Как отделить воду с эмульсии

Удаление воды из масла (может кому пригодится) теория

Atlas. FAQ. Объединённый форум владельцев грузовиков и спецтехники

Удаление воды из масла (может кому пригодится) теория ⇐ Atlas. FAQ

Сообщение zhekm » 10 янв 2015, 05:06

Теоретические предпосылки удаления воды из масел методом

Остриков В.В., д-р техн. наук, Зимин А.Г., инж., Бектилевов А.Ю., инж., Бусин И.В., инж

(ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии)

Как известно в смазочных маслах может присутствовать вода. Ее содержание колеблется от сотых долей процента до одного и более.

Вода, находящаяся в маслах и дизельных топливах вызывает коррозионные процессы на деталях цилиндропоршневой группы.

Вода в маслах может находиться в свободном и «вработанном» состоянии. И если свободная вода достаточно легко удаляется известными методами, то вода «вработанная» находящаяся в нефтепродуктах в мелкодиспергированном состоянии трудно удалима.

Процесс выделения воды из масла в поле гравитационных сил при обычных температурах (20…30ºС) недостаточно эффективен. Удаление воды различными фильтрами, сепараторами в поле центробежных сил также имеет свои недостатки. Это в первую очередь ограниченность известных средств очистки своими возможностями, т.е. удаляется в основном «свободная» вода не связанная с нефтепродуктом. В маслах и топливах может присутствовать от 0,1 до 1% воды находящейся во «вработанном» состоянии, которая практически не удаляется не в поле гравитационных сил, не в поле центробежных сил.

Удаление воды за счет поднятия температуры обводненного нефтепродукта выше температуры кипения воды (выше 100ºС) приводит к интенсификации окислительных процессов в очищаемом продукте. Причем этот процесс во многих разработках, установках, средствах очистки разделен на два этапа. Отделение загрязнений происходит на одном этапе очистки, удаление вработанной воды на другом – отдельном что, безусловно, усложняет процесс, удорожает его и т.д.

Традиционными схемами удаления вработанной воды являются испарение с глади поверхности при нагреве (различными нагревателями) до температуры выше 100ºС и забор образовавшихся паров с наджидкостного пространства методом отсоса (вакуум-насосами или вентиляторами). В нашем случае мы будем рассматривать процесс удаления воды в ходе удаления загрязняющих примесей, т.е. предлагается объединить процессы за счет оригинальных решений влагоудаления не повышая температуру очищаемой жидкости выше 90ºС.

Сущность предлагаемой схемы очистки заключается в следующем.

Очищаемое масло проходя через корпус центрифуги выходит из сопел (при этом температура его повышается 2…5ºС), ударяется о стенку корпуса центрифуги нагревается еще на 1…2ºС, а так как ротор находится во вращательном движении, то струя жидкости (температура 93-97ºС) соприкасается со стенкой корпуса образуя эффект трения при котором в соответствии с известной теорией мгновенно нагревается до температуры выше 100ºС. Вода, находящаяся в нефтепродукте превращается в пар проталкиваемый напором воздуха в наджидкостное пространство, где соединяется с паром выделяемым при нагреве жидкости в емкости и далее выталкивается в атмосферу.

Для выяснения сути процесса рассмотрим равновесие жидкости с паром, который в таком состоянии является насыщенным паром.

Известно и как нами уже отмечалось, что при нагреве жидкости с ее поверхности вылетает часть пара или другими словами молекулы и при

этом если они преодолевают силы притяжения, то испаряющаяся молекула может покинуть поверхностный слой, то есть совершить работу против этих сил и работу против внешнего давления РВНД, уже образовавшегося, равную Р∆V, где ∆V разность изменения объема занимаемого данным количеством молекул при переходе из жидкости в пар.

