RU2056900C1

RU2056900C1 - Apparatus for hydrocarbon liquids dewatering

Info

Publication number: RU2056900C1
Application number: RU93026001A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Ширшов; Н.С. Исрафилов; Е.О. Коваль; П.П. Сивирилов
Original assignee: Институт химии нефти СО РАН
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: destruction of "water in oil" type emulsions. SUBSTANCE: apparatus has inner cylindrical electrode, coaxial to it outer cylindrical electrode, coaxially located between them cylindrical partition, delivering and discharging branch pipes. Space between partition and outer electrode is filled with dielectric liquid with high value of dielectric permeability and low special electrical conductivity, for example, with glycerin, formamide, n-methylformamide and so on. Cylindrical partition is made of three in series connected sections - two of them are dielectric and are located at apparatus inlet and outlet, one section is metallic and it is located in zone of electric field. EFFECT: increased efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике разрушения эмульсий типа "вода в масле" и может быть использовано в основном при нефтепромысловой и нефтезаводской подготовке нефти. The invention relates to techniques for the destruction of emulsions of the type "water in oil" and can be used mainly in the oilfield and refinery oil.

Известно устройство для обезвоживания углеводородной жидкости, включающее заземленный внешний цилиндрический электрод, потенциалообразующий внутренний цилиндрический электрод, соосный с внешним, и соосную с электродами цилиндрическую диэлектрическую перегородку, расположенную между ними, внутри которой перемещается обезвоживаемая жидкость, а пространство между перегородкой и внешним электродом заполнено газом. За счет высокой степени неоднородности электрического поля, создаваемого системой цилиндрических соосных электродов с достаточно большим соотношением диаметров внешнего и внутреннего электродов, напряженность поля внутри перегородки может иметь значение, превышающее пробойное для обезвоживаемой жидкости, в то же время межэлектродный электрический пробой отсутствует, поскольку напряженность поля в пространстве между перегородкой и внешним электродом ниже пробойного значения для газа, заполняющего это пространство. A device is known for dehydration of a hydrocarbon liquid, including a grounded external cylindrical electrode, a potential-forming internal cylindrical electrode coaxial with the external, and a cylindrical dielectric partition coaxial with the electrodes located between them, inside which the dehydrated liquid moves, and the space between the partition and the external electrode is filled with gas. Due to the high degree of heterogeneity of the electric field created by the system of cylindrical coaxial electrodes with a sufficiently large ratio of the diameters of the external and internal electrodes, the field strength inside the partition can have a value that exceeds the breakdown value for the dehydrated liquid, while there is no interelectrode electrical breakdown, since the field strength the space between the partition and the external electrode is below the breakdown value for the gas filling this space.

Недостатком этого устройства является необходимость подачи на электроды высоких разностей потенциалов для достижения в объеме обезвоживаемой жидкости требуемых напряженностей электрического поля, так как основное падение потенциала приходится на пространство между перегородкой и внешним электродом, заполненное газом, из-за низкой диэлектрической проницаемости газа по сравнению с диэлектрической проницаемостью обезвоживаемой жидкости, особенно при ее высокой обводненности. Кроме того, материал диэлектрической перегородки также характеризуется сравнительно низкой диэлектрической проницаемостью, что обуславливает высокие значения напряженности электрического поля в теле перегородки, что, в свою очередь, при наличии малейшего дефекта в материале перегородки приводит к ее разрушению, например вследствие частичного разряда из-за наличия в слое материала перегородки примесей или газовых полостей. Это повышает опасность межэлектродного пробоя, снижает надежность работы устройства. The disadvantage of this device is the need to supply high potential differences to the electrodes in order to achieve the required electric field strengths in the volume of the dehydrated liquid, since the main potential drop falls on the space between the partition and the external electrode filled with gas due to the low dielectric constant of the gas compared to the dielectric the permeability of the dehydrated fluid, especially with its high water cut. In addition, the material of the dielectric septum is also characterized by a relatively low dielectric constant, which leads to high electric field strengths in the body of the septum, which, in turn, in the presence of the slightest defect in the material of the septum leads to its destruction, for example, due to partial discharge due to the presence of in the layer of the material of the partition wall of impurities or gas cavities. This increases the risk of interelectrode breakdown, reduces the reliability of the device.

Цель изобретения снижение требуемых значений разности потенциалов, подаваемых на электроды, и повышение надежности работы устройства. The purpose of the invention is the reduction of the required values of the potential difference supplied to the electrodes, and improving the reliability of the device.

