РАЗРАБОТКА ПРОМЫСЛОВЫХ ДЕПАРАФИНИЗАТОРОВ НЕФТИ С ПОЛУЧЕНИЕМ ТОВАРНОГО АСФАЛЬТОСМОЛОПАРАФИНОВОГО ПРОДУКТА
Рубрики: ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
(старший преподаватель кафедры технологических машин и оборудования)
Россия
Россия
3.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры теплоэнергетики и холодильных машин)
ФГБУН ФИЦ «Саратовский научный центр Российской академии наук» (заведующий лабораторией нетрадиционной энергетики отдела энергетических проблем)
Россия
ФГБУН ФИЦ «Саратовский научный центр Российской академии наук» (заведующий лабораторией нетрадиционной энергетики отдела энергетических проблем)
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 77
по 84
Статус:
Опубликован
Получено:
10.04.2017
Одобрено:
14.04.2017
Опубликовано:
14.04.2017
Классификаторы:
УДК [662.276.8:665.622]:665.637.73
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
парафинистая нефть, промысловый депарафинизатор нефти, термический гидроциклон, асфальтосмолопарафиновый продукт
Аннотация (русский):
Анализ существующих конструкций промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов с получением товарного продукта выявил существенные недостатки, не позволяющие использовать их в качестве промысловых депарафинизаторов нефти. Для устранения этих недостатков предлагается конструкция промыслового депарафинизатора непрерывного действия на основе термического гидроциклона с охлаждаемой и обогреваемой рубашкой. Исследованы характеристики процесса образования асфальтосмолопарафинового продукта: температура плавления - 54 °С, температура кристаллизации - 56 °С, теплота плавления и кристаллизации - 189 кДж/кг, скорость осаждения твердых частиц - 1,6 · 10-3 м/с. Оценены основные параметры депарафинизатора: высота каждого из 10 корпусов составит 1,0 м, диаметр установки - 0,5 м. Для условий месторождения имени В. Филановского на Северном Каспии производительность промыслового депарафинизатора по нефти составит 648 т/ч, по асфальтосмолопарафиновому продукту - 19 т/ч.
Анализ существующих конструкций промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов с получением товарного продукта выявил существенные недостатки, не позволяющие использовать их в качестве промысловых депарафинизаторов нефти. Для устранения этих недостатков предлагается конструкция промыслового депарафинизатора непрерывного действия на основе термического гидроциклона с охлаждаемой и обогреваемой рубашкой. Исследованы характеристики процесса образования асфальтосмолопарафинового продукта: температура плавления - 54 °С, температура кристаллизации - 56 °С, теплота плавления и кристаллизации - 189 кДж/кг, скорость осаждения твердых частиц - 1,6 · 10-3 м/с. Оценены основные параметры депарафинизатора: высота каждого из 10 корпусов составит 1,0 м, диаметр установки - 0,5 м. Для условий месторождения имени В. Филановского на Северном Каспии производительность промыслового депарафинизатора по нефти составит 648 т/ч, по асфальтосмолопарафиновому продукту - 19 т/ч.
Ключевые слова:
парафинистая нефть, промысловый депарафинизатор нефти, термический гидроциклон, асфальтосмолопарафиновый продукт
парафинистая нефть, промысловый депарафинизатор нефти, термический гидроциклон, асфальтосмолопарафиновый продукт
Введение Асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО) осложняют работу скважин, нефтепромыслового оборудования и трубопроводов, что приводит к снижению производительности и эффективности их работы. Как следствие, ухудшаются экономические показатели работы промысла, промысловых и магистральных трубопроводов, перекачивающих парафинистую нефть с содержанием парафинов до 5 %. Для борьбы с АСПО существует много разнообразных химических, тепловых физических и механических методов [1-3], однако они не могут радикально решить проблему. Эти методы направлены на временное предотвращение отложений или на их механическое удаление из промысловых и магистральных трубопроводов с помощью специальных скребков, которые, при застревании на длительное время, могут существенно затруднить транспортировку нефти, а иногда и полностью остановить добычу нефти на промысле. Асфальтосмолопарафиновые отложения, удаляемые скребком, состоят в основном (на 90 %) из парафина и практически не используются для дальнейшей переработки. Вследствие этого достаточно актуальной представляется разработка промыслового депарафинизатора высокопарафинистой нефти с содержанием парафинов более 5 % с получением твердого товарного асфальтосмолопарафинового продукта (АСПП), более дорогого, чем сама нефть и попутный газ. Целью исследования являлась разработка промыслового депарафинизатора парафинистой нефти (ПДН) с получением АСПП. Основные задачи исследования: анализ существующих