原油脈沖電脫鹽技術研究

任 滿 年

(中國石化洛陽分公司,洛陽471012)

1 前 言

煉油廠加工的商品原油均含有一定量的鹽和水。其中水質量分數一般小于0.5%,多以“油包水”(W/O)型乳狀液的形式懸浮于油相中,其顆粒直徑為10～20 nm[1],具有較高的穩定性。原油中的鹽類主要以堿金屬和堿土金屬鹽酸鹽的形式溶解于原油所含的微小水滴中,少量為碳酸鹽、硫酸鹽、有機酸鹽[2]和重金屬卟啉螯合物[3],此類鹽在原油加工過程中會增加能耗、腐蝕和堵塞設備、引起催化劑中毒,嚴重影響安全生產和產品質量。為此,原油深加工過程要求脫鹽后原油的鹽質量濃度不大于 3.0 mg/L,水質量分數不大于0.3%[4],污水含油濃度不大于500 mg/L。

原油脫鹽本質上就是脫水,即采用物理或化學方法使原油乳狀液破乳,實現油水分離。文獻報道的原油脫鹽/脫水方法有機械法、電化學法、聲化學法、磁處理法、過濾法和生物法等十余種,現僅有電化學法得到普遍應用。原油電脫鹽技術產生于20世紀50年代,經過近60年的發展,已從第一代交流電脫鹽技術、第二代交直流聯合電脫鹽技術逐步向第三代脈沖電脫鹽技術過渡。脈沖電脫鹽技術突出的優點是電耗低、脫鹽效率高、對劣質原油的適應性強、設備運行穩定性高。目前,我國的電脫鹽技術仍處于第二代水平,電耗一般為0.3～1.0 kWh/t,破乳劑用量為10～100μg/g[4],二級脫鹽后原油含鹽濃度不大于3.0 mg/L的約占56%[5];存在的主要問題是脫鹽能耗高、效率低、切水含油高、對重質原油適應性差、與國外先進水平差距較大。因此,開發脈沖電脫鹽技術對我國煉油行業具有非常重要的意義。

2 原油脈沖電脫鹽機理

在原油電脫鹽過程中,油水乳狀液的破乳主要依靠電場的聚結作用來實現,兩個相鄰水滴之間受到的聚結力為[6]:式中:ε為原油的介電常數;εw為水滴的介電常數; r為水滴半徑;s為兩水滴間的距離;E為外加電場強度。

對某種穩定的原油乳狀液而言,式中的 r和s不因溫度、壓力等外加工藝條件而改變,水滴間的聚結力取決于電場強度 E,E越大越利于水滴聚合,電脫鹽效率就越高。但是電場強度存在一個臨界值,即4.7 kV/cm[7];超過此值,分散作用將占主導地位,增加電場強度反而會使水滴分散得更小,降低脫鹽/脫水效率。第一代和第二代電脫鹽技術的電場強度一般在800～1 500 V/cm之間,與臨界值有較大的差距,電場強度過大則會因漏電擊穿而中斷供電,這就限制了其脫鹽效率的進一步提高。

不同性質電場的破乳機理不同。研究發現:直流電場的脫鹽/脫水是利用電場對水滴極化所產生的偶極力聚結[8];而交流電場則是利用極化水滴隨電場的變化所產生的振蕩和移動,形成偶極聚結和振蕩聚結[9]。由于受到電場強度的限制,這兩種電場對乳化膜較厚的微水滴作用效果不太理想,當乳狀液含水量較大或脫鹽器乳化層較厚時,易發生漏電短路,造成原油脫鹽/脫水效果惡化。

脈沖電脫鹽工藝采用專用脈沖直流電源,可以形成單向、高壓、高頻、窄脈沖、大空度比電場,其脈沖頻率、電場強度和占空比可實現連續可調。單向脈沖電壓可分解為直流電壓和交流電壓的疊加[6]。在直流脈沖電場中,原油乳狀液液滴對外電場的響應受到電介質松馳過程的控制[10-11],脈沖電場的最佳頻率取決于連續相的松弛時間。原油乳狀液是比較復雜的體系,并非純電介質[12]。在使用絕緣電極的情況下,乳狀液和絕緣材料實際上構成了一個雙層復合電介質[13-14]。由于絕緣層的阻抗遠大于容抗,而乳狀液的容抗遠大于阻抗,這種雙層復合電介質可以看作 RC串聯電路[15]。在該復合體系加以脈沖電場,乳狀液液滴間由于偶極誘導產生的相互作用力與電場的頻率有關,頻率過低,則乳狀液的電容大,電壓與電容成反比,分配在乳狀液上的電壓小,乳狀液液滴間產生的作用力也小;頻率過高,則液滴不能很好地響應外電場的變化,盡管電場強度很大,但由于液滴極化不好,作用力仍會大大降低。因此,脈沖電場破乳存在著最佳頻率[13]。

