Глава XV электрическое осаждение

Для разделения жидких и газовых суспензий можно ис­пользовать силы электрического поля. При действии на эмульсию поля пе­ременного тока высокого напряжения происходит слияние (коагуляция) мелких капелек диспергированной жидкости в более крупные, которые за­тем легко осаждаются под действием силы тяжести. Создавая электричес­кий разряд в газе, добиваются заряжения взвешенных в нем частиц, кото­рые затем осаждаются электрическими силами в поле постоянного тока высокого напряжения.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Добываемая нефть часто содержит воду в виде стойкой эмульсии. Эта вода отличается сравнительно высоким содержанием солей, поэтому нефть, подлежащая переработке, должна быть предварительно обезвожена и обессолена.

Обезвоживание, а следовательно, и обессоливание нефти может быть осуществлено механическим или химическим методом, но наиболее эф­фективным является воздействие электрического поля.

Обработке нефти в электрическом поле обычно предшествует ее сме­шение с менее минерализованной пресной водой в количестве 5-П5 % на нефть, В этом случае концентрация солей значительно уменьшается, что позволяет при данной степени обезвоживания (десятые доли процента ос­таточной воды) существенно снизить содержание солей и обеспечить вы­сокую степень обессоливания (менее 5 мг на 1 л нефти). При высоком со­держании воды в исходной нефти обработку нефти водой осуществляют дважды.

Сущность метода электрообработки заключается в том, что под дей­ствием электрического поля высокого напряжения и переменного направ­ления капельки воды заряжаются и начинают двигаться по направлению силовых линий электрического поля. Разноименно заряженные капельки взаимно притягиваются и сливаются. Заряженные одноименно (в основном отрицательно) капельки воды движутся к противоположному полюсу, все время меняя направление движения вследствие переменности поля, сталки­ваются и тоже сливаются. Для улучшения процесса коагуляции в поток час­то добавляют немного щелочи, нейтрализующей органические кислоты и увеличивающей электропроводность воды. Процесс ведут с подогревом (для уменьшения вязкости) и под давлением, исключающим возможность испа­рения воды и кипения нефти. Применяемая в промышленных установках разность потенциалов достигает 35 кВ.

Электродегидратором называется устройство для обработки в элект­рическом поле суспензии типа жидкость — жидкость (например, нефть — вода).

В промышленной практике получили распространение электродегид­раторы различных типов: вертикальные, горизонтальные, сферические.

В качестве примера на рис. XV-1 показан горизонтальный электроде-

10

I III 9 f IV 8 | III \v

A-A

Рис. XV-1. Горизонтальный электро дегидратор ЭГ200-10:

1— корпус;2— изолятор;3— верхний электрод;4— нижний электрод; 5 — сборник обессоленной нефти;6— трансформатор; 7 — ввод высокого напряжения;8— сборник соленой воды;9 —промывочный коллектор;10 —распределитель нефти. Потоки:1— выход обессоленной нефти;11 —вход нефти;111 —удаление шлама;IV— ввод воды на промывку аппарата;V— выход дренажной воды

гидратор ЭГ200-10 конструкции ВНИИнефтемаша вместимостью 200 м³на давление 1 МПа (10 кгс/см²), предназначенный для обезвоживания и обес­соливания нефти и газовых конденсатов на промысловых и нефтезавод­ских установках. В корпусе1аппарата размещены электроды (верхний3и нижний4),подвешенные на изоляторах 2, распределитель10нефти, сбор­ник8соленой воды, два сборника5обессоленной нефти и промывочный коллектор9.

На корпусе электродегидратора смонтированы трансформатор 6и ввод 7 высокого напряжения. Каждый электрод разделен на две равные ча­сти, которые для обеспечения равномерной загрузки трансформатора со­единены так, что каждая половина верхнего электрода соединена с другой половиной нижнего электрода.

Нефть, вводимая в середину распределителя 10,равномерно распреде­ляется по всему сечению аппарата и после промывки в слое воды, уровень которой поддерживается автоматически выше распределителя на 200 — 300 мм, движется вертикально вверх. При этом нефть сначала обрабатыва­ется в слабом электрическом поле в объеме между уровнем раздела нефть — вода и плоскостью нижнего электрода, а затем в сильном элект­рическом поле между электродами, после чего собирается сборниками обессоленной нефти5и выводится из аппарата. Различие в напряженности электрического поля позволяет обеспечить выделение из эмульсии вначале более крупных глобул воды и разгрузить таким образом зону между элек­тродами для выполнения более сложной задачи — отделения мелких капель воды. Соленая вода собирается в нижней части электродегидратора сбор­ником8и выводится из аппарата. Для промывки аппарата без его вскры­тия предусмотрен промывочный коллектор9, отверстия которого направляют струи воды на стенки корпуса.

