膜強(qiáng)化脫鹽技術(shù)在6.0 Mt/a常減壓蒸餾裝置上的應(yīng)用

徐 建,陳 波,林志強(qiáng),夏偉健,高 健

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

原油預(yù)處理即對(duì)原油進(jìn)行脫鹽、脫水及脫金屬等，其效果直接關(guān)系到后續(xù)生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和煉油廠的經(jīng)濟(jì)效益。目前煉油廠主要采用電脫鹽進(jìn)行原油預(yù)處理,即在原油中注入一定量的新鮮水，在靜態(tài)混合器的作用下充分混合，然后在破乳劑和高壓電場(chǎng)的作用下，使微小水滴逐步聚集成較大水滴，借助重力從油中沉降分離，達(dá)到脫鹽脫水的目的。

某公司6 Mt/a常減壓蒸餾裝置(以下簡(jiǎn)稱Ⅱ常裝置)于2009年3月投產(chǎn)，電脫鹽采用兩級(jí)交直流技術(shù)，單罐容積580 m3，原油停留時(shí)間45 min，注水為原油量的5%左右，使用油溶性破乳劑，脫后鹽質(zhì)量濃度在2.5～5.0 mg/L，脫鹽率為70%～75%。

由于Ⅱ常裝置加工原油種類繁多，性質(zhì)復(fù)雜多變，因此裝置面臨很多問題。由于受到原油劣質(zhì)化、開采過程中添加大量聚丙烯酰胺等化工助劑及污油回?zé)挼挠绊懀娒擕}系統(tǒng)存在下面幾個(gè)主要問題: (1)原油中含有大量的細(xì)微固體小顆粒(粒徑小于5 μm),此類顆粒為天然的乳化劑，既親油又親水，容易形成油-水-固三相“包裹”的乳化態(tài)穩(wěn)定相；(2)乳化態(tài)穩(wěn)定相懸浮于電脫鹽罐的油相與水相之間，難以通過高壓電場(chǎng)和添加破乳劑使之有效分離，導(dǎo)致電脫鹽電流升高，能耗增大，脫后油中水或水中油含量超標(biāo)；(3)固體小顆粒經(jīng)電脫鹽裝置進(jìn)入Ⅱ常減壓以及柴油加氫裝置,造成常減壓蒸餾裝置換熱器及常壓塔內(nèi)構(gòu)件結(jié)垢堵塞，甚至影響柴油加氫產(chǎn)品質(zhì)量；(4)側(cè)線含大量雜質(zhì)，造成塔盤、側(cè)線管線和換熱器等設(shè)備結(jié)垢，同時(shí)由于雜質(zhì)絮狀顆粒物吸附水和鹽類，引起常壓塔件及相連設(shè)備垢下腐蝕加劇，對(duì)裝置長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)影響較大[1]。

針對(duì)電脫鹽裝置存在的問題，Ⅱ常裝置在保持原有電脫鹽的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)改造，在電脫鹽前新增加了一套膜強(qiáng)化脫鹽系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱膜脫鹽)。改造后采用膜脫鹽+電脫鹽組合工藝，一方面可以有效脫除原電脫鹽工藝無法脫除的固體小顆粒，并能減輕裝置腐蝕等；另一方面可以降低電脫鹽裝置破乳劑用量，也能降低裝置用電量，節(jié)能降耗效果明顯。

1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

膜強(qiáng)化傳質(zhì)是一種新型的傳質(zhì)技術(shù)，兩相在膜接觸器內(nèi)的接觸方式不是常規(guī)的混合分散式液滴之間的球面接觸，而是非分散式液膜之間的平面接觸。

根據(jù)膜強(qiáng)化傳質(zhì)技術(shù)原理，開發(fā)的膜接觸器是一種靜態(tài)接觸設(shè)備。反應(yīng)器內(nèi)裝有大量具有一定規(guī)格和形態(tài)的細(xì)長(zhǎng)纖維，當(dāng)油相和水相分別順著纖維向下流動(dòng)時(shí)，因油水表面張力和對(duì)纖維的親和性不同，水相優(yōu)先潤(rùn)濕纖維束，被纖維拉成一層極薄的膜，從而使小體積的水相擴(kuò)展成大面積的液膜，此時(shí)油相順著已被水相浸潤(rùn)的纖維流下，并與液膜之間存在一定的摩擦力，從而使液膜變得更薄。由于油水兩相是在平面膜上發(fā)生接觸，在接觸過程中進(jìn)行傳質(zhì)，因此膜接觸器具有接觸面積大、傳質(zhì)效率高和不易形成油水乳化等優(yōu)點(diǎn)。

