（机械工程专业论文）超声脉冲电脱盐中型试验装置的研制.pdf

、 i 丫s j l l f l l l l f 8 n h f f 76 l f f o l t l t l l l l l l 5 j l l l l l d e v e l o p m e n to fu l t r a s o u n da n dp u l s ee l e c t r i cd e s a l t i n g p i l o tp l a n tu n i t at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u nb i n g x i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g z h e n b o c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) - 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：殛】递望r 期：矽fj 年广月扣日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：到! 当盘曼 指导教师签名：二互j 肚 日期：如1 1 年阳阳 日期：p lf 年，月弓口日 摘要 本文通过对超声波强化破乳的机理分析，找出了影响乳化液破乳效果的主要声波参 数为频率、声强、声压和作用时间，选定了适用于原油破乳的参数范围并据此选定用于 超声脉冲电脱盐中型试验装置的超声波发生器、设计了相应的超声波破乳罐；通过对电 场破乳脱盐脱水机理的分析，提出脉冲电源的主要理论参数为输出电压、电流、脉冲频 率和占空比，并据此研制了适用于原油破乳的脉冲电源；通过理论计算得出所需脱盐罐 的技术参数、工艺管路的管径以及加热炉的功率；研制出国内首套超声脉冲电脱盐中型 试验装置并实现了装置的计算机自动控制。 分析表明，超声波破乳优化参数为：工作频率1 8 2 2 k h z ，声强0 , - , 1 w c m 2 ，超声波 换能头直径2 0 m m ，作用时间5 m i n ，破乳罐的容积0 8 3 3 升，破乳罐的内径2 5n l l n ，破 乳罐的长度1 6 9 8n l n l 。脉冲电源优化参数为：额定输入电压a c 3 8 0 v 1 0 ，频率5 0 h z ， 额定输入电流3 a ，额定输出电压峰值5 0 0 0 v ，且在3 0 0 5 0 0 0 v 范围内连续可调，额定 输出电流峰值1 0 0 m a ，且在5 1 0 0m a 范围内连续可调，输出脉冲频率范围5 0 - 2 0 0 0h z 连续可调，占空比1 0 9 0 。 压力的稳定性试验表明，系统压力可长时间保持在o 8 0 0 5 m p a ，符合电脱盐试验 要求；脉冲电源电压的稳定性试验表明，峰值电压设置在8 0 0 0 v ，电压可稳定在8 0 0 0 2 0 v ，符合电脱盐试验要求。 上述工作的开展，为丌发高效、节能的原油脱盐设备及工艺提供了先进、可靠的研 究手段。 关键词：原油；超声波；脉冲；破乳；脱盐；试验；装置 a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cw a v ei n t e n s i f y i n gd e m u l s i f i c a t i o n ， m a i np a r a m e t e r si n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd e m u l s i f i c a t i o nw e r es e l e c t e d ，y e tt h e o p t i m u mr a n g eo ft h em a i np a r a m e t e r ss u c ha sf r e q u e n c y ，a c o u s t i ci n t e n s i t y ，a c o u s t i c r a d i a t i o np m s s u r ea n dt h ei n f l u e n c et i m ef o rc r u d ed e m u l s i f i c a t i o na n dt h eu l t r a s o n a t o rw e r e d e t e r m i n e d ，t h et a n km e e t i n gt h er e q u i r e m e n to ft h eu l t r a s o n a t o rw a sd e s i g n e d b a s e do n a n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo f e l e c t r i cd e s a l i n a t i o n ，t h ep u l s ev o l t a g ec h a n g e rw a sd e s i g n e da n d i t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha so u t p u tv o l t a g e ，o u t p u te l e c t r i cc u r r e n t ，p u l s ef r e q u e n c ya n dt h ed u t y r a t i ow e r ed e t e r m i n e d o t h e rp a r a m e t e r so ft h ep r o c e s ss u c ha sd i a m e t e ro ft h et a n kf o r d e s a l i n a t i o n ，t h ed i a m e t e ro fp i p ef o rt h ep r o c e s sa n dp o w e ro ft h