Устройство для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу

Техническая задача относится к области технологии подготовки товарной нефти и может быть использовано на производствах нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки водонефтяных смесей. Обеспечивает повышение качества разделения водонефтяной эмульсии путем увеличения числа и интенсивности соприкосновения между собой капель воды в потоке водонефтяной эмульсии, находящейся под воздействием СВЧ-энергии в межтрубной зоне, образованной на участке трубопровода поверхностью направляющей структуры и стенками самого трубопровода. Снижения затрат электромагнитной энергии СВЧ, подаваемой на вход узла ввода энергии СВЧ открытой направляющей структуры, необходимой для подготовки водонефтяной эмульсии к сепарации в отстойных резервуарах. Уменьшение длины открытой направляющей структуры в трубопроводе и при заданной длительности MB воздействия t на водонефтяную эмульсию в потоке по межтрубной зоне в трубопроводе. Сущность технического решения: устройство для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу содержит источник СВЧ энергии 1, узел ввода СВЧ энергии, выполненный в виде открытой направляющей структуры 2 длиной L расположенной внутри трубопровода 3, образующей с ним на участке длиной L межтрубную зону 4 образованную открытой направляющей структурой 2 и трубопроводом 3, через которую протекает поток водонефтяной эмульсии

5. Заданная длина L направляющей структуры 2 находится из выражения L=(t_min Q_max)/(S_T-S _л) и определяется максимальной величиной расхода водонефтяной эмульсии в потоке Q_max, при заданной минимальной длительности микроволнового воздействия t_min и площади поперечного сечения межтрубного участка трубопровода S_мт=(S_т-S _л). Минимальная длительность микроволнового воздействия t_min определяется типом водонефтяной эмульсии, ее температурой и рядом других физических факторов. В трубопроводе 3 перед межтрубной зоной 4 установлена задвижка 6, с помощью которой обеспечивается регулировка расхода в потоке водонефтяной эмульсии по трубопроводу. В межтрубной зоне 4 вдоль поверхности открытой направляющей структуры 2 установлена структура из элементов 7. Открытая направляющая структура 2 одним концом соединена с источником энергии СВЧ 1 посредством тракта СВЧ 8. Трубопровод 3 соединен с накопительной емкостью 9. В качестве структуры из элементов могут быть использованы, например, структуры из элементов, выполненные из диэлектрических материалов: в виде пластин, ребристых структур, стержней, волокон, сеток и т.д. 1 п. формулы и 4 илл.

Техническое решение относится к области технологии подготовки товарной нефти и может быть использовано на производствах нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки водонефтяных смесей.

Известны устройства СВЧ обработки водонефтяной эмульсии, см. например, патент РФ №2196227 МПК 7 Е21В 43/34 опубликованный 10.01.2003 Бюл. №1. Устройство разделения водогазонефтяной смеси. Устройство состоит из трубопровода с водонефтяной эмульсией, в который подается энергия СВЧ от системы дискретных излучателей. Микроволновая обработка в этих устройствах производится дискретными излучателями электромагнитной энергии. Недостатком способа реализуемого этими устройствами является то, что, в них формируют воздействие энергии СВЧ с поверхности обрабатываемой среды и в результате, из-за наличия значительных потерь в этой среде, электромагнитному воздействию подвергаются только наружные слои, т.е. имеет место большая неравномерность микроволновой обработки водонефтяной эмульсии.

Прототипом изобретения является Патент РФ №2234824 Приоритет 03.03.2003 г. опубликован 20.08.04 Бюл. №23 «Способ микроволновой обработки жидкой или сыпучей среды и устройство для его осуществления» Воробьев Н.Г., Аюпов Т.А.

Устройство, реализующее способ, содержит: узел ввода энергии СВЧ в трубопровод, выполненный в виде нерегулярной открытой линии передачи выбранного типа, характеризующейся в обрабатываемой жидкой

или сыпучей среде, выбранным нормированным распределением энергии потерь электромагнитного поля вдоль линии, изменяющегося по закону монотонно возрастающей ограниченной непрерывной функции, например вида , принимающей значения от нуля до единицы.