Для этого в устройстве, включающем внутренний цилиндрический электрод, коаксиальный внешний цилиндрический электрод и расположенную между ними коаксиальную цилиндрическую перегородку, пространство между перегородкой и внешним электродом заполнено диэлектрической жидкостью с высоким значением диэлектрической проницаемости и низкой удельной электропроводностью, например глицерином, формамидом, н-метилфомамидом и т.п. а цилиндрическая перегородка состоит из трех последовательно соединенных секций двух диэлектрических, на входе в устройство и выходе из него, и металлической, расположенной непосредственно в зоне электрического поля. To this end, in a device including an internal cylindrical electrode, a coaxial external cylindrical electrode and a coaxial cylindrical partition between them, the space between the partition and the external electrode is filled with a dielectric fluid with a high dielectric constant and low electrical conductivity, for example glycerin, formamide, n-methylfomamide and etc. and the cylindrical partition consists of three series-connected sections of two dielectric, at the entrance to and exit from the device, and metal, located directly in the electric field zone.

Заполнение пространства между цилиндрической перегородкой и внешним электродом жидкостью с высоким значением диэлектрической проницаемости изменяет распределение электрического потенциала между внешним и внутренним электродами таким образом, что основная часть падения потенциала приходится на область, заключенную внутри цилиндрической перегородки, т.е. на объем обезвоживаемой жидкости. Это обусловливает повышение напряженности электрического поля в объеме обезвоживаемой жидкости по сравнению с вариантом заполнения пространства между перегородкой и внешним электродом газом при одинаковых разностях потенциалов, подаваемых на электроды. Filling the space between the cylindrical partition and the outer electrode with a liquid with a high dielectric constant changes the distribution of the electric potential between the outer and inner electrodes so that the main part of the potential drop falls on the area enclosed inside the cylindrical partition, i.e. on the volume of dehydrated fluid. This leads to an increase in the electric field strength in the volume of the dehydrated liquid in comparison with the option of filling the space between the partition and the external electrode with gas at the same potential differences supplied to the electrodes.

Распределение напряженности поля во внутренней полости перегородки, т.е. в объеме обезвоживаемой жидкости, выражается формулой
E₁=

•

r₁≅ r≅ r₂
где ε₁ ε₂ ε₃ соответственно диэлектрические проницаемости обезвоживаемой жидкости, материала перегородки и вещества, заполняющего пространство между перегородкой и внешним электродом;
r₁, r₂, r₃, r₄ соответственно радиус внутреннего электрода, внутренний радиус перегородки, внешний радиус перегородки и внутренний радиус внешнего электрода;
r радиальное удаление от оси внутреннего электрода;
Φ_o разность потенциалов, подаваемая на электроды.The distribution of field strength in the internal cavity of the septum, i.e. in the volume of dehydrated fluid, expressed by the formula
E ₁ =

•

r ₁ ≅ r≅ r ₂
where ε ₁ ε ₂ ε ₃ respectively, the dielectric constant of the dehydrated fluid, the material of the septum and the substance filling the space between the septum and the external electrode;
r ₁ , r ₂ , r ₃ , r _4, respectively, the radius of the inner electrode, the inner radius of the partition, the outer radius of the partition and the inner radius of the outer electrode;
r radial distance from the axis of the inner electrode;
Φ _o the potential difference supplied to the electrodes.

Это выражение показывает, что увеличение диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего пространство между перегородкой и внешним электродом, приводит к уменьшению третьего слагаемого в знаменателе, соответствующему уменьшению величины знаменателя и повышению значений напряженности поля при той же разности потенциалов, а это, в свою очередь, обуславливает возрастание сил диполь-дипольного взаимодействия, интенсификацию процесса коалесценции капель воды. This expression shows that an increase in the dielectric constant of the substance filling the space between the partition and the external electrode leads to a decrease in the third term in the denominator, a corresponding decrease in the denominator and an increase in the field strength at the same potential difference, and this, in turn, leads to an increase forces of dipole-dipole interaction, intensification of the process of coalescence of water droplets.

В пространстве между перегородкой и внешним электродом напряженность поля
E₃=

•

r₃≅ r≅ r₄
Отсюда видно, что в пространстве между перегородкой и внешним электродом при заполнении его жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью ( ε₃ ) имеет место снижение значений напряженности электрического поля. Это, в свою очередь, повышает надежность устройства с точки зрения предотвращения пробоя.In the space between the partition and the external electrode, the field strength
E ₃ =

•

r ₃ ≅ r≅ r ₄
This shows that in the space between the partition and the external electrode when filling it with a liquid with high dielectric constant (ε ₃ ), there is a decrease in the electric field strength. This, in turn, increases the reliability of the device in terms of preventing breakdown.

