電脫鹽裝置的運(yùn)行分析及工藝優(yōu)化

劉香蘭 賀 兵

（1.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島266042；2.中石化齊魯三維工程公司，山東 淄博255434）

隨著石油加工業(yè)的飛速發(fā)展，對電脫鹽的脫后原油含鹽、含水的要求越來越高。首先，脫后原油含水較多，會給加工帶來不利的影響，水的汽化潛熱很大，原油含水量大就要增加原油加工過程中的燃料和冷卻水的消耗量，例如原油水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%，由于額外多吸收熱量而使原油換熱溫度降低10℃，相當(dāng)于加熱爐負(fù)荷增加5%左右；而且原油中少量水汽化后體積急劇增加，會造成系統(tǒng)阻力降增大，嚴(yán)重時(shí)會引起分餾塔超壓或出現(xiàn)沖塔事故。其次，脫后含鹽高不僅會影響加熱爐和換熱器的換熱效果，而且會造成設(shè)備的腐蝕，釀成事故。再次，隨著原油加工深度的提高，重油催化、重油加氫脫硫等臨氫工藝技術(shù)的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，使得原油脫水脫鹽已經(jīng)不僅僅涉及節(jié)能和防腐，還成為減少后續(xù)裝置催化劑消耗的一種重要手段。因此要求常減壓裝置的電脫鹽，脫后鹽（NaCl）的質(zhì)量濃度不大于3 mg/L，脫后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.3%，排水含油的質(zhì)量濃度不大于200mg/L[1-2]。

某常減壓裝置電脫鹽裝置，由于電脫鹽原油性質(zhì)的變化，由混合原油改煉沙中油為代表的多種原油后，1—3月份脫前鹽的質(zhì)量濃度平均為46.86mg/L，脫后4.72mg/L，脫鹽效率僅89.73%，脫后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%，運(yùn)行效果不佳，沒有達(dá)到脫鹽要求。最差時(shí)脫后鹽的質(zhì)量濃度最大達(dá)12.6mg/L，脫鹽效率最低點(diǎn)80.52%，脫后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)2.0%。而且因加工了含鹽高的蠟油，導(dǎo)致分餾塔結(jié)鹽。

為此，對電脫鹽裝置的操作條件進(jìn)行了調(diào)試和優(yōu)化。

1 常減壓電脫鹽概況

1.1 內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)

電脫鹽罐內(nèi)部構(gòu)造見圖1。

圖1 電脫鹽罐內(nèi)部構(gòu)造Fig 1 The internal structure of electrical desalter

電脫鹽罐采用3層電極板，原油入口采用新型的雙圓盤型分布器，原油分2路直接進(jìn)入強(qiáng)電場，每層電極板面積23.04m2，間距0.24m，使用電容式界位測量系統(tǒng)，2級電脫鹽原油入口線使用靜態(tài)混合器。

1.2 供電系統(tǒng)

使用1臺變壓器，輸出電壓16 kV。原油從罐中部的油相直接進(jìn)入電場，這一設(shè)計(jì)體現(xiàn)了Petrolite的快速電脫鹽的設(shè)計(jì)思想，從結(jié)構(gòu)上看，在保證一定脫水率的同時(shí)，也保證了進(jìn)料下方水相中的原油有足夠的時(shí)間從水中脫離，有效地減少了切水帶油量。

1.3 原油物性

油田陸上混合原油、沙中原油主要物理性質(zhì)見表1。

表1 油田陸上混合原油、沙中原油主要物理性質(zhì)Tab 1 Main physical properties of mixed crude oil in oilfield land and crude oil in the sand

2 操作條件優(yōu)化

2.1 混合強(qiáng)度

混合強(qiáng)度表示原油、洗滌水和破乳劑的混合程度。目前已改變在原油泵入口、換熱器處使用電脫鹽靜態(tài)混合器的辦法，靠混合閥調(diào)節(jié)壓降來達(dá)到所需混合強(qiáng)度?；旌蠌?qiáng)度小很難保證脫鹽效果；混合強(qiáng)度大，乳化層太穩(wěn)定不易破乳。

混合強(qiáng)度因原油品種的不同而各異，較低密度原油（API15～24）的混合閥壓差△p控制在30～80 kPa；加工密度較高原油（API 25～45）的混合閥壓差△p控制在50～130 kPa，見圖2。適合該裝置的優(yōu)選混合差壓為55 kPa，可提高脫鹽效果。

2.2 溫度的影響

脫鹽溫度是影響脫鹽效果的一個(gè)重要操作條件，溫度升高使油水界面的表面張力降低，乳化膜減弱，布朗運(yùn)動(dòng)加劇，有利于破乳和聚結(jié)。但溫度升高也受到裝置換熱溫度的限制，且溫度過高電耗增加。原油變輕，脫鹽需要適當(dāng)降低。考慮到原油品種、加工方案的變化對換熱網(wǎng)絡(luò)的影響，對電脫鹽溫度的調(diào)整會更頻繁，可以通過圖3所示的控制流程對電脫鹽溫度實(shí)現(xiàn)自控。實(shí)踐結(jié)果表明，電脫鹽的溫度控制在115℃左右，可達(dá)到最佳脫鹽效果。

圖2 混合閥壓差與原油脫后含鹽、乳化液和水含量關(guān)系Fig 2 Relationship between differential pressure ofmixing valve and salt content after crude oil took off emulsion and water content

