電化學(xué)除碳酸鈣垢陰極表面脫垢工藝優(yōu)化研究

成杰,張志浩,周友碩,童嵩林,劉建國(guó),崔淦*

(1.長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司,陜西 西安 710016;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東 青島 266580)

油田集輸系統(tǒng)防垢工作的重要性日漸突出,近年來(lái),電化學(xué)除垢技術(shù)因其環(huán)保、處理效率高、適用性廣、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,其能應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的采出液成分且能大量去除成垢離子[1]。然而,電化學(xué)除垢技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中陰極上的積垢隨著反應(yīng)的進(jìn)行,大量的沉積物覆蓋在電極表面的活性區(qū)域,導(dǎo)致除垢效率降低、能耗增加,甚至導(dǎo)致陰極和陽(yáng)極之間短路的風(fēng)險(xiǎn),從而導(dǎo)致安全事故[2]。因此,及時(shí)清理陰極表面的水垢是至關(guān)重要的。

目前,常用的脫垢方法包括機(jī)械刮除、超聲波脫垢和陰陽(yáng)極反接脫垢。機(jī)械刮除法是指在陰極表面安裝刮板或使用橡皮球清洗裝置定期清洗極板,但是在極板之間安裝刮刀增加了陰極和陽(yáng)極之間的距離,不僅降低了反應(yīng)器的空間利用率和除垢效率,還增加了極板之間的電阻,導(dǎo)致能量消耗增加[3]。超聲波脫垢技術(shù)由于操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行費(fèi)用低、在線(xiàn)連續(xù)工作、工作性能可靠、效率高、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)[4],在油田生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。陰陽(yáng)極反接脫垢法是指反轉(zhuǎn)陽(yáng)極和陰極的原始極性,實(shí)現(xiàn)水垢剝離,近年來(lái),該方法引起了相當(dāng)大的研究興趣,該方法反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)需額外設(shè)備、脫垢效果好、操作簡(jiǎn)單[2]。

本文采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn),分別研究超聲波和陰陽(yáng)極反接兩種脫垢工藝效果,從脫垢效率、脫垢穩(wěn)定性和安全性等方面進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià),以提出電化學(xué)除碳酸鈣垢陰極表面脫垢工藝技術(shù),為電化學(xué)沉積法去除油田采出液碳酸鈣垢的技術(shù)推廣提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)試劑和裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

本次實(shí)驗(yàn)中所選擇藥品的等級(jí)和用量均按照SY/T 5673—2020《油田用防垢劑通用技術(shù)條件》的規(guī)定,如表1所示。

表1 主要試劑

1.2 超聲波脫垢實(shí)驗(yàn)裝置

超聲波脫垢裝置示意圖如圖1所示,實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù)見(jiàn)表2。信號(hào)發(fā)生器的主要作用是給超聲波脫垢裝置提供各種頻率電信號(hào);功率放大器的主要作用是將信號(hào)發(fā)生器輸入的信號(hào)的功率增加到更高的水平,以便能夠提供更高功率;功率計(jì)主要作用是測(cè)量電信號(hào)的有功功率;超聲波換能器的主要作用是從功率放大器獲得電能,然后將其轉(zhuǎn)換成超聲波。由于超聲波的傳播具有方向性,將超聲波換能器安裝在水槽底部[5]。將已經(jīng)結(jié)垢的鈦基鍍釕銥掛片放入水槽中,超聲波在不同頻率、不同功率和不同反應(yīng)時(shí)間下對(duì)掛片進(jìn)行處理,觀察其脫垢的效果。

圖1 超聲波實(shí)驗(yàn)裝置組裝示意圖

表2 超聲波實(shí)驗(yàn)儀器主要參數(shù)

1.3 陰陽(yáng)極反接脫垢實(shí)驗(yàn)裝置

反接脫垢裝置主要由直流電源和水槽兩部分組成,將已經(jīng)結(jié)垢的鈦基鍍釕銥掛片放入水槽中,與電源正極相連,將表面光滑干凈的鈦基鍍釕銥極板與電源負(fù)極相連。在不同電流密度、不同反應(yīng)時(shí)間下對(duì)帶垢極板進(jìn)行處理,觀察其脫垢的效果,反接脫垢實(shí)驗(yàn)裝置組裝示意圖2,實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 反接實(shí)驗(yàn)裝置組裝示意圖

