CC BY
7УДК 665.63
СПОСОБ И СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЯНОЙ ПОДУШКИ И ВЫСОТЫ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЭМУЛЬСИОННОГО СЛОЯ
РЗАЕВ АББАС ГЕЙДАР ОГЛЫ,
Доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник Института Систем Управления Министерство Науки и Образования Азербайджана
АСАДОВА РЕНА ШАРИФ КЫЗЫ
Кандидат технических наук, доцент, зав .отделом «Научно-технической информации и патентных исследований» Института Систем Управления Министерство Науки и
Образования Азербайджана
Аннотация. Промежуточный эмульсионный слой (ПЭС) - это слой высококонцентрированной эмульсии вместе с частицами загрязнений, скапливающихся в нефтяной фазе у границы раздела с водой в аппаратах подготовки нефти. Данная статья относится к нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в частности, к отстойным аппаратам, работающих в статистическом и динамическом режимах и касается измерения уровня раздела фаз нефти и воды.
Ключевые слова: Промежуточный эмульсионный слой, уровень раздела фаз, водяная подушка, динамический отстой, отстойник.
Введение. О влиянии ПЭС на процессы разделения нефтяной эмульсии (НЭ) указывали многие исследователи. Визуально исследовано прохождение капель масла через уплотненный слой стойкой мелкодисперсной концентрированной обратной эмульсии, находящейся выше границы раздела жидкостей в стеклянной колонне.
Показано, что капли масла всплывающие в воде (в водяной подушке), входят в ПЭС следующим образом. На границе раздела от предыдущей капли остаются следы в виде вмятин или воронок. В эти воронки устремляются следующие капли. Если поднимающаяся капля попадает на край воронки, то она скатывается к ее центру. Иногда происходит коалесценция отдельных капель и на равной поверхности. Таким образом, благодаря "воронкам" в объеме уплотненного ПЭС образуется ряд протоков, которые слабо пульсируют в такт прикосновения проходящим каплям. Проходящее чистое масло (поток) отрывает небольшие порции эмульсии и выносит наверх слоя. Таким образом, происходит размывание или "псевдоотжижение" промежуточного слоя высококонцентрированной эмульсии. При увеличении скорости потока происходят расширение слоя и вынос капель воды из колонны. Аналогичные явления, видимо, происходят и в реальных аппаратах.
В дальнейших опытах в колонне с малоустойчивыми эмульсиями было установлено, что основные процессы коалесценции и отделения воды в процессе промывки эмульсии происходят в достаточно тонком подслое промежуточного слоя, прилегающим к границе раздела со стороны масляной фазы.
Из вышеизложенного следует актуальность математического моделирования ПЭС в промышленных отстойниках и использования полученной модели для расчета, проектирования и управления процессами разделения НЭ с целью их интенсификации.
Известен способ измерения уровня раздела фаз нефти и воды [1] с применением емкостных датчиков.
Недостатком данного способа является то, что со временем на поверхности чувствительного элемента датчика накапливаются поверхностно - активные компоненты нефти, значительно влияющие на чувствительность датчика, в результате чего точность измерения снижается. Кроме того, известный способ не позволяет измерить уровень водяной
подушки и высоту промежуточного слоя, которые образуются в результате отстоя нефтяной эмульсии.
Известен способ и система автоматического регулирования уровня раздел фаз нефти и воды [2], в котором, для определения уровня раздела фаз используют параметр оптической плотности промежуточного слоя, определяемого с использованием инфракрасного излучения и содержание асфальтенов в ПЭС, для оценки изменения его объема.
Недостатком данного способа является то, что указанный способ не позволяет точно определить изменяющийся объем ПЭС, а следовательно и его высоту из-за того, что в способе вычисляется только усредненное значение концентрации асфальтенов, что может привести к повышению ПЭС и к «захлебыванию» отстойного аппарата, понижению точности измерения уровня водяной подушки и качества контроля процесса отстоя нефтяной эмульсии.
