原油电脱盐的基本原理.doc

原油电脱盐的基本原理存在于原油中的水和溶于水的盐份，一般可以通过洗涤罐和沉降罐依靠油水密度差的重力沉降来脱去水和盐，但是由于原油中的水与油是以乳化液的小水滴形式存在时，仅靠此法来脱水和脱盐，则效率低，效果差，难以脱净，不能满足炼油厂深度加工对原油品质指标的要求。国内外技术专家仔细深入地研究了原油中以乳化状态下存在的小水滴在原油中运动的种种特性，提出了施加高压电，加破乳剂，加温和注水混合等一系列综合措施与技术参数，借助物理凝聚与分离相结合的方法，可以达到高效脱净原油中水和盐的目的。1、 原油中微小水滴的受力与运动分析 在原油电脱盐过程中，原油和水（含盐）的分离主要还是依靠油水密度差的重力沉降来实现的，但是这个密度差很小，水滴在粘稠的原油中沉降时受到可观的阻力，影响分离速度。根据斯托克斯定律：粒子（小水滴）在介质（原油）中沉降时受到的摩擦阻力可以表示为：F=6ru式中：f 为粒子在沉降中受到的摩擦阻力 为介质粘度系数 r 为粒子的半径u 为粒子的沉降速度而在粘稠的介质（原油）中，粒子（小水滴）的沉降速度 u 又可以表示为： 式中：d 为粒子直径 p 为油水密度差 g 为重力加速度 可见，增大油水密度差p 和减小分散介质的粘度均有利于加大水滴的沉降速度，而沉降速度又与水滴直径平方成正比，所以在原油电脱盐中，我们要力图控制各种因素，创造条件使微小的水珠聚结变大，加速水滴沉降的油水分离过程。2、 破乳剂对原油电脱盐的作用微小水珠聚结变大成大水滴的主要障碍是其表面有一层坚固的乳化膜，而破乳剂具有亲水亲油两种基因结构，它比乳化剂形成乳化膜具有更小的表面张力和更高的表面活性，使用破乳剂更可破坏乳状液的稳定性，使小水珠易于聚结。乳化液的具体特性与原油及其中存在的乳化剂有关，目前国内外尚无广谱效力的破乳剂可供工业上通用，因而对每一种原油而言，均要通过具体的实验评价，才能选出一种（或几种）有针对性的有效破乳剂型号，其评选的标准是破乳速度快，油水界面清楚，脱后油中含水少，脱出水中含油少，用量少，价格低，毒性小。在特殊情况下，也有采用几种破乳剂按一定比例进行复配的方法，对付某些原油，破乳效果比使用单一破乳剂效果好。3、 电场对原油电脱盐的作用原油中乳化液比较稳定，单凭破乳剂的热化学沉降方法往往达不到脱盐要求，且耗费时间，设备也过于庞大。实验证明：施加一定强度的电场，对加快原油脱水有非常明显的作用。原油中乳状液的微小水珠无论在交流还是直流电场中，都会因感生而产生诱导偶级子，顺电场方向的两端带上不同电荷，接触电级的还会带上静电荷。在电场作用下，微小水珠的运动速度加快，动能增加，在互相碰撞中，其动能和静电引力势能便能服乳化膜的障碍而彼此迅速聚结起来，变成较大水滴，加速沉降和油水分离。研究结果表明：在原油中大小相当的两个球状水珠之间的静电引力可以表示为：F=6KE2r2r/L4式中：F 为等径小水珠间的静电引力 K 为由油与水介电常数决定的常数E 为电场强度r 水珠的半径L 为两水珠间的中心间距从上式可以看出，聚结力 F 与电场强度 E 的平方，水珠自身半径 r的平方和（r/L）比值的四次方成正比，这说明，电场强度对水珠的聚结力又会有更急剧的增加。研究还证实：电场强度不宜过高，否则不仅耗电量增大，还会使大水滴产生电分散的相反效果，不利于聚结，因而电场强度应当根据实际油品和设备工况，合理选择控制，一般推荐强电场的强度为 6002000V/cm 之间。4、 温度对原油电脱盐的影响原油被加热升温，粘度显著下降，水滴在其中运动的所受阻力减少，运动速度加快，互相碰撞机会增多，不仅聚结倾向增大，而且大的水滴的沉降速度也明显加快，同时，某些乳化剂在原油中的溶解度增大，引起乳化膜自行破坏，所有这些，均有利于原油破乳而脱出水和盐。