膜強(qiáng)化傳質(zhì)技術(shù)反應(yīng)器如圖1所示，反應(yīng)器內(nèi)纖維表面油水兩相流動(dòng)情況如圖2所示。

圖1 膜強(qiáng)化傳質(zhì)技術(shù)反應(yīng)器示意

圖2 纖維表面油水兩相流動(dòng)示意

膜接觸器內(nèi)部裝有無數(shù)細(xì)長(zhǎng)的纖維。膜接觸器內(nèi)傳質(zhì)效率M由下列三項(xiàng)因素決定：

M=K×A×ΔC

式中:M——傳質(zhì)效率，kmol/m；

K——兩相之間特定的傳質(zhì)系數(shù)；

A——兩相接觸的有效面積,m2；

ΔC——兩相間濃度差推動(dòng)力,kmol/m3。

由上式可以看出，增大兩相接觸有效面積是提高傳質(zhì)效率的最有效手段。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1.2.1 技術(shù)特點(diǎn)

膜脫鹽技術(shù)以膜接觸器為核心，結(jié)合獨(dú)特的填料“表面活性”處理技術(shù)，與電脫鹽相比可以在高空速和無電場(chǎng)的條件下實(shí)現(xiàn)原油的高效脫鹽、脫水，并可有效降低原油脫后切水中的油含量，具有效率高、能耗低、安全性高、運(yùn)行成本低和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)。

1.2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

膜脫鹽技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：運(yùn)行費(fèi)用低，無需破乳劑和高壓電場(chǎng)；過程環(huán)保，切水油含量和COD(化學(xué)耗氧量)含量低；預(yù)處理效果好，有利于裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。技術(shù)對(duì)比見表1。

表1 膜強(qiáng)化傳質(zhì)技術(shù)與電脫鹽技術(shù)對(duì)比

2 工藝流程

原油經(jīng)換熱和加注破乳劑后從靜態(tài)混合器前引出，跨過靜態(tài)混合器直接進(jìn)入膜接觸器內(nèi)，膜接觸器通過法蘭連接，置于油水分離罐上的一端(稱之為近端)。原油從膜接觸器頂部進(jìn)入，注水(含適量助劑)從膜接觸器頂部側(cè)面進(jìn)入，原油與注水在膜接觸器內(nèi)充分接觸，完成高效傳質(zhì)。完成傳質(zhì)的原油和注水從膜接觸器底部出來，直接進(jìn)入一級(jí)油水分離罐內(nèi)進(jìn)行油水沉降分離。

經(jīng)沉降分離的原油從油水分離罐上的另一端(稱之為遠(yuǎn)端)溢出，進(jìn)入一級(jí)電脫鹽罐內(nèi)，之后的工藝流程按照原電脫鹽工藝流程保持不變。切水可以單注單切，也可以回注。在膜接觸器注水線上設(shè)有常二/常三線柴油清洗線和蒸汽線，主要用于膜接觸器定期在線清洗和吹掃。工藝流程見圖3，改造完成后現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

圖3 膜脫鹽工藝流程示意

圖4 現(xiàn)場(chǎng)膜脫鹽照片

3 裝置應(yīng)用

3.1 投用過程

膜脫鹽項(xiàng)目自2019年6月22日正式開始施工，于2019年10月初完工，并順利通過驗(yàn)收，共歷時(shí)100余天。隨后經(jīng)過投產(chǎn)準(zhǔn)備工作，膜脫鹽系統(tǒng)于10月16日正式開始引油，經(jīng)過充裝、沉降和觀察等階段后，于10月18日21時(shí)20分，將切水并入污水系統(tǒng)外排，膜脫鹽并入電脫鹽系統(tǒng)，正式進(jìn)入運(yùn)行階段。

