrosion and chemical resistance of the composite made it possible to produce potential electrodes in the form of thin-walled tubes with low weight, and thereby reduce the number of expensive suspension insulators.

Перпендикулярность трубчатых композитных элементов потенциальных электродных решеток и горизонтальных трубчатых или стержневых элементов металлических заземленных решеток дает еще одно преимущество заявляемому электродегидратору. Вследствие этого в электродной зоне создаются регулярные области неоднородности электрического поля с повышенной напряженностью как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях (фиг. 3, 4). В результате известного механизма втягивания в эти области поляризованных во внешнем электрическом поле капель эмульгированной воды под действием диэлектрофоретических сил в таких областях численная концентрация капель увеличивается, средние расстояния между ними сокращаются, а диполь-дипольные силы взаимного притяжения существенно возрастают, что приводит к росту вероятности их коалесценции и укрупнения и, в конечном итоге, к увеличению глубины обезвоживания и обессоливания нефти. Вследствие низких вертикальных скоростей движения сырья в электродегидраторах (около 0,7÷2 мм/с) эффективность этого механизма достаточно высока.The perpendicularity of the tubular composite elements of potential electrode arrays and horizontal tubular or rod elements of metal grounded arrays gives another advantage to the claimed electrohydrator. As a result of this, regular regions of electric field inhomogeneity with increased intensity are created in the electrode zone both in the vertical and horizontal planes (Figs. 3, 4). As a result of the well-known mechanism for the dropping of emulsified water droplets polarized in an external electric field into these regions under the action of dielectrophoretic forces in such regions, the numerical concentration of the droplets increases, the average distances between them decrease, and the dipole-dipole forces of mutual attraction increase significantly, which leads to an increase in their probability coalescence and enlargement and, ultimately, to increase the depth of dehydration and desalination of oil. Due to the low vertical speeds of the raw materials in the electric dehydrators (about 0.7 ÷ 2 mm / s), the efficiency of this mechanism is quite high.

Наконец, изготовление заземленных электродов не из композита, а из металла кратно снижает стоимость электродной системы электродегидратора без какого-либо снижения его эффективности, надежности и экономичности, что подтверждено экспериментально.Finally, the manufacture of grounded electrodes not from a composite, but from a metal, significantly reduces the cost of the electrode system of an electric dehydrator without any decrease in its efficiency, reliability and efficiency, which is confirmed experimentally.

В 2017 году предлагаемый электродегидратор успешно прошел опытно-промышленные испытания, в ходе которых обводненность входящего в аппарат сырья достигала 20%, а его производительность по сырью доходила до 3-х объемов аппарата в час. При этом глубина обезвоживания и обессоливания нефти отвечала требованиям 1-ой группы качества ГОСТ Р 51858-2002.In 2017, the proposed dehydrator successfully passed pilot industrial tests, during which the water content of the raw materials entering the apparatus reached 20%, and its raw material productivity reached 3 volumes of the apparatus per hour. Moreover, the depth of oil dehydration and desalination met the requirements of the 1st quality group GOST R 51858-2002.

В настоящее время аппарат находится в промышленной эксплуатации в ОАО «Сургутнефтегаз».Currently, the device is in commercial operation at OJSC “Surgutneftegas”.

Claims

1. Electrodehydrator, including a housing, an input fitting and a distribution header for raw materials, an oil output fitting, a water drainage fitting, a high voltage power supply, a high voltage input unit and a system of alternating potential and grounded electrodes located in vertical planes perpendicular to the longitudinal axis of the apparatus, characterized in that potential electrodes are made in the form of arrays of vertical tubular elements made of a statistical resistive composite material with a given nonlinear conductivity based on a hydrophobic polymer matrix with a dispersed conductive capacitor, and the grounded electrodes are made in the form of gratings of horizontal tubular or rod metal elements.

2. The electric dehydrator according to claim 1, characterized in that the ratio of the maximum electric field strength in the upper part of the electrode zone to the minimum voltage in its lower part is from 1.8 to 2.7.