但是。温度超过一定限度，油水界面表面张力减小，电分散加剧，使临界水滴的直径减小，水滴沉降速度降低，尤其对于使用水溶性破乳剂的情况下，在其温高达浊点温度时，其破乳作用也急剧下降，因而电脱盐的油温要合理选择，结合技术经济指标来确定，一般情况下，电脱盐的温度随着原油密度变大而提高。5、 注水与混合对原油电脱盐的作用向电脱盐装置的原油注水，目的在于稀释原油中所含水的盐浓度和溶解油中结晶状的盐并增大水滴的直径，使脱后原油含水量达到规定指标时，可以大大减少脱后油中的含盐量，提高脱盐率。注水的水质要求有三项指标：含盐量、含氧量和 PH 值。水质含盐，明显对原油电脱盐不利；水质含氧量高，容易引起设备本身的腐蚀；水质 PH 值高于 8 时，将使环烷酸等有机酸类转变成具有活性的乳化剂，加剧乳化或排水带油。注入之水能否充分地分散并与原油均匀混合对电脱盐装置的脱盐效果影响很大，混合强度不足，水在油中没有充分的分散，注水达不到洗涤盐的作用，但是混合强度太大，可能造成油水过乳化，不仅耗能增大，而且脱水脱盐效果也下降，一般控制混合到水被分散为 30 左右的小水珠较为合适。综上所述，要获得最佳的电脱盐效果，必须全面考虑以上各种因素的特点，它们对电脱盐过程各有其特殊的贡献，又有一定的约束，而且互相间又互相影响，互相补充，只有根据实际情况合理配合，控制好各项操作参数，才能达到预期目的。 原油电脱盐原理的工业实现 原油电脱盐原理应用于工业生产，其装置的设计和实施要根据各炼油厂进厂原油的性质，加工处理量及对脱后原油含盐量的要求指标，结合各项技术措施对电脱盐效果的影响特性进行工艺设计，设备选型配置和优选整定操作参数。各炼油厂具体的电脱盐装置均有差异，但在投资能力范围内都力致于采用最先进的技术和设备进行不断改造，以达到最佳的脱盐效果。 典型的两极电脱盐装置的基本工艺流程如图一所示。 如图： 1、 原油流程和电脱盐罐 1.电脱盐装置一般设在原油常减压蒸馏装置的换热系统中，原油经过换热，达到合适的脱盐温度后进入电脱盐罐。根据进厂原油含盐量大小和后工序加工处理装置对原油含盐量的要求指标不同，可设一级、两极甚至三级电脱盐罐。原油流程除考虑正常操作外，还应设单开单停，切除其中某一级的可能，且设有事故退油线。 2.电脱盐罐是电脱盐装置最主要的设备。罐体形式有多种，目前一般趋于采用卧式罐，罐体材料多采用 16Mn 钢，壁厚由罐体的耐压指标确定，其尺寸主要取决于原油的处理量和原油在罐内电极板之间强电场区域的停留时间，以保证脱水脱盐效果。通常有2600mm5000mm ， 2800mm 7000mm ， 3000mm 10000mm ， 3000mm 17000mm，32003400mm2100mm 等不同规格系列，以适应于 710T/a25010T/a 的大最大处理量。 3.罐体上部沿轴向设置开口向上小孔的聚合器管，脱后原油在罐上方轴向均匀流入集合器，然后导出油罐出口。 4.罐体下部设置油路分配器与原油入口相连，无论采用管式分配器还是采用适合于粘度大且杂质多的重质原油的倒槽式分配器，均以能够将原油自罐底部均匀分布进入罐为设计原则，以保障减小页面的无规则拢动对电场稳定性的影响。 5.罐体下部两侧设有不停工吹扫反冲洗装置，在操作中定期将沉积在罐底部污泥状杂质吹起随排水管排出，以保持脱盐罐中部水相空间和避免泥砂杂质对其他管口的堵塞。 6.罐体下部分为集水区，原油脱出的含盐水在此区停留约 1020 分钟，经由罐下部设有沿轴向分布并向下开孔的排水管排出罐体。 