Замена части диэлектрической перегородки в зоне электрического поля металлической секцией обуславливает нулевую напряженность в теле перегородки и приводит к дополнительному повышению напряженности поля в объеме обезвоживаемой жидкости. Первое видно из выражения для напряженности поля в теле перегородки при условии, что диэлектрическая проницаемость материала (металл) равна бесконечности ε₂= ∞:
E₂=

•

r₂≅ r≅r₃
Другой вывод следует из уравнения (1): при ε₂= ∞ второе слагаемое в знаменателе становится равным нулю, величина значения уменьшается, напряженность Е₁ возрастает.Replacing a part of the dielectric septum in the electric field with a metal section causes zero tension in the septum body and leads to an additional increase in the field strength in the volume of the dehydrated liquid. The first is seen from the expression for the field strength in the body of the partition provided that the dielectric constant of the material (metal) is equal to infinity ε ₂ = ∞:
E ₂ =

•

r ₂ ≅ r≅r ₃
Another conclusion follows from equation (1): when ε ₂ = ∞, the second term in the denominator becomes equal to zero, the value decreases, the tension E ₁ increases.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 иллюстрация распределения потенциала и напряженности электрического поля для устройства с диэлектрической перегородкой при заполнении пространства между перегородкой и внешним электродом веществом с низкой диэлектрической проницаемостью; на фиг.3 то же, с диэлектрической перегородкой при заполнении этого пространства жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью; на фиг. 4 то же, с металлической перегородкой в зоне электрического поля при заполнении пространства диэлектрической жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device; figure 2 illustration of the distribution of potential and electric field strength for a device with a dielectric partition when filling the space between the partition and the external electrode with a substance with a low dielectric constant; figure 3 is the same with the dielectric partition when filling this space with a liquid with high dielectric constant; in FIG. 4 the same, with a metal partition in the electric field when filling the space with a dielectric fluid with high dielectric constant.

Все величины на графиках представлены в нормированном виде. All values on the graphs are presented in normalized form.

Устройство включает в себя внутренний цилидрический электрод 1, коаксиальную цилиндрическую перегородку с металлической вставкой 2 в зоне электрического поля, коаксиальный с перегородкой и внутренним электродом внешний цилиндрический электрод 3, снабженный по обоим торцам раструбами 4, соединенными с центрирующими бобинами 5, имеющими уплотнения 6, а также подводящий 7 и отводящий 8 патрубки; металлическая вставка 2 соединена на обоих концах с диэлектрическими патрубками 9. The device includes an internal cylindrical electrode 1, a coaxial cylindrical baffle with a metal insert 2 in the electric field zone, an external cylindrical electrode 3 coaxial with a baffle and an internal electrode, provided with sockets 4 at both ends connected to centering bobbins 5 having seals 6, and also inlet 7 and outlet 8 nozzles; a metal insert 2 is connected at both ends with dielectric tubes 9.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Обезвоживаемая углеводородная жидкость через подводящий патрубок 7 и изолирующий патрубок 9 поступает во внутреннюю полость цилиндрической перегородки 2, где под действием электрического поля происходит укрупнение капель воды и отделение их от жидкости. Высоковольтный электрический потенциал подается на внутренний электрод 1, внешний электрод 3 заземлен. Раструбы 4 служат для исключения концевой неоднородности электрического поля на торцах внешнего электрода, способной привести к пробою через электрическую жидкость, бобина 5 необходима для соблюдения коаксиальности внешнего электрода 3 и перегородки 2, что исключает наличие мест с локальной повышенной напряженности поля, отличной от расчетной; внешний электрод 3, соединенный через раструбы 4 с бобинами 5 образуют замкнутое пространство, заполняемое диэлектрической жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью, вытеканию которой препятствуют уплотнения 6. Выход разрушенной эмульсии реализуется через отводящий патрубок 8. The dehydrated hydrocarbon fluid through the inlet pipe 7 and the insulating pipe 9 enters the internal cavity of the cylindrical partition 2, where, under the influence of an electric field, water droplets are enlarged and separated from the liquid. A high voltage electric potential is supplied to the internal electrode 1, the external electrode 3 is grounded. The bells 4 serve to eliminate the end heterogeneity of the electric field at the ends of the external electrode, which can lead to breakdown through the electric fluid, the bobbin 5 is necessary to comply with the coaxiality of the external electrode 3 and the partition 2, which excludes the presence of places with a local increased field strength other than the calculated one; the external electrode 3 connected through the bells 4 with the reels 5 form a closed space filled with a dielectric fluid with a high dielectric constant, the leakage of which is prevented by seals 6. The output of the destroyed emulsion is realized through the outlet pipe 8.