原油脈沖電脫鹽/脫水的微觀機理可以歸納為四個方面,即偶極聚結、振蕩聚結、水鏈聚結和強場沖擊[9]。在高頻高壓脈沖電場的作用下,微水滴的運動規律為:通電瞬間,微水滴被極化形成偶極子,相鄰的水滴產生劇烈的振動,聚結、長大速度快;繼續通電,聚結速度稍有下降,并趨于穩定。隨著加電時間的延長,微米級的乳化水滴不斷長大,分散度減小。同時,還會出現沿不同方向排列的水鏈,平行的水鏈聚集在一起融合成大的水滴,繼續形成更大的水鏈和水滴。高頻高壓脈沖電場的峰值在很短的時間內上升很高,油相中的水滴反復受到突變電場的沖擊,加速了水滴間的聚結。

通過調節高頻脈沖電場的頻率和占空比,可以使脈沖輸出時間小于水鏈形成短路的時間。在形成水鏈短路前終止脈沖,短路即消失。在短路消失后,再加下一個脈沖,就可以避免電能泄漏,大大地提高脈沖電場的強度,顯著改善脫鹽/脫水效果和設備運行平穩性。由于脈沖電源為間歇供電方式,縮短了通電時間,具有明顯的節電效果。

3 實 驗

3.1 電源及裝置

采用SM T-1500型原油脈沖電脫鹽專用電源,具有短路自保護功能。其技術指標為:額定輸入電壓380 V(3PH,50 Hz);輸出脈沖電流不大于200 m A;額定輸出脈沖電壓15～60 kV,脈沖頻率50～2 000 Hz,占空比6%～50%,均連續可調。

試驗裝置為10 L/h兩級動態電脫鹽裝置,切換不同的電源形式可分別進行脈沖電脫鹽和常規電脫鹽試驗。每一級脫鹽罐有獨立的加熱系統、控制回路和脈沖變壓器。每個脫鹽罐設三層極板,中層極板接電,上、下兩層極板接地。其原則流程如圖1所示。

圖1 原油脈沖電脫鹽裝置原則流程

3.2 原 料

所用原油性質:20℃密度0.878 2 g/cm3,鹽質量濃度98.5 mg/L,水質量分數0.12%。洗滌水為工業凈化水,鹽質量濃度121.0 mg/L,p H值9.75,硫化物濃度 6.4 mg/L,NH3-N濃度172 m g/L。破乳劑為油溶性,型號 EC2425A,用直餾柴油配制成1%的母液,在一級混合閥前加入。

3.3 試驗方案及數據處理

本研究采用正交試驗法,用L27(37)正交表對影響脫鹽效果的工藝條件(脫鹽溫度、注水量、破乳劑用量及處理量)和電場特征參數(脈沖電壓、脈沖頻率及占空比)7個因素進行篩選和優化試驗,并考察脈沖電脫鹽工藝的電耗和運行穩定性。

原油電脫鹽過程是一個多目標系統,脫鹽率、脫后原油含水量和含鹽污水(切水)含油量均為衡量電脫鹽效果的技術指標。為了便于數據處理,將此三個指標均按百分制打分,分值越大,說明脫鹽/脫水效果越好。結合實際生產中對電脫鹽質量指標的控制苛刻度,取脫鹽率、脫后原油含水量和切水含油量的權重分別為0.4、0.3和0.3。

4 結果與討論

4.1 第一次優化試驗

第一次優化試驗中,影響脈沖電脫鹽效果的7個因素各自所選的水平見表1。其中占空比是在一串理想的脈沖序列中(如方波),脈沖的持續時間與脈沖周期的比值。占空比決定著脈沖電脫鹽的節能效果,占空比越低,脫鹽的電耗越少。從表3可知,提高占空比,一級電脫鹽的綜合效果明顯提高。

