低溫真空蒸餾深度處理老化油的工藝研究

常士龍

（利豐海洋工程（天津）有限公司，天津 300480）

老化油又被稱作油田絮凝混合物、油水過渡層、乳化層等。因受到污染或者因為氧化等原因，老化油成分復雜，含有豐富的膠質、瀝青質等，且黏度大、密度差小，是一層油包水（W/O）型穩定體系[1]。現階段老化油脫除水分困難，現有工藝技術手段很不容易處理。如，目前老化油常規處理的回摻工藝技術，處理時間長，而且凈化油的含水率也常不達標。然而，隨著油田生產逐年進行，開采到地面相當一部分原油因各種原因轉化為老化油，不僅占據了罐儲的有效容積，增加了維護成本，而且老化油含水集輸還會增加輸量，加劇管道的腐蝕，對現有脫水系統也會造成影響。因此，老化油的處理迫在眉捷，亟需行之有效的處理方法，以實現石油石化安全生產和節約能源保護環境雙贏效益。

1 影響老化油穩定性的主要因素

老化油介于上部油層和下部污水層之間，很難用沉降法分離。老化油乳狀液的形成原因主要有污泥等機械雜質、回收油、化學藥劑、細菌的影響，以及聚合物的作用等。老化油是由外層為W/O 型的乳化顆粒組成、分布在整個油水界面上、性質比較穩定的乳化體系。影響老化油穩定性的主要因素主要有以下幾個：

1）溫度。一般而言，隨著溫度的升高，油品中膠質等天然乳化劑的溶解度增加，也加劇了乳狀液分散相的布朗運動，會破壞乳狀液原有的穩定性，水滴在相互碰撞融合后會形成大液滴下沉。另外，溫度升高可增大油水密度差，降低油品黏度，因而使得水滴在油相中更易下沉。因此，對老化油加熱能使乳狀液穩定性降低，利于老化油脫水。

2）界面張力。乳狀液體系界面能很高，加入適當的表面活性劑，則可以降低界面張力，利于乳狀液穩定。

3）界面膜性質。如果界面膜中吸附分子排列緊密，不易脫附，則能形成相當穩定的乳狀液。如果在較高濃度表面活性劑下，此時形成的分子吸附膜強度增大，乳狀液的穩定性也會增加。

4）界面電荷。電荷導致液滴間產生排斥力而防止液滴的聚結。乳狀液的液珠上帶電，如果乳化劑為陽離子型表面活性劑則油珠帶正電，雙電層的排斥力會使液滴分開。

可見，溫度對乳狀液穩定性影響最大，界面張力降低對乳狀液穩定是一個有利但不是決定性因素，界面膜強度與緊密程度是乳狀液穩定性的決定因素。

2 低溫真空蒸餾處理工藝

2.1 基本原理

采用先三相離心脫水脫雜，后低溫真空蒸餾深度脫水的老化油工藝思路。首先將老化油加入破乳劑和絮凝劑，應用高速臥式離心機，在離心力作用下，進行油水固分離，脫出一部分水和雜質。其次，老化油先后進入預熱器和高效蒸發器，采用低溫真空蒸餾進行脫水。其中，熱源來自兩部分，一是回用蒸汽用于預熱器的換熱；二是高效蒸發器采用導熱油換熱，導熱油溫度控制在150℃以內，蒸發器內操作溫度控制在85℃以下，真空度10kPaA。

2.2 主蒸發器

本工藝利用的主蒸發器的主要原理及具體參數如下：

（1）停留時間。老化油是以乳化物存在，要使每一個乳化核內部達到汽化溫度，需要一定的傳熱時間，所以老化油在蒸發器內的停留時間是關鍵，本設計停留時間不少于90min，確保乳化核內達到設計溫度。

（2）自清潔功能。確保老化油在蒸發器中的自由流動，不結垢，蒸發器具有自動清垢功能。

（3）蒸發面積。留有足夠的蒸發面積，確保有充足的熱量補充，處理量能夠實現放大。

（4）總傳熱效率。導熱油在軸內有足夠的流速，增加總傳熱系數，在中空軸和中空盤做特殊的導流設計。

（5）中空軸轉速。薄膜蒸發的時間為2s，軸轉速定為15r/min。

（6）液相防沸。在液相中加沸石（直徑5mm 左右），控制液面波動[2]。

（7）蒸汽回用。主蒸發器產生的蒸汽回用，主要將潛熱回收，用于老化油預熱。根據老化油的含水率不同，利用一部分處理后的老化油的顯熱，ΔT=15℃左右。

（8）工藝耗能平衡。用導熱油循環量補充熱量平衡，保持系統操作的連續性。

2.3 工藝流程

老化油自原料罐泵入兩級預熱器。第一級：油/汽換熱器，自主蒸發器產生的不飽和水蒸氣經過蒸汽壓縮機升溫后作為預熱器的加熱介質，老化油加熱至55℃左右。

第二級：油/油換熱器，利用處理后的老化油作為換熱介質，使老化油換熱至65℃左右，進入主蒸發器。主蒸發器采用圓筒形臥式容器，蒸發器下部有液的外表面設導熱油半管，用于老化油加熱，容器腔內采用中空雙軸盤式蒸發件，中空的軸及盤內部通導熱油，用于老化油和蒸發需要的熱量補充。導熱油來自導熱油系統。主蒸發器產生的不飽和蒸汽，經過蒸汽壓縮機升溫后，經過飽和水罐，進入第一級預熱器，為老化油進行預熱。冷凝的蒸汽冷凝水和少量輕烴，進入冷凝水罐，冷凝水罐采用氮封保護，污水進廠內污水處理系統，輕烴泵入廠內輕烴儲罐。VOCs 經引風機引入廠內VOCs 處理系統。

