10M t·a-1重質(zhì)劣質(zhì)電脫鹽技術(shù)研究

嵇境鵬，鄭文晶，盛彬武，劉統(tǒng)華，李泓

（1.中國石油廣東石化公司，廣東揭陽515200；2.中國石油大慶石化公司，黑龍江大慶163714；3.中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東青島266071；4.江蘇三星科技有限公司，江蘇揚中212299）

10M t·a-1重質(zhì)劣質(zhì)電脫鹽技術(shù)研究

嵇境鵬1，鄭文晶2，盛彬武1，劉統(tǒng)華3，李泓4

（1.中國石油廣東石化公司，廣東揭陽515200；2.中國石油大慶石化公司，黑龍江大慶163714；3.中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東青島266071；4.江蘇三星科技有限公司，江蘇揚中212299）

通過大量的電脫鹽冷模、熱模實驗，考察操作溫度、電場強度、注水量等工藝參數(shù)對Merey16重質(zhì)劣質(zhì)原油電脫鹽的影響。實驗結(jié)果表明，在溫度135℃，注水量10（V）%，SXF36型破乳劑，破乳劑注入量10μg·g-1，450/900/1300V·cm-1弱中強電場，停留時間15/9/11min的條件下，Merey16原油三級脫后含鹽≤3mg·L-1，脫后含水≤0.2（V）%，并在小試裝置上得到了驗證。以實驗結(jié)果為指導，創(chuàng)新開發(fā)了“交直流+智能響應”電脫鹽技術(shù)，完成10Mt·a-1加工負荷的大型（Φ5800×60000）電脫鹽系統(tǒng)工藝包設(shè)計。

重質(zhì)劣質(zhì)；大型；電脫鹽；條件優(yōu)化；智能響應；交直流；工藝包

由于生產(chǎn)、運輸工藝的約束，原油不可避免的含有水和鹽類［1］。其所含鹽類在加工過程中會存在腐蝕，還會沉淀在工藝管道、爐管和換熱器的管壁上而形成鹽垢，致使傳熱困難，燃料消耗增加。原油中的鹽類還會污染二次加工工藝中的催化劑，導致催化劑壽命縮短。國內(nèi)多數(shù)煉油廠要求脫鹽后原油鹽含量小于3mg·L-1。

中國石油廣東石化公司擬建的20Mt·a-1重質(zhì)原油加工工程，擬加工委內(nèi)瑞拉Merey16超重劣質(zhì)原油（見表1），這種原油具有密度高、酸含量高、含鹽量高的特點，電脫鹽存在油水密度差小、容易乳化、脫鹽難度高等技術(shù)難點。為科學選擇電脫鹽技設(shè)備，降低技術(shù)風險，依托國內(nèi)某電脫鹽設(shè)備供應商的研發(fā)力量，研究開發(fā)了10Mt·a-1大型“交直流+智能響應”電脫鹽。該技術(shù)通過專家組審核，完成了10Mt·a-1加工負荷的大型（Φ5800×60000）電脫鹽系統(tǒng)工業(yè)設(shè)計。

1　研究方法

1.1研究基礎(chǔ)

擬建電脫鹽單系列處理能力為10Mt·a-1，加工Merey16原油，原油含水2（V）%，操作彈性60%～110%，年操作時數(shù)8400h，連續(xù)運轉(zhuǎn)不少于3a。目標為原油脫后含鹽≯3mg·L-1，原油脫后含水≯0.2（V）%。

1.2研究方法

進行實驗室單因素影響實驗、小試裝置動態(tài)驗證試驗，考察各因素對脫鹽脫水的影響，指導選擇適合加工Merey16原油的電脫鹽技術(shù)及工況，最終結(jié)合電脫鹽設(shè)備供應商的工程經(jīng)驗，確定電脫鹽工業(yè)設(shè)計。

表1　Merey16原油一般性質(zhì)Tab.1 Definition of Merry 16 crude

2　單級強電場單因素實驗

將Merey16原油60g與實驗注入量的煉廠凈化水混合，在實驗溫度下加熱0.5h至實驗溫度，然后手動混合100次，注入定量SXF36型破乳劑，手動混合50次，放入實驗電壓下高壓靜電場處理。（破乳劑及其注入量的篩選不在本文論述）。