При этом следует учесть, что в закрытой емкости при испарении воды с поверхности нефтепродукта наступит момент, когда число частиц находящихся в жидкости в единицу времени станет равным числу частиц оседающих за то же время обратно в жидкость, то есть наступает равновесное состояние, когда РВНД = РН.

В этом случае необходимым условием удаления образующегося пара является усилие воздействия на него, а именно отбор (отсасывание) или выталкивание.

В нашем случае следует учитывать и тот момент, что часть молекул образуется за счет дополнительной теплоты образующейся в процессе удара и трения струи жидкости выходящей из сопла и соприкасающейся с поверхностью корпуса, образуя деление молекулярной теплоты испарения на молекулярный вес.

В итоге полученную работу, производимую при испарении одного моля жидкости при внесении давления РВНД можно определить следующим соотношением [1]:

где Ар – полная работа при испарении одного моля;

μмв – молекулярная масса испаряющейся воды;

Lmu – скрытая удельная теплота испарения;

μмв Lmu – доля работы от скрытого испарения;

(РВНД – РН)∆V – доля работы от открытого испарения.

Скрытая удельная теплота испарения Lmu определяется из выражения [1]:

где QН – количество тепла необходимое для получения насыщенного пара;

mж – масса выпаренной воды.

Данное выражение справедливо при давлении насыщенного пара РН и определенной абсолютной температуре Т.

Однако с повышением температуры (как по нами предлагаемой схеме ударного трения струи в корпусе центрифуги) скрытая теплота испарения убывает и при достижении определенного критического значения станет равной нулю соответственно одним из определенных фактов испарения, станет упругость насыщенного пара. При этом важнейшим параметром в данном состоянии становится плотность молекул пара, связанная с его давлением.

Число молекул пара (плотность) связанных с реально существующим давлением паров и происходящими тепловыми явлениями можно определить из выражения [1]:

где nмп – число молекул пара при давлении паров, равном Рн;

К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура.

При наших условиях рассматриваемой схемы влагоудаления, когда внешнее давление РВНД не соответствует давлению насыщенного пара Рн, образующееся дополнительное тепло Qдоп за счет трения и удара (микровзрыва) можно записать выражением [1]:

При этом совершится дополнительная работа dA необходимая для испарения одного моля воды [1]:

где V2, V1 – молекулярные объемы соответственно пара и жидкости;

dP – разница несоответствия давления.

Значение молекулярного объема пара определяется уравнением Клапейрона [1]:

После преобразования получим [1]:

Определим количество тепла Qопт необходимое для испарения nв (вработанной воды) при постоянной температуре [1]:

Отсюда определим количество вработанной воды nв, которое может быть выделено за счет испарительного эффекта [1]:

Таким образом, можно сделать предположение, что разделение жидкости с вработанной водой зависит от температурного состояния системы; времени процесса; исходного количества воды в очищаемом продукте, давления теплотехнических параметров.

Соответственно можно полагать, что процесс удаления воды можно ускорить повышением температуры и принудительным удалением пара из корпуса центрифуги и емкости.

Вместе с этим следует учитывать, что поднятие температуры нагрева общего объема жидкости, например масла до 100ºС приводит к увеличению кислотного числа масла, а значит нагрев должен осуществлять кратковременно практически мгновенно, а проталкивание пара должно осуществляться в щадящем режиме воздействия (т.е. не охлаждая образовавшийся пар и достаточно быстро во времени), что должно быть учтено при создании технологического процесса влагоудаления центрифугированием.

Описанные закономерности позволили сделать ряд предположений, получить оценочные зависимости. Далее конкретизируем задачу теоретических исследований для установления зависимостей упрощающих процесс обезвоживания, при этом внесем уточнения с учетом проводившихся ранее исследований по удалению воды из нефтяных масел и с учетом предполагаемых изменений в конструкции центрифуги интенсифицирующих процесс влагоудаления из очищаемого продукта. По принятой схеме очистки, капли уносимые воздухом необходимо выделить из потока, собирать и отводить.