Данное устройство обеспечивает формирование в трубопроводе режима микроволновой обработки, например, для водонефтяной эмульсии, но процесс сепарации эмульсии в отстойных резервуарах после такой обработки протекает достаточно медленно и неполно. Это происходит потому, что отдельные капли воды в эмульсии протекающие с эмульсией через межтрубную зону, образованную на участке трубопровода поверхностью направляющей структуры и стенками трубопровода, после СВЧ обработки остаются разрозненные и не соприкасаясь друг с другом долго сохраняются в нефти, обретая исходное состояние эмульсии. Улучшить процесс разделения эмульсии в такой ситуации можно путем увеличения длины трубопровода с направляющей структурой, что приведет к увеличению числа соприкосновения капель воды в эмульсии в зоне воздействия поля СВЧ и их слиянию. Однако, из-за необходимости использования открытой направляющей структуры большой протяженности, что бы обеспечить условия для слияния разрозненных капель воды в нефти, процесс микроволновой обработки требует повышенных затрат СВЧ энергии, из-за необходимости обеспечения повышенной длительности MB воздействия на поток водонефтяной эмульсии и повышения мощности сигнала на входе направляющей структуры в следствии увеличения ее длины.

Решаемая техническая задача предлагаемого технического решения заключается в повышении качества разделения водонефтяной эмульсии путем увеличении числа и интенсивности соприкосновения между собой капель воды в потоке водонефтяной эмульсии, находящейся под воздействием СВЧ энергии в межтрубной зоне, образованной на участке

трубопровода поверхностью направляющей структуры и стенками самого трубопровода. Снижения затрат электромагнитной энергии СВЧ, подаваемой на вход узла ввода энергии СВЧ открытой направляющей структуры, необходимой для подготовки водонефтяной эмульсии к сепарации в отстойных резервуарах. Уменьшение длины открытой направляющей структуры в трубопроводе и при заданной длительности MB воздействия t на водонефтяную эмульсию в потоке по межтрубной зоне в трубопроводе.

Техническая задача в устройстве микроволновой обработки потока водонефтяной эмульсии транспортируемой по трубопроводу, содержащем источник СВЧ энергии, узел ввода энергии СВЧ в трубопровод, выполненный в виде открытой направляющей структуры длиной L и с площадью поперечного сечения S_л, расположенной в трубопроводе с площадью поперечного сечения S_т и образующей с ним межтрубную зону длиной L, достигается тем, что в межтрубной зоне трубопровода вдоль открытой направляющей структуры длиной L, взятой в соответствии с выражением L=(t_min Q_max)/(S_Т-S _л), установлена структура из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и ориентированных вдоль оси открытой направляющей структуры, а в трубопроводе со стороны входа в межтрубную зону установлена задвижка, с площадью сечения проходного отверстия S_з, изменяющегося в пределах 0<S_з<S _т,

где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t - длительность воздействия электромагнитной энергии на ВНЭ в трубопроводе, t _min - минимальная длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию в трубопроводе S _л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей

структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода, S_з - площадь поперечного сечения задвижки.

В качестве структуры из элементов могут быть использованы, например, структуры из элементов, выполненные из диэлектрических материалов: в виде пластин, ребристых структур, стержней, волокон, сеток и т.д., расположенных в электромагнитном поле открытой направляющей структуры в межтрубной зоне в потоке водонефтяной эмульсии и ориентированные по направлению этого потока.

На фигуре 1 приведена схема устройства.

На фигуре 2 показана структура из элементов в виде радиальных диэлектрических пластин распложенных в межтрубной зоне.

На фигуре 3 показана структура из элементов в виде сетки коаксиально расположенной в межтрубной зоне.

Устройство, для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии транспортируемой по трубопроводу, по фигуре 1 содержит: источник СВЧ энергии 1, узел ввода СВЧ энергии, выполненный в виде открытой направляющей структуры 2, например, коаксиального типа, длиной L расположенной внутри трубопровода 3, образующей с ним на участке длиной L межтрубную зону 4 образованную открытой направляющей структурой 2 и трубопроводом 3, через которую протекает поток водонефтяной эмульсии 5. Заданная длина L, определяемая по формуле приведенной на странице 4, направляющей структуры 2 определяется максимальной величиной расхода водонефтяной эмульсии в потоке Q_max, при заданной минимальной длительности микроволнового воздействия t_min и площади поперечного сечения межтрубного участка трубопровода S_мт=(S_т-S _л). Минимальная длительность микроволнового воздействия t_min определяется типом водонефтяной эмульсии, ее температурой и рядом других физических факторов, (см. например, Анфиногентов В.И. Численное моделирование сверхвысокочастотного электромагнитного

нагрева несжимаемой вязкой жидкости, движущейся в цилиндрической трубе Электромагнитные волны и электронные системы. Т.11; №2-3, 2006. - С.3-9).

