超聲波-電脫鹽技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

左 艷 梅

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

原油輸送到煉油廠后除了夾帶少量的泥砂、鐵銹等固體外，雜質(zhì)主要是水和鹽。水的來源主要有：①油田開采出來的原油中所含的地下水；②二次、三次采油中的注水；③在煉油廠中為了洗鹽，往往也注入5%的水。鹽的來源主要是地下水溶解的鈉、鈣、鎂鹽，大多以氯化物的形式存在。當(dāng)含水原油進(jìn)行常壓蒸餾處理時(shí)，相對于其它烴類化合物，水是輕組分，被蒸至塔頂后造成精餾塔塔頂壓力過高，干擾常壓塔的平穩(wěn)操作，甚至引發(fā)沖塔事故。另外，在原油加熱或冷卻時(shí)，由于水的存在，會增加蒸汽或冷卻水的消耗量。一般要求原油經(jīng)過預(yù)處理后，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.06%。鹽分的存在會在水解后形成鹽垢，降低換熱器的換熱效率；鹽水解產(chǎn)生具有強(qiáng)腐蝕性的HCl，如果系統(tǒng)同時(shí)存在硫化物，則設(shè)備腐蝕更加嚴(yán)重。原油中的鹽類在蒸餾時(shí)，大多殘留在渣油和重餾分中，將影響石油產(chǎn)品的質(zhì)量[1]；油中的鈉鹽(Na+)對分子篩催化劑的晶格有破壞作用，會造成分子篩催化劑的永久性失活。一般要求油中的鹽(NaCl)質(zhì)量濃度不大于3 mg/L。

常壓蒸餾裝置是煉油裝置的能耗最大單元，能源消耗為全煉油廠能耗的20%～35%。目前現(xiàn)有電脫鹽裝置存在以下問題：注入水與破乳劑在油中混合的均勻程度、原油在電場中的停留時(shí)間、注水量及油水混合程度、電脫鹽裝置出來的污水處理等，還有裝置設(shè)備處理量大帶來的腐蝕問題及后續(xù)產(chǎn)品加工的難易及成本等[2]。因此，優(yōu)化電脫鹽裝置是常壓蒸餾裝置節(jié)能的措施之一。本課題以揚(yáng)州地區(qū)某石化企業(yè)500 kt/a常壓蒸餾裝置為研究對象，利用超聲波-電脫鹽技術(shù)代替原破乳劑-電脫鹽技術(shù)。本文主要介紹新技術(shù)投入后的效果。

1 電脫鹽工藝流程

1.1 原油二級脫鹽工藝流程

采用二級電脫鹽，根據(jù)裝置運(yùn)行需要可以選擇串聯(lián)和并聯(lián)的方式，原油在破乳劑、高壓電場作用下，水滴慢慢變成橢圓球體，隨著電場作用的增強(qiáng)，橢球的偏心率逐漸增大，當(dāng)電場超過某一臨界值，水滴變尖，甩出聚集，逐步變成水層，然后利用油水密度差將水從原油中沉降脫除。

原油脫鹽、脫水工藝流程級數(shù)的選定與原油的含鹽量和脫后原油的含鹽要求有關(guān)，一級脫鹽率可達(dá)90%～95%，為了深度脫鹽，往往采用二級電脫鹽甚至三級脫鹽工藝流程。原油二級脫鹽工藝流程見圖1。原油從原油罐經(jīng)原油泵輸送，破乳劑經(jīng)破乳劑泵輸送與原油混合，先通過4個(gè)換熱器預(yù)熱，將換熱后的原油與水、新鮮破乳劑在靜態(tài)混合器中混合后進(jìn)入一級和二級電脫鹽罐；在電脫鹽罐中，進(jìn)入一級脫鹽罐，電脫鹽一級注入水為5%～6%，二級脫鹽罐注入水為2%～3%，原油與破乳劑、水在電場及自身重力作用下進(jìn)行分離，原油中的鹽分溶解在水中，與水一起被脫除。在該過程中，需加入破乳劑進(jìn)行化學(xué)脫水，破乳劑通過計(jì)量泵分別注入一級和二級電脫鹽罐之前。除了注入破乳劑外，還需要注入5%左右的水進(jìn)行洗鹽，將新鮮水注入二級電脫鹽之前，再利用二級電脫鹽罐脫除的水注入一級電脫鹽罐之前進(jìn)行洗鹽[3-4]。一級電脫鹽罐脫除的污水排入污水處理系統(tǒng)。

