高效靜電聚結(jié)油水分離技術(shù)研究*]

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

隨著海洋油田進(jìn)一步開發(fā)，其產(chǎn)出液水含量大幅增加，導(dǎo)致平臺(tái)上原有的預(yù)處理設(shè)備和水處理設(shè)備不能滿足油水分離要求，但改造方案往往受制于有限的平臺(tái)空間和成本，因而提高原有設(shè)備效率或采用高效且規(guī)模小的設(shè)備成了有效解決生產(chǎn)問(wèn)題的途徑。

相關(guān)資料[1-5]顯示，國(guó)外目前在高含水原油脫水領(lǐng)域推出油水分離設(shè)備的廠家有Hamworthy,AkerSolutions和NATCO等，其代表性靜電預(yù)聚結(jié)器技術(shù)有EIPC(電脈沖感應(yīng)聚結(jié)器)、CEC(緊湊型靜電聚結(jié)器)和VIEC(容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器)。國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，研究人員[6-13]雖然認(rèn)識(shí)到了絕緣電極在高含水原油油水分離技術(shù)中的重要性，也進(jìn)行了相關(guān)的研究，但仍存在一系列問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用效果較差，加之國(guó)外的技術(shù)保密，現(xiàn)在急需開發(fā)新型的靜電聚結(jié)油水分離技術(shù)。通過(guò)篩選合適的絕緣材料，研究了電壓、溫度、沉降時(shí)間和水含量等因素對(duì)靜電聚結(jié)油水分離技術(shù)的影響。

1 試驗(yàn)儀器和方法

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

試驗(yàn)選用原油為中海油QHD32-6，原油性質(zhì)見表1。

試驗(yàn)儀器主要有電脫水試驗(yàn)儀、萬(wàn)能擊穿裝置、FM200無(wú)極調(diào)速乳化剪切試驗(yàn)機(jī)、尼康TS100F顯微系統(tǒng)、SYP型智能玻璃恒溫水浴和水含量分析儀等。

表1 中海油QHD32-6原油性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 乳化液制備方法

試驗(yàn)中采用一步乳化法制備乳化液，即在含有親油性乳化劑的油中加入少量水先制成W/O(油包水)型乳狀液，然后再繼續(xù)加含有親水性乳化劑的水得到(W/O)/W型多重乳狀液，或者將含有親油性乳化劑的油和含有親水性乳化劑的水溶液直接混合，在機(jī)械攪拌作用下生成。

實(shí)際操作條件：剪切速度為8 000 r/min，剪切時(shí)間為5 min。為最大程度模擬現(xiàn)場(chǎng)乳化液情況，要求制備出的乳化液在室溫放置48 h且沒(méi)有分層現(xiàn)象。

1.2.2 電脫水試驗(yàn)方法

(1)將50～70 g乳化液放入不銹鋼電脫鹽罐中(為保證水含量分析時(shí)所需原油量，水含量高乳化液取樣較多)；

(2)放入絕緣電極并蓋好蓋子，將不銹鋼電脫鹽罐放入已預(yù)熱至所需溫度電脫鹽試驗(yàn)儀中；

(3)預(yù)熱15 min使乳化液達(dá)到試驗(yàn)溫度，然后向絕緣電極施加電壓一定時(shí)間；

(4)試驗(yàn)結(jié)束后，停止加電，取電脫鹽罐內(nèi)上部分離后原油20 g左右分析水含量。

1.2.3 分析檢測(cè)方法

試驗(yàn)中采用蒸餾法測(cè)量原油的含水率，其采用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 260—2016《石油產(chǎn)品水含量的測(cè)定 蒸餾法》。試樣的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中:C為水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；V為接收器中水的體積，mL；ρ為水的密度，g/cm3；m為試樣的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 絕緣材質(zhì)的影響

試驗(yàn)中分別制備了3種不同絕緣材質(zhì)的復(fù)合電極(分別為M1,M2和M3)，考察這3種材料在不同電壓下原油的靜電聚結(jié)脫水效果。

試驗(yàn)條件：溫度為80 ℃，加電場(chǎng)時(shí)間10 min，乳化液水質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 3種絕緣材料靜電聚結(jié)脫水效果