eh e m e rw e r ec a l c u l a t e d i n t h ee n d ，t h ef i r s ts e to fu l t r a s o n i cw a v ed e m u l s i f i c a t i o na n de l e c t r i cp u l s ec r u d ed e s a l i n a t i o n p i l o tp l a n tu n i tc o n t r o l l e db yac o m p u t e rw a sp r e p a r e d a n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fu l t r a s o n i cw a v ei n t e n s i f y i n g d e m u l s i f i c a t i o na sf o l l o w s ：t h er a n g eo ft h ef r e q u e n c yw a s1 8 - 2 2 k h z ，a c o u s t i ci n t e n s i t yw a s 0 、l w c m 2 ，t h ed i a m e t e ro ft h et r a n s d u c e rw a s2 0 m m ，i n f l u e n c et i m ew a s5m i n , t h ev o l u m eo f t h e t a n kw a so 8 3 3 l ，t h ed i a m e t e ro ft h et a n kw a s2 5 m ma n di t sl e n g t hw a s1 6 9 8 m m t h eo p t i m a l p a r a m e t e r s o ft h ep u l s ev o l t a g ec h a n g e ra sf o l l o w s ：i n p u tv o l t a g ew a sa c 3 8 0 v _ + 10 ， f r e q u e n c yw a s5 0 h z , i n p u tc u r r e n tw a s3 a ，o u t p u tp e a kv o l t a g ew a s5 0 0 0 va n d3 0 0 - - 5 0 0 0 v r e g u l a t e ds m o o t h l y ，o u t p u tp e a kc u r r e n tw a slo o m aa n d5 - 1 0 0 m ar e g u l a t e ds m o o t h l y ，t h e r a n g eo fo u t p u tp u l s ef r e q u e n c yw a s5 0 - 2 0 0 h zr e g u l a t e ds m o o t h l y ，t h er a t i ow a s 10 - 9 0 p r e s s u r et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mp r e s s u r ea t0 8 0 0 5 m p am a i n t a i n e df o ra l o n gt i m e t h es t e a d i n e s s o ft h ep u l s ev o l t a g ec h a n g e rt e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a ts e x i n g o u t p u tp e a kv o l t a g ea t8 0 0 0 v ，t h ea c t u a lo u t p u tp e a kv o l t a g em a i n t a i n e da t8 0 0 0 _ + 2 0 v b o t h t e s tr e s u l t sm e tt h er e q m r e m e n to fe l e c t r i cd e s a l i n a t i o n t h ep i l o tp l a n tu n i tp r o v i d e da l la d v a n c e da n dr e l i a b l em e a n sf o rd e v e l o p i n gh i 曲 e f f i c i e n c y e c o n o m i c a lc r u d ed e s a l i n a t i o ne q u i p m e n ta n dp r o c e s s k e yw o r d s ：c r u d e ；u l t r a s o n i c ；p u l s e ；d e m u l s i f i c a t i o n ；d e s a l i n a t i o n ；p i l o tp l a n tu n i t 目录 第一章前言。1 1 1 电脱盐罐体1 1 2 电脱盐电场的类型1 1 2 1 交流电场1 1 2 2 直流电场1 1 2 3 交流直流电场。2 1 2 4 脉冲电场2 1 3 国内外研究进展。3 1 4 课题研究的主要内容4 第二章超声脉冲电脱盐中试装置建设方案。5 2 1 装置工艺流程。5 2 2 控制系统设计原则5 2 3 各零部件参数及规划6 2 3 1 进料系统6 2 3 2 脱盐系统7 2 3 3 排水系统8 2 4 材料要求8 2 5 安全措施。8 2 6 环保措施8 第三章超声波破乳器的选择9 3 1 超声波破乳机理。