Как уже отмечалось процесс перевода воды из жидкого в парообразное состояние включает:

— испарение воды с нагретой поверхности, если она смачивается водой лучше чем нефтепродуктом;

— внутреннее испарение с поверхности капель и пленок с последующей диффузией;

— внутреннее испарение в пузырьки десорбирующих растворенных газов с последующим барботированием, и вытеснением в роторе центрифуги;

— испарение с зеркала жидкости в наджидкостном пространстве емкости;

— испарение с поверхности капель, струй и пленок жидкости в воздушном пространстве корпуса центрифуги.

Особо следует иметь ввиду туманообразование в воздушном пространстве между корпусом и ротором центрифуги, необходимость выделения влаги из выбрасываемого воздушного потока.

Оценка времени осаждения капелек воды в роторе центрифуги может быть произведена по формуле [2]:

где (ρв – ρом) разность плотностей воды и нефтепродукта;

R2/R1 – отношение максимального и минимального радиусов вращения потока жидкости в роторе;

d – диаметр капли;

n – численная концентрация частиц;

μ – динамическая вязкость испытуемой жидкости при соответствующей температуре.

Данная формула не учитывает изменения режима осаждения, вихреобразования, донных и прочих эффектов. Хотя известны попытки учета этих явлений, однако для сложных условий аналогичных нашим, более точный расчет возможен только после получения ряда кинетических характеристик.

Не менее сложен механизм распыления жидкости на выходе из ротора в системе ударных вращающихся струй. Из многочисленных зависимостей полученных для систем распыливания различных конструкций, в нашем случае можно воспользоваться оценочной формулой, получающейся из равенства центробежной силы поверхностного натяжения для многократного дробления [3]:

где А – экспериментальный коэффициент;

d – диаметр капли, мм;

z – кратность дробления;

ρж – плотность жидкости, кг/см3;

σ – относительное среднее квадратичное отклонение.

Для поверхностного испарения предложены обоснованные и надежные, хотя и сложные зависимости для многих условий тепломассопереноса. Однако большое число осложняющих факторов делает их применение в нашем случае необоснованным.

Для упрощения рассмотрения процесса воспользуемся следующими соотношениями:

— для плоской поверхности [3]:

где Wn – интенсивность испарения, кг/м2ч;

W – скорость потока воздуха, м/с;

(Рнас – Рп) – разность давлений пара в мм рт. ст.

— для испарения сферической капли, движущейся с потоком воздуха [3]:

где β – коэффициент массоотдачи, м/с;

D – коэффициент диффузии пара в воздухе, м2/с.

Тогда удельный поток испаряющейся влаги (m) можно представить выражением [3]:

где (Cнас(Тп)-Св) – разность концентраций пара.

Предположительные лимитирующие явления влагоудаления перечислены выше, что позволяет предположить возможные пути интенсификации процесса обезвоживания.

При удалении воды из нефтепродукта по принятой схеме важным элементом является давление воздуха, проталкивающего паровоздушную смесь из корпуса центрифуги в наджидкостное пространство емкости.

При отложении на стенках ротора загрязнений отфугованная вода может частично вдавливаться центробежными силами и постепенно накапливающийся осадок даже при его гидрофобности.

Оставшаяся отфугованная к периферии ротора влага, поскольку ее раздельный вывод организовать нереально, будет диспергироваться форсунками (соплами).

Вода при выходе из сопел практически превращается в аэрозоль. Можно предположить, что диаметр капель воды при этом составляет порядка 5…10 мкм. Ударяясь о стенку корпуса, при вращении ротора барабана струя разбивается. При этом находящиеся в струе капли воды ударяются, что вызывает их дробление, предположительно до размеров 1…3 мкм.

Соответственно выходя из сопел, жидкость диспергируется в результате центробежных сил и ударно-инерционного взаимодействия струи между собой и струи со стенками.