表3 反接實(shí)驗(yàn)儀器主要參數(shù)

1.4 脫垢效果評(píng)價(jià)

1)將除銹、打磨、沖洗、烘干、稱(chēng)量后的鈦基鍍釕銥掛片放入標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈣溶液中,恒溫水浴鍋溫度設(shè)定為60 ℃,24 h后取出掛片,經(jīng)恒溫干燥箱風(fēng)干后,稱(chēng)量并計(jì)算掛片的結(jié)垢量m0;

2)將結(jié)垢掛片放入原標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈣溶液中,超聲波在不同頻率、不同功率和不同反應(yīng)時(shí)間下分別對(duì)掛片進(jìn)行處理;陰陽(yáng)極反接裝置在不同電流密度、不同反應(yīng)時(shí)間下對(duì)掛片進(jìn)行處理;稱(chēng)量并計(jì)算超聲波和陰陽(yáng)極反接作用后掛片的質(zhì)量m1;

3)脫垢效果采用質(zhì)量差法,即脫垢率計(jì)算公式為:

式中:m0——超聲波和反接作用前掛片的質(zhì)量,g;

m1——超聲波和反接作用后掛片的質(zhì)量,g;

E——脫垢率,%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 超聲波脫垢效果

2.1.1 超聲波頻率的影響

表4～表7分別為超聲波功率為15 W、頻率分別為20,25,28和40 kHz下的脫垢率,圖3為不同超聲波頻率下的脫垢率對(duì)比圖,圖4為超聲波脫垢前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在功率和反應(yīng)時(shí)間相同的情況下,脫垢率隨著超聲波頻率的增加先升高后降低,在頻率為28 kHz時(shí),脫垢率最大,脫垢效果好。這是因?yàn)?超聲波頻率增加,單位時(shí)間內(nèi)超聲波的交變次數(shù)越多,液體體系中的剪切效應(yīng)增強(qiáng)[5];另一方面也有利于液體獲得超聲波中的能量,增強(qiáng)超聲波的熱效應(yīng),瞬間產(chǎn)生的高溫降低空化閾值,利于空化氣泡的形成,加劇空化效應(yīng)的強(qiáng)度。但是頻率過(guò)高,會(huì)影響超聲波的空化作用,產(chǎn)生大量空化泡,形成聲屏蔽,超聲波的能量在傳播過(guò)程中衰減快,熱效應(yīng)減弱,聲波壓縮相時(shí)間縮短,空化氣泡來(lái)不及破滅,影響了超聲波的傳播,有效脫垢效果減弱[6]。

圖3 超聲波脫垢率與頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖4 超聲波處理前后掛片實(shí)物圖

表4 頻率為20 kHz時(shí)超聲波脫垢效果表

表5 頻率為25 kHz時(shí)超聲波脫垢效果表

表6 頻率為28 kHz時(shí)超聲波脫垢效果表

表7 頻率為40 kHz時(shí)超聲波脫垢效果表

2.1.2 超聲波功率的影響

表8～表10分別為超聲波頻率為28 kHz、功率分別為15,30和45 W下的脫垢率,圖5為不同超聲波功率下的脫垢率對(duì)比圖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在頻率和反應(yīng)時(shí)間相同的情況下,脫垢率隨著超聲波功率的增加而升高。這是因?yàn)?隨著超聲波功率的增大,超聲波的機(jī)械作用和空化作用增強(qiáng),聲場(chǎng)中機(jī)械運(yùn)動(dòng)越激烈。同時(shí),在空化閾值聲強(qiáng)以上,提高聲強(qiáng),液體中空化作用得到加強(qiáng),有利于增強(qiáng)脫垢效果[6-7]。

