超聲波在電脫鹽系統(tǒng)中的應(yīng)用

任甲子，牛有睿，張雙月

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

生產(chǎn)工藝

超聲波在電脫鹽系統(tǒng)中的應(yīng)用

任甲子，牛有睿，張雙月

（中國(guó)石油廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

在摻煉達(dá)爾原油時(shí)，裝置幾乎無(wú)法適應(yīng)此油品，尤其是電脫鹽系統(tǒng)，很多參數(shù)都超過(guò)了設(shè)定值，讓裝置陷入一定困境。本文對(duì)多種劣質(zhì)進(jìn)口原油在電脫鹽中的分離效果進(jìn)行分析，以超聲波-電脫鹽原理和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式為指導(dǎo)，合理利用現(xiàn)有的電脫鹽設(shè)備和工藝，以脫后原油含鹽、含水分析數(shù)據(jù)為依據(jù)，逐個(gè)優(yōu)化電脫鹽的相關(guān)參數(shù)，最終改善了脫鹽脫水效果，含鹽污水達(dá)到排放指標(biāo)。

電脫鹽；達(dá)爾原油；超聲波；含油量

1 達(dá)爾原油對(duì)電脫鹽的影響

達(dá)爾原油本身硫含量較低，通常影響原油性質(zhì)的硫雜類(lèi)物質(zhì)對(duì)其性質(zhì)影響較小。達(dá)爾原油微觀性質(zhì)對(duì)電脫鹽影響的主要原因是含氧雜原子物質(zhì)的影響：首先，環(huán)烷酸本身是較強(qiáng)的表面活性劑，它包覆乳化水珠，脫鹽過(guò)程中極易產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，導(dǎo)致水珠破乳難度加大；其次，直鏈脂肪酸成分將原油各組分分割成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成層層包圍的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加劇了破乳—脫水—沉降的難度，導(dǎo)致電脫鹽罐電流大幅升高。達(dá)爾原油組分含量見(jiàn)表1。從表1可以看出達(dá)爾原油酸值還是比較高的。

表1 達(dá)爾原油酸值數(shù)據(jù)表

2 電脫鹽原理

原油中含有水，同時(shí)也含有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等天然乳化劑。原油在開(kāi)采和輸送過(guò)程中，劇烈擾動(dòng)使得水以微滴狀態(tài)分散在原油中，原油中的乳化劑靠吸附作用濃集在油水界面上，組成牢固的分子膜，形成穩(wěn)定的乳化液。乳化液的穩(wěn)定程度，取決于乳化劑性質(zhì)、濃度、原油本身性質(zhì)、水分散程度、乳化液形成時(shí)間長(zhǎng)短等因素。強(qiáng)烈的機(jī)械攪動(dòng)下，乳化劑濃度高，原油黏度大，乳化液形成的時(shí)間長(zhǎng)，將增加乳化液的穩(wěn)定程度。

原油電脫鹽主要是加入破乳劑，破壞其乳化狀態(tài)，在電場(chǎng)的作用下，使微小水滴聚結(jié)成大水滴，使油水分離。由于原油中的大部分鹽類(lèi)是溶解在水中，因此脫水與脫鹽是同時(shí)進(jìn)行的。

該常減壓裝置采用高速電脫鹽技術(shù)，罐內(nèi)設(shè)有4層水平電極板。根據(jù)極板間距的不同，形成弱、中、強(qiáng)3個(gè)電場(chǎng)。原油乳化液直接進(jìn)入到電場(chǎng)中，減少了在罐內(nèi)的停留時(shí)間，加快了油水分離速度，提高了脫鹽、脫水效果。

超聲波破乳原理：破乳劑加入原油后，首先分散在原油乳化液中，而后逐漸到達(dá)油水界面。由于它具有比天然乳化劑更高的表面活性，因此破乳劑將代替乳化劑吸附在油水界面，并濃集在油水界面，改變了原來(lái)界面的性質(zhì)，破壞了原來(lái)較為牢固的吸附膜，形成一個(gè)較弱的吸附膜，并容易受到破壞。利用超聲波的物理作用方式，產(chǎn)生波動(dòng)-位移效應(yīng)，削弱油水界面作用力，破壞油水乳化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)油水在電場(chǎng)與重力作用下的分離能力。