Размер капель можно оценить из зависимости:

где А — экспериментальный коэффициент;

z – кратность дробления Н/м;

ρж – плотность жидкости кг/м3;

Rc – радиус расположения сопел, м;

ω – число оборотов ротора в секунду.

Подставляя в выражение (17) данные можно получить значения диаметров капель воды и жидкости, которые будут находиться, в первом приближении, в диапазоне от 0,1 до 1 мкм.

Воздушные системы с каплями таких размеров являются близким к туманам и аэрозолям, в которых частицы движутся вместе с потоком воздуха, а оседание их проявляется достаточно слабо.

Интенсификация процесса удаления воды из жидкости центрифугированием может быть увеличена дополнительным дроблением мельчайших частиц воды (0,1-1 мкм) за счет повышения «шероховатости» стенки корпуса центрифуги, которая способствует делению микрочастиц воды в ходе микровзрыва до 0,01-0,05 мкм.

1. Бутов Н.П. Научные основы проектирования малоотходной технологии переработки и использования отработанных минеральных масел., Зеленоград.: ВНИПТИМЭСХ, 2000, 410 с.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1; 2. М.: Химия, 1992, с. 416, с. 348.

3. Остриков В.В. Интенсификация обезвоживания отработанных масел при регенерации. / В.В. Остриков, В.И. Коновалов – Химия и технология топлив и масел. № 4, 1998. – С.31-32.

Источник

Разделение нефтяной эмульсии

10 Сентября 2020 г.

Продолжаем серию информационных статей о технологических процессах, которые проходят нефтепродукты, прежде чем уже поступать уже на конечную переработку. В данной публикации мы рассмотрим технические аспекты разделения водонефтяной эмульсии с применением специальных отстойников, фильтров и центрифуг.

Сырая нефть представляет собой эмульсию, то есть жидкость, в которой присутствуют нефть, вода, соли и механические примеси. Одним из этапов подготовки нефти к первичной переработке является разделение водонефтяной эмульсии на ее составляющие, обезвоживание, обессоливание и очистка, что позволяет получить очищенную от воды, солей и механических веществ нефть.

Понятие водонефтяной эмульсии

Эмульсия имеет двухкомпонентный состав, который представляет собой нерастворимые друг в друге жидкости. Это может быть как «вода в нефти», так и «нефть в воде»: отличие заключается в преобладающей среде, то есть одна является сплошной, а вторая — дисперсной, и наоборот. Молекулы дисперсной среды как бы обволакивают молекулы сплошной.

(1-нефть, дисперсная среда, 2- вода, дисперсная фаза, 3-оболочка)

Нефтяная эмульсия является нестабильным составом, склонным к расслоению. Разделение ее может происходить как естественным путем, так и при обязательном применении технологий ее разрушения в связи с присутствием в ней эмульгаторов — веществ, расположенных на «оболочке» и препятствующих коалесценции частиц. Это могут быть как естественные эмульгаторы, так и твердые взвешенные включения, которые снижают эффективность расслоения.

На скорость и темп разделения эмульсии влияет диаметр частиц воды (чем они больше, тем быстрее отделятся от капель нефти) и от плотности нефти.

Для справки: скорость оседания воды определяется формулой Стокса:

, где: d_k – диаметр капли, м; p_В-р_Н— плотность воды и нефти, кг/м 3 ; μ – динамическая вязкость нефти, Па·с.

Так, в современной отрасли выделяют механические, термические, химические и электрические методы разрушения нефтяной эмульсии. Выбор зависит от объемов добываемого сырья, степени ее обводненности, состава и количества примесей, требований к скорости очистки и производительности.

Механические способы разделения нефтяной эмульсии: отстойники, центрифуги, фильтры

Для механического разделения водонефтяной эмульсии применяются сепараторы, отстойники, центрифуги и фильтры. Этот способ относится к одним из наиболее простых в техническом плане. Для его осуществления не требуется сложных производственных решений: процесс основывается на физических свойствах жидкостей и силе гравитации. Наиболее широко применяется с обводненной нефтью, но не является эффективным для ее глубокого обезвоживания и эксплуатации с мелкодисперсными эмульсиями.

