雙電場(chǎng)電脫水器脫水技術(shù)研究

莫立源，彭松梓，崔新安，楊麗娜

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順113001； 2. 中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

隨著三次采油新技術(shù)在各大油田迅速推廣，我國(guó)油田逐漸進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段[1]。高含水采出液通過(guò)常規(guī)三相分離、熱化學(xué)處理后進(jìn)入電脫水裝置含水仍然很高，導(dǎo)致脫水裝置電流過(guò)大，甚至跳閘，影響裝置運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。

近年來(lái)，靜電聚結(jié)技術(shù)在應(yīng)對(duì)高含水采出液上取得了良好的效果，原油脫后含水量可降低到10%以下，但仍未能滿足原油外輸?shù)暮蟆鹘y(tǒng)電脫水裝置中金屬電極脫水效率高但無(wú)法應(yīng)對(duì)高含水原料，而復(fù)合電極可有效避免高含水采出液帶來(lái)的問(wèn)題[3-5]。

因此希望通過(guò)合理的電極結(jié)構(gòu)布局，研制新型、高效的一體化電脫水設(shè)備，利用各自的電場(chǎng)優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)油水的高效分離，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跍p少設(shè)備級(jí)數(shù)、簡(jiǎn)化操作流程、提高油水分離效率，尤其對(duì)于空間受限的海上平臺(tái)，具有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與制備方法

實(shí)驗(yàn)用油為蓬萊 19-3原油，密度(20 ℃)為927.6 kg/m3，粘度 (50 ℃)為 97.91 mm2/s，鹽含量為130 mg/L，總酸值為3.2 mg KOH/g。

1.1.1 乳化液制備

綜合考慮乳化液穩(wěn)定性和后續(xù)實(shí)驗(yàn)需要，確定所需乳化液的制備條件為室溫條件下剪切速度11 000 r/min，20%(wt)乳化液剪切時(shí)間 3 min，30%(wt)乳化液剪切時(shí)間4 min、 40%(wt)乳化液剪切時(shí)間6 min、50%(wt)乳化液剪切時(shí)間9 min，制備好的乳化液室溫下靜置8 h無(wú)分層現(xiàn)象。

1.1.2 絕緣電極制備

根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)所需電極尺寸將合適長(zhǎng)度的氟塑料絕緣管套在不銹鋼金屬電極上，底端采用高溫環(huán)氧樹(shù)脂固化劑與玻璃珠進(jìn)行密封，以保證原油乳狀液不會(huì)滲進(jìn)電極內(nèi)，避免造成短路。在190~230 ℃下熱縮10 min即可得到實(shí)驗(yàn)絕緣電極。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.2.1 靜態(tài)試驗(yàn)(圖1-2)

圖1 靜態(tài)電脫水裝置示意圖Fig.1 Static electric dehydration system

圖2 復(fù)合電極脫水罐俯視圖Fig.2 Composite electrode vertical view

試驗(yàn)方法：由于靜態(tài)試驗(yàn)無(wú)法做到同一個(gè)電脫水罐內(nèi)同時(shí)采用兩種電場(chǎng)，考慮采用間歇式試驗(yàn)方法，即在電脫水罐內(nèi)裝入一定量乳化液，首先采用復(fù)合電極進(jìn)行油水分離，分離一定時(shí)間后，取出復(fù)合電極，放入金屬電極進(jìn)行裸電場(chǎng)油水分離試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢取上層油樣用 GB260規(guī)定方法進(jìn)行脫后含水分析，該含水量可以視為雙電場(chǎng)油水分離后的含水量。

1.2.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)雙電場(chǎng)電脫水器內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)如圖 3所示，最下層為復(fù)合電極，其余兩層為金屬電極，其中上層接電，中間層接地，形成靜電場(chǎng)區(qū)域Ⅰ和裸電場(chǎng)區(qū)域Ⅱ。其中復(fù)合電極采用絕緣材料包覆在一定長(zhǎng)度的不銹鋼棒上制成，水平等間距排列并固定在分離器上，金屬電極采用相同規(guī)格不銹鋼棒制成的平板格柵電極。電極間距根據(jù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)兩種電極最佳停留時(shí)間分配進(jìn)行確定。

試驗(yàn)在自建裝置上進(jìn)行，原油與自來(lái)水分別經(jīng)過(guò)恒溫加熱器加熱至實(shí)驗(yàn)所需溫度，由計(jì)量泵進(jìn)入反應(yīng)釜攪拌混合，然后進(jìn)入雙電場(chǎng)電脫水器進(jìn)行油水分離，分離后的原油從聚結(jié)分離器上部流出返回原油罐；分離出的水從脫水器底部流出返回水罐，整個(gè)實(shí)驗(yàn)油水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在雙電場(chǎng)電脫水器原油出口設(shè)置取樣點(diǎn)，對(duì)取樣水含量進(jìn)行分析并計(jì)算原油乳化液脫水率。

圖3 電極分布示意圖Fig.3 Electrodes distribution diagram

1.3 分析方法

靜電聚結(jié)脫水效率用η表示，其中：

式中： C1、C2分別為靜電聚結(jié)脫水前后原油質(zhì)量含水率，%。

2 靜態(tài)雙電場(chǎng)電脫水試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同溫度對(duì)原油脫水率的影響

制備含水30%、40%(wt)乳化液，絕緣電極加壓3 000 V，時(shí)間15 min，金屬電極加壓1 200 V，作用時(shí)間15 min。考察不同溫度對(duì)原油乳化液脫水效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 溫度與脫水效果Fig.4 Dehydration efficiency and temperature