Так, например, для длительности обработки t_min=10 мин, для расхода водонефтяной эмульсии Q_mах=100 л/мин в трубопроводе с площадью поперечного сечения в межтрубной зоне S_мт=1250 см² требуемая длина направляющей структуры составит 8 м. В трубопроводе 3 перед межтрубной зоной 4 установлена задвижка 6, с помощью которой обеспечивается регулировка расхода в потоке водонефтяной эмульсии по трубопроводу.

В межтрубной зоне 4 вдоль поверхности открытой направляющей структуры 2 установлена структура из элементов 7, выбранных, например, из числа приведенных на фиг.2, на фиг.3 и на фиг.4, ориентированных вдоль оси трубопровода 3. Открытая направляющая структура 2 одним концом соединена с источником энергии СВЧ 1 посредством тракта СВЧ 8. Трубопровод 3 соединен с накопительной емкостью 9, где происходит накопление расслоившейся воды и нефти. Структура из элементов 7 разделяет поток водонефтяной эмульсии 5 в межтрубной зоне 4 на отдельные каналы, ориентированные вдоль оси трубопровода 3, увеличивает поверхность контакта потока водонефтяной эмульсии 5 со стенками структуры из элементов 7. Требование к этой структуре из элементов 7, например, спирали 10 (фиг.2), радиальных пластин 11 (фиг.3), сетки 12 (фиг.4) и т.д. выбирают из следующих соображений: структура из элементов 7 не должна вызывать сильное возмущение потока, т.е. должна быть обтекаемой. Например, может быть выполнена в виде спирали, сетки или пластин из материалов круглого или плоского обтекаемого профиля. В противном случае, сильное возмущение потока может привести к дроблению водяных глобул в эмульсии и, соответственно к ухудшению процесса разделения водонефтяной эмульсии. В зависимости от вязкости эмульсии 5 меняется плотность размещения

элементов в структуре, например, с увеличением вязкости уменьшается требуемая плотность размещения элементов в структуре из элементов 7 (см. например, Тронов В.П. Системы нефтегазосбора и.гидродинамика основных технологических процессов. Казань изд. «Фен» 2002 г. 512 ст. ст.129-135).

Рассмотрим работу устройства по фигуре 1.

Поток водонефтяной эмульсии 5 транспортируемый по трубопроводу 3 с площадью поперечного сечения S_т, содержащем открытую направляющую структуру коаксиального типа 2 с площадью поперечного сечения S_л и образующей трубопроводом межтрубную зону 4 с площадью поперечного сечения (S_т -S_л) и формирующей распределение энергии потерь СВЧ от источника СВЧ энергии 1, пропускают через структуру из элементов 7, расположенных в межтрубной зоне 4 вдоль поверхности открытой распределенной направляющей структуры 2.

Структуры из элементов 7 увеличивает площадь контакта потока водонефтяной эмульсии с поверхностями диэлектрической структуры в зоне действия электромагнитного поля, изменяет поле скоростей в различных слоях потока, что приводит к взаимному перемещению глобул воды в потоке и их сближению между собой. Длительность взаимодействия потока водонефтяной эмульсии 5 с электромагнитным полем открытой направляющей структуры 2 регулируется задвижкой 6, изменяющей расход в потоке водонефтяной эмульсии 5 по трубопроводу 3. В известных методах разделения водонефтяной эмульсии 5. (см. например, Тронов В.П. Системы нефтегазосбора и гидродинамика основных технологических процессов. Казань изд. «Фен» 2002 г. 512 ст. ст.302-319.) ускорение разделения эмульсии путем разделения потока на мелкие каналы и увеличения площади контакта с поверхностью обеспечивается за счет формирования в потоке турбулентного движения эмульсии, что приводит к разрушению глобул воды за счет их механического взаимодействия со стенками каналов. Для этого требуется большая скорость потока в канале,

