Модуль 1. Электродегидраторы. Последовательность расчета электодегидратора.
В настоящее время наибольшее применение на установках электрообессоливания получили горизонтальные электродегидраторы. Преимущества их по сравнению с использовавшимися ранее вертикальными и шаровыми электродегидраторами следующие:
1) высокая удельная производительность;
2) более благоприятные условия осаждения, которые можно оценить отношением S/V (где S - средняя площадь горизонтального сечения, м2; V - объем электродегидратора, м3); чем больше S/V, тем лучше условия осаждения, так как снижается линейная скорость вертикального движения нефти и водяным каплям легче осаждаться;
3) меньшая стоимость за счет сравнительно небольшого диаметра электродегидраторов, способных работать при повышенных давлениях и температурах;
4) меньшее количество электрооборудования и более простая электрическая схема.
Для эффективного отстоя должно соблюдаться соотношение
, (1.1)
где τ- время пребывания нефти в электродегидраторе, ч;
τос - время, необходимое для осаждения капелек воды, ч.
Время пребывания нефти в электродегидраторе определяется по формуле
Τ=hэ/ин, (1.2)
где hэ – высота слоя эмульсии, м;
ин, - скорость движения нефти при нижней ее подаче, м/ч.
Время, необходимое для осаждения капель воды
Τос=hэ/ифакт = hэ/(ипок-ин), (1.3)
где ипок, ифакт – скорость осаждения капель воды в неподвижной среде и фактическая скорость осаждения капель воды в потоке поднимающейся нефти, м/ч.
Подставив формулы (1.2) и (1.3) в неравенство (1.1), получим
ипот – ин ≥ ин, ипот ≥ 2ин (1.4)
Таким образом, линейная скорость движения нефти в электродегидраторе должна быть как минимум в два раза меньше рассчитанной скорости осаждения капелек воды. Для гарантированного осаждения можно рекомендовать двухкратный запас, т. е. ипот ≥ 4ин (1.5)
Скорость осаждения капелек воды ипок в неподвижной среде при ламинарном характере движения (Re от 2 до 10-4) определяется формулой Стокса:
(1.6)
где d - диаметр наименьших капелек воды, м; ρв и ρн - плотности воды и нефти соответственно при температуре отстоя, кг/м3; νн - кинематическая вязкость нефти при температуре отстоя, м2/с.
При использовании этой формулы для определения скорости осаждения капелек воды необходимо проверить значение Re по формуле:
Re = uпок d/νн (1.7)
Должно соблюдаться условие 10-4 ≤Re≤0,4÷2,0.
При Rе>500 осаждаются относительно крупные капли (d>0,1 мм), и скорость осаждения будет равна
(1.8)
Зная ипок,по уравнению (1.5) определим ин и необходимое поперечное сечение электродегидратора S = G/uн.
Для изготовления проходных изоляторов используют эбонитовые втулки или фторопласт (типа 2ТИФ). Для дегидраторов типа 2ЭГ применяют изоляторы типа 2ИПФ. Наиболее подходящим материалом в условиях высоких температур (до 250 °С) является полимер тетрафторэтилена – фторопласт-4. Подвеска электродов осуществляется либо на эбонитовых тягах, либо на гирляндах из фарфоровых изоляторов (ПФ6-В, П-4,5) или стеклянных гирляндах (ПС-4,5). В электродегидраторе 2ЭГ160, рассчитанном на повышенные рабочие параметры, применены подвесные изоляторы ПФ6-В. Питание электродов дегидраторов на отечественных установках производительностью 6 млн. т в год осуществляется от двух трансформаторов типа ОМ-66/35 с номинальным напряжением 0,38/11-16,5-22 кВ. Мощность трансформатора в зависимости от напряжения составляет 40-50 кВт. При последовательном включении вторичных обмоток трансформаторов можно получить между электродами различное напряжение: 2; 27,5; 33; 38,5 или 44 кВ.
В большинстве случаев напряжение, подводимое к электродам, имеет промышленную частоту. Расстояние между электродами l составляет 10-40 см. При увеличении l объем обрабатываемой эмульсии увеличивается, но напряженность поля падает. Расстояние между электродами может быть изменено путем передвижения одного из электродов (например, нижнего) на тягах. Электрическая проводимость сырой нефти при 90-120°С колеблется в пределах от 0,5·108 до 12·108 Ом/см. Расход электроэнергии на таких установках составляет 2,5- 5,0 кВт на 1000 м3 переработанной нефти.
Взаимодействие между каплями воды можно увеличить, если повысить напряженность поля Е, поскольку при этом растет поляризация капель и силы дипольного притяжения увеличиваются пропорционально E2. Однако при чрезмерном повышении напряженности поля возможно электрическое диспергирование капель. По мере роста Е длина капли увеличивается и при достижении критической напряженности происходит диспергирование на множество мельчайших капель радиусом 10-7- 10-8 см (0,1-0,01 мкм).
Напряженность поля Е (В/см) в межэлектродном пространстве равна
E = U/l, (1.9)
где U - напряжение, В;
l - расстояние между электродами, см.
Критическая напряженность поля Екр определяется по уравнению
(1.20)
где Екр-критическая напряженность, В/см; σ - коэффициент межфазного поверхностного натяжения, мН/м; d - диаметр капли, см; ε -диэлектрическая проницаемость эмульсин; А - коэффициент пропорциональности (зависит от концентрации эмульсии): для одиночной капли А=380, а при концентрации эмульсии 5, 10 и 20% величина А соответственно равна 382, 391 и 403).
В электродегидраторе должно выполняться условие
E<Екр (1.21)
в противном случае необходимо либо уменьшить напряжение на электродах, либо увеличить расстояние между ними. На промышленных дегидраторах напряженность поля составляет 800-2000 В/см.