絕緣電極電脫水技術(shù)的研究進(jìn)展

劉家國(guó)，吳奇霖

(1.中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003;2.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067)

油田開采出來的原油大多是以乳狀液形式存在的。乳狀液是指兩種互不相溶液體的混合物，其中一種液體(內(nèi)相或分散相)以微滴形式分散在另一種液體中(外相或連續(xù)相)，并為乳化劑所固定。原油乳狀液是一個(gè)十分復(fù)雜的分散體系，以油包水(W/O)類的微粒結(jié)構(gòu)為主。水滴的大小不一，直徑從1μm 到幾百μm，10 μm 以內(nèi)占絕大多數(shù)［1］。乳狀液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定物系，聚結(jié)的傾向占優(yōu)勢(shì)，影響原油乳狀液穩(wěn)定的因素很多，如密度、黏度、含水量、水滴直徑、水滴電性、水相性質(zhì)、原油中固體顆粒、界面膜強(qiáng)度、及乳狀液的老化度，它相對(duì)穩(wěn)定的原因在于原油中含有天然乳化劑。這類乳化劑作為一種表面活性物質(zhì)，在兩相界面上吸附和濃集，降低了分散相和分散介質(zhì)界面自由焓，減少了聚結(jié)傾向，能阻止水滴因碰撞而產(chǎn)生的聚結(jié)作用，增加乳狀液的穩(wěn)定性。這類物質(zhì)含量越高，原油乳狀液的性質(zhì)越穩(wěn)定。

破壞原油乳狀液的方法主要有化學(xué)法、電場(chǎng)法、機(jī)械法等，其中電場(chǎng)破乳方法是原油乳狀液最有效的分離技術(shù)，在油水分離領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但由于電場(chǎng)發(fā)生短路，無法適應(yīng)高含水原油處理要求。采用絕緣電極施加電場(chǎng)直接處理高含水原油乳狀液，不發(fā)生短路，可進(jìn)行破乳，因而得到了廣泛的研究和應(yīng)用，下面主要探討了采用絕緣電極進(jìn)行原油乳狀液破乳的研究進(jìn)展。

1 國(guó)外絕緣電極的研究現(xiàn)狀

1.1 絕緣電極的初始模型

美國(guó)F G Cottrell 博士首次開發(fā)靜電場(chǎng)破乳，應(yīng)用于原油脫水，極大地提高油水分離的速度，且降低了脫后原油的水含量，成為了原油脫水的十分必要分離技術(shù)。后來發(fā)現(xiàn)處理含水較多的原油時(shí)，極板間易形成水鏈造成短路，無法建立有效的靜電場(chǎng)，使靜電場(chǎng)破乳受到了限制。這樣，需要解決極板間形成水鏈造成短路的問題。

Frank W.Peek［2］于1916 年應(yīng)用玻璃容器脫水，中空金屬電極安裝在容器的中央，另一個(gè)金屬電極安裝在容器外，并與玻璃接觸，這樣與玻璃接觸的電極就成為絕緣電極，可以阻止短路發(fā)生。這是絕緣電極的原始模型。這種設(shè)計(jì)的聚結(jié)器脫水效果不理想。

為了解決上述問題，H.F.Fisher［3］設(shè)計(jì)了另一種電極:用含水較低的油作為一層絕緣層，防止短路，并且其他電極按一定距離安裝，形成具有梯度的電場(chǎng)強(qiáng)度，使水滴聚結(jié)效果更好。但其設(shè)備復(fù)雜、體積龐大，并需要輔助設(shè)備。

Carl C.Grove 等［4］用鋁條螺旋狀包裹于耐熱玻璃容器外作為一個(gè)絕緣電極，另一個(gè)電極是碳棒，進(jìn)行脫水，第一次提到可以用石英、塑料等材料的容器代替耐熱玻璃容器。

1.2 絕緣電極的改進(jìn)

以往絕緣電極幾乎都是圓柱形，1974 年，Mc-Coy 等［5］研發(fā)了平行板式電極(見圖1)。一對(duì)電極中，其中一個(gè)是涂有一薄層聚合物質(zhì)(聚四氟乙烯)的電極;另一個(gè)是裸電極，但其上覆蓋一層毛絨(Wool-ravon 毛氈)的親水涂層，這種裝置能避免由電弧造成的爆炸和能源浪費(fèi)。