2.1溫度對原油脫鹽脫水的影響

在電場強度800V·cm-1，作用時間5min，沉降時間2min、注水量7（v）%、SXF36型破乳劑10μg·g-1條件下，進行不同溫度下Merey16原油脫鹽脫水效果考察。結(jié)果見圖1。

圖1　溫度對原油脫鹽和脫水的影響Fig.1 Impactof temperature on crude desalting and dewatering

根據(jù)Stokes沉降公式［2］：

其中d：水滴直徑，cm；ρ1、ρ2：水、油的密度，g·cm3；η：原油粘度，g·cm·s；g：重力加速度，cm·s-2。

沉降速度u主要與油水密度差Δρ、原油粘度η有關(guān)。圖1表明，隨著溫度的升高原油脫后含鹽、含水先減少后增加。原油中的水滴隨著溫度的升高，沉降過程先受油水密度差增大、粘度降低的推動加速沉降，后由于原油粘度降低趨勢放緩、油水密度差反向降低，相對沉降推動力減小。另外，水在油中的溶解度隨溫度上升而增加。適宜Merey16原油脫鹽脫水的溫度應在130～135℃。

圖2為溫度對粘度與密度的影響。

圖2　溫度對粘度和密度的影響Fig.2 Impact of temperature on viscosity and density

由圖2可見，Merey16原油的粘度η隨著溫度的升高單調(diào)下降；油水的密度差Δρ隨著溫度的升高先增后降。

2.2電場強度對原油脫鹽脫水的影響

在實驗溫度130℃，作用時間5min，沉降時間2min，注水量7（v）%，SXF36型破乳劑10μg·g-1條件下，進行不同電場強度下Merey16原油脫鹽脫水效果考察。結(jié)果見圖3。

圖3電場強度對原油脫鹽和脫水的影響Fig.3 Impact of electric field strength on crude desalting and dewatering

圖3表明，在其他因素一定時，隨著高壓靜電場的電場強度增大，Merey16原油含鹽量、含水量均呈逐漸減少趨勢。

2.3注水量對原油脫鹽脫水的影響

在實驗溫度130℃，電場強度1300V·cm-1，作用時間5min，沉降時間2min，SXF36型破乳劑10× 10-6條件下，進行不同注水量下Merey16原油脫鹽脫水效果考察。結(jié)果見圖4。

圖4　注水量對原油脫鹽和脫水的影響Fig.4 Impact of injection water volume on crude desalting and dewatering

隨著注水量比例的提高，Merey16原油含鹽、含水量降低，并在注水量比例9%附近趨于一致。由于隨著注水量增加，電脫鹽運行過程中油水混合物的導電性也增加，電脫鹽設(shè)備運行電流大，能耗增加，甚至是短路喪失脫鹽功能。所以注水量比例不宜一味增大，適宜的注水量比例為8（w）%～10（w）%。

通過單級強電場單因素優(yōu)化實驗，考察各主要因素對Merey16原油脫鹽脫水的影響，優(yōu)化結(jié)果為：溫度應在130～135℃，電場強度1300V·cm-1，注水量比例8%～10%。

3　三級復合電場單因素實驗

3.1三級復合電場驗證實驗

由于在電脫鹽設(shè)備工程應用中，普遍認為交直流電脫鹽在供給強電場后，在電脫鹽設(shè)備中將形成弱/中/強3種電場［3］。實驗設(shè)計為：同一試樣，模擬交直流電脫鹽的弱中強電場（根據(jù)工程經(jīng)驗，模擬弱中強電場分別為450/900/1300V·cm-1），實驗溫度130℃、作用時間5min，沉降時間2min，注水量7（v）%，SXF36型破乳劑10μg·g-1條件下，進行3次串級Merey16原油脫鹽脫水效果考察。以驗證單級單因素實驗中優(yōu)化結(jié)果。

表2　三級復合電場驗證實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results on differentelectric field strength

三級脫鹽后原油含鹽6.0mg·L-1高于脫后含鹽目標（3.0mg·L-1以下），原油中含水0.7（w）%高于脫后含水目標（0.2%以下）。未達目標，需進一步優(yōu)化。

3.2三級復合電場條件優(yōu)化實驗

同一試樣3次串級操作，實驗溫度為135℃，注水量7（v）%，SXF36型破乳劑10μg·g-1條件下，沉降時間2min，模擬交直流電脫鹽的弱中強電場（分別為450、900、1300V·cm-1），進行作用時間優(yōu)化實驗，初始作用時間為12/7/9min（弱中強電場停留時間比例根據(jù)根據(jù)實際設(shè)計經(jīng)驗）。

