Электродегидратор

Электродегидратор (электродесалтер, дегидратор, обессоливатель) — это промышленное устройство, применяемое в нефтяной промышленности для удаления воды и растворённых солей (в основном хлоридов Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) из сырой нефти, прежде чем она поступает в дальнейшие установки переработки (например, атмосферную или вакуумную колонну).), Представляет собой ключевой технологический аппарат на нефтеперерабатывающем заводе, основной задачей которого является удаление минеральных солей из сырой нефти, изначально растворённые в пластовой воде, которая эмульгирована в нефти и добывается вместе с ней.

Процесс обессоливания по праву считается первой стадией подготовки нефти к переработке, так как последующее оборудование и катализаторы крайне чувствительны к содержанию посторонних примесей. Качество работы электродегидратора принято измерять в таких показателях, как PTB (pounds per thousand barrels — фунты соли на тысячу баррелей нефти). Для сырой нефти, поступающей на переработку, целевым показателем после обессоливания обычно является значение менее 1 PTB. Другим критически важным спецификационным параметром является содержание механических примесей и воды (BS&W — Basic Sediment and Water), которое после эффективного процесса обессоливания не должно превышать 0,1-0,2 %.

Стоит отметить, что термин «десальтер» может также относиться к установкам опреснения солоноватых вод, используемых в сельском хозяйстве или для подготовки питьевой воды, однако в контексте нефтегазовой промышленности он прочно закрепился именно за установками подготовки нефти.

Необходимость и цели обессоливания сырой нефти

Присутствие солей в сырой нефти несёт в себе множество деструктивных последствий для всего технологического цикла переработки. Наиболее распространёнными солями являются хлориды кальция, натрия и магния. При нагреве нефти в печах установок перегонки до высоких температур (свыше 350 °C) эти хлориды подвергаются гидролизу с образованием летучей соляной кислоты (HCl). Данная кислота вызывает интенсивную коррозию оборудования технологических установок, конденсационно-холодильного хозяйства и выводных трубопроводов, что приводит к частым остановкам на ремонт и создаёт риски аварийных ситуаций. Кроме того, сами соли, а также механические примеси (песок, ил, оксиды металлов) откладываются на стенках теплообменных аппаратов, снижая их эффективность и приводя к повышенным энергозатратам, а в худшем случае — к полному забиванию трубопроводов и аппаратов. Наличие воды увеличивает нагрузку на печи и колонны, так как для её испарения требуется значительный подвод тепла. Такие металлы, как натрий, ванадий и никель, являются сильными ядами для дорогостоящих катализаторов процессов каталитического крекинга, гидроочистки и риформинга, необратимо снижая их активность и селективность. Наконец, не удалённые на стадии обессоливания твёрдые частицы могут попасть в зону сжигания топливного газа и мазута, что приводит к повышенному выбросу твёрдых частиц и нарушению экологических норм, регламентирующих непрозрачность дымовых газов.

Принцип действия электродегидратора

Классический технологический процесс электродегидратации состоит из нескольких последовательных этапов. На первом этапе сырая нефть, поступающая с промысла, предварительно подогревается до температуры в диапазоне от 100 до 150 °C. Нагрев необходим для снижения вязкости нефти, что облегчает последующее coalescence (слияние) капель воды.

Затем в поток нефти инжектируется так называемая промывная вода, объём которой обычно составляет от 4 до 10 % от объёма обрабатываемой нефти. Эта вода служит двум целям: во-первых, она разбавляет концентрацию солей в исходной эмульсионной воде, а во-вторых, служит дополнительной средой для растворения и вывода солей.

Далее тщательно перемешанная смесь нефти и воды поступает в отстойную зону электродегидратора — большой горизонтальный или вертикальный аппарат. Ключевым элементом, отличающим электродегидратор от простого гравитационного отстойника, является наличие системы электродов, на которые подаётся высокое напряжение (обычно от 16 до 35 кВ) постоянного или переменного тока.

Создаваемое электрическое поле высокой напряжённости индуцирует поляризацию микрокапель диспергированной воды. Разноимённо заряженные стороны капель начинают притягиваться друг к другу, что dramatically ускоряет их столкновение и слияние (коалесценцию) в более крупные и тяжёлые капли. Под действием силы тяжести эти укрупнённые капли воды, несущие в себе растворённые соли и механические примеси, оседают на дно аппарата, откуда затем откачиваются.

Обессоленная и обезвоженная нефть выводится с верхней части аппарата и направляется далее на атмосферно-вакуумную перегонку.

Конструктивные разновидности электродегидраторов

Эволюция технологий обессоливания привела к появлению нескольких конструктивных типов электродегидраторов, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.