自從1981 年，Bailes 和Larkai［6］使用絕緣電極產(chǎn)生脈沖直流電場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)之后，對(duì)絕緣電極進(jìn)行了更深入的研究，并陸續(xù)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。電脈沖感應(yīng)聚結(jié)器(EPIC)是以此研究成果發(fā)展的聚結(jié)器技術(shù)。

圖1 親水材料的絕緣電極結(jié)構(gòu)

Hsu 等［7］報(bào)道了交流電場(chǎng)下使用憎水表面絕緣電極會(huì)有好的聚結(jié)表現(xiàn)。該專利采用幾種絕緣材料(乙烯-丙烯氟化聚合物、聚丙烯)做實(shí)驗(yàn)，高壓電極由一對(duì)硼硅酸玻璃管組成，彎成如圖2 所示的形狀，其中一個(gè)玻璃管的外部鍍有一層乙烯-丙烯氟化聚合物，使其具有憎水性能表面;另一個(gè)裸露玻璃管，使其具有親水性能表面。玻璃管內(nèi)水平部位填充電解液，用于傳輸來自與外部高壓供應(yīng)裝置相連的柔性導(dǎo)體的高壓電;垂直部位填充變壓器油。接地電極是一個(gè)扁平的不銹鋼金屬絲和沉積在聚結(jié)器底部的聚結(jié)水相。正如他們期盼的，涂料涂層越薄，聚合效果越好。驗(yàn)證絕緣電極的材料介電常數(shù)至少為3，大于4 最好，并且具有強(qiáng)抗電壓擊穿能力和低阻抗能力。絕緣電極也可以是兩種或多種上述材料的復(fù)合或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。

圖2 連續(xù)聚結(jié)設(shè)備示意

1.3 絕緣電極的工業(yè)應(yīng)用

Prestridge 等［8］應(yīng)用了一種新的絕緣極板，這種耐水性合成電極通過控制電場(chǎng)強(qiáng)度形成不同的處理區(qū)域，提高脫鹽脫水效果。這種極板結(jié)構(gòu)類似鋼板電極，但材料主要由纖維加強(qiáng)型塑料制成，該電極中心面為石墨纖維，沿電極板長(zhǎng)度方向具有導(dǎo)電性，電極板表面是由一些填塞材料制成，能吸附水，在板表面形成薄水層，成為沿電極板高度方向的導(dǎo)電媒介。這一特點(diǎn)，增加了電極板的耐水性，避免了鋼電板由于過于頻繁電弧作用，而釋放電能，導(dǎo)致流程通道電場(chǎng)不足現(xiàn)象發(fā)生。該合成電極板具有承受高電壓以及高溫等特性。Prestridge 設(shè)計(jì)的復(fù)合絕緣極板在流花油田成功應(yīng)用，使該項(xiàng)技術(shù)成為海上油田脫水的先例。

Taylor［9］使用了聚四氟乙烯(Teflon)涂層，但導(dǎo)電部分使用不銹鋼電極。這種絕緣電極是利用組合式電極板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。在極板的不同位置采用不同導(dǎo)電率的材料，使沿垂直極板豎直方向產(chǎn)生理想的電壓梯度?？拷姌O兩端的部位使用電導(dǎo)率低的材料，以產(chǎn)生遞減的電場(chǎng)，中間部位采用導(dǎo)電率高的材料，以產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)。在處理高水含量的原油時(shí)，原油乳狀液時(shí)在向上流動(dòng)過程中經(jīng)歷“低電場(chǎng)強(qiáng)度-高電場(chǎng)強(qiáng)度-低電場(chǎng)強(qiáng)度”的變化過程，可以使原油乳狀液電導(dǎo)率發(fā)生變化，而不會(huì)產(chǎn)生大的電流。

Wolff E A［10］在VIEC 技術(shù)中設(shè)計(jì)了一種電極模塊組件，電極模塊如圖3 所示，每個(gè)電極模塊為正方形模塊，邊長(zhǎng)450 mm，厚度120 mm，通過人孔送入三相分離器內(nèi)，許多這樣的模塊安裝在與流體垂直的支架墻上。金屬板狀電極呈正方形網(wǎng)格排列，特氟龍中空管居中放置在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部，在真空條件下，采用環(huán)氧樹脂將各金屬極板、特氟龍中空管以及變壓器整體模壓澆注成型。金屬電極連接變壓器，外部接入的低電壓經(jīng)變壓器升壓后向管內(nèi)的流動(dòng)流體施加高壓電場(chǎng)。后來改進(jìn)的電極模塊［11］見圖4。