Известен [3] способ измерения уровня раздела фаз между водяной подушкой и ПЭС, а также между ПЭС и нефтью, который включает измерение с помощью источника и приемника радиоизлучения плотности жидкостей по всей высоте отстойного аппарата. По измеренным значениям, полученных в каждой точке измерения, строят гистограмму и по ней определяют уровень раздела фаз.
Одним из недостатков данного способа и устройства является то, что измерение плотности осуществляют с помощью радио излучателя гамма-частиц, что является нежелательным фактором для безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды. Другой недостаток состоит в том, что используемые значения плотности жидкостей, распределенных по высоте аппарата, мало отличаются друг от друга из-за того, что вода по плотности мало отличается от промежуточного слоя, так как в ПЭС содержится до 70% эмульгированных водяных капель, а также имеется высокая концентрация асфальтенов, а поэтому построенная гистограмма не отражает реального уровня раздела фаз, что приводит к большим ошибкам при определении уровня раздела фаз и вытекающими от этого последствиями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному способу является известный [4] способ измерения уровня раздела фаз (УРФ) между водяной подушкой (ВП) и промежуточным эмульсионным слоем (ПЭС), а также между ПЭС и нефтью в отстойном аппарате (ОА), работающем в динамическом и стационарном режимах. Способ включает измерение оптической плотности жидкости по высоте отстойника с использованием источника и приемника инфракрасного излучения. По измеренным значениям, полученным в каждой точке измерения, рассчитывают концентрацию асфальтенов, а гистограмму, по которой определяют уровень раздела фаз, строят по изменению концентрации асфальтенов по высоте отстойника.
Недостатком данного способа является то, что в нем не учитывается влияния размера асфальтеновых частиц на коэффициент светопоглашения асфальтенов и, следовательно, на точности определения концентрации асфальтенов , так как асфальтены в нефти имеют не только молекулярные, а также коллоидные структуры. При низком содержании асфальтенов, например в легкой нефти они диспергированы в виде истинного молекулярного раствора (с диаметром молекул- 1,5 нм). При более высоком содержании, например в нефти средней плотности, асфальтены диспергированы в виде наноагрегатов (диаметром- 2 нм). При еще более высоком концентрации, например в подвижной тяжелой нефти асфальтены диспергированы в виде кластеров (диаметром- 5 нм ).
Задача исследования заключается в повышении точности измерения уровня водяной подушки и высоты ПЭС.
Сущность исследования состоит в способе измерения уровня раздела фаз между водяной подушкой (ВП) и промежуточным эмульсионным слоем (ПЭС), а также между ПЭС и нефтью в отстойном аппарате, работающим в динамическом и стационарном режимах с учетом среднего диаметра асфальтеновых частиц (СДАЧ). Способ включает измерение СДАЧ и
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
оптическои плотности жидкости по высоте отстоиника с использованием источника и приемника инфракрасного излучения. По измеренным значениям, полученным в каждой точке измерения, рассчитывают концентрацию асфальтенов, а гистограмму по, которой определяют уровень раздела фаз, строят по изменению концентрации асфальтенов по высоте отстойника.
Сопоставительный анализ предложенного способа с другими показал, что данный способ отличается существенными признаками: учетом влияния СДАЧ на точности определения концентрации асфальтенов.
Известно, что качество процесса динамического отстоя нефтяной эмульсии определяется толщиной ПЭС. При этом, чем меньше толщина ПЭС, тем выше качество процесса и наоборот.