圖1 原油二級脫鹽工藝流程

1.2 超聲波-電脫鹽技術(shù)

超聲波-電脫鹽技術(shù)的原理是基于超聲波作用下油包水型乳化液的破壞過程，油水性質(zhì)不同的流體介質(zhì)產(chǎn)生的位移效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)油水分離，水粒子將不斷向波腹或波節(jié)運(yùn)動，聚結(jié)并發(fā)生碰撞，生成直徑較大的水滴；因密度差異，水滴借助重力從油中沉降、分離，達(dá)到脫鹽脫水的目的。在超聲波中由于聲壓分布的不均勻性而導(dǎo)致原油中水粒子分布不均勻，從而更有利于水粒子的碰撞達(dá)到破乳的目的。

該企業(yè)原油脫鹽裝置利用工業(yè)低頻的二級交流電進(jìn)行處理，遵循的基本原則是保持原裝置工藝流程不變，在裝置上增加一條副線管路，再通過DCS控制的超聲波作用區(qū)安裝在副線管路上，如圖2所示。超聲波作用區(qū)主要包括驅(qū)動電源、DCS控制器、頻率自動跟蹤部件、震動子、超聲波換能器。

當(dāng)原油經(jīng)過與常壓側(cè)線及減壓渣油換熱到130 ℃時(shí)，注入5%～7%的新鮮水經(jīng)混合閥混合后進(jìn)入超聲波破乳，DCS控制頻率為10 kHz，混合閥前后壓降0.5 MPa，電脫鹽罐電壓6 kV，超聲功率160 W，打破原油的乳化狀態(tài)，聚集、分散后再進(jìn)入電脫鹽罐脫鹽、脫水。

圖2 超聲波-電脫鹽技術(shù)工藝流程

2 超聲波-電脫鹽技術(shù)效果

在相關(guān)操作條件及破乳劑加入量保持恒定的情況下，以1個(gè)月為期限，每天上午9:30和下午14:30各取1次分析樣品，分析采集的數(shù)據(jù)為超聲波系統(tǒng)投入使用前的數(shù)據(jù)；在停用破乳劑及其它相關(guān)操作條件不變的情況下，同樣以1個(gè)月為期限，每天上午9:30和下午14:30各取1次分析樣品，所得數(shù)據(jù)為超聲波系統(tǒng)投入使用后的數(shù)據(jù)。

2.1 脫鹽效率對比

超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后一級、二級電脫鹽結(jié)果見表1和表2。從表1可以看出，超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前，二級脫后鹽濃度平均為2.42 mg/L，鹽分總脫除率達(dá)到91.74%。從表2可以看出，超聲波-電脫鹽技術(shù)使用后，二級脫后鹽濃度平均值下降為1.67 mg/L，與超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前相比，含鹽量下降30.99%，鹽分總脫除率從91.74%上升到96.03%。而且，超聲波系統(tǒng)投入使用后，水滴分散很細(xì)，脫除效果明顯上升。

表2 超聲波-電脫鹽技術(shù)使用后一、二級電脫鹽結(jié)果

2.2 脫鹽后水中含油情況及COD對比

在揚(yáng)州地區(qū)某石化企業(yè)隨機(jī)抽取4組樣品，比較其脫鹽后水中含油情況，超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后水中含油情況對比照片見圖3。從圖3可以看出：①超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前，污水比較渾濁，顏色較深，可見污水中含油量較多，造成脫油帶水或水中含油情況較為嚴(yán)重，油水分離效果差；②超聲波-電脫鹽技術(shù)使用后，污水顏色逐漸變淺，油水界面層清晰，分離效果較好。

圖3 超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后水中含油情況對比照片

圖4 超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后污水中含油量的變化◆—超聲波技術(shù)使用前； ■—超聲波技術(shù)使用后。圖5同