圖3 管式聚結(jié)模塊組件示意

圖4 準(zhǔn)矩形聚結(jié)模塊組件示意

2003 年在TrollC 采油平臺(tái)的一級(jí)三相分離器正式安裝使用VIEC 技術(shù)，處理量145.7 m3/h。發(fā)現(xiàn)采用此技術(shù)，乳化液層厚度減少80%，破乳劑量降低至原來1/5，出油口水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%～15%降低至4.8%，在設(shè)計(jì)含氣量下，出油后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大于20%降低到10%。采油廢水中油粒徑從7 μm 增大到20 μm。

國(guó)外采用絕緣電極開發(fā)靜電聚結(jié)器已經(jīng)在海上油田、陸上油田油水分離領(lǐng)域進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，解決了在某些特殊環(huán)境下急需提高油水分離效率，減少設(shè)備體積及數(shù)量的問題，但因絕緣電極的絕緣材料、制作方法、結(jié)構(gòu)以及使用環(huán)境等方面的因素，在長(zhǎng)周期使用過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象，從而影響了該技術(shù)大面積的推廣應(yīng)用。

2 國(guó)內(nèi)絕緣電極的研究現(xiàn)狀

隨著采油領(lǐng)域的不斷拓寬，高效油水分離技術(shù)的需求加快，國(guó)內(nèi)科研人員已洞察到研究絕緣極板的重要性，開展了大量試驗(yàn)，大部分處理試驗(yàn)室的研究，有些開始進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)階段，與國(guó)外的研究相比，對(duì)此方面的研究還處于初步階段。

2.1 絕緣電極脫水研究

陸崗［12］等選擇有機(jī)玻璃作為絕緣材料，建立了豎式平板絕緣電極實(shí)驗(yàn)室用的連續(xù)電破乳裝置，認(rèn)為絕緣材料、電極形式以及加料方式的選擇對(duì)連續(xù)電破乳器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。黃萬撫［13］自制特殊靜電破乳器，使用容器絕緣，研究表明:絕緣電極情況下，高壓直流靜電不能有效破乳，交流靜電才能有效破乳。他們都是從破乳方面考察絕緣電極。

李民［14］等發(fā)明一種絕緣電極網(wǎng)，由網(wǎng)狀金屬導(dǎo)體構(gòu)成主體，主體外設(shè)有聚四氟乙烯絕緣層。當(dāng)原油含水很高或乳化程度高時(shí)，具有此絕緣電極網(wǎng)的電脫水器仍有一定的脫水效果，且對(duì)于因原油性質(zhì)變化引起的電場(chǎng)局部破壞，使用此電極的電脫水器不會(huì)受到影響。

陳家慶［15］等發(fā)明了一種基于介電泳破乳機(jī)理的新型原油電脫水、脫鹽設(shè)備，其核心部分為電極組件，其采用波紋板狀電極，電極表面均覆蓋絕緣層。當(dāng)向電極組件施加高壓交流電后，在極板間形成非均勻交流電場(chǎng)，引起原油乳狀液中的水滴發(fā)生介電泳聚結(jié)。

張黎明等［16］設(shè)計(jì)出一種絕緣緊湊型電破乳器，從水滴集結(jié)等方面考察絕緣電極，采用聚甲基丙烯酸甲酯作為包裹電極的絕緣材料，包覆絕緣層的電極板在小間距下能有效破乳并防止擊穿，且電場(chǎng)強(qiáng)度越大停留時(shí)間越長(zhǎng)，聚結(jié)效果越顯著。張黎明等［17］又采用聚四氟乙烯和環(huán)氧樹脂作為絕緣材料進(jìn)行了試驗(yàn)，研究表明，采用單電極絕緣法可防止極板擊穿，絕緣層介電常數(shù)和厚度對(duì)施加到乳狀液上的場(chǎng)強(qiáng)有一定影響。

何利民［18］等發(fā)明一種高效靜電聚結(jié)器，其電極為筒狀電極，外包裹致密絕緣層，筒狀電極間距小，施加電壓后，產(chǎn)生高強(qiáng)電場(chǎng)，原油乳狀液中的水滴長(zhǎng)大、沉降速度增大，實(shí)現(xiàn)了油水的快速分離。

