平板絕緣電極靜電聚結器脫水研究

周博博，彭松梓，崔新安，陳建義

(1.中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249;2.中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

目前隨著世界范圍內原油劣質化，采出液黏度越來越大，水含量越來越高，乳化液類型更加復雜，性質更加穩定。原油采出液通過常規三相分離和熱化學處理后水含量仍然超高，進入電脫水裝置后通常造成電流超高、甚至跳閘，對電脫水裝置造成很大沖擊，影響穩定運行，同時排水含油高，環保壓力大[1]。西方發達國家的研究人員面對高含水油田、深水油田、綠色油田開發新形勢，提出靜電預聚結原油脫水的技術理念，并進行了大量基礎研究。由于該技術對材料和工藝要求極其嚴格，且絕緣層對電場不可避免會產生影響，所以至今電極的絕緣技術仍不成熟，國內在這方面的研究還處于起步階段。因此開展靜電聚結脫水技術研究，開發可靠耐用的絕緣電極和脫水工藝，研制新型、高效的靜電聚結電脫水設備可以減少設備級數、縮小設備尺寸、提高油水分離效率，對滿足目前海上油田高含水采出液的處理具有重要意義[2-4]。

1 實驗部分

1.1 原料性質及設備

實驗用油為渤海秦皇島32-6原油，20℃時密度為954.6 kg/m3，黏度為81.99 mm2/s;50℃時密度為938.6 kg/m3，黏度為25.70 mm2/s，鹽質量濃度為439 mg/L，總酸值為3.0 mgKOH/g。

實驗用水為自來水。實驗設備主要是石油產品水分試驗器、電子計價秤、萬能擊穿裝置、乳化機和高溫高壓反應釜。

1.2 絕緣電極加工

根據實驗室條件和實驗所需制備了兩種類型的絕緣電極:①靜態試驗電極采用將合適長度的絕緣管套在不銹鋼裸電極上，底端采用玻璃珠密封后，再灌入高溫環氧樹脂固化劑進行密封，以保證原油乳化液不會滲進電極內，避免實驗時聯通造成短路，一端不做處理。在190～230℃下熱縮30～60 min，即可得到實驗絕緣電極。②動態試驗電極制作成平板狀，長度200 mm，寬度90 mm。試驗用絕緣材料為氟塑料絕緣管，規格φ4 mm，根據需要可以制作不同層數和厚度的絕緣電極。

1.3 實驗方法

1.3.1 靜態試驗

試驗裝置見圖1。

具體試驗步驟:

(1)打開電脫鹽脫水試驗儀，加熱鋁浴，使溫度保持在實驗所需;

(2)將配制好的原油乳狀液70 g移至不銹鋼電脫水罐內;

(3)密封不銹鋼罐，將不銹鋼罐放入鋁浴中恒溫5 min;

(4)將不銹鋼罐放入鋁浴中，加電場一定時間;

(5)打開不銹鋼罐，用移液管吸取20 g左右的脫水罐上部油;

(6)用GB260規定方法進行脫后含水分析。

圖1 靜電聚結脫水罐示意圖Fig.1 Electrostatic coalescence dehydrator schematic diagram

1.3.2 動態試驗

動態實驗工藝流程如圖2所示。

圖2 動態實驗工藝流程Fig.2 Dynamic experiment flow chart

實驗介質按含水的總質量百分率配置成所需乳化液，采用計量泵控制乳化液流量和水的流量，二者在反應釜內混合均勻并預熱，然后進入有機玻璃脫水器，乳狀液在電脫水器中發生聚結作用，油水快速分離，其中油從上部出口流出，水從底部排出。乳化液在電場中停留一定時間后開始取樣分析，以后間隔相同時間取樣，分析出口原油乳化液的水含量。

1.4 分析方法

靜電聚結脫水效率用η表示，其計算公式如下:

式中C1、C2分別為靜電聚結脫水前后原油中水的質量分數，%。

2 實驗數據分析與處理

2.1 靜態試驗

2.1.1 不同絕緣層厚度的耐壓及脫水

試驗方法參見1.3.1靜態試驗，在實驗溫度為75℃，停留時間30 min條件下，配制水的質量分數為50%的穩定乳狀液，考察不同厚度絕緣電極在不同電壓下的靜電聚結脫水效果(見圖3)。

圖3 不同絕緣層厚度的耐壓與脫水效率的關系Fig.3 The thickness of the insulating layer and dehydration efficiency

當絕緣層厚度為0.2 mm的電極在施加電壓為3500 V時擊穿。由圖3可知脫水效率隨電壓的升高而升高，這是由于水是極性分子，當其處在電場中時，電場能驅動水分子有序運動，使小水滴聚結成大水滴，然后沉降出來。水滴之間的聚結力與電場強度的平方成正比，所以增大電壓使得脫水效率提高。在相同電壓下乳化液的脫水效率均隨絕緣層厚度的增加而降低，這是由于絕緣材料對電場具有衰減作用，隨著絕緣層厚度的增加，電場強度變小，脫水效率降低。但是增加絕緣層厚度可以承受更高的電壓，使設備的使用安全性提高，雙層電極在5000 V電壓下，其脫水率也可以達到95%以上。電場強度可以根據實際情況調整電壓與絕緣層厚度，在設備使用安全可靠的前提下，實現較高的脫水率。

2.1.2 不同停留時間對脫水效果的影響

實驗溫度為75℃，配制水的質量分數為40%和60%的穩定乳化液，考察乳化液在電場停留時間不同對靜電聚結脫水效果的影響(見圖4)。

由圖4可知，兩種水含量不同乳化液的脫水效率均隨停留時間的延長而提高。靜態試驗停留時間超過20 min后，脫水效率達到95%以上，再延長停留時間，脫水效率變化不大。

圖4 靜態實驗電場停留時間與脫水效率的關系Fig.4 Static experiment resident time and dehydration efficiency curve

2.2 動態試驗

試驗方法參見1.3動態試驗，溫度為75℃，控制進料中水的質量分數為70%和80%，用動態試驗考察停留時間對原油乳狀液脫水效率的影響(見圖5)。

圖5 動態試驗電場停留時間與脫水效率的變化曲線Fig.5 Dynamic experiment resident time and dehydration efficiency curve

由圖5可知，兩種水含量不同混合液的脫水效率均隨停留時間的延長而提高。與靜態試驗規律類似，動態試驗停留時間超過25 min后，脫水效率達到95%以上，再延長停留時間，脫水效率變化不大。這是因為當停留時間較短時，水滴無法充分碰撞聚結從而合并成較大顆粒沉降出來，影響了脫水效率所以時間足夠長，脫水效率變化就不明顯。實驗表明在其他實驗條件受限的情況下，可以通過適當增大電場對乳化液的作用時間來提高乳化液的分離效率。

3 結論

(1)采用氟塑料制作的平板絕緣電極靜電聚結器對高含水乳化液具有很好的靜電聚結脫水效果。對水的質量分數為70%，80%的原油乳化液，其脫水效率可達95%以上;

(2)電場強度直接影響到靜電聚結器的聚結效果，分離效率與電場強度成正比關系。電場強度可以根據實際情況調整電壓與絕緣層厚度，在設備使用安全可靠的前提下，實現較高的脫水率;

(3)電場作用時間與靜電聚結器的聚結效果成正比關系，在其他條件受限的情況下，可以通過適當增加電場的作用時間來提高聚結的效果。

[1]賈鵬林，婁世松，楚喜麗.原油電脫鹽脫水技術[M].北京:中國石化出版社，2010:4.

[2]陳家慶，常俊英，王曉軒，等.原油脫水用緊湊型靜電預聚結技術(一)[J].石油機械，2008，36(12):75-80.

[3]陳家慶，初慶東，張寶生，等.原油脫水用緊湊型靜電預聚結技術(二)[J].石油機械，2009，37(5):77-82.

[4]陳家慶，初慶東，張寶生，等.原油脫水用緊湊型靜電預聚結技術(三)[J].石油機械，2010，38(8):82-86.