конструкций промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов; разработка конструкции ПДН; оценка параметров ПДН на основе исследования характеристик процесса образования АСПО. Анализ существующих конструкций промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов В ходе краткого анализа существующих конструкций промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов в качестве аналогов рассмотрим ряд конструкций аппаратов, используемых на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) в технологиях производства масел. Известные кристаллизаторы разделяются [4-6]: - по конструкции - на скребковые, скребковые типа «труба в трубе», вальцовые, дисковые и др.; - по типу теплообменной секции - на кожухотрубные и типа «труба в трубе». Скребковый кристаллизатор представляет собой теплообменный аппарат, состоящий из следующих основных частей: теплообменная секция, блок привода, опорные металлоконструкции (рис. 1, а). Скребковый кристаллизатор типа «труба в трубе» состоит из горизонтальных секций змеевика, собранных в 2-4 вертикальных ряда (рис. 1, б). Во внутренних трубах секций установлены валы со скребковыми устройствами. Вращение валов производится от мотора через редуктор с помощью цепи и звездочек или через мотор-редукторы. а б в г Рис. 1. Основные типы конструкций депарафинизаторов и кристаллизаторов: а - скребковый кристаллизатор: 1 - трубное пространство; 2 - аккумулятор; 3 - полый вал; 4 - скребки; б - скребковый кристаллизатор типа «труба в трубе»: 1 - секция кристаллизатора; 2 - емкость хладагента; 3 - электродвигатель; 4 - редуктор; 5 - передача цепная; 6 - волнистый (линзовый) компенсатор; в - вальцовый кристаллизатор: 1 - барабан; 2 - корыто; 3 - нож для съема кристаллов; 4 - полые валы; 5 - паровая рубашка; г - дисковый кристаллизатор Рассмотренные стационарные кристаллизаторы обладают рядом существенных недостатков. Скорость кристаллизации в них чрезвычайно мала - для охлаждения раствора часто требуется несколько суток, что обусловлено малой величиной коэффициента теплоотдачи к воздуху и образованием на стенках аппарата толстых наростов соли. В силу указанных недостатков эти кристаллизаторы в настоящее время применяются крайне редко. Более совершенными представляются кристаллизаторы, имеющие подвижные охлаждаемые элементы в виде барабанов или дисков - вальцовые и дисковые кристаллизаторы. Вальцовый кристаллизатор - установка, служащая для переработки материала из расплавленного состояния в твердый продукт определённой формы. Затвердевание расплавленного материала происходит за счет его охлаждения до температуры кристаллизации (рис. 1, в). Более компактным и эффективным представляется кристаллизатор дисковый, который представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, объем которого разделен на отдельные секции с помощью охлаждающих дисков (рис. 1, г). Внутрь дисков подается хладагент. Суспензия перемещается по корпусу и проходит все секции аппарата, последовательно перетекая из одной секции в другую по кольцевым зазорам. Каждый диск снабжен скребковым устройством, закрепленным на тихоходном валу, который приводится в действие с помощью двухступенчатого мотор-редуктора. Конструкции вальцового и дискового кристаллизатора также имеют недостатки: негерметичность корпуса, что недопустимо для их использования для депарафинизации пожаро- и взрывопасной нефти, а также большие затраты электроэнергии на привод охлаждаемых барабанов и блоков дисков. Разработка конструкции промыслового депарафинизатора нефти Для устранения недостатков известных промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов и рациональной утилизации АСПП предлагается конструкция ПДН, за основу которого взят термический гидроциклон с омываемой рубашкой. Ранее были предложены периодически работавшие ПДН, со стадиями застывания АСПО при подаче холодного теплоносителя и стадиями плавления застывших АСПО для их слива в емкости [7-9]. Более рациональной представляется конструкция ПДН непрерывного действия, показанная на рис. 2. Рис. 2. Промысловый депарафинизатор нефти: 1 - корпус; 2 - входной тангенциальный патрубок; 3 - охлаждающая рубашка; 4 - нагревающая рубашка; 5 - выходной патрубок для очищенной нефти; 6 - патрубок для слива АСПП; 7 - емкость для товарного АСПП; I - охлаждающая жидкость; II - нагревающая жидкость; III - нефть; IV - АСПО; V - товарный АСПП Нефть поступает в корпус 1 аппарата через тангенциальный ввод 2 по касательной к стенкам, движется по спирали и приобретает высокую скорость в сужающейся конической секции, что приводит к возникновению больших центробежных сил. Охлаждающая рубашка 3 способствует интенсивному отложению парафина на стенках аппарата. Очищенная от парафина нефть