2.2 絕緣電極脫水設(shè)備應(yīng)用

中石化洛陽工程有限公司采用將氟塑料絕緣材料覆蓋在金屬電極上制成的絕緣電極，處理高含水的原油乳狀液，在電壓2 kV，溫度65～70℃，停留時(shí)間不大于10 min 的條件下，高含水乳化液的脫水率均可達(dá)95%以上［19］。后來研制的新型靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備在南海某海上平臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)口含水量超過80%的原料，一級(jí)電脫鹽水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%，最低可達(dá)到0.7%，有效提高了油水分離效率，并且當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%～98%時(shí)亦可適用［20］。

3 結(jié)束語

綜上所述，絕緣電極可以適應(yīng)高含水的原油乳狀液進(jìn)行電場(chǎng)破乳，能阻止短路的發(fā)生，可提高脫水的效果。絕緣電極的材料的介電常數(shù)應(yīng)至少為3，大于4 最好，并且具有強(qiáng)抗電壓擊穿能力和低阻抗能力。絕緣電極也可以是兩種或多種上述材料的復(fù)合或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。絕緣電極采用高壓直流靜電不能有效破乳，交流靜電才能有效破乳。

采用絕緣電極提高油水分離效率的工藝方法是開發(fā)高效的油水分離設(shè)備的一個(gè)方向，但還需在絕緣材料、電極結(jié)構(gòu)、制作方法上進(jìn)行研究，來滿足工程上長(zhǎng)周期運(yùn)行的特點(diǎn)。

［1］張其耀.原油脫鹽與蒸餾防腐［M］.北京:中國(guó)石化出版社，1992:120.

［2］Frank W.Peek，JR.Separation of liquid suspensions:US，1170184［P］.1916-2-1.

［3］H.F.Fisher.Dehydrator with high field intensity grounded electrode:US，1838924［P］.1931-12-29.

［4］Carl C.Grove，Gardena.Electrical process for dehydrating oil:US，2539074［P］.1951-01-23.

［5］L.R.McCoy，L.L.Prem.Method and apparatus for removing contaminants from liquids:US，3839176［P］.1974-10-01.

［6］P J Bailes，K L Larkai.An experimental investigation into the use of high voltage d.c.fields for liquid phase separation［J］.Trans.IChemE，1981，59(A):229-237.

［7］E.C.Hsu，N.N.Li，T.Hucal.Electrodes for electrical coalescence of liquid emulsions:US，4415426［P］.1983-11-15.

［8］Prestridge F L.Johnson B C.Distributed charge composition electrodes and desalting system:US，4702815［P］.1987-10-28.

［9］S.E.Taylor.Theory and practice of electrically enhanced phase separation of water-in-oil emulsions［J］.Trans.IChemE，1996，74 (A):526-540.

［10］Wolff E A，Knutsen T L.Advanced electrostatic internals in the 1st stage separator enhance oil/water separation and reduce chemical consumption on the Troll C platform ［C］.OTC 16321，presentation at the 2004 Offshore Technology Conference held in Houston，Texas，2004.

［11］T.A.Fjeldly，E.B.Hansen，P.J.Nilsen et al.Novel Coalescer Technology in First-stage Separator Enables One-Stage Separation and Heavy-oil Separation［C］.OTC18278.presentation at the 2006 Offshore Technology Conference held in Houston，Texas，2006.

［12］陸崗，李盤生.液膜乳狀液連續(xù)電破乳研究［J］.化學(xué)工程，1994，22(4):20-24.

［13］黃萬撫.乳狀液膜靜電破乳器破乳機(jī)理研究［J］.化學(xué)工程，2003，31(3):58-61.

［14］李民，郝守波，張東升，等.絕緣電極網(wǎng):中國(guó)，200720021235［P］.2007-04-24.

［15］陳家慶，丁藝.基于介電泳破乳機(jī)理的新型原油電脫水、脫鹽設(shè)備:中國(guó)，200920222792［P］.2009-09-23.

［16］張黎明，何利民，馬華偉，等.絕緣緊湊型電破乳器中液滴聚結(jié)特性研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，31(6):82-86.

［17］張黎明，何利民，呂宇玲，等.靜電聚結(jié)器破乳機(jī)理分析與試驗(yàn)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30(2):157-160.

［18］何利民，呂宇玲，馬華偉，等.一種新型原油乳狀液靜電脫水器:中國(guó)，200710015911［P］.2007-06-02.

［19］彭松梓，崔新安，申明周，等，靜電聚結(jié)原油脫水試驗(yàn)研究［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2012，29(5):3-6.

［20］崔新安，彭松梓，申明周，等，靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2013，30(3):44-46.