二、高压电场的建立 1. 电脱盐的电能由专用的防爆式全阻抗电脱盐变压器提供，它具有独特的输入输出特性，由于它在一次回路中串联有全阻抗电抗器，使它能在电脱盐装置投运中，无论是瞬间极板间拉“水链”还是长时间短路均能自适应调压而不因超载而跳闸，电脱盐实际工艺工程需要这种供电特性，而这又是一般电力变压器所不具备的。国家防爆式全阻抗电脱盐变压器的产品有单相式也有三相式，容量从 50KVA/19KV到 160KVA/35KV 整个系列，完全可以满足国内各炼油厂各种规模处理量的选用要求。通常流量应当留有富裕量，其实实际操作时的电流为变压器额定电流的 3050为宜。目前国内外炼油厂的电脱盐基本上都采用交流供电方式，也有少数的厂家试用双半波脉动直流供电方式。 2. 高电压引入装置 电脱盐变压器输出的高压电通过柔性连接电缆接到安装在罐体顶部的聚四氟乙烯高电压引入棒送至罐内。罐体的高电压引入口的结构与引入棒的材质结构及加工制造工艺直接影响这部分的机械和电气性能指标，并与生产安全密切相关，过去由于这部分的性能欠缺而导致高压击穿喷油起火的事故并不罕见。 这今年经过攻关和改进，改善不均匀电场分布，减少引入口边缘效应和尖端效应，增粗棒体直径，采用粉云母包绕电极，用高压和热收缩工艺成型，并用材质为 A3 的密封帽等一系列新技术措施，是这部分组件在耐高温，耐机械压力，耐高压的绝缘强度和耐老化等性能方面有足够的极限指标富裕度，经实践证明运行稳定安全可能。 3.组装式电极板 在电脱盐罐内，根据具体设计装有二层或三层电极板，以建立高压电场，每层极板根据罐容器的容积和电场强度分布的要求设计合理的平面尺寸，在工字钢和矩形槽钢上，等间距分布固定18 的冷拔无缝钢管组成电极板，高压电从引入棒通过导电弹簧座加到电极板上，极板之间是通过聚四氟乙烯棒支撑（或吊挂）调整控制其层间垂直距离，它与电脱盐变压器的高压输出电压配合整定，使其空间和建立的电场强度满足最佳脱盐效果的要求。 使用聚四氟乙烯材料制作支撑（或吊挂）棒，具有绝缘强度高，介电常数比普通电瓷材料低，且与油水乳化液的介电常数相近，且其耐温，抗压，抗拉性能均能满足罐内工况的要求，是一种比较理想的极板绝缘组件材料。 三、注水与混合装置 原油电脱盐是一个水洗过程，为了将盐从原油中洗出来，注入水的水质就有指标要求。 注入水既然是为了洗盐，其本身应当不含盐或低含盐是显而易见的。通过采用在二级罐注入新鲜水，而用二级罐脱出水回注到一级罐的方案是为了节约用水和利用余热及减少排污水量。 水质的 PH 值对脱盐效果的影响很显著，提倡 PH 值约为 6.5，至少应当8。水质呈微碱性有利于破坏乳化膜，有利于有机盐的脱除，而呈微酸性则有利于钙盐的脱除，在加工环烷酸基原油时，它有利于防止环烷酸钠作为乳化剂的产生。因而，各炼油厂应根据进厂原油的性质特点来确定水质 PH 值控制的标准。 注水的温度以接近电脱盐罐油温为宜，这有利于水在油中的分散并与油混合，新鲜水的注水点选择，提倡在原油换热前先注入一部分水（约 11.5）经过换热系统提供充分接触时间，有利于溶解其中的结晶盐，又有利于防止因温度上升而引起的换热器结垢。 油水均匀混合并达到如何的程度对脱盐效果关系密切。混合不足，不利于稀释含盐水的浓度，明显影响洗涤脱盐的效果；混合过度造成过乳化，也不利于脱盐，且可能造成切水带油。 采用静态混合器作预混，再用混合阀作二次补充混合的串联混合方式是一种很有效的方案，其优点是混合强度可灵活调节，混合压力损耗小，结构密封性能好，拆卸方便，当原油性质和其他操作条件相对稳定时，这种串联式混合调节装置的投用对脱盐效果有明显的改善。 