П р и м е р. Из технологических соображений приняты следующие параметры устройства:
радиус внутреннего электрода r₁ 2,5·10^-3 м;
внутренний радиус цилиндрической перегородки r₂1,5·10^-2 м;
внешний радиус перегородки r₃ 1,8·10^-2 м;
внутренний радиус внешнего электрода r₄ 5·10^-2 м;
электрический потенциал внутреннего электрода Φ_o 10⁴ В.PRI me R. For technological reasons, the following device parameters:
the radius of the inner electrode r ₁ 2.5 · 10 ^-3 m;
the inner radius of the cylindrical partition r ₂ 1,5 · 10 ^-2 m;
the outer radius of the partition r ₃ 1,8 · 10 ^-2 m;
the inner radius of the outer electrode r ₄ 5 · 10 ^-2 m;
electric potential of the internal electrode Φ _o 10 ⁴ V.

При выполнении цилиндрической перегородки и диэлектрического материала, характеризующегося, как правило, низкой диэлектрической проницаемостью, и заполнении пространства между перегородкой и внешним электродом газом или веществом также с низким значением этого показателя (фиг.2) напряженность поля в объеме обезвоживаемой жидкости имеет сравнительно низкие значения и, наоборот, напряженность весьма высока в теле перегородки и в пространстве между перегородкой и внешним электродом, что снижает эффективность процесса обезвоживания и надежность устройства с точки зрения предотвращения межэлектродного пробоя. When performing a cylindrical partition and a dielectric material, characterized, as a rule, by low dielectric constant, and filling the space between the partition and the external electrode with gas or a substance also with a low value of this indicator (Fig. 2), the field strength in the volume of the dehydrated liquid has relatively low values and on the contrary, the tension is very high in the body of the septum and in the space between the septum and the external electrode, which reduces the efficiency of the dehydration process and the reliability of the device in terms of preventing interelectrode breakdown.

Заполнение пространства между перегородкой и внешним электродом жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью (фиг.3) приводит к резкому снижению напряженности поля в этой жидкости, к повышению напряженности поля в объеме обезвоживаемой жидкости, но одновременно к повышению напряженности поля в теле перегородки, что также нежелательно с точки зрения предотвращения пробоя. Filling the space between the partition and the external electrode with a liquid with high dielectric constant (Fig. 3) leads to a sharp decrease in the field strength in this fluid, to an increase in the field strength in the volume of the dehydrated fluid, but at the same time to an increase in the field strength in the body of the partition, which is also undesirable with breakdown prevention point of view.

При выполнении части перегородки, находящейся в электрическом поле, из металла ( ε₂= ∞ ) с одновременным заполнением пространства между перегородкой и внешним электродом диэлектрической жидкостью с высокой диэлектрической проницаемостью (фиг. 4) напряженность электрического поля в обезвоживаемой жидкости возрастает, в теле перегородки становится равной нулю и низкой в объеме диэлектрической жидкости.When the part of the septum located in the electric field is made of metal (ε ₂ = ∞) while the space between the septum and the external electrode is filled with a dielectric fluid with high dielectric constant (Fig. 4), the electric field in the dehydrated liquid increases, in the body of the septum becomes equal to zero and low in volume of dielectric fluid.

Таким образом, при соответствующей толщине слоя жидкости, заполняющей пространство между перегородкой и внешним электродом, принципиально исключается возможность межэлектродного пробоя, одновременно повышается эффективность процесса обезвоживания углеводородной жидкости. Thus, with the corresponding thickness of the liquid layer filling the space between the partition and the external electrode, the possibility of interelectrode breakdown is fundamentally excluded, while the efficiency of the process of dehydration of the hydrocarbon liquid is increased.

Claims

1. DEVICE FOR DEWATING HYDROCARBON LIQUIDS, including an inner cylindrical electrode, a coaxial outer cylindrical electrode, a coaxial cylindrical partition between them, inlet and outlet pipes, characterized in that the space between the partition and the outer electrode is filled with a dielectric fluid with a high dielectric constant and low electrical conductivity, and the cylindrical partition is made of three series-connected se ktsiy - two dielectric, located at the entrance to and exit from the device, and metal, located in the zone of the electric field.

2. The device according to claim 1, characterized in that glycerin, formamide, n-methylformamide are used as the dielectric fluid.