三級復合電場優(yōu)化實驗結(jié)果見表3。

表3　三級復合電場優(yōu)化實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results on optimized electric field strength

在提高電場作用時間后，Merey16原油脫鹽脫水效果提高，但仍未達到目標。進一步增大注水量比例后，Merey16原油脫鹽脫水效果達到目標。原油乳化液在電場同停留時間20/11/15min和停留時間15/9/11min的三級脫除效果接近。綜合考慮確定原油在電場中適宜的停留時間為15/9/11min。

在三級復合電場實驗中，經(jīng)過對影響電脫鹽的主要單因素進行反復考察，在溫度135℃，注水量10（v）%，破乳劑10μg·g-1，原油在450/900/1300V· cm-1弱中強電場，停留時15/9/11min的條件下，能夠達到Merey16原油脫鹽脫水目標。

4　三級模擬小試裝置動態(tài)驗證實驗

在實驗室優(yōu)化操作參數(shù)的基礎(chǔ)上，進行三級電脫鹽模擬小試裝置動態(tài)運行。將SXF36型破乳劑10μg·g-1加入儲油罐內(nèi)混合均勻，預熱至90℃，Merey16原油加熱到137℃，操作壓力0.8MPa，原油流量18L·h-1，每級按10（v）%比例注入煉廠凈化水，進行脫鹽脫水。模擬小試裝置三級電脫鹽罐體φ219×360mm，壁厚6mm，容積分別為48.4L，垂掛式極板，極板高度80mm，交流電源，強電場強度1300V·cm-1。

小試裝置運行結(jié)果見表4，原油脫后含鹽2.1mg· L-1，原油脫后含水0.15（v）%，達到預定目標。

表4　小試裝置動態(tài)運行結(jié)果Tab.4 Desalting and dewatering results of laboratory scale dynamic experiment

表5　三級復合電場優(yōu)化實驗結(jié)果Tab.5 Experimental results on optim ized electric field strength

表6　單級電脫鹽罐關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)Tab.6 Key design parameters for single electric desalter equipment

5　電脫鹽工藝設(shè)計方案

5.1電脫鹽級數(shù)的選擇

根據(jù)實驗室對Merey16原油的各種工況下的脫鹽結(jié)果，再考慮到重質(zhì)劣質(zhì)原油電脫鹽實際運行中，第一級電脫鹽往往受到?jīng)_擊比較大，罐內(nèi)淤泥沉積嚴重，實際脫鹽效率較低。建議單系列10Mt·a-1電脫鹽采用三級電脫鹽工藝流程（見圖6）。加工重質(zhì)劣質(zhì)原油的中海油惠州煉化、中石化鎮(zhèn)海煉化、中石化青島石化、中石化長陵石化、中石化金陵石化等企業(yè)均采用三級電脫鹽工藝流程，這也印證了三級脫鹽的必要。

5.2電脫鹽技術(shù)的選擇

Merey16原油具有高比重、高粘度、高含鹽量，高酸值等特點，脫鹽過程容易頑固乳化層。電脫鹽罐內(nèi)設(shè)計采用智能響應控制的高頻和高效交直流負荷電場的“交直流+智能響應”電脫鹽技術(shù)。

針對易乳化的問題，在電脫鹽罐油水界位處設(shè)計高頻智能響應電場（見圖5）。該電場設(shè)計有3臺高頻智能響應變壓器。該變壓器具有如下特點：（1）頻率、電壓無極可調(diào)；（2）依據(jù)電流反饋自動調(diào)整輸出電壓；（3）可按PLC設(shè)定的波形曲線輸出電壓；該變壓器利用高頻的強穿透特點增強破乳效果，不會發(fā)生短路跳閘，能夠在高導電率的乳化層建立持續(xù)的強電場，而曲線波形高壓可以避免出現(xiàn)油中水滴電場力平衡，促進破乳化和油水分離。頻率、電壓無極可調(diào)的特點又在節(jié)省電耗同時增強了電脫鹽設(shè)備的油品適應能力。

在電脫鹽罐上部設(shè)計具有不同電場強度的交直流梯度電場，對更小水滴的聚積提供高壓電場。電脫鹽罐體內(nèi)采用垂直懸掛的電極板，自下而上形成交變?nèi)蹼妶?，直流中電場，直流強電場、直流高強電場四個電場區(qū)域，向水滴施加不同的電場力，在不同電場中完成對不同粒徑的水滴聚集分離。