Питание электродов осуществляется от сдвоенного трансформатора мощностью 160 кВ-A, позволяющего получить между электродами напряже­ние 30, 35, 40, 45 и 50 кВ, присоединение трансформатора к электродам —

с помощью двух вводов высокого напряжения.

Для обеспечения обезвоживания и обессоливания как легких, так и тяжелых нефтей разработаны электродегидраторы с двумя раздельными системами ввода нефти. Для этого в корпусе аппарата установлен дополнительный распределитель нефти со стояками, обеспечи­вающими ввод части нефти непосредственно в межэлектродное пространство, где особенно эффективно разрушаются устойчивые и тяжелые по плотности нефтяные эмульсии.

Ввод части нефти непосредственно в межэлектродное пространство существенно повы­шает устойчивость электрического режима и, следовательно, режима обезвоживания и обес­соливания нефти в промысловых условиях. При этом также уменьшается количество промывочной воды, что делает аппарат универсальным и весьма эффективным.

Для разрушения нефтяных эмульсий в электрическом поле в промыш­ленности широко применяются также электрокоалесцеры, которые уста­навливаются перед емкостью или отстойником. Электрокоалесцеры отли­чаются от обычных электродегидраторов компактностью, а также более

высокой безопасностью и надежностью в работе.

В качестве примера на рис. XV-2 показан электрокоалесцер с чередующимся электри­ческим полем, разработанный совместно ВНИИнефтемашем и БашНИИнефтью. В электро­коалесцере чередование импульсов и пауз воздействия электрического поля высокой напря­женности частотой 50 Гц на эмульсию создается за счет движения потока эмульсии между цилиндрическими коаксиальными электродами, внешним из которых является заземленный корпус2,а внутренним — соединенный с трансформатором электрод3,на котором установлены диэлектрические кольца1.

Напряженность поля в области колец из диэлектрического материала намного меньше, чем против открытых участков электрода 3,поэтому при движении эмульсии в осевом на­правлении она поочередно попадает в зоны различной напряженности поля, благодаря чему чередуются процессы коалесценции капель электролита — формирование в сильном поле

Рис. XV-2. Электрокоалесцер с че­редующимся электрическим по­лем:

1— диэлектрические кольца;2 — корпус (внешний электрод);3 — внутренний электрод. Потоки;I — исходная эмульсия;II— обрабо­танная эмульсия в отстойник

цепочек скоалесцировавшихся капель в направлении силовых линии электрического поля (т е. в радиальном направлении) и разрушение этих цепочек под действием гидродинамичес­ких сил в слабом поле против колец. Чередование этих процессов в аппарате приводит к эф­фективному разрушению устойчивых эмульсий на стадии обезвоживания и эффективной ко- алесценции капель пластовой и промывочной воды на стадии обессоливания.

Высота диэлектрических колец и промежутков между ними зависит от скорости дви­жения нефтепродукта, его свойств и напряженности электрического поля. Для каждого тех­нологического процесса можно подобрать оптимальное соотношение высоты колец и про­межутков между ними.

В нефтегазоперерабатывающей промышленности обработка в элект­рическом поле применяется не только для нефтей, но также и для ряда

нефтепродуктов (сжиженные газы, бензин, керосин, дизельное топливо и др.). Она позволяет добиться более полного обезвоживания или отделения взвешенных частиц реагента, содержащихся в нефтепродуктах после той или иной технологической операции.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГАЗА

Если к положительному и отрицательному полюсам источ­ника электрического тока присоединить два электрода, то между ними, не­смотря на отсутствие тока (газ не является проводником), создается элект­рическое поле. Напряженностью поля или градиентом напряжения называ­ют изменение (падение) напряжения на единицу длины. Графически вели­чину и направление действия электрических сил характеризуют силовые линии.

Если взять электроды, сильно отличающиеся по величине поверхности (например, пластину и острие), то при их зарядке возникнет неоднородное поле, характеризуемое силовыми линиями, показанными на рис. XV-3. Ес­ли разность напряжений между электродами повышать, то при некотором ее значении, называемомкритическим,обстановка качественно изменится. Молекулы газа, находящиеся в этом поле, ионизируются, расщепляясь на положительно заряженные ионы и электроны, которые перемещаются по направлению действия силовых линий.

