平板絕緣電極靜電聚結(jié)器脫水研究

周博博，彭松梓，崔新安，陳建義

(1.中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)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(nèi)原油劣質(zhì)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(fù)雜，性質(zhì)更加穩(wěn)定。原油采出液通過常規(guī)三相分離和熱化學(xué)處理后水含量仍然超高，進(jìn)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(wěn)定運(yùn)行，同時排水含油高，環(huán)保壓力大[1]。西方發(fā)達(dá)國家的研究人員面對高含水油田、深水油田、綠色油田開發(fā)新形勢，提出靜電預(yù)聚結(jié)原油脫水的技術(shù)理念，并進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究。由于該技術(shù)對材料和工藝要求極其嚴(yán)格，且絕緣層對電場不可避免會產(chǎn)生影響，所以至今電極的絕緣技術(shù)仍不成熟，國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段。因此開展靜電聚結(jié)脫水技術(shù)研究，開發(fā)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(jié)電脫水設(shè)備可以減少設(shè)備級數(shù)、縮小設(shè)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(zhì)及設(shè)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(zhì)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(shè)備主要是石油產(chǎn)品水分試驗器、電子計價秤、萬能擊穿裝置、乳化機(jī)和高溫高壓反應(yīng)釜。

1.2 絕緣電極加工

根據(jù)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(tài)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(huán)氧樹脂固化劑進(jìn)行密封，以保證原油乳化液不會滲進(jìn)電極內(nèi)，避免實驗時聯(lián)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(tài)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(guī)格φ4 mm，根據(jù)需要可以制作不同層數(shù)和厚度的絕緣電極。

1.3 實驗方法

1.3.1 靜態(tài)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(nèi);

(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(guī)定方法進(jìn)行脫后含水分析。

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

1.3.2 動態(tài)試驗

動態(tài)實驗工藝流程如圖2所示。

圖2 動態(tài)實驗工藝流程Fig.2 Dynamic experiment flow chart

實驗介質(zhì)按含水的總質(zhì)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(yīng)釜內(nèi)混合均勻并預(yù)熱，然后進(jìn)入有機(jī)玻璃脫水器，乳狀液在電脫水器中發(fā)生聚結(jié)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(jié)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(jié)脫水前后原油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 實驗數(shù)據(jù)分析與處理

2.1 靜態(tài)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(tài)試驗，在實驗溫度為75℃，停留時間30 min條件下，配制水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的穩(wěn)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(jié)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(guān)系Fig.3 The thickness of the insulating layer and dehydration efficiency

當(dāng)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(dāng)其處在電場中時，電場能驅(qū)動水分子有序運(yùn)動，使小水滴聚結(jié)成大水滴，然后沉降出來。水滴之間的聚結(jié)力與電場強(qiáng)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(qiáng)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(shè)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(dá)到95%以上。電場強(qiáng)度可以根據(jù)實際情況調(diào)整電壓與絕緣層厚度，在設(shè)備使用安全可靠的前提下，實現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%和60%的穩(wěn)定乳化液，考察乳化液在電場停留時間不同對靜電聚結(jié)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(tài)試驗停留時間超過20 min后，脫水效率達(dá)到95%以上，再延長停留時間，脫水效率變化不大。

圖4 靜態(tài)實驗電場停留時間與脫水效率的關(guān)系Fig.4 Static experiment resident time and dehydration efficiency curve

2.2 動態(tài)試驗

試驗方法參見1.3動態(tài)試驗，溫度為75℃，控制進(jìn)料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%和80%，用動態(tài)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(tài)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(tài)試驗規(guī)律類似，動態(tài)試驗停留時間超過25 min后，脫水效率達(dá)到95%以上，再延長停留時間，脫水效率變化不大。這是因為當(dāng)停留時間較短時，水滴無法充分碰撞聚結(jié)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(dāng)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(jié)論

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

(2)電場強(qiáng)度直接影響到靜電聚結(jié)器的聚結(jié)效果，分離效率與電場強(qiáng)度成正比關(guān)系。電場強(qiáng)度可以根據(jù)實際情況調(diào)整電壓與絕緣層厚度，在設(shè)備使用安全可靠的前提下，實現(xiàn)較高的脫水率;

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

[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(yù)聚結(jié)技術(shù)(一)[J].石油機(jī)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(yù)聚結(jié)技術(shù)(二)[J].石油機(jī)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(yù)聚結(jié)技術(shù)(三)[J].石油機(jī)械，2010，38(8):82-86.