處理后的老化油泵入老化油儲罐。系統需要的冷卻水、儀表風、氮氣自廠內相應系統接入。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程框圖

3 工藝技術特點及參數

3.1 工藝技術特點

本裝置為處理老化油裝置，處理能力為1t/h。來自廠內老化油儲罐的原料，泵入老化油預熱器，兩次預熱至65℃左右，進入蒸發器進行低溫蒸餾，脫水后老化油自流入老化油接收罐，然后泵入廠內原油儲罐。自蒸發器內蒸發的蒸汽經過蒸汽壓縮機升溫后，經過飽和水罐，進入預熱器加熱老化油，換熱后的冷凝水進入冷凝水接收罐，泵入廠內污水處理系統。真空泵接入蒸發器和分液罐，使兩個設備處于真空狀態下運行[3]。冷卻水接入裝置冷卻水總管，用于蒸汽壓縮機和真空泵冷卻。氮氣接入裝置氮氣總管，用于蒸發器軸封保護氣，開停車系統惰化并兼作儀表風使用。工藝技術特點如下；

（1）防堵塞。采用改良型高效蒸發器，老化油在蒸發器內無死角的流動，不黏壁，不堵塞，蒸發器內不結垢，保持良好的換熱。

（2）能耗低。產生的蒸汽壓縮升溫后全部用于老化油預熱，充分利用蒸汽相變潛熱。

（3）低溫操作。系統內在真空狀態下操作，降低整個系統操作溫度。

（4）自動清泥功能。蒸發器內保持處理物流動性，配置清潔內件。

（5）處理效率高。應用特制蒸發器，換熱面積大，換熱效率高，處理量容易放大。

3.2 工藝技術參數

根據老化油的物理化學特性，采用真空蒸餾的總體技術方案，工藝技術參數如下：

（1）主蒸發器

①操作壓力：10kPaA 設計壓力：0～300kPaA。

②操作溫度：85℃ 設計溫度：170℃。

③停留時間：不小于90min（蒸汽器容積設計依據）。

④老化油進料溫度：≥65℃；老化油出料溫度（末端物料室）：85℃；（最佳蒸發溫度在70～85℃）。

⑤導熱油：135℃（進），125℃（出）。

⑥蒸發器頂端出汽口尺寸：DN800，高度：3 000mm。以防止液夾帶為準。

（2）一級預熱器

①老化油（管程）：操作溫度：45℃（進），55℃（出）；操作壓力：0.3MPaG。

②飽和蒸汽（殼程）：操作溫度：90℃（進），80℃（出）；操作壓力：0.2MPaG。

（3）二級預熱器

①原料老化油（管程）：操作溫度：55℃（進），65℃（出）；操作壓力：0.3MPaG。

②處理后老化油（殼程）：操作溫度：85℃（進），70℃（出）；操作壓力：0.1MPaG。

4 工藝安全性及環境影響分析

4.1 工藝所用裝置安全性分析

（1）機械密封泄漏風險。蒸發器軸與蒸發器本體有兩處機械密封，首先設計上使機械密封端處于氣相空間處，其次在外部采用氮氣進行密封，密封壓力設計為9kPaG 左右，兩端壓差控制在100kPa 以內。由于蒸發器是真空系統，如果有泄漏，氮氣進入蒸發器，既不產生爆燃風險，也不影響工藝性能，并能夠通過控制系統進行實時監測。

（2）輕烴風險控制。冷凝水接收罐布置在裝置的上部，冷凝水自流入冷凝水接收罐，接收罐的液面上部有部分輕烴，輕烴定期外排，污水采用液位聯鎖外排，接收罐為微正壓操作，采用氮封，防止氧氣進入。并在冷凝水接收罐中部布置循環冷卻水盤管，作為冷凝補充。多余氣體（VOCs 和部分飽和蒸汽）自動排入廠內低壓氣系統或VOCs 處理系統。

（3）導熱油泄漏風險。進入蒸發器中空軸的導熱油，有兩套旋轉接頭，采取必要的防泄漏保護和安全聯鎖措施。

（4）空氣進入系統風險。所有老化油的主流程系統采用全流程無氧操作，避免形成氧氣與油氣的混合物及老化油二次被氧化的風險。

（5）高溫風險。所有的產生高溫設備及管道，均做防燙設計及保護設施。

4.2 環境影響分析

本工藝目標是將老化油破乳，含水率降為1%以內。工藝過程中產生的產物流向及處置：①處理后的老化油及輕烴。泵入廠內原油儲罐和輕烴儲罐。②廢水。老化油產生的廢水，含有機物，泵入廠內污水處理廠進行處置。③固廢。脫水段工藝不產生固廢，除雜流程可能產生的少量污油泥，與廠內產生的污油泥統一處置。④VOCs。本裝置采用低溫低能耗蒸餾工藝，裝置運行過程中會產生VOCs。為了確保安全及穩定生產，工藝將系統產生的VOCs 接入廠內VOCs 處理系統（如果有）。⑤該系統三廢均得到有效處置，新增設施不對環境產生二次污染。

5 結束語

綜上所述，低溫真空蒸餾深度處理老化油的工藝利用處理老化油裝置，處理能力為1t/h，對老化油具有良好的處理效果，且此工藝具有較強的安全性及較低的環境影響，值得進一步研究及推廣應用。