§ 1. Механические способы разрушения эмульсий

Все механические способы разрушения нефтяных эмульсий имеют очень ограниченное применение (фильтрация, центрифугирование), а некоторые (например, обработка ультразвуком) применяются только в лабораторных условиях. Поэтому кратко рассмотрим только два первых способа.

А. Фильтрация

Этот способ разделения фаз эмульсий основан на явлении селективного смачивания фазами фильтрующего вещества. В качестве фильтрующих веществ используются такие материалы, как гравий, битое стекло, древесные и металлические стружки, солома, стекловата и другие.

Разрушение нефтяных эмульсий фильтрацией в принципе может быть осуществлено двумя путями.

Собственно фильтрация — в качестве фильтра выбирается гидрофобный или гидрофобизированный материал, то есть материал, не смачиваемый дисперсной фазой (водой). В этом случае капельки воды удерживаются фильтром, а дисперсионная среда (нефть, углеводород) свободно проходит через него.

Псевдофильтрация — в качестве фильтра выбирается гидрофильный материал. В этом случае дисперсная фаза (водяные капельки) в силу хорошей смачиваемости входит в капиллярные каналы фильтра и растекается по их поверхности. Фильтр при этом набухает. Дисперсионная среда (нефть), прокачиваемая через фильтр, не удерживается им.

В нефтяной промышленности находит ограниченное применение второй способ фильтрации. Для осуществления фильтрации в зависимости от фильтрующих материалов используют насыпные и набивные фильтры.

Насыпные фильтры состоят из слоев мелкозернистых материалов (гравий, битое стекло и т. д.). Набивные фильтры состоят из нескольких слоев волокнистых материалов (стеклоткань, стекловата, солома и т. д.). Принципиальная схема фильтрующей установки представляется следующим образом. Подогретая до 70-90°С эмульсия, прокачивается через фильтрационные колонны снизу вверх. При прохождении эмульсии через фильтры капельки воды, хорошо смачивающей фильтрующее вещество, задерживаются на фильтре, укрупняются и по капиллярным каналам стекают в нижнюю часть колонны. Нефть с верха колонны подается либо в следующую фильтрующую колонну (если это требуется по условиям деэмульсации), либо через группу сырьевых теплообменников отводится в емкость.

Деэмульсация фильтрацией широкого промышленного применения не получила и применяется крайне редко вследствие громоздкости, малой производительности и необходимости часто заменять фильтры.

Б. Центрифугирование

Способ деэмульсации центрифугированием основан на использовании эффекта различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды в сочетании с искусственно создаваемым центробежным полем. Поле создается в аппарате (центрифуге), где за счет больших скоростей вращения величина центробежного ускорения может быть во много раз больше ускорения свободного падения. При этом если плотность вещества дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды (что чаще всего имеет место в случае нефтяных эмульсий), то частицы дисперсной фазы будут отбрасываться к периферии центрифуги. Здесь водяные капельки дисперсной фазы эмульсии концентрируются, укрупняются и стекают вниз вдоль стенок центрифуги. Обезвоженная нефть и вода из центрифуги отводятся по самостоятельным трубам.

Водяная капелька дисперсной фазы, двигаясь в дисперсионной среде, испытывает не только действие центробежных сил (F₁), но и сил трения вязкой углеводородной среды (F₂). Последняя препятствует перемещению капельки, тормозя её движение. Следовательно, при установившемся режиме движения, согласно третьему закону Ньютона, должно соблюдаться равенство:

F₁ = F₂ (4)

4/3 r³(_{1 –} ₀)a = 6rU, (5)

где а — центробежное ускорение, м/сек².

Центробежное ускорение может быть выражено через линейную скорость движения :

a = V²/R, (6)

где R — расстояние от центра вращения, м.

Линейная скорость движения в свою очередь может быть выражена через число оборотов центрифуги в единицу времени:

V = Dn, (7)

где D — диаметр центрифуги, м,

n — число оборотов в единицу времени. Подставляя уравнение (7) в (6), получим:

a = (Dn)² /R = 4²Rn² =kn² (8)

Здесь была сделана замена D = 2R. Коэффициент k = 4²/R является для данной центрифуги величиной постоянной.

Подставляя уравнение (8) в (5) и выражая из полученного уравнения скорость осаждения капельки U в радиальном направлении от центра вращения к стенке центрифуги, получим:

U = 2/9 r²(₁ – ₀)kn²/

Из сопоставления полученного уравнения с уравнением, выведенным для скорости осаждения капелек в гравитационном поле (3), видно, что скорость разделения фаз при центрифугировании может быть во много раз больше, так как в данном случае силы гравитационного поля заменяются в десятки тысяч раз большими центробежными силами.

Центрифугирование как способ разрушения нефтяных эмульсий получил весьма ограниченное применение ввиду большой стоимости, низкой производительности сложного аппарата центрифуги, требующего высококвалифицированного обслуживания.