3.2 運(yùn)行參數(shù)

膜脫鹽系統(tǒng)運(yùn)行效果，不但與原油性質(zhì)有關(guān)，而且受運(yùn)行溫度、壓力、加工量、注水量和界位等因素影響。膜脫鹽系統(tǒng)投用后經(jīng)優(yōu)化調(diào)整，操作參數(shù)見表2。

表2 膜脫鹽運(yùn)行參數(shù)

3.3 運(yùn)行效果分析

運(yùn)行過程中，根據(jù)原油性質(zhì)和脫鹽、脫水效果，對(duì)運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并對(duì)膜脫鹽前后原油鹽含量和水含量、切水油含量、系統(tǒng)壓力降、電耗和劑耗等指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

3.3.1 單級(jí)膜脫鹽情況

在系統(tǒng)原油加工量620 t/h左右、注水量16 t/h條件下，膜脫鹽前原油鹽質(zhì)量濃度平均值為18.8 mg/L，膜脫鹽后原油鹽質(zhì)量濃度平均值為8.8 mg/L。膜脫鹽系統(tǒng)脫鹽率約為53.2%。數(shù)據(jù)詳見圖5。

圖5 膜脫鹽前原油鹽質(zhì)量濃度

從圖5可以看出，膜脫鹽前鹽質(zhì)量濃度為18.8 mg/L，鹽最大質(zhì)量濃度為140.0 mg/L。

膜脫鹽后原油含鹽趨勢(shì)見圖6。從圖6可以看出，膜脫鹽后鹽質(zhì)量濃度平均為8.8 mg/L，鹽最大質(zhì)量濃度為46.4 mg/L。

圖6 膜脫鹽后原油鹽質(zhì)量濃度

3.3.2 二級(jí)電脫鹽后脫鹽情況

膜脫鹽后的原油進(jìn)入電脫鹽裝置，經(jīng)電脫鹽處理后，原油鹽質(zhì)量濃度平均降至2.7 mg/L，滿足常減壓生產(chǎn)要求(見圖7和圖8)。

圖8 二級(jí)電脫鹽后原油總脫鹽率

3.3.3 膜脫鹽前后原油含水情況

膜脫鹽系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)膜脫鹽前后原油進(jìn)行水含量分析。膜脫前原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖9。從圖9可以看出，膜脫鹽前水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%，水最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%。膜脫鹽后原油含水趨勢(shì)見圖10。從圖10可以看出，膜脫鹽后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為1.4%。

圖9 膜脫鹽前原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖10 膜脫鹽后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從膜脫鹽前后原油水含量數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)原油加工620 t/h左右，注水量16 t/h，膜脫鹽前水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%，膜脫鹽后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%，滿足膜脫鹽后水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.5%指標(biāo)要求。

3.3.4 二級(jí)電脫鹽后原油含水情況

二級(jí)脫鹽后原油水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖11。

圖11 二級(jí)脫鹽后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖11可以看出，膜脫鹽后的原油經(jīng)過二級(jí)電脫鹽后，原油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.29%，滿足常減壓工藝指標(biāo)要求。

3.3.5 切水含油情況

膜脫鹽切水COD均值為1 937 mg/L，含油質(zhì)量濃度為85.6 mg/L，均處于良好狀態(tài)，滿足技術(shù)協(xié)議指標(biāo)，即切水油質(zhì)量濃度≤200 mg/L的要求。見圖12和圖13。

圖12 膜脫鹽切水COD趨勢(shì)

圖13 膜脫鹽切水含油趨勢(shì)

3.3.6 壓力降情況

運(yùn)行期間，膜脫鹽系統(tǒng)入口和罐體壓力為 0.9～1.2 MPa，壓力降為0.07～0.08 MPa，在正常范圍，運(yùn)行平穩(wěn)，期間未發(fā)生較大壓力降波動(dòng)，滿足長(zhǎng)周期運(yùn)行要求。具體變化情況見圖14。