圖1 高速電脫鹽示意圖

圖2 常減壓電脫鹽流程圖

2.1 水滴間的聚結(jié)基本原理

在高壓電場(chǎng)中，原油乳化液中的微小水滴由于靜電感應(yīng)使之產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。誘導(dǎo)偶極使水滴與水滴間產(chǎn)生相互吸引的靜電引力，即水滴聚結(jié)力F。水滴受聚結(jié)力的作用，運(yùn)動(dòng)速度增大，動(dòng)能增加，一方面可以克服乳化膜的阻力，另一方面增加了水滴間互相碰撞的機(jī)會(huì)，使微小水滴聚結(jié)成大水滴。大小水滴間的聚結(jié)力可用下式表達(dá)：

其中，F(xiàn)為水滴間的聚結(jié)力，N；K為原油的介電常數(shù)，N·m-1；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V·cm-1；r為水滴半徑，cm；L為兩水滴間的中心距離。

要提高水滴之間的聚結(jié)力，水滴半徑和水滴間距是主導(dǎo)因素。注水比例改變對(duì)聚結(jié)力的影響見(jiàn)表2。

表2 注水量對(duì)水滴間距的影響

2.2 斯托克斯水滴沉降定律

式中，Wd為水滴沉降速度，m·s-1；d為水滴直徑；μ為油的運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1。

增加注水可以增大水滴直徑，也有利于提高水滴的沉降速度，減少脫后原油帶水，降低排水含油量。

2.3 理論水滴沉降直徑公式

式中，dstoke為理論水滴沉降直徑，m；μ0為油的運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s-1；WS為原油上升速度，m·s-1。

電脫鹽運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，均是依據(jù)以上理論，圍繞著如何使進(jìn)入電場(chǎng)的水滴更容易沉降下來(lái)，以提高油水分離效果。水滴間的聚結(jié)力模型和斯托克斯水滴沉降公式表述了注水對(duì)脫鹽的影響，為此，可采取以下措施：提高水滴的直徑；縮小進(jìn)入電場(chǎng)的水滴間的距離；提高油水密度差；降低原油的黏度；提高電場(chǎng)強(qiáng)度；降低原油上升速度。

2.4 混合強(qiáng)度的調(diào)整

1）脫除原油中的鹽和水必須將原油和水充分混合，才能充分發(fā)揮注水的作用。

2）由聚結(jié)力公式可以看出，將注水電場(chǎng)的水滴分散得越均勻，越有利于減少水滴之間的間距，越有利于水滴的聚結(jié)。這是提高混合強(qiáng)度的另一關(guān)鍵作用。

3）對(duì)電脫鹽罐混合強(qiáng)度的控制，一般原則是：原油密度＜850kg·m-3的輕質(zhì)原油混合強(qiáng)度控制在50～120kPa；原油密度＞850kg·m-3的中質(zhì)原油混合強(qiáng)度控制在30～80kPa。

4）多大的混合強(qiáng)度為合適，需要通過(guò)生產(chǎn)的優(yōu)化調(diào)整決定，不能一概而論。應(yīng)結(jié)合超聲波的功率大小，以當(dāng)前加工的原油性質(zhì)、脫后含鹽含水、污水含油的分析數(shù)據(jù)及電脫鹽罐運(yùn)行狀況為依據(jù)。

2.5 電場(chǎng)強(qiáng)度的調(diào)整

提高變壓器檔位可以提高電場(chǎng)強(qiáng)度，由2.1節(jié)可以看出聚結(jié)力與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比。較高的電場(chǎng)強(qiáng)度有利于水滴的聚結(jié)力，理論上可以提高水滴之間的聚結(jié)力，但電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高，易形成電分散，水滴聚集困難，導(dǎo)致原油乳化。下面以檔位13000V為基礎(chǔ)，對(duì)不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的聚結(jié)力的變化情況進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，電場(chǎng)強(qiáng)度并不是越大越好，應(yīng)根據(jù)原油性質(zhì)、電脫鹽罐的運(yùn)行狀況選擇合適的電場(chǎng)強(qiáng)度。