4、 破乳剂的使用 油田脱水注水的破乳剂往往是过量的，如果使用的是油溶性破乳剂，残留的过量部分仍将发挥破乳作用，这种延迟反应在锦西炼化总厂电脱盐攻关试验中已得到证实。因而炼油厂对进厂原油分析时要考虑这个因素，目前还无法单凭理化指标来确定适用于某种原油的破乳剂，通常都要经过具体的实验来评选才能确定适用的破乳剂型号和用量。通常电脱盐装置配套有专用的破乳剂配制罐，认真严格配置破乳剂液的浓度，才能通过计量泵控制对原油注入合适的破乳剂用量。 5、 油水界面控制 再拖油罐内，油与水的分布从罐体圆柱剖截面看，自下而上可分为五层状态（以双层电极板为例）： 第一层（在罐最底部）为净水层，从原油乳状液脱出的含盐水的细小油滴进一步聚结上浮，仅有极少数的细小油滴随盐水由此从出水口排出。 第二层是水，原油乳状液自罐下部分配管孔均匀喷出，以自由滴状通过水层向上浮，原油在整个水平截面均匀分布，并让原油或水中的乳化剂利用这段时间（约几十秒）继续向油水界面移动，提高破乳剂的破乳作用。 第三层为弱电场层，含有微小水滴的原油乳状液向上升，在电场作用下，从上部来的和本层聚结的大水滴往下降，所以在弱电场区中原油含水量自上而下逐渐增大，其导电率也从上而下逐渐增高，而电场强度从上往下逐渐减小，电场的不均匀分布和大水滴的存在又进一步改变它的电场梯度，使水滴间的聚结力大大增强，水滴的运动速度加大，碰撞机会增多。所以在弱电场区，可以使大部分水滴聚结下沉。 弱电场下部是乳化层，电导率显著增大，它的状况对电场的平衡操作影响很大，弱电场是电脱盐过程中的一个重要环节。 第四层是强电场油层，在两层电极板之间，此层的电场强度高，静电聚结作用强，是决定原油脱水情况，从而决定原油脱盐率高低关键的一层，它在垂直方向上，其原油含水量，电导率的变化及电场强度的分布与弱电场有相似之处。 第五层（罐上部）是净化油层，脱后原油在此层均匀导出。 要使脱盐罐内油水按上述理想的分布来达到满意的脱盐效果，浮动的乳化层油水界面控制是关键的一环。 以油水密度差为原理的界面控制设备有浮力式和差压式两类，均可自动控制其界面的高度。在实际生产中，为了达到准确控制油水界面的目的，经常同时采用上述两种设备，进行互相对比控制，一旦仪器进入稳定正常状态，单开也是一种可取的方式。近年推出的短波吸收式界面检测装置也是一种可供选择的控制方式。 6、 罐内压力的控制 压力对原油电脱盐本身影响不大，控制电脱盐的压力是为了防止在操作温度下，不使罐内原油或水的汽化而产生气体，影响正常操作，给生产带来不安全因素，所以，规定的操作压力要比温度下原油饱和蒸汽压和水的饱和蒸汽压高出一定值。一般电脱盐装置都设在常减压换热流程中，由电脱盐罐后部的阻力和原油泵出口压力所决定的电脱盐罐内压力均能满足上述要求，但对于加工规模小的常减压装置和换热流程简单的常减压装置，则应注意操作压力的控制以防止脱盐罐内有汽化产生。 7、 采样分析 操作时，采样分析含盐与含水状况对指导操作，确定工艺参数十分必要。采样时，原油由操作压力突然下降至常压，处在 100 多度操作温度下，原油中的轻组分和水将因蒸发而使分析不准确。因旋转采样器常与冷却器配合使用，为使采样准确，防止因放样而污染环境，推荐采用循环方法采样，油样经采样冷却器引至采样点，平时油路常通，不加冷却，仅当采样时先开冷却水，后采样。 原油含盐量的分析方法有多种，如容量滴定法，电位滴定法，电导法，电流法，微库仑电量法及光谱法。原油含水量的分析方法有蒸馏法，离心法，电容法，卡氏电量法和卡尔费休法及在线分析的短波法和微波法等，均可供用户根据自己的化验