определяемая числом Рейнольдса Re = от 50000 до 100000 и процесс разрушения глобул воды протекает не эффективно. В данном случае, разрушение глобул воды происходит не за счет их ударов о стенки каналов, а под действием на поверхностные заряды пограничного слоя оболочек, разделяющих глобулы воды, пондемоторных сил, возникающих в электромагнитном поле при их сближении друг с другом в потоке. При этом под действием поля происходит разрушение оболочек контактирующих в потоке между собой глобул воды и их последующее слияние. Этот процесс разрушения и слияния глобул воды в потоке эмульсии 5 происходит не только на стенках структуры из элементов 7, но и внутри перемешиваемой массы в потоке эмульсии. Таким образом, в данном изобретении, сочетание двух процессов: механического и электромагнитного приводит к повышению эффективности процесса разделения водонефтяной эмульсии. Выполнение структуры из элементов 7 из диэлектрических материалов необходимо для выполнения требований по обеспечению соответствующих граничных условий для электромагнитного поля в межтрубной зоне, (см. например, В.И.Вольман, Ю.В.Пименов Техническая электродинамика изд. «Связь» м. 1971 г. ст.40-51).

В устройстве по прототипу, в межтрубная зона, свободная от структуры из элементов и движение эмульсии в ней протекает в более ламинарном потоке. Это снижает интенсивность взаимодействие глобул воды в потоке эмульсии между собой и процесс их разрушения протекает менее эффективно, поскольку процесс их перемешивания в трубе протекает медленно и требует большего времени. Соответственно, потребуется большая протяженность межтрубной зоны. Таким образом, в устройствах, реализованных согласно прототипа будут требоваться открытые направляющие структуры большей протяженности. При этом, при одинаковой плотности электромагнитного потока с поверхности

направляющей структуры, потребление СВЧ энергии возрастет пропорционально увеличению длины направляющей структуры.

Таким образом, размещение структуры из элементов 7 в межтрубной зоне 4, согласно данного изобретения, позволяет сжать протяженность L этой зоны по отношению к прототипу и уменьшить длину открытой направляющей структуры, размещаемую в трубопроводе. При заданной плотности потока электромагнитной энергии с поверхности линии передачи ее укорочение будет означать снижение требуемой мощности сигнала подводимого к ее входу.

Из результатов экспериментальной проверки следует: на установке не содержащей структуру из элементов в межтрубной зоне (согласно прототипа) трубопровод с открытой направляющей структурой длиной L=6 м, при расходе эмульсии в потоке 2 л/мин, и мощностью источника энергии СВЧ Р₀=1400 Вт, после отстоя в течении 5 мин, в результате расслоения водонефтяной эмульсии отделилась нефть с обводненностью (4-6)%.

При размещении структуры из элементов в межтрубной зоне в виде коаксиально расположенной лавсановой сетки с ячейками 5×5 мм, длиной L=2,5 м, с расходом в потоке эмульсии 2 л/мин, и мощности источника энергии Р ₀=700 Вт, после отстоя в течении 3 мин, обводненность отслоившейся нефти составила (3-4)%. Исходный продукт - водонефтяная эмульсия с содержанием воды 20%.

Устройство для микроволновой обработки потока водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, содержащее источник СВЧ энергии, узел ввода энергии СВЧ в трубопровод, выполненный в виде открытой направляющей структуры длиной L и с площадью поперечного сечения S_л, расположенной в трубопроводе с площадью поперечного сечения S _т и образующей с ним межтрубную зону длиной L, отличающееся тем, что в межтрубной зоне трубопровода вдоль открытой направляющей структуры длиной L, взятой в соответствии с выражением L=(t _minQ_max)/(S_T -S_л), установлена структура из элементов заданного вида, выполненных из диэлектрических материалов и ориентированных вдоль оси открытой направляющей структуры, а в трубопроводе со стороны входа в межтрубную зону установлена задвижка, с площадью сечения проходного отверстия S_з, изменяющегося в пределах 0<S_з<S _т, где Q - величина расхода водонефтяной эмульсии в трубопроводе, Q_max - максимальная величина расхода водонефтяной эмульсии, L - длина открытой распределенной направляющей структуры в трубопроводе, t - длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию в трубопроводе, t _min - минимальная длительность воздействия электромагнитной энергии на водонефтяную эмульсию в трубопроводе S _л - площадь поперечного сечения открытой распределенной направляющей структуры, S_т - площадь поперечного сечения трубопровода, S_з - площадь поперечного сечения задвижки.