圖14 膜脫鹽系統(tǒng)壓力和壓力降

3.3.7 電耗情況

根據(jù)膜脫鹽及電脫鹽運(yùn)行情況，結(jié)合膜脫鹽及電脫鹽脫后數(shù)據(jù)，對(duì)裝置能耗進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)電脫鹽變壓器和電壓作出調(diào)整，將電脫鹽一級(jí)變壓器檔位由三檔調(diào)至四檔，變壓器電壓由20 000 V降至15 000 V。調(diào)整后，一級(jí)電脫鹽電流由 7.5 A 降至4.4 A。一級(jí)電脫鹽電流實(shí)際降幅約為3.1 A，每小時(shí)節(jié)電138.2度，年節(jié)省電耗約為468×103度，年節(jié)約成本約為65萬元(電力成本按0.56元/kW·h)。

二級(jí)電脫鹽變壓器檔位由三檔調(diào)至四檔，電脫鹽變壓器電壓由20 000 V降至15 000 V。調(diào)整后，二級(jí)電脫鹽電流由6.3 A降至3.8 A且調(diào)整后，電脫鹽電流基本穩(wěn)定。每小時(shí)節(jié)省電耗112.4度。年節(jié)省電耗約為944.16×103度。年節(jié)約成本約為52.87×104RMB￥(電力成本按0.56元/kW·h)。

通過對(duì)電脫鹽變壓器的檔位調(diào)整，可達(dá)到節(jié)省裝置運(yùn)行成本的目的，并且根據(jù)調(diào)整后的數(shù)據(jù)分析，電脫鹽變壓器電壓調(diào)整后，未對(duì)電脫鹽運(yùn)行效果造成影響。一級(jí)和二級(jí)電脫鹽總計(jì)節(jié)省加工成本117.87×104RMB￥/a。

3.3.8 注劑使用情況

膜脫鹽投用前，根據(jù)原油加工計(jì)劃及實(shí)際運(yùn)行情況，破乳劑注入量按7 μg/g進(jìn)行加注;膜脫鹽投用后，膜脫鹽系統(tǒng)未加注破乳劑，電脫鹽破乳劑注入量穩(wěn)定在7 μg/g。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)切水分析數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電脫鹽系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。綜上所述，膜脫鹽系統(tǒng)目前未增加藥劑成本。

3.3.9 加工劣質(zhì)原油能力

膜脫鹽系統(tǒng)投用后，裝置加工劣質(zhì)原油適應(yīng)能力有了顯著提高，裝置摻煉劣質(zhì)原油期間，膜脫鹽和電脫鹽運(yùn)行穩(wěn)定，脫鹽率和切水情況均好于膜脫鹽投用前數(shù)據(jù)(見表3)。

表3 系統(tǒng)投用前后分析對(duì)比

3.3.10 橫向?qū)Ρ?/p>

對(duì)標(biāo)中石化《煉油生產(chǎn)裝置基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯編》，電脫鹽一級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度12.32 mg/L，二級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度3.43 mg/L。選取原油性質(zhì)與公司接近的Q石化8 Mt/a常減壓裝置采用三級(jí)電脫鹽，二級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度5.5 mg/L,三級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度4.6 mg/L;T煉油廠常減壓裝置采用三級(jí)電脫鹽，二級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度12 mg/L,三級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度3.86 mg/L；H石化常減壓裝置采用三級(jí)電脫鹽，二級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度 12.44 mg/L,三級(jí)脫后鹽質(zhì)量濃度2.42 mg/L;D石化二常膜脫鹽+電脫鹽組合運(yùn)行情況：2019年7月1日—9月30日，脫后鹽質(zhì)量濃度2.77 mg/L；2019年11月1日—12月25日，脫后鹽質(zhì)量濃度2.22 mg/L，且期間裝置摻煉了高氯原油以及大量蓬萊原油，膜脫鹽系統(tǒng)投用對(duì)整體脫鹽率提高19.85%，平均數(shù)據(jù)顯著低于中石化平均水平。具體見表4。

表4 系統(tǒng)投用前后分析數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3.11 存在問題和解決措施