Отстойники нефти: принцип действия и устройство

Нефтяные отстойники составляют основное оборудование, которое применяется для отделения воды от нефти без применения подогрева и дополнительных устройств. Благодаря этому они выступают в качестве первого этапа очистки нефти и ее обезвоживания.

Принцип работы отстойников заключается в осаждении дисперсной влаги за счет действия гравитационных сил: вода и нефть имеют разный удельный вес, за счет чего более тяжелые и крупные частицы (капли воды) оседают внизу емкости, а уже обезвоженная нефть поднимается и выводится через верхнюю часть корпуса.

На эффективность отстаивания нефти влияют такие факторы, как:

• физико-химические свойства водонефтяной эмульсии: плотность, вязкость, диаметр дисперсных частиц
• скорость движения потока
• площадь поверхности отстаивания

Процесс отделения воды от нефти может происходить как непрерывно, так и периодически. В первом случае рабочая жидкость постоянно проходит через отстойник. Во втором — отстаивание осуществляется в сырьевых резервуарах, в которых осаждение воды происходит по факту наполнения.

В зависимости от технического оснащения нефтеперерабатывающего предприятия нефтяная эмульсия подается в емкость по горизонтали или по вертикали. При этом принцип действия не меняется. Лишь при вертикальном движении создается большой напор и давление.

Саратовский резервуарный завод производит горизонтальные нефтяные отстойники* производительностью до 15000 м 3 в сутки:

*(описание и технические характеристики оборудования смотрите в соответствующих разделах Каталога продукции)

Горизонтальный способ размещения наиболее распространен благодаря высокой производительности и площади отстаивания. Дополнительно в некоторых типах оборудования может выполняться обессоливание нефти, например, в аппаратах типа БОН. Осевшие примеси и шлам удаляются механическим или гидравлическим способом в зависимости от степени оснащенности оборудованием и степенью автоматизации.

Внутри нефтяные отстойники разделены перегородками на отсеки, в которых происходит постепенное осаждение дисперсной жидкости и отделение нефти при давлении от 0,6 МПа до 2,5 МПа. Внутреннее устройство агрегатов позволяет равномерно распределять эмульсию, что препятствует созданию возмущения из-за входящей струи.

Центрифуги и фильтры для разделения водонефтяной эмульсии

Процесс расслоения проходит более интенсивно в центрифугах (по сравнению с отстойниками), в которых создаются центробежные силы. Данный способ используется только с нестойкими эмульсиями, является энергозатратным из-за высокого электропотребления для создания высокоскоростных центробежных ускорений, превышающих свободное падение. Кроме того, наличие в рабочей среде механических примесей замедляет скорость движения потока и, следовательно, снижает производительность установки.

Фильтрация не обладает высокой производительностью и требует достаточных затрат на смену фильтрующего гидрофобного или гидрофильного элемента. В гидрофобных фильтрах применяются материалы, которые не накапливают на себе молекулы воды, а лишь задерживают их и пропускают нефть. Гидрофильные элементы состоят из материалов, которые впитывают в себя взвешенные частицы воды, тем самым задерживая ее и пропуская уже обезвоженную нефть.

Особенности процесса механического разделения водонефтяной эмульсии требуют использование дополнительных методов обезвоживания нефти. Например, при нагреве жидкости в деэмульгаторах до 100ºС снижается ее вязкость и плотность. А при прохождении эмульсии через электрическое поле переменной частоты и при высоком напряжении в электродегидраторах происходит разрушение эмульгированной оболочки и поляризация частиц воды.

Совместное использование всех методов обезвоживания нефти позволяет получить нефть глубокой очистки с содержанием воды до 0,1%.

Источник