從圖1可以看出，原油的脫后含水率隨施加電壓的增大而變小，符合電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)聚結(jié)沉降的影響規(guī)律，但是這3種材質(zhì)的電極表現(xiàn)出來(lái)的下降趨勢(shì)卻有明顯差別，總的來(lái)說(shuō)對(duì)于水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的乳化液，3種絕緣材料的脫水性能從高到低依次為M2>M1>M3。

M3材質(zhì)電極的脫水效果最差，推斷是與同一直徑下M3材質(zhì)較厚有關(guān)，從絕緣電極構(gòu)成的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式(2)可以看出：隨著絕緣層厚度的增加，電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生衰減效應(yīng)，從而導(dǎo)致M3材質(zhì)電極的脫水效果差。此外，由于M3純度問(wèn)題存在經(jīng)常性的點(diǎn)擊穿現(xiàn)象。

(2)

式中：Ee為絕緣電極形成的電場(chǎng)強(qiáng)度,V/cm；U為施加的電壓,V；L為電極間距,cm；t為絕緣層厚度,cm；εe為乳化液介電常數(shù),F/m；εt為絕緣層介電常數(shù),F/m。

2.2 絕緣層厚度的影響

選用M2材質(zhì)的絕緣材料，分別制備厚度為一層和兩層的絕緣電極，考察不同電壓下絕緣層厚度對(duì)原油靜電聚結(jié)脫水的影響。

試驗(yàn)條件：溫度為80 ℃，加電場(chǎng)時(shí)間30 min，配制水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的乳化液。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 絕緣電極在不同電壓下的脫水效果對(duì)比

從圖2可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下單層電極的脫水效果要明顯優(yōu)于雙層電極。其主要是由于同一材質(zhì)的雙層電極對(duì)于電場(chǎng)的衰減更加明顯。但絕緣層厚度增加其耐電壓能力顯著提高,單、雙層電極擊穿電壓分別在3 000 V和8 000 V左右，大大提高了使用的安全穩(wěn)定性，因此可以通過(guò)提高施加電壓來(lái)彌補(bǔ)由于絕緣層厚度增加帶來(lái)的電場(chǎng)強(qiáng)度損失。

2.3 電壓的影響

試驗(yàn)條件：溫度為80 ℃，加電場(chǎng)時(shí)間20 min，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的乳化液，單層M2材質(zhì)電極?？疾烊榛涸?00～2 800 V不同電壓下的靜電聚結(jié)脫水效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 電壓與脫水效果關(guān)系

從圖3可以看出，在相同試驗(yàn)條件下，隨著電壓升高，乳化液的脫后含水呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，脫水率則呈升高趨勢(shì)。在這一過(guò)程中，當(dāng)外部施加電壓大于800 V時(shí)，脫水率出現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，這時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%乳化液的脫水率可以上升到82%，如果使脫水率控制在91%以上，則需外部施加電壓升至2 800 V。因此，在絕緣電極耐壓范圍內(nèi)適度升高電場(chǎng)強(qiáng)度可以明顯改善原油乳化液的脫水效果。

2.4 溫度的影響

試驗(yàn)條件：加電場(chǎng)時(shí)間20 min，電壓2 000 V,水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的乳化液?？疾烊榛涸?0～100 ℃不同溫度下的靜電聚結(jié)脫水效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 溫度與脫水效果關(guān)系

從圖4可以看出，在相同條件下脫水率隨著溫度的升高而增大，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，脫后含水率則呈下降趨勢(shì)，在70 ℃附近趨勢(shì)變化顯著。這是由于溫度提高后，一方面可以增加乳化劑的溶解度，降低界面上的吸附量，削弱了保護(hù)膜；另一方面使油水乳化液的黏度降低，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，增加水滴碰撞聚結(jié)機(jī)會(huì)。此外,溫度的升高，可以增大油水密度差，促進(jìn)水沉降速度增加。70 ℃前后乳化液的黏度變化，可以判別70 ℃后脫水率增幅不大的原因主要是黏度差變小造成的。

2.5 停留時(shí)間的影響

試驗(yàn)條件：溫度為80 ℃，加電場(chǎng)時(shí)間20 min，電壓2 000 V,水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%和60%的乳化液。考察乳化液在4～40 min不同停留時(shí)間下的靜電聚結(jié)脫水效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 停留時(shí)間與脫水效果關(guān)系