При достижении разности напряжений выше критического значения наступает явление пробоя; в темноте около острия наблюдается голубо­ватое свечение, называемое коронным разрядом или короной. В области короны градиент напряжения выше пробивного, но пробой газа является «местным», так как по мере удаления от острия напряженность поля уменьшается.

В случае, когда пластина заряжена положительно, а острие отрица­тельно, образующиеся отрицательные ионы будут притягиваться к пласти­не и между электродами установится постоянный ионный поток того же

Рис. XV-3. Схема силовых линий элект­рического поля между пластиной и ост­рием

знака, что и корона. Если между электродами пропустить запыленный газ, то ионы будут сталкиваться с частицами пыли, передавая им заряд того же знака, какой имеет корона; пылинки тоже станут притягиваться к пласти­не и осаждаться на ней; лишь отдельные частицы, попавшие в область са­мой короны, могут там зарядиться положительно и осесть на отрицатель­ном острие.

Неоднородное электрическое поле может быть создано в цилиндриче­ской трубе с помещенным по ее оси тонким проводом (рис. XV-4, а)либо при сочетании пластины с коронирующими проводами (рис.XV-4, б).

В качестве коронирующих применяют провода минимального диамет­ра, обеспечивающего механическую и коррозионную стойкость.

Применяемые в промышленности устройства для обработки суспен­зии газ (пар) — жидкость или газ (пар) — твердое тело в электрическом поле называют электрофильтрами.

Рабочее напряжение в электрофильтрах составляет 40 — 75 кВ. Элект­рофильтры с осадительными электродами в виде пучка цилиндрических или шестигранных труб называются трубчатыми,электрофильтры с оса­дительными электродами в форме пластин —пластинчатыми.

По направлению потока газа между пластинами электрофильтры под­разделяются на горизонтальные и вертикальные.

Электрический ток, питающий электрофильтры, должен быть посто­янным. Что касается полярности тока, то обычно применяют отрицатель­ную корону, так как скорость движения отрицательных ионов выше, чем положительных, сама же отрицательная корона менее склонна к пробоям.

В местах, где нет электросетей постоянного тока высокого напряже­ния, для питания электрофильтров пользуются переменным током обычно­го напряжения, которое повышают в трансформаторах и затем при помо­щи выпрямителей преобразуют в постоянный ток.

В зависимости от вида улавливаемых частиц и способа их удаления с электродов электрофильтры подразделяются на сухиеимокрые.В сухих электрофильтрах для очистки поверхности электродов от пыли использу­ются механизмы встряхивания ударно-молоткового типа. Пыль из бункера выводится в сухом виде.

В мокрых электрофильтрах очистка поверхности от пыли осуществ­ляется промывкой водой. В электрофильтрах, предназначенных для очист­ки газов от туманов кислот и смол, уловленные продукты с поверхности пластинчатых электродов удаляются самотеком, а в трубчатых — самоте­ком с периодической промывкой слабой кислотой.

На рис. XV-5 приведена конструкция горизонтального электрофильт­ра, предназначенного для улавливания технического углерода из углеродной газовой смеси при температуре от 100 до 250 °С и катализаторной пыли на установках каталитического крекинга с пылевидным катали затором.

Электрофильтр состоит из металлического корпуса 5,в котором уста­новлены газораспределительные решетки 2, обеспечивающие равномерное распределение газа по всему сечению аппарата. Активная зона электро­фильтра состоит из пластинчатых осадительных электродов11, каждый из которых образован из системы отдельных прутков и коронирующих элек­тродов10,подвешенных на раме9и натянутых с помощью рамы13с гру­зами. Расстояние между осадительными электродами 300 мм. Удаление улов­ленного продукта с электродов обеспечивается механизмами ударного дей­ствия для встряхивания коронирующих8и осадительных12электродов.