(1)存在問題

運(yùn)行期間，雖然膜脫鹽系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，脫后水含量和切水油含量均達(dá)到技術(shù)協(xié)議指標(biāo)要求，裝置節(jié)能降耗效果明顯，但仍然存在脫鹽率偏低，與技術(shù)協(xié)議要求存在一定偏差的問題。分析認(rèn)為,主要由以下兩方面原因?qū)е拢?/p>

①通常情況下，原油膜脫鹽預(yù)處理裝置采用兩級(jí)處理模式或兩開一備三級(jí)處理模式，即第一級(jí)確保切水合格，第二級(jí)確保脫后含鹽和含水合格[2]。由于本項(xiàng)目采用膜脫鹽+電脫鹽組合模式，膜脫鹽系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到油品性質(zhì)較差，雜質(zhì)含量較高，且含有大量的化學(xué)助劑及懸浮物，為確保裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，避免原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和雜質(zhì)等堵塞膜接觸器，反應(yīng)器填料裝填量略有下調(diào)。反應(yīng)器裝填量的減少，造成了油水接觸不完全，油中部分鹽無法進(jìn)入水相。

②油和水進(jìn)入反應(yīng)器后沒有達(dá)到預(yù)期的分布效果，沒有充分與填料接觸，同樣會(huì)造成油水傳質(zhì)不徹底，油中部分鹽無法進(jìn)行脫除。

(2)解決措施

針對(duì)目前存在的不足，計(jì)劃后期對(duì)膜脫鹽系統(tǒng)進(jìn)行整改，通過優(yōu)化增加膜接觸器填料的裝填量，以達(dá)到脫后含鹽滿足技術(shù)協(xié)議指標(biāo)要求。

由于當(dāng)前將膜脫鹽系統(tǒng)單獨(dú)切換出來，進(jìn)行膜接觸器的改造會(huì)影響到電脫鹽裝置的正常運(yùn)行和生產(chǎn)穩(wěn)定，考慮到采取現(xiàn)有的膜脫鹽+電脫鹽組合模式，總脫鹽率能夠滿足生產(chǎn)要求，膜脫鹽系統(tǒng)的改造推遲至裝置大檢修時(shí)進(jìn)行，目前繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化,維持平穩(wěn)運(yùn)行。

4 工業(yè)應(yīng)用總評(píng)價(jià)

(1)運(yùn)行期間，脫鹽和防腐效果良好，大大提高了裝置的抗沖擊能力，較好地保證了裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

(2)膜脫鹽后原油鹽質(zhì)量濃度為8.8 mg/L，脫鹽率為53.2%，經(jīng)二級(jí)電脫鹽裝置處理后，原油鹽質(zhì)量濃度為2.7 mg/L，總體滿足生產(chǎn)要求，脫鹽水平達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平。

(3)通過工藝優(yōu)化，膜脫鹽后油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%，滿足技術(shù)協(xié)議指標(biāo)要求，經(jīng)過二級(jí)電脫鹽后，脫后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29%，滿足常減壓蒸餾裝置生產(chǎn)要求。

(4)膜脫鹽切水COD均值為1 937 mg/L，油質(zhì)量濃度為85.6 mg/L，完全滿足技術(shù)協(xié)議指標(biāo)要求。

(5)運(yùn)行期間，壓力降維持在0.07～0.08 MPa，期間未發(fā)生較大壓力降波動(dòng)，膜脫鹽系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

(6)膜脫鹽系統(tǒng)投用后，電脫鹽變壓器檔位進(jìn)行了調(diào)整，達(dá)到了裝置運(yùn)行成本降低的目的。另外，根據(jù)調(diào)整后的化驗(yàn)數(shù)據(jù)跟蹤情況，電脫鹽變壓器電壓調(diào)整后未對(duì)電脫鹽運(yùn)行效果造成影響。根據(jù)計(jì)算，預(yù)計(jì)一、二級(jí)電脫鹽總計(jì)節(jié)省加工成本117.87×104RMB￥/a。

(7)膜脫鹽系統(tǒng)未加注破乳劑，電脫鹽系統(tǒng)保持7 μg/g進(jìn)行加注，運(yùn)行效果良好，與膜脫鹽投用前注劑量一致，未增加注劑成本。