4.1.1 一級脈沖電脫鹽數據分析 一級脈沖電脫鹽數據的極差分析如表2所示。試驗結果及極差以 Xabc表示,X為S,W,O,Z,R,分別代表脫鹽率、含水量、切水含油量、綜合打分和極差,a代表第一次或第二次優化試驗,b代表一級或二級電脫鹽,c代表某一因素的三個水平。極差 R表示某一因素三個水平平均值中最大值與最小值的差值,R值大說明該因素的影響作用大。從表2可知,不同因素對各脫鹽指標的影響效果不同。對于一級脈沖電脫鹽,從有利于脫鹽的角度來看,脈沖頻率、占空比、注水量、脈沖場強和脫鹽溫度是主要因素,破乳劑用量和處理量是次要因素。從有利于脫水的角度來看,脫鹽溫度和占空比是主要因素,處理量是次要因素,其它為次重要因素。從有利于降低切水含油的角度來看,破乳劑用量和脈沖場強是重要因素,脈沖頻率和脫鹽溫度是次重要因素,其余為次要因素。綜合考慮脫鹽、脫水和切水含油3個指標,占空比、破乳劑用量、脫鹽溫度和脈沖場強是主要因素,其它為次要因素。

表1 第一次優化試驗的因素及水平

從表2可知,隨著脫鹽溫度升高,一級脫鹽后原油的含水量減小;但當脫鹽溫度超過一定值后,脫鹽效果開始下降,切水含油量上升。統籌兼顧脫鹽率、脫水率和切水含油量三種因素,一級脫鹽溫度選擇120℃。

破乳劑用量在低水平(2.5μg/g)或高水平(10.0μg/g)時,綜合脫鹽效果均不理想,其用量存在一個最佳值,這與文獻[16]的結論一致。故破乳劑用量初步選定水平2,即5.0μg/g。

隨著注水量增加,脫鹽率顯著提高,但脫后原油含水量和切水含油量也明顯增加;考慮到一級注水是影響脫鹽率的關鍵因素。因此,一級注水量初步選擇水平3,即7%。

表2 第一次優化試驗一級脈沖脫鹽結果

處理量可以表征原油在脫鹽罐中的停留時間,處理量越小,停留時間越長,越有利于脫鹽/脫水。但從表2可以看出,處理量的變化對電脫鹽3個指標的影響均較小,這表明脈沖電脫鹽破乳速率快,脫水時間短,有利于提高設備的處理能力。為了考察脫鹽設備的潛能,原油處理量選擇14～18 L/h。

從表2可知,隨著脈沖場強增加,脫鹽率/脫水率均顯著提高,切水含油明顯減少,其中水平3(3 000 V/cm)的脫鹽/脫水效果最好。由于本研究所選擇的最高脈沖場強與臨界電場強度尚有較大差距,為了篩選更適宜的電場強度,脈沖場強選擇比水平3更高的值,即大于3 000 V/cm。

由表2可知,脈沖頻率是影響一級脫鹽率最關鍵的因素,脈沖頻率過低(50 Hz)或過高(2 000 Hz)時脫鹽效果均較差,脈沖頻率存在一個最佳值,這與文獻[13]的報道一致。從試驗結果看,脈沖頻率初步選擇水平2,即1 000 Hz。

提高占空比,一級電脫鹽的綜合效果明顯提高。其原因在于,在一級脫鹽過程中,為了增加脫鹽效果,洗滌水用量較大,故原油乳狀液的水含量高,水滴破乳沉降需要更長的加電時間。由于小型試驗所用電源的最大占空比為50%,故一級脫鹽的占空比選擇50%。

綜上所述,一級優化試驗篩選出的工藝條件為:脫鹽溫度120℃,破乳劑用量5.0μg/g,處理量14～18 L/h,注水量7%,脈沖電壓不小于3 000 V/cm,脈沖頻率1 000 Hz,占空比50%。

4.1.2 二級脈沖電脫鹽數據分析 二級脈沖電脫鹽試驗數據及極差分析如表3所示。從表3可知,對二級脈沖電脫鹽而言,脈沖場強和注水量為主要影響因素,脫鹽溫度、處理量和占空比為次重要因素,破乳劑用量和脈沖頻率為次要因素。二級電脫鹽是對一級脫鹽過程中未脫除的直徑較小、穩定性較好的水滴再次破乳,僅僅依靠破乳劑的破乳作用和脈沖頻率的振蕩作用難以撕裂水滴表面堅韌的界面膜,此時,必須依靠強度更高的脈沖電場才能實現破乳和聚結。由于一級脫后原油的鹽含量已經較低,因此二級脫鹽的注水量應低于一級脫鹽,這與試驗結果一致。