удаляется через выходной патрубок 5, а АСПП кристаллизуется на стенках и в нижней части аппарата. Затем задействуется нагревающая рубашка 4 в нижней части и разогретый АСПП самотеком стекает в емкость 7 для товарного АСПП. Этот АСПП в дальнейшем может быть транспортирован для переработки на НПЗ. Бесперебойный подогрев парафинистой нефти, поступающей в ПДН, до температуры выше температуры плавления осуществляется с помощью пластинчатых теплообменников. Для охлаждения может быть использована вода с температурой 5-25 ºС, а для подогрева - горячая вода или водяной пар. Исследование характеристик процесса образования асфальтосмолопарафиновых отложений Для оценки основных конструктивных размеров и технологических параметров предлагаемого ПДН было выполнено исследование характеристик процесса образования АСПО. Исследовались теплофизические параметры АСПО с нефтепромысловых объектов Северного Каспия. Были определены: температура плавления АСПП, которая составила 54 °С, температура кристаллизации - 56 °С, теплота плавления и кристаллизации - 189 кДж/кг [10]. Для исследования интенсивности образования АСПО была разработана экспериментальная лабораторная установка [11, 12] (рис. 3). Рис. 3. Схема лабораторной экспериментальной установки для исследования интенсивности образования АСПО: 1 - корпус термостата; 2 - пластмассовый сосуд; 3 - патрубок для слива воды; 4 - секционная коробка; 5 - стеклянный мерный стакан; 6 - термопара; 7 - гибкий теплоэлектронагреватель; 8 - термореле; 9 - цифровые термометры; 10 - сосуд с холодной водой; 11 - проба парафинистой нефти; I - охлаждающая вода, II - парафинистая нефть, III - АСПО Установка помещена в вытяжном шкафу, где проводятся забор, нагрев и анализ проб парафинистой нефти. Установка состоит из корпуса термостата 1 из плотного пенополистирола, в котором располагается пластмассовый сосуд для воды 2, вода нагревается до необходимой температуры плавления АСПП (54 °С) с помощью гибкого теплоэлектронагревателя 7. С помощью термореле 8 поддерживается постоянная температура. После этого из питательного сосуда 10 поступает охлаждающая вода I для создания условий близких к условиям на море с диапазоном значений температуры от 10 до 20 °С. При повышении температуры воды, одновременно, определенная порция воды сливается через патрубок 4 и заливается новая порция более холодной воды в пластмассовый сосуд 2, куда помещается перфорированная секционная коробка 4. В каждой секции коробки 4 располагается по одной пробе 11 парафинистой нефти. Далее крышка корпуса термостата 1 плотно закрывается, в стеклянные мерные стаканы 5 опускаются термопары 8, температуру каждой пробы 11 определяют термометры 9, показывающие также температуру воды в пластмассовом сосуде 2 и температуру окружающей среды. В ходе эксперимента наблюдалось образование АСПО, количество которых увеличивалось с течением времени (рис. 4). Рис. 4. Стадии образования АСПО По результатам эксперимента были получены данные, необходимые для дальнейших расчетов образования АСПО, т. е. осаждения АСПП. Основные данные по массам отложений, АСПО и нефтяным осадкам при температуре охлаждающей жидкости 10 °С приведены в табл. 1, 2. Таблица 1 Суммарные массы отложений, АСПО и нефтяного осадка Параметр Значения t, мин 3 5 10 15 20 25 МАСПОН, кг 0,0354 0,0453 0,0678 0,0816 0,0951 0,1030 МАСПО, кг 0,0191 0,0191 0,0191 0,0191 0,0191 0,0191 МНО, кг 0,0163 0,0262 0,0487 0,0625 0,0760 0,0839 Таблица 2 Доли АСПО и нефтяного осадка Параметр Значения t, мин 3 5 10 15 20 25 САСПО, % 54,0 42,2 28,2 23,4 20,1 18,5 СНО, % 46,0 57,8 71,8 76,6 79,9 81,5 Как видно из табл. 1, суммарная масса отложений МАСПОН при изменении времени процесса от 3 до 25 минут увеличивается от 0,0354 до 0,1030 кг, а масса нефтяных отложений МНО - от 0,0163 до 0,0839 кг при постоянном значении массы АСПО МАСПО равном 0,0191 кг. Таким образом, как видно из табл. 2, при изменении времени процесса от 3 до 25 минут доля АСПП в образующихся отложениях уменьшается от 54,0 до 18,5 %, а доля нефтяных отложений в виде вязкого коллоидного раствора увеличивается от 46,0 до 81,5 %. Динамика процесса осаждения кристаллизующихся частиц АСПП совместно с нефтяным осадком, т. е. динамика процесса образования АСПО при различных значениях температуры охлаждающей воды, показана на рис. 5. Рис. 5. Динамика процесса образования АСПО По полученным данным была выполнена оценка скорости осаждения всех частиц парафина, кристаллизующихся в его объеме, по формуле , (1) где h - высота сосуда с пробой нефти, м. Как видно из рис. 5 и табл. 3, в сосуде высотой 80 мм, независимо от температуры охлаждающей жидкости в момент времени 50 с, АСПО составили 100 %, а скорость осаждения частиц парафина, определенная по формуле (1), составила 1,6 · 10-3 м/с. Эта скорость может быть увеличена в термогидроциклоне до 5,0 · 10-3 м/с. Полученные результаты могут быть использованы для оценки основных параметров ПДН. Высота каждого из 10 корпусов ПДН составит 1,0 м, диаметр установки - 0,5 м. Для условий месторождения им. В. Филановского, на котором добывается высокопарафинистая нефть с содержанием АСПП до 8-10 %, производительность ПДН по нефти составит 648 т/ч, по парафину - 19 т/ч. Предлагаемый ПДН позволит очистить нефть от парафина, повысив ее качество, и получить более дорогой, чем нефть товарный АСПП, который может быть использован как сырье для НПЗ для получения, парафина, лаков, красок, битума и других продуктов. Заключение 1. Анализ существующих конструкций промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов, таких как скребковые, скребковые типа «труба в трубе», вальцовые и дисковые, выявил их существенные недостатки, не позволяющие использовать их в качестве ПДН. 2. Для устранения недостатков известных промышленных депарафинизаторов и кристаллизаторов с получением товарного АСПП предлагается конструкция ПДН непрерывного действия на основе термического гидроциклона с охлаждаемой и обогреваемой рубашкой. 3. Определены следующие характеристики АСПП: температура плавления - 54 °С, температура кристаллизации - 56 °С, теплота плавления и кристаллизации - 189 кДж/кг, скорость осаждения твердых частиц АСПП - 1,6 · 10-3 м/с. 4. Выполнена оценка основных параметров ПДН. Высота каждого из 10 корпусов ПДН составит 1,0 м, диаметр установки - 0,5 м. Для условий месторождения им. В. Филановского производительность ПДН по нефти составит 648 т/ч, по АСПП - 19 т/ч.
1. Баймухаметов М. К. Совершенствование технологий борьбы с АСПО в нефтепромысловых системах на месторождениях Башкортостана: автореф. … дис. канд. техн. наук. Уфа, 2005. 24 с.
2. Исламов М. К. Разработка и внедрение удалителей асфальтосмолистых и парафиновых отложений на нефтяном оборудовании: дис. … канд. техн. наук. Уфа, 2005. 125 с.
3. Шишкин Н. Д., Арабов М. Ш., Прохоров Е. М. Предупреждение образования асфальтосмоло-парафинистых отложений с использованием аппаратов вихревого слоя // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийского шельфа: материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 16 сентября 2016 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2016. С. 150-154.
4. Скребковые кристаллизаторы. URL: http://www.him-pparat.ru/kristaillizator.php (дата обращения: 21.04.2017).
5. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. 753 с.
6. Самопромывной безнапорный дисковый фильтр ДАКТ. URL: http://dakt.com/index.php?id= samopromyvnoj-beznapornyj-diskovyj-filtr-dakt (дата обращения: 21.04.2017).
7. Мамитов Д. С., Шишкин Н. Д. Разработка промыслового депарафинизатора для морских нефтедобывающих платформ // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийского шельфа: материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 16 сентября 2016 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2016. С. 160-164.
8. Марышева М. А., Шишкин Н. Д. Анализ и оценка параметров промысловых депарафинизаторов нефти // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийского шельфа: материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 16 сентября 2016 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2016. С. 155-159.
9. Мамитов Д. С., Марышева М. А., Шишкин Н. Д. Разработка промыслового депарафинизатора нефти // Знание. Опыт. Инновации: cб. тез. докл. VII науч.-техн. конф. молодых специалистов и молодых работников (Астрахань, 20-24 марта 2017 г.) / ООО « Газпром добыча Астрахань». Астрахань: Издатель Сорокин Р. В., 2017. С. 41-42.
10. Шишкин Н. Д., Марышева М. А. Исследование теплофизических свойств асфальтопарафиновых отложений на промыслах // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийского шельфа: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 7 сентября 2015 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2015. С. 143-147.
11. Мамитов Д. С., Пономарев Д. Н., Шишкин Н. Д. Исследование процесса образования асфальто-смолопарафинистых отложений и разработка конструкции промыслового депарафинизатора нефти: материалы 67-й Междунар. студ. науч.-техн. конф. (Астрахань, 17-21 апреля 2017 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2017. URL: http://astu.org/Content/Page/5833.
12. Марышева М. А., Шишкин Н. Д. Разработка конструкций и оценка параметров промысловых депарафинизаторов с получением товарной битумпарафиновой смеси: материалы 61-й Междунар. конф. науч.-пед. работников АГТУ (Астрахань, 24-28 апреля 2017 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2017. URL: http://astu.org/Content/Page/5833.