圖3 電脫鹽溫控系統(tǒng)Fig 3 Temperature control system of electrical desalter

2.3 電場強(qiáng)度

電脫鹽脫水的過程，也就是油水分離的過程，其主要影響因素有原油密度、溫度、電場強(qiáng)度、破乳劑種類與用量、注水量、水在原油中的分散程度等。在電場作用下，原油中的水滴沿電場方向極化，相鄰液滴間的聚結(jié)力f為[3]：

式中，ε為油相介電常數(shù)，E為電場強(qiáng)度，D和d分別為相鄰液滴中心距和乳化液滴直徑。

由此可以看出，乳化液滴間的聚結(jié)力與電場強(qiáng)度平方成正比。但乳化液滴間直徑與電場強(qiáng)度平方成反比：

式中，C為系數(shù)，σ為油水界面張力。

說明當(dāng)電場強(qiáng)度增高時(shí)，電場使微小水滴聚集加強(qiáng)，同時(shí)大水滴分散的作用也增強(qiáng)。實(shí)踐表明，E=0.7～1.5 kV/cm時(shí)，聚集居主要地位，脫鹽效率η隨E增大而顯著提高。但在E＞2時(shí)，分散作用逐漸增強(qiáng)，增加E時(shí)，η提高很少，而電耗卻隨E增強(qiáng)而迅速增大。

選擇極板距離為24 cm，電壓為16 kV，電場強(qiáng)度稍低。以后檢修可對供電系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，在提高電壓方面留有余地，對于加工乳化較嚴(yán)重的油種也需要提高電壓，因此可以考慮適當(dāng)投資，建立脈沖式電場。

2.4 停留時(shí)間

已知改造后強(qiáng)電場區(qū)空間體積V1為11.06m3，原油體積流量qV1=551.1m3/h，則改造后的平均停留時(shí)間τ1=V1/qV1=1.2min。

根據(jù)在不同停留時(shí)間下，脫鹽率與電位梯度的關(guān)系，在τ<2min的條件下，增加τ可以明顯地改善脫鹽率。在原油處理量一定的情況下，τ的提高檢修時(shí)可以通過脫鹽罐尺寸的改大、強(qiáng)電場體積的增大來實(shí)現(xiàn)。

2.5 其他影響因素

1)注水的水質(zhì)及注入量?？傋⑺|(zhì)量分?jǐn)?shù)6%左右為宜，過多會影響電場操作，電耗增加；但不能太少，否則，原油中鹽無法溶解進(jìn)入水相，未達(dá)到脫鹽目的。注水的水質(zhì)要求不含或低含鹽，另外對水的pH也有要求，堿性有利于破壞乳化膜，有利于有機(jī)鹽的脫除，而微酸性則有利于鈣鹽的脫除。因此不考慮成本則優(yōu)先使用除鹽水，然后是高溫除氧水、新鮮水、凈化水。生產(chǎn)中應(yīng)盡量提高注水溫度使其接近注入點(diǎn)的原油溫度，以利分散混合。

2)排水設(shè)施要求。排水管以最大可能排水量選擇管徑，流速在0.4～0.8m/s；凈水層停留時(shí)間≥10 min；下降水速≤8 cm/min，以免切水帶油。

3 優(yōu)化效果

經(jīng)過優(yōu)化操作條件，脫鹽效率達(dá)到93.6%以上，脫水率也得到了提高，基本滿足了裝置脫后NaCl的質(zhì)量濃度≤3mg/L，達(dá)到了中石化要求。見表2和表3。

表2 優(yōu)化后的裝置工藝參數(shù)Tab 2 Optimized device parameters

表3 目前脫鹽情況Tab 3 Present desalination

4 結(jié)論

綜上所述，為了提高常減壓電脫鹽系統(tǒng)的脫鹽脫水率，可以在以下幾方面對其繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)：

1)通過電脫鹽罐罐體的改大和強(qiáng)電場區(qū)空間的改大，降低原油在脫鹽罐中的流速、延長原油在強(qiáng)電場中的停留時(shí)間。

2)脫鹽溫度偏低，換熱器所開副線太多，能量損失多，需要優(yōu)化脫前脫后換熱網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高脫鹽操作溫度，來改善脫鹽效果。

3)應(yīng)改進(jìn)供電系統(tǒng)，使之能提供更高的電壓以提高整個(gè)電脫鹽系統(tǒng)對各種加工方案和生產(chǎn)情況的適應(yīng)能力。并需要在注水、破乳以及采樣分析等方面做更多更細(xì)致的工作。

4)破乳劑的添加量和效果亟待改善，評選工作刻不容緩，對主要油種必須篩選出合適的破乳劑。破乳劑、脫鈣劑的注入量是否合適，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)。它們在一起配置是否會產(chǎn)生反應(yīng)，是否影響各自的效果，需要進(jìn)一步研究。要及時(shí)對注入量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)不同的原油。只有深度脫鹽脫金屬，才能保證裝置的長周期安全運(yùn)行。

[1]婁世松,周偉.勝利原油脫水技術(shù)研究[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2006,23(1):8-12.

[2]白志山,汪華林,唐良瑞.原油脫鹽脫水技術(shù)評述[J].化工機(jī)械,2004,31(6):384-387.

[3]北京石油設(shè)計(jì)院.石油化工工藝計(jì)算圖表[M].北京:烴加工出版社,1985.