5.3電脫鹽罐的設(shè)計

以實驗優(yōu)化結(jié)果為指導，原油在罐體最大橫截面上的上升速度為主要設(shè)計依據(jù)，再參考原油在電場中的停留時間、原油在罐體內(nèi)的停留時間等技術(shù)參數(shù)，充分考慮設(shè)備的設(shè)計余量，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，最終確定電脫鹽設(shè)備的工業(yè)設(shè)計。

圖5　智能響應+交直流高壓布置示意圖Fig.5 Schematic diagram for electric desalter equipmentwith intelligent-response and AC-DC

單系列10Mt·a-1電脫鹽系統(tǒng)中，設(shè)計采用3臺Φ5800×60000罐體，串級組成三級脫鹽工藝流程。此時原油在罐體最大橫截面上的上升速度為1.08mm·s-1，原油在智能變頻電場、弱電場、中電場、強電場和高強電場中的總停留時間為24.1min，原油在罐體內(nèi)的停留時間為56.7min，單位體積的罐體在單位時間內(nèi)處理的原油量為0.83m3·（m3·h）-1。油水界位設(shè)定高度為1600mm。

表5　單級電脫鹽罐基本信息Tab.5 Thebasic information forsingleelectricdesalterequipment

圖6　加工Merey16原油電脫鹽系統(tǒng)原則工藝流程圖Fig.6 The electric desalting process flow diagrams for Merey16 crude

6　結(jié)論

本研究以突破Merey16原油容易乳化、脫鹽難度高等技術(shù)難點為目標，通過大量的電脫鹽冷漠和熱模實驗，考察操作溫度、電場強度、注水量等各種因素對Merey16脫鹽脫水的影響，取得了處理委內(nèi)瑞拉Merey16原油比較優(yōu)化的條件。根據(jù)實驗研究成果創(chuàng)新開發(fā)“交直流+智能響應”電脫鹽技術(shù)，設(shè)計完成中國石油廣東石化20Mt·a-1重質(zhì)原油加工工程電脫鹽系統(tǒng)工藝技術(shù)包。

［1］王成斌.智能響應型原油電脫鹽設(shè)備的研究［D］.中國石油大學碩士學位論文，2011.

［2］郭振宇.斯托克斯定律在煉油廠催化常壓裝置的應用［J］.化工生產(chǎn)與技術(shù)，2006,13（2）：30-31.

［3］梁志勇，孫甲，劉政，等.原油電脫鹽脫水技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展［J］.石油和化工設(shè)備，2012,15：26-27.

Research for the 10M t·a-1electrostatic desalting unit technology and it's application processing lowquality heavy crude oils

JIJing-peng1，ZHENGWen-jing2，SHENG Bin-wu1，LIU Tong-hua3，LIHong4
（1.Petrochina Guangdong Petrochemical Company，Jieyang 515200，China；2.Petrochina Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China；3.CPECC East-China Design Branch，Qingdao 266071，China；4.Jiangsu Sanxing Science&Technology Co.Ltd.，Yangzhong 212299，China）

The large number of electric desalting cold model and hotmodel experiment.Investigated and Research for the impact of operating temperature，electric field strength，water injection and other process parameters on the electrical desalting for heavy and low-quality Merey16 crude.Experimental results show that at the temperature should be 135℃，injection volume should be 10（V）%，the demulsifier type should be SXF36，the demulsifier amount should be 10μg·g-1，the composite electric field strength should be 450/900/1300V·cm-1，the residence times in electric field should be 15/9/11 min.After three times desalting，the Merey16 crude salt content is≤3mg·L-1，water content is≤0.2（V）%，and in a small pilot p lant has been verified.The experimental results to guide a process design package.Electric desalting technology，called"AC/DC+intelligent-response"was invented and development.The process design package for a large electric desalting unit in processing 10M t/a crude oils is completed.

low-quality heavy crude；large unit；electric desalting；optimization；intelligent-response；AC-DC；process design package

TE624.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160984

2016-00-00

嵇境鵬（1981-），男，工程師，2004年畢業(yè)于大慶石油學院化學工程與工藝專業(yè)本科，主要從事石油化工的生產(chǎn)技術(shù)管理工作。