圖5試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著停留時(shí)間增加，40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))乳化液和60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))乳化液的脫后含水均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，相應(yīng)的乳化液脫水率則是上升趨勢(shì)。當(dāng)停留時(shí)間延長(zhǎng)至10 min時(shí)，脫水率變化趨勢(shì)較大，可達(dá)到80%以上。這表明在保證處理量的前提下，適當(dāng)增加油水混合物在罐中的停留時(shí)間可以對(duì)脫水效果的提升起到一定作用。

2.6 乳化液水含量的影響

油田采出液中水含量的數(shù)值并不是一成不變的，為提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性,需要考慮不同水含量的油田采出液對(duì)電場(chǎng)穩(wěn)定性的沖擊。

試驗(yàn)條件：溫度為80 ℃，加電場(chǎng)時(shí)間20 min，電壓2 000 V，所用電極為單層M2材質(zhì)電極。配制水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，30%，40%，50%和60%的穩(wěn)定乳化液，考察不同水含量的乳化液的靜電聚結(jié)脫水效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 乳化液水含量與脫水效果關(guān)系

從圖6可以看出，在其他條件不變時(shí)，隨著乳化液水含量增加，脫后水含量增加，脫水率降低。其中，脫后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.15%增加到10.8%，而脫水率從89.3%降低至84.67%。但總的來(lái)說(shuō)該絕緣電極對(duì)20%～60%的乳化液均有較好的脫水效果，脫水率均大于84%。

2.7 動(dòng)態(tài)靜電聚結(jié)脫水試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：臥式靜電聚結(jié)分離器，平板絕緣電極，極板間距約25 mm，分離器下部水相溫度75 ℃，上部油相溫度70 ℃，取樣間隔20 min，試驗(yàn)裝置見圖7?？疾靹?dòng)態(tài)條件下停留時(shí)間和電壓對(duì)靜電聚結(jié)脫水效果的影響，結(jié)果見圖8和圖9。

圖7 動(dòng)態(tài)脫水示意圖

從圖8試驗(yàn)結(jié)果看出：在相同條件下，當(dāng)外部施加的電壓從2 000 V逐步升高至6 000 V，乳化液的脫水率變化不是很明顯，脫水率僅僅從96.2%提高至97.4%，只提升了1.2%，增長(zhǎng)幅度不大，說(shuō)明只要是在電壓合適的情況下，選擇通過(guò)提高外部施加的電場(chǎng)方式來(lái)提高脫水率所起到的作用不大，這點(diǎn)與靜態(tài)試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖8 電壓與脫水效果關(guān)系

圖9 停留時(shí)間與脫水效果關(guān)系

對(duì)停留時(shí)間的考察可以從圖9所示的試驗(yàn)結(jié)果看出，隨著乳化液在分離器內(nèi)停留時(shí)間的延長(zhǎng)，脫水率有上升趨勢(shì)，脫后水含量有所下降。當(dāng)停留時(shí)間為7.9 min時(shí)，乳化液脫水率為89.6%，當(dāng)停留時(shí)間延長(zhǎng)至9.5 min，乳化液脫水率為96.4%。

3 結(jié) 論

以海上平臺(tái)采出液QHD32-6原油為試驗(yàn)原料，通過(guò)研究高效靜電聚結(jié)油水分離的技術(shù)特征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)通過(guò)制作M2材質(zhì)的復(fù)合電極，在優(yōu)化條件下(溫度不低于70 ℃，電壓2 000 V左右，停留時(shí)間不低于10 min)，對(duì)于水含量不同的QHD32-6乳化液，其脫水率均可達(dá)到80%。

(2)在所考察的影響靜電聚結(jié)脫水的因素中，起主要作用的是溫度和電壓，沉降時(shí)間以及乳化液水含量作用較小。當(dāng)其他條件一定時(shí)，升高電壓和升高脫水溫度都可提高乳化液的油水分離效果。

(3)溫度考察試驗(yàn)表明，QHD32-6原油乳化液的脫水率在70 ℃附近存在一個(gè)比較明顯的變化點(diǎn)。若低于此溫度，脫水率隨溫度升高提高幅度較大;高于該溫度，脫水率則隨溫度升高而提升緩慢。

(4)增加絕緣材料的復(fù)合厚度能夠提高絕緣電極的耐擊穿電壓，增加其在高含水乳化液中使用的穩(wěn)定性。

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