從極差分析來看,處理量、占空比和脈沖頻率對二級脫鹽的影響均存在最佳值,采用中等水平(水平2)有利于提高脈沖電脫鹽的綜合效果。

二級脫鹽初步優選的工藝條件為:脫鹽溫度120℃,破乳劑用量0,處理量10～13 L/h,注水量5%,脈沖場強不小于3 000 V/cm;脈沖頻率1 000 Hz;占空比30%。

對比表2和表3,并結合電脫鹽工藝的技術要求,脫鹽溫度、注水量和占空比3個因素已達到較優條件,其優化值見表4。

表3 二級脈沖電脫鹽數據的極差分析

表4 第一次優化試驗可固定的因素

4.2 第二次優化試驗

第二次優化試驗是在第一次優化試驗的基礎上,固定脫鹽溫度、注水量和占空比3個因素,用L 9(34)正交表對其余4個因素進行再次優化。第二次優化試驗4個因素的水平如表5所示,其試驗數據和極差分析分別見表6和表7。

表5 第二次優化試驗的因素及水平

表6 第二次優化試驗數據

表7 第二次優化試驗極差分析

從表7可以看出,一、二級電脫鹽所需要的工藝條件不同。在脫鹽溫度、占空比和注水量一定的情況下,影響一級脈沖電脫鹽效果的主要因素為處理量和脈沖場強,其次是脈沖頻率和破乳劑用量。選用較低的脈沖場強(3 000 V/cm)和較低的處理量(14 L/h)對提高綜合脫鹽效果有利。將表7與表2、表3對比可知,第二次優化試驗的脈沖頻率對脫鹽效果的影響程度不如第一次優化試驗大,說明第二次優化試驗脈沖頻率所選取的水平已接近最佳值,選擇水平2(1 000 Hz)。

影響二級電脫鹽效果的主要因素為破乳劑用量和脈沖場強,其次是處理量和脈沖頻率,由于二級電脫鹽最終體現電脫鹽綜合效果,對于一、二級電脫鹽共用的工藝條件,其選擇應以二級電脫鹽為主。

此外,從表6中試驗7可知,在脈沖場強為5 000 V/cm時,經單級脫鹽后原油的鹽含量和水含量均達到了指標要求,但一、二級電脫鹽罐的切水含油量均大于100 mg/L。試驗發現,一、二級切水均為乳白色,說明已發生了乳化現象,這也印證了臨界電場強度為4 750 V/cm的結論[7]。

經過對比分析,第二次優化試驗確定的最佳工藝條件如表8所示。

4.3 脈沖電脫鹽與交流電脫鹽的對比試驗

脈沖電脫鹽試驗和普通交流電脫鹽試驗在同一裝置上進行,在進行交流電脫鹽試驗時僅將脈沖電源切換為全感抗交流電源。對比試驗所采用的工藝條件如表9所示,結果如表10所示。

表8 第二次優化試驗的優選條件

表9 脈沖電脫鹽與交流電脫鹽對比試驗條件

表10 脈沖電脫鹽與交流電脫鹽對比試驗結果

從表9和表10可以看出,在脫鹽溫度、注水量和破乳劑用量完全相同的條件下,與普通交流電脫鹽相比,在原油處理量提高60%的情況下,采用脈沖電脫鹽工藝,脫鹽率仍高達98%,二級脫鹽后原油的鹽質量濃度為 2.0 mg/L,水質量分數為0.20%,切水含油濃度為51.7 mg/L,三項指標均達到原油深度脫鹽的技術要求。與普通交流電脫鹽相比,脈沖電脫鹽可以節電58.9%,而交流電脫鹽除切水含油量合格外,其余兩項指標均未達標。因此,脈沖電脫鹽技術是一種更高效、更節能的原油電脫鹽技術。

5 結 論

(1)對于原油脈沖電脫鹽工藝,脈沖電場的強度、頻率和占空比對電脫鹽效果有較大的影響,且對一、二級電脫鹽的影響程度不同。試驗優選的一級脫鹽參數為:脈沖場強3 000～3 500 V/cm,脈沖頻率1 000 Hz,占空比50%;二級脫鹽參數為:脈沖場強4 000～4 500 V/cm,脈沖頻率700 Hz,占空比30%。

(2)脈沖電脫鹽工藝具有良好的脫鹽/脫水和節能效果。對試驗所選用的原油而言,在處理量提高60%的情況下,二級脫鹽后原油的鹽質量濃度為2.0 mg/L,水質量分數為0.20%,切水含油濃度為51.7 mg/L,達到深度脫鹽的技術要求。與普通交流電脫鹽相比,脈沖電脫鹽節電率達58.9%。

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