不同含水率乳化液的脫水率均隨溫度的升高而上升，溫度從60 ℃升高到80 ℃，油水乳狀液的黏度降低，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，乳狀液中水滴碰撞聚結(jié)機(jī)會(huì)增多，使水滴聚結(jié)沉降加快。當(dāng)溫度升高到90℃以上后，原油黏度減小速度放緩，乳化液脫水率上升趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，繼續(xù)升高溫度會(huì)增加能耗。由斯托克斯沉降公式知，沉降速度與水滴粒徑成正比，而且液滴粒徑大的碰撞聚結(jié)的概率會(huì)隨之增大，因此相同條件下含水40%(wt)的乳化液脫水率高于30%乳化液。

2.2 不同電壓對(duì)原油脫水率的影響

脫水溫度為90 ℃，制備含水率20%、30%、40%(wt)乳化液，絕緣電極加電壓3 000 V，時(shí)間15 min，更換金屬電極作用時(shí)間15 min，考察金屬電極施加不同電壓對(duì)脫水效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

不同含水量的乳化液脫水率均隨著電壓的升高而增加，至1 200 V時(shí)增加幅度趨于緩和，這是由于在交流電場(chǎng)情況下，以偶極聚結(jié)方式為主，根據(jù)聚結(jié)公式，在電場(chǎng)作用下水滴之間的聚結(jié)力與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，所以隨著電壓的提高，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，水滴聚結(jié)力增大，水滴聚結(jié)量和聚結(jié)速度增加，脫水效率明顯增大。繼續(xù)升高電壓，這時(shí)水滴粒徑對(duì)靜電聚結(jié)力起著決定性作用，因此對(duì)脫水率沒(méi)有明顯的影響。相同條件下含水量越高的乳化液，脫水率也越高，是由于水滴之間的聚結(jié)力同粒徑六次方成正比，電場(chǎng)對(duì)含水量高的大水滴聚結(jié)效果比較明顯，同時(shí)含水量越高，水滴間距越小，聚結(jié)力越大，因此原油脫水率也隨之升高。

圖5 電壓與脫水效果Fig.5 Dehydration efficiency and voltage

2.3 電場(chǎng)作用時(shí)間對(duì)原油脫水率的影響

脫水溫度90 ℃，絕緣電極加壓3 000 V，金屬電極加壓 1 200 V，配置含水率為 20%、30%和40%(wt)油水乳化液進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，總作用時(shí)間為30 min，考察兩種電極不同時(shí)間分配下的脫水效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在總作用時(shí)間30 min不變的前提下，乳化液脫水率變化是隨著金屬電極作用時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)一個(gè)先升高后緩慢下降的一個(gè)過(guò)程。在分配時(shí)間15~15 min時(shí)，不同含水量的乳化液均達(dá)到相對(duì)理想的脫水效果，隨著金屬電極作用時(shí)間增加，乳化液脫水率上升放慢，繼續(xù)增加金屬電極作用時(shí)間，脫水率逐漸下降，這主要是由于絕緣電極作用時(shí)間變短，在乳化液含水依然較高的情況下更換金屬電極，水滴排列成鏈導(dǎo)致電極發(fā)生短路，從而終止脫水過(guò)程，影響乳化液脫水效率。因此，增加金屬電極作用時(shí)間能使乳化液脫水效果有明顯的提升，但同時(shí)需要保證絕緣電極的一定作用時(shí)間來(lái)使整體的裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 作用時(shí)間與脫水效果Fig.6 Dehydration efficiency and action time

3 動(dòng)態(tài)雙電場(chǎng)電脫水試驗(yàn)

溫度為 90 ℃，控制進(jìn)料含水率為 70%和80%(wt)，用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)考察電壓對(duì)原油乳狀液脫水效率的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 電壓與脫水效果Fig.7 Dehydration efficiency and voltage

兩種不同含水量乳化液的脫水效率均隨電壓的增加而提高，與靜態(tài)試驗(yàn)規(guī)律類似，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)電壓加到4 500 V時(shí)，不同含水的乳化液在雙電場(chǎng)的作用下脫水效率均達(dá)到99%以上，繼續(xù)增加電壓，脫水效率變化不大。在根據(jù)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化過(guò)的操作條件下，電壓在4 500 V時(shí)，70%、80%(wt)乳化液脫后含水率分別為 0.44%和 0.38%，均達(dá)到原油脫后含水小于0.5%的外輸指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，在雙電場(chǎng)作用下原油脫水率隨溫度升高、電壓增大而提高，隨金屬電極作用時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，在兩電極作用時(shí)間各15 min時(shí)效果理想。

（2）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，不同含水量乳化液的脫水效率和電壓之間的規(guī)律與靜態(tài)試驗(yàn)相吻合。在優(yōu)化操作條件下70%、80%(wt)乳化液經(jīng)過(guò)一級(jí)脫水脫后含水均小于0.5%，滿足原油外輸含水條件。

（3）采用雙電場(chǎng)組合設(shè)計(jì)的電脫水器實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電極未發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，能夠適應(yīng)高含水甚至超高含水的工作狀況。

［1］賈鵬林，婁世松，楚喜麗.原油電脫鹽脫水技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2010-04.

［2］張黎明，何利民，張晶，等.電極結(jié)構(gòu)及絕緣層對(duì)靜電聚結(jié)器的影響[J]. 油氣田地面工程,2010,29(10):18-20.

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