Сущность предложенного способа проиллюстрирована на рис.1 и 2. На рис.1 представлена гистограмма изменения концентрации асфальтенов по высоте отстойника, где: Идя-уровень ВП; Лпэс и Л-оэс— соответственно, толщина концентрированного и переходного ПЭС; Ин- высота нефтяного слоя; Ка - концентрации асфальтенов, h - высота отстойника. На рис.2 представлена схема автоматического измерения уровня раздела фаз, которая содержит: 1 - линия подачи НЭ в отстойник; 2 - отстойник (может быть любой формы); 3 - дренажная линия осевшей воды; 4 - ВП; 5 - ПЭС; 6 - слой нефти; 7 - линия отвода обезвоженной нефти; 8 - источник инфракрасного излучения (ИКИ) - Ло; 8Х, 82, 83,84,85, 86-датчики ИКИ; 81,82,83, 84, 85, 86- приемники - Ji - ИКИ; 9 - преобразователь сигналов Ло; 10 - преобразователь сигналов Л 11 - блок регистрации и индикации (БР и И); 12-пробоотборник; 13- ввод данных о Бср. Система работает следующим образом.
Излучение, от источника 8 через датчики 81,82____8б, установленные равномерно по
высоте отстойника, проходят через слой нефтяной эмульсии. Часть энергии излучения
поглощается, а другая - поступает на вход датчиков 81, 82 ...... 86 приема излучения. По пробу
нефти, отбираемого с пробоотборника 12, установленного на линии 7, лабораторным путем определяется средний диаметр асфальтеновых частиц , потом эти данные по линии 13 вводится в БР и И - 11 с учетом СДАЧ рассчитывается фактическая концентрация асфальтенов в различных фазах, по следующему алгоритму:
_ 0,434/^п
и =
А
А = 1дт
л
■От - С
Ксп = 1,36М а + Ъ ехр(--ср——)
где Di -оптическая плотность жидкости между г-ым датчиком и г1 приемником;
Ло Л- соответственно интенсивность падающего света (через датчики 1,2....п)и света, прошедшего сквозь среды до приемников (1', 2'.. .п');
- расстояние междупарой датчиков г и приемников г', см; Ксп- коэффициент светопоглащения асфальтенов, см-1; М- молекулярная масса асфальтенов; £ср. -среднее значение диаметра асфальтеновых частиц, нм; Др.* - характеристическое значение Др., определяемый
экспериментально при заданных значений К"сп, М, Др.; а, Ъ, с - экспериментальные коэффициенты. Затем строится гистограмма (фиг.1), по которой определяют уровни раздела фаз (ВП - ПЭС и ПЭС - нефть).
Пример:
a = 0,48; b = 0,52; с = 1,5;
Д* = 0,453
Рис. 1. Гистограмма изменения концентрации асфальтенов по высоте отстойника
13
Рис.2. Схема автоматического измерения уровня раздела фаз
Ксп = 1,36М
0,48 + 0,52 exp(-
- 1,5 '
0,453
и при Др. = 1,5 нм Ксп = 1,36 М, т. е. при молекулярном уровне коррекция по Др. не вводится. А при Др. = 5 нм, когда асфальтены представляет собой кластеры значения Ксп существенно (~в два раза) уменьшается, т.е. Ксп = 1,36 м • 0,48 = 0,6528 М.
Технический эффект данного способа состоит в повышении эффективности управления процессом отстоя, заключающейся в высокой точности измерения уровня разделов фаз, который позволяет надежно управлять и полностью избежать процесса «захлебывания».
ВЫВОДЫ
В работе качество процесса динамического отстоя нефтяной эмульсии определяется толщиной ПЭС. При этом, показано, что чем меньше толщина ПЭС, тем выше качество процесса и наоборот. Предложен способ эффективного управления процесса отстоя
промежуточного эмульсионного слоя. Предложен алгоритм расчета фактической концентрации асфальтенов в различных фазах.
ЛИТЕРАТУРА
1.Автоматизация промысловой подготовки нефти и транспорта.Гостопиздат, 1969,с.80-81.
2. Заявка ЕАПО № 201600039 «Способ и система автоматического регулирования раздела фаз нефти и воды»
3. Cberthold (1) technologies. Interface and Multiphase level Measurement (levelsofwater,oil emulsion etc) (прототип).
4.Евразийский патент № 032835 от 31.07.2019