表3 不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的聚結(jié)力變化

3 實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)超聲波廠家給出的經(jīng)驗(yàn)公式：J=AB*(I1+I2+I3)/3，確定好常數(shù)A和系數(shù)B。其中經(jīng)驗(yàn)公式中常數(shù)A一定時(shí)，系數(shù)B的大小反映了電流對(duì)超聲波輸出功率的靈敏度。B值越大靈敏度越高，反之靈敏度越小。當(dāng)電脫鹽罐電流變化較大時(shí)該值選取越??；當(dāng)電脫鹽罐電流變化較小時(shí)該值選取越大。

3.1 電脫鹽操作參數(shù)調(diào)整

電脫鹽注水：4%；

混合強(qiáng)度調(diào)整：一級(jí)為60～80kPa，二級(jí)為70～100kPa；

超聲波的調(diào)整：一級(jí)為220～270W；二級(jí)為240～290W；

電場(chǎng)強(qiáng)度的調(diào)整：一級(jí)變壓器13kV；二級(jí)為13kV或16kV。

3.2 摻煉達(dá)爾油情況

2013年12月19日常減壓裝置開(kāi)始摻煉4%達(dá)爾油，對(duì)電脫鹽做了如下調(diào)整：將破乳劑稍作調(diào)整；一級(jí)罐超聲波功率由 180W提至200W。2013年12月 21日化驗(yàn)脫后含鹽為3.96mg·L-1，大于設(shè)計(jì)值（脫后含鹽＜3mg·L-1）。

將二級(jí)電脫鹽罐變壓器檔位由原來(lái)13kV調(diào)整為16kV，調(diào)整后二級(jí)電脫鹽罐電流由210A上升至269A（平均值）。2013年12月 22日化驗(yàn)脫后含鹽為3.09mg·L-1，大于設(shè)計(jì)值（脫后含鹽＜3mg·L-1）。

將一級(jí)超聲波功率由200W逐步調(diào)整至240W；二級(jí)超聲波功率由250W逐步調(diào)整280W。摻煉達(dá)爾油4%和5%操作參數(shù)分別見(jiàn)表4和表5。

調(diào)試期間脫后含鹽情況見(jiàn)圖3。

表4 摻煉達(dá)爾油4%操作參數(shù)

表5 摻煉達(dá)爾油5%操作參數(shù)

圖3 調(diào)試過(guò)程中脫后原油鹽含量趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

對(duì)摻煉各種劣質(zhì)原油的裝置，采用超聲波-電脫鹽能夠起到更好的脫鹽破乳效果，尤其在摻煉達(dá)爾原油達(dá)4%～5%以上時(shí)，通過(guò)調(diào)整超聲波的功率和電脫鹽的一些操作參數(shù)，完全可以達(dá)到以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：脫后含鹽＜3mg·L-1；污水含油＜150×10-6；脫后原油含水＜0.2%；電脫鹽罐電流＜280A。通過(guò)調(diào)試，超聲波-電脫鹽完全可以摻煉5%甚至更高的達(dá)爾油，以及更多種類(lèi)的劣質(zhì)原油。

[1] 王志強(qiáng)，莊鎖良.加熱爐對(duì)流室爐管外壁化學(xué)清洗清灰鈍化技術(shù)的應(yīng)用[J].全面腐蝕控制，2007(21)：31-32.

[2] 唐孟海，胡兆靈.常減壓蒸餾裝置技術(shù)問(wèn)答[M].北京：中國(guó)石化出版社，2006.

[3] 侯俠，王靜. 影響電脫鹽裝置脫鹽效率的因素分析及改進(jìn)意見(jiàn)[J].石油化工應(yīng)用，2006(4)：37-40.

Application of Ultrasonic in Electric Desalination System

REN Jiazi, NIU Yourui, ZHANG Shuangyue
(Guangxi Petrochemical Company, CNPC, Qinzhou 535008, China)

TE 624.1

B

1671-9905(2017)01-0047-03

2016-11-24