1. Горизонтальный электродегидратор является наиболее распространённым и современным типом аппарата на крупных нефтеперерабатывающих заводах. Он представляет собой длинный цилиндрический аппарат, размещённый на опорах. Его основное преимущество заключается в большой площади сечения отстойной зоны, что обеспечивает длительное время пребывания и эффективное расслоение фаз даже при высоких производительностях. Внутри него может располагаться несколько секций электродов, что позволяет организовать двух- или даже трёхступенчатое обессоливание в одном аппарате, достигая рекордно низких показателей по соли и воде. Такая конструкция обеспечивает высокую производительность, стабильность работы и лёгкость в обслуживании.
2. Вертикальный электродегидратор — это классическая, более ранняя конструкция, напоминающая по форме большой цилиндрический резервуар. Электроды в нём расположены горизонтальными слоями. Хотя такие аппараты проще в изготовлении и требуют меньше площади для размещения, они существенно уступают горизонтальным в эффективности. Меньшая площадь сечения приводит к турбулентности потока и снижает гравитационную эффективность разделения, особенно при переменных режимах работы и обработки тяжёлых нефтей. На современных НПЗ они часто используются на второй или третьей ступени обессоливания или на установках малой производительности.
3. Шаровой электродегидратор — это специфическая и менее распространённая конструкция, в которой корпус аппарата выполнен в форме сферы. Теоретическим преимуществом такой формы является лучшее распределение механических напряжений и возможность работы при более высоком давлении, что может быть актуально для установок, работающих с лёгкими нефтями или на промыслах. Однако сложность изготовления, ограниченный внутренний объём и трудности с размещением эффективной электродной системы делают шаровые дегидраторы непрактичными для большинства применений на крупных НПЗ. Их использование крайне ограничено и носит, как правило, экспериментальный или узкоспециализированный характер.

Историческая ретроспектива развития технологии

История удаления солей из нефти начинается практически с зарождения самой нефтеперерабатывающей промышленности в конце XIX века. Изначально процесс был крайне примитивным и заключался в простом отстаивании нефти в открытых земляных амбарах или чанах, где под действием гравитации вода и механические примеси постепенно оседали на дно. Естественно, эффективность такого метода была крайне низкой. Прорыв произошёл в 1910-х годах, когда был предложен метод химического обессоливания с добавлением деэмульгаторов — поверхностно-активных веществ, разрушающих прочную водонефтяную эмульсию. Однако настоящая революция случилась в 1930-х годах с внедрением электрического поля в процесс коалесценции. Патент на первый электрообессоливающий аппарат был получен в 1931 году компанией Petreco (Baker Hughes). Это изобретение позволило на порядок повысить эффективность и скорость процесса, сделать его непрерывным и пригодным для растущих объёмов переработки. С тех пор технология непрерывно развивалась: совершенствовались конструкции электродов (стержневые, решётчатые, пластинчатые), системы подачи напряжения (трансформаторы, выпрямители), автоматические системы контроля и управления, что позволило добиться современных высоких стандартов качества.

Области применения и значение для нефтепереработки

Электродегидратор является обязательным и незаменимым звеном в цепи технологических установок любого современного нефтеперерабатывающего завода. Его исправная и эффективная работа напрямую определяет ресурс работы всего последующего оборудования: трубопроводной обвязки, теплообменников, печей, ректификационных колонн и реакторов каталитических процессов. Без глубокого обессоливания становится невозможным производство качественных и соответствующих экологическим нормам моторных топлив, масел и других нефтепродуктов. Помимо классических НПЗ, установки электродегидратации широко применяются на нефтепромыслах для подготовки товарной нефти перед сдачей её в магистральный трубопровод, что регламентируется строгими ГОСТами и техническими условиями. Они также используются на установках первичной переработки газа для удаления капельной жидкости и на установках переработки тяжёлых остатков (гудрона, битума). Таким образом, от эффективности работы этого аппарата зависит не только экономика предприятия, но и его экологическая безопасность, бесперебойность работы и срок службы капитального оборудования.

Литература

• Marco A.Ramirez-Agraez ,Diego Abreu-Lopez ,Jesus Gracia-F , Abhishek Dutta Numerical Study of Electrostatic Desalting: A Detailed Parametric Study. — Department of Chemical Engineering, Izmir Institute of Technology, Gülbahçe Campus, Urla, Izmir 35430, Turkey: Processes, 2022.
• Прокофьева,Андриканис,Круглов С.С.,Гафарова Э.Б. Расчёт электродегидратора: Учебно-методическое пособие.. — М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. — 31 с. — (УДК 66.048.3.069.835).

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Электродегидратор», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Электродегидратор» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».