超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后污水中含油量的變化(1個(gè)月)見圖4，污水中COD的變化見圖5。從圖4和圖5可以看出：在原有加工量不變的情況下，使用超聲波-電脫鹽技術(shù)后，污水中含油量及COD明顯下降且趨勢平穩(wěn)，污水中含油量從超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前的158.9 mg/L(平均值)下降為47.68 mg/L(平均值)，下降111.22 mg/L；污水中COD從超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前的2 845.0 mg/L(平均值)下降為1 067.5 mg/L(平均值)，下降1 777.5 mg/L。說明利用超聲波-電脫鹽技術(shù)代替原破乳劑-電脫鹽技術(shù)，能夠使操作平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)降低了污水中COD含量，使處理難度降低。

圖5 超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后污水中COD的變化

2.3 脫鹽后污水處理現(xiàn)場對比

超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前，為了降低電脫鹽污水中的含油量，加大了破乳劑的使用比例或使用高價(jià)位的復(fù)配破乳劑，經(jīng)過水質(zhì)檢測分析，破乳劑在污水中的殘留達(dá)到20 μg/g，破乳劑比例提高帶來的好處是污水中含油量下降，但含有大量表面活性劑的污水進(jìn)入高濃污水處理裝置后處理難度增大。超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后污水處理現(xiàn)場對比照片見圖6。從圖6可以看出：超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前，由于大量的表面活性劑存在會形成高濃泡沫，增加了污水處理的費(fèi)用，同時(shí)破乳劑本身成本增加；超聲波-電脫鹽技術(shù)使用后，停止使用破乳劑，所產(chǎn)生污水中的泡沫量下降，水質(zhì)檢測分析污水中油含量較低[5]。

圖6 超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前后污水處理現(xiàn)場對比照片

2.4 經(jīng)濟(jì)效益對比

利用超聲波-電脫鹽技術(shù)代替原破乳劑-電脫鹽技術(shù)，省去購買破乳劑的相關(guān)費(fèi)用。以常壓蒸餾裝置500 kt/a計(jì)算，若電脫鹽注入破乳劑的量為16 μg/g，市售破乳劑價(jià)格為1.5萬元/t計(jì)，則節(jié)約成本12萬元/a。利用超聲波-電脫鹽技術(shù)使用后，污水中含油量由原來的158.9 mg/L下降到47.68 mg/L，若每年開工以340天計(jì)，原油價(jià)格估計(jì)約3 800元/t，節(jié)約費(fèi)用3.44萬元/a。

實(shí)施超聲波脫鹽技術(shù)后可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定操作，減輕破乳劑使用設(shè)備突然跳停后造成常減壓蒸餾裝置停工的影響，同時(shí)也減輕對其它設(shè)備的沖擊影響[6]，總的脫鹽脫水效率明顯上升，可以在一定程度上提高處理量。當(dāng)排出的污水中不含破乳劑時(shí)，污水凈化和處理系統(tǒng)的成本大大降低，體現(xiàn)了節(jié)能減排的宗旨，一方面保護(hù)了環(huán)境，另一方面節(jié)約了成本。

3 結(jié) 論

(1)超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前，二級脫后鹽濃度平均為2.42 mg/L，鹽分總脫除率為91.74%；超聲波-電脫鹽技術(shù)使用后，二級脫后鹽濃度平均值下降為1.67 mg/L，與超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前相比，含鹽量下降30.99%，鹽分總脫除率上升到96.03%。而且，超聲波系統(tǒng)投入使用后，水滴分散很細(xì)，脫除效果明顯上升。

(2)在原有加工量不變的情況下，使用超聲波-電脫鹽技術(shù)后，污水中含油量從超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前的158.9 mg/L下降為47.68 mg/L；污水中COD從超聲波-電脫鹽技術(shù)使用前的2 845.0 mg/L下降為1 067.5 mg/L。說明利用超聲波-電脫鹽技術(shù)代替原破乳劑-電脫鹽技術(shù)，能夠使操作平穩(wěn)進(jìn)行。

(3)利用超聲波-電脫鹽技術(shù)代替原破乳劑-電脫鹽技術(shù)，每年可節(jié)約破乳劑成本12萬元，節(jié)約原油處理成本3.44萬元。

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