圖5 超聲波脫垢率與功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

表8 功率為15 W時(shí)超聲波脫垢效果表

表9 功率為30 W時(shí)超聲波脫垢效果表

表10 功率為45 W時(shí)超聲波脫垢效果表

2.2 陰陽(yáng)極反接脫垢效果

表11～表13分別為電流密度為120,240和360 A/m2下的脫垢率,圖6為不同電流密度下的脫垢率對(duì)比圖,圖7為陰陽(yáng)極反接脫垢前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨著反接電流密度的增大,除垢效果逐漸增強(qiáng),且脫垢速率逐漸增大。這是因?yàn)?當(dāng)電流方向反轉(zhuǎn)時(shí),原先的陰極變成了陽(yáng)極,從而發(fā)生了氧化反應(yīng)并失去了電子,此時(shí)水解反應(yīng)導(dǎo)致陽(yáng)極表面產(chǎn)生大量氧氣氣泡且很難形成新的碳酸鈣垢,從而在氣泡的沖擊下電極表層的垢層脫落。電流密度增大時(shí),水解反應(yīng)增強(qiáng),氣泡沖擊增強(qiáng),從而使脫垢速率增強(qiáng)[8-10]。進(jìn)一步分析,360 A/m2的電流密度除垢速率過(guò)快,難以控制,且耗能可能多。綜合脫垢效率及經(jīng)濟(jì)合理性可得,240 A/m2為最優(yōu)反接電流密度,最優(yōu)反接處理時(shí)間45 s。

圖6 反接脫垢率與電流密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖7 陰陽(yáng)極反接處理前后掛片實(shí)物圖

表11 電流密度為120 A/m2時(shí)脫垢效果表

表12 電流密度為240 A/m2時(shí)脫垢效果表

表13 電流密度為360 A/m2時(shí)脫垢效果表

2.3 脫垢技術(shù)對(duì)比分析

選取脫垢效果最好的超聲波和陰陽(yáng)極實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表14所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:

表14 脫垢效果對(duì)比表

1)從穩(wěn)定性來(lái)看,超聲波脫垢剛開(kāi)始脫垢速率大,但是隨著時(shí)間的增加,脫垢率變化不大,在2 min時(shí)脫垢率僅有88.75%。陰陽(yáng)極反接脫垢,雖然剛開(kāi)始脫垢率低于超聲波脫垢,但是其脫垢率隨時(shí)間變化均勻,所以穩(wěn)定性強(qiáng)于超聲波脫垢;

2)從脫垢效率來(lái)看,陰陽(yáng)極反接脫垢比超聲波脫垢更徹底,在30 s時(shí)就已經(jīng)將極板上的垢清理干凈,即超聲波脫垢的效率遠(yuǎn)低于陰陽(yáng)極反接脫垢;

3)從安全性來(lái)看,超聲波的空化作用會(huì)損傷極板表面的鍍層,從而降低脫垢效率,甚至造成安全隱患,而陰陽(yáng)極反接脫垢處理快且對(duì)極板無(wú)損傷,所以陰陽(yáng)極反接脫垢的安全性強(qiáng)于超聲波脫垢;

4)從操作與設(shè)備方面來(lái)看,陰陽(yáng)極反接脫垢相較于超聲波脫垢操作更簡(jiǎn)單,設(shè)備更緊湊且成本更低。

綜上,從穩(wěn)定性、脫垢效率和安全性等方面綜合對(duì)比分析,陰陽(yáng)極反接脫垢優(yōu)于超聲波脫垢,因此,將陰陽(yáng)極反接脫垢作為電化學(xué)除碳酸鈣垢陰極表面脫垢最優(yōu)工藝技術(shù)。

3 結(jié)論

通過(guò)本文研究,主要得到以下結(jié)論:

1)超聲波的功率、頻率等均會(huì)對(duì)脫垢效果產(chǎn)生影響,相同頻率、相同處理時(shí)間下,超聲脫垢效果隨超聲波功率的增大而增強(qiáng)。在相同功率、相同處理時(shí)間下,隨著超聲波頻率的增大,脫垢率先增大后減小,頻率為28 kHz時(shí)脫垢效果最好;

2)陰陽(yáng)極反接可以較好地脫除陰極板表面垢層。隨著反接電流密度的增大,除垢效果逐漸增強(qiáng),且脫垢速率逐漸增大。360 A/m2的電流密度除垢速率過(guò)快,難以控制,且耗能可能多。綜合脫垢效率及經(jīng)濟(jì)合理性,240 A/m2為最優(yōu)反接電流密度,最優(yōu)反接處理時(shí)間45 s;

3)從除垢率和除垢時(shí)間綜合對(duì)比分析了陰陽(yáng)極反接和超聲波除垢效果,推薦將陰陽(yáng)極反接作為電化學(xué)除碳酸鈣垢陰極表面脫垢最優(yōu)工藝技術(shù)。