б

Рис. XV-4. Схемы трубчатых (а) и пластинчатых (б)электродов:

i— коронирующие электроды;2— трубчатые осадительные электроды; 3 — силовые линии;4 —пластинчатые осадительные электроды. Потоки:I —исходный газ;11 —очищенный газ

Рис. XV-5. Электрофильтр сажевый горизонтальный:

1— предохранительный клапан;2 —газораспределительная решетка; 3 — механизм встряхивания решетки;4— люк для обслуживания; 5 — корпус; 6 — коллектор для поддува в изоляторные коробки; 7 — изоляторная коробка;8 —механизм встряхивания коронирующих электродов;9 —рама подвеса коронирующих электродов;10— коронирующий электрод;11 —осадительный электрод;12— механизм встряхивания осадительных электродов;13— нижняя рама для подвеса коронирующих электродов с грузами;14 —механизм ворошения уловленных частиц. Потоки:1— исходный газ;11 —уловленные частицы;111 —очищенный газ;IV —поддув

Рис. XV-6. Электрофильтр для улавливания тумана серной кис­лоты:

луживания; электрод; 6 электрод; 7 — ровка корпуса;

1. — защитная коробка для подвода

тока; 2— изоляторная коробка;3 —коллектор периодической

промывки; 4 —люк для обс-

5 — коронирующий

— осадительный корпус; 8 —футе- 9 — направляющие лопатки. Потоки:1 —исходный газ;

2. —очищенный газ

Электрофильтры с бункерами, оснащенными механизмом ворошения 14,применяются для улавливания технического углерода, без механизма во­рошения — для улавливания катализаторной пыли. Ворошение уловленных частиц и их выгрузка производятся непрерывно.

К особенностям рассмотренной конструкции электрофильтра следует отнести наличие над каждым из полей предохранительных клапанов 1 большого сечения, а также систему обдувки6изоляторов, предотвращаю­щих отложение пыли в изоляторных коробках 7.

На рис. XV-6 приведена конструкция вертикального трубчатого элект­рофильтра, предназначенного для улавливания тумана серной кислоты из хвостовых газов с температурой 50 °С при сернокислотном производстве.

Стальной корпус электрофильтра 7изнутри покрыт слоем кислотостойкой футеровки8.Активная зона электрофильтра состоит из коронирующих электродов 5, подвешенных по осям осадительных труб 6. Электроды периодически промываются конденсатом уловленной кислоты, которая поступает через форсунки коллектора3,расположенного над электро­дами. Во время промывки электродов с электрофильтра снимается высокое напряжение.

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ

Расчет осаждения частиц в электрическом поле проводится по такой же схеме, как и в случае гравитационного поля или поля центро­бежной силы. Рассмотрим ход такого расчета на примере электрофильтра с трубчатыми электродами (см. рис. XV-4, а).

Напряженность электрического поля Е_хв любой точке на расстояниихот центрального электрода определяется как градиент потенциала в этой точке. Если приложенное напряжение или разность потенциалов между

двумя коаксиальными электродами радиуса R_]и #₂обозначить черезU,то

U = ]e,<Ix.

*1

В газе до образования короны присутствует незначительное количест­во ионов, и в отсутствие какого-либо ионного тока напряженность поля на расстоянии хот центрального электрода выражается в интегрированной форме уравнением

*4

Сила Fчастицы, несущей зарядqв электрическом поле напряженнос­тьюЕ_х,действует в направлении осадительного электрода и выражается уравнением

F=qE_x=-^~. (XV.1)

Ro

xln—

*1

В общем случае сопротивление движению частицы, оказываемое сре­дой, может быть определено в соответствии с законом Ньютона

R= ^s£i^L_t ^ 2

где 6, — безразмерный коэффициент сопротивления среды; 5 — площадь

поперечного сечения частицы; р_г— плотность газовой среды;W_oc— скорость движения частицы.

Если принять, что частица имеет шарообразную форму и движется в ламинарном режиме, который обычно лимитирует процесс отстаивания (т.е. принимая закон Стокса Е, = 24/Re), получим следующее выражение для определения силы сопротивленияR:

R - ²⁴Рг^ос=²⁴У ^ndl Рг^ос

Re4 2W_ocdp_r4 2

откуда после необходимых сокращений получаем

R= 3nd\iW_oc. (XV.2)

Так как частица движется в радиальном направлении от коронирую- щего электрода к осадительному, в уравнении (XV.2) переменная скорость осаждения может быть выражена как производная от расстояния хдо центрального электрода по времени:

R= 3Kd[L—. (XV.3)

dx

Приравняв уравнения (XV. 1) и (XV.3), разделим переменные и, интег­рируя в пределах самого длинного пути отR_{доR₂,найдем время осаж­дения частиц в электрическом поле:

qU dx