9 3 1 1 位移效应9 3 1 2 声强对破乳效果的影响1 0 3 1 3 频率对破乳效果的影响1 0 3 1 4 声压对破乳效果的影响1 0 3 1 5 声波作用时间的影响1 2 3 2 超声波发生器的选取1 2 3 2 1 选定频率参数1 2 3 2 2 选择合适的声强参数1 2 3 2 3选定超声波发生器1 2 第四章脉冲电源的研制1 4 4 1 电破乳原理1 4 4 1 1 偶极聚结1 4 4 1 2 电泳聚结1 4 4 1 3 振荡聚结1 4 4 2 脉冲电场与其它形式电场的区别15 4 3 脉冲电场对脱盐脱水效果的影响1 6 4 3 1 脉冲幅度对脱盐脱水效果的影响1 6 4 3 2 脉冲宽度对脱盐脱水的影响1 7 4 3 3 脉冲频率对脱盐脱水的影响1 7 4 4 脉冲电源的研制：1 7 第五章主要零部件的设计与计算2 l 5 1 超声波破乳罐的设计2 1 5 2 脱盐脱水罐的设计2 2 5 3 工艺管径计算2 2 5 4 加热炉的功率计算2 2 5 5 装置框架设计2 3 5 6 仪表框架及仪表盘设计2 3 5 7 仪表控制柜设计2 3 5 8 装置的安装2 3 第六章装置控制系统及使用说明2 7 6 1 运行环境2 7 6 2 功能说明2 8 6 3 使用说明2 9 第七章脉冲电脱盐中试装置建设调试报告3 9 7 1 系统压力检验3 9 7 2 单元设备调试3 9 7 3 通讯系统调试4 0 7 4 供电系统调试4 0 7 5 稳定性试验4 0 7 6 调试结论4 0 结论4 2 附图4 4 参考文献4 7 致谢j 51 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 第一章前言 目前我国加工原油的品质在不断变差，由于原油脱盐脱水后盐含量不达标而造成 带来的腐蚀问题也越来越严重，因此，迫切需要研究新的脱盐脱水技术以应对原油品 质的劣质化。 超声波强化破乳作为一种很有发展前景的新型物理破乳方法，近来得到了很大的发 展。国外在八十年代就有关于超声波原油破乳的研究报道。近年来，国内外学者从理论 上分析了油中的水滴粒子在超声波辐射下的位移效应，提出了超声波分离油水的理论根 据，超声波破乳是基于超声波作用于两相性质不同的流体介质产生的位移效应来实现， 由于超声波在油和水中均具有较好的传导性，并且具有能耗低和对原油无污染的特点， 因此，这种方法可适用于原油破乳。 影响电脱盐脱水效率的因素很多，如脱盐容器、电极板的结构、电场形式、破乳方 法、温度、压力以及洗涤水用量等【1 1 0 】。 1 1 电脱盐罐体 全世界采用的脱赫罐都大同小异，只不过其安装方式有立式和卧式之分。由于脱盐 器的处理量与其工作状态时的水平截面积成正比，所以大处理量时一般选用卧式脱盐器 1 n 一2 2 1 0 1 2 电脱盐电场的类型 利用电场脱盐脱水始于1 9 0 9 年，到目前为止，仍被认为是效率最好，而且也是最 经济的方法，世界各国普遍采用。 1 2 1 交流电场 交流电场是电脱盐脱水装置应用最为广泛的电场形式。随着水平极板间交流电场波 形的变化，水滴的极化方向、极化变形程度也随之发生变化。当水滴呈椭球形一球形椭 球形振动时，一定程度上削弱了油水界面膜的强度，减小了其界面张力从而使其发生破裂， 达到脱盐脱水的目的。 1 2 2 直流电场 直流电场也是应用较为广泛的电脱盐脱水电场形式之一，带有极性电荷的水滴在直 流电场作用下向带有异性电荷极板的电极运动，其间水滴相互碰撞或聚集于极板区域从 而合并为大水滴而得到分离。直流电脱水主要应用在炼厂含水质量分数较低的原油、煤 第一章前言 油、柴油乳化液的“电精制过程中。 1 2 3 交流直流电场 交直流电脱盐脱水技术是在交流电脱盐脱水和直流电脱盐脱水的基础上发展起 来的。油水乳状液经迸油管、进油分配器进入脱水罐内，依次进入交流弱电场、直流中 电场和直流强电场，水滴受到偶极聚结、电泳、介电泳力的作用发生聚并，从而达到乳 状液破乳的目的。 1 2 4 脉冲电场 脉冲电脱盐作为一种全新的电脱盐技术，采用脉冲方波电压，形成单向、高压、高 频、脉冲电场，完全不同于以往的交流电及直流电电场；脉冲电场较其它形式电场的优 势： ( a ) 避免电场短路 乳化液在一般电场作用下，水滴发生极化、变形、聚集，易形成水链，水链长度太 长时就会引起短路，短路一旦形成，导致电场减弱，电流急剧增大，引起电能的泄露。 而脉冲电场是一个间歇式电场，在水链形成并引起短路前，脉冲即会终止，水链受到破 坏，不会产生短路现象，避免了电能的泄漏。 ( b ) 提高电场强度 由于脉冲电场的间歇供电技术特点，在相同条件下，脉冲电场强度较交流、交直流 电场强度高3 5 倍，原油乳化液中水滴之间的聚结力与电场强度的平方成正比，因而 脉冲电场中聚结力较传统的交流、交直流提高9 2 5 倍，更加有利于破乳。 ( c ) 具有振荡破乳的作用 瞬间高压脉冲电场对乳化液中的水滴能产生较大的振荡，使水滴周围乳化液的界面 张力受到破坏，加快了水滴之间碰撞和聚结，从而进一步提高破乳的能力，减少破乳剂 的用量。 ( d ) 节电效果明显 脉冲电源为间歇供电方式，缩短了通电时间，降低运行电流，具有明显的节电效果， 加之采用微电脑控制，实现电压补偿功能，减少了全阻抗带来损耗。 ( e ) 装置运行稳定 由可控硅控制输出的脉冲电场可有效避免因电流增大而产生的电压降低或短路，极 大提高电脱盐装置供电的稳定性。 2 、 中国石油大学( 华东) 工程硕：l 学位论文 1 3 国内外研究进展 关于原油电脱盐脱水技术方面，最近几年国内外发表了不少专利，尤以美国、俄罗 斯的研究成果居多。这些技术，设备方面主要集中在所加电场和极板结构的改进方面。 就所采用的电场而言，目前交流电场脱盐技术在世界范围内的运用最为广泛，绝大多数炼 油企业都采用了这种比较成熟技术。 上世纪后期，俄罗斯人发明了脉冲电脱盐技术。2 0 世纪9 0 年代中期，国内外开始 了将脉冲电场用于电脱盐的技术研究，初期主要局限于脉冲电源的研制，形成了一些专 利技术。随着集成电路技术的发展，大功率、高压脉冲电源的成本大大降低，为该项技术 的工业化应用铺平了道路。在脉冲电脱盐技术中，其电压的波形为脉冲方波，整个脱盐 过程为间断供电方式，减少了通电时间，使脱盐电耗大为减少；高压脉冲电场加快了水 滴的碰撞和聚集，提高了油水分离效率，同时减少了破乳剂的用量。研究开发脉冲电脱 盐技术，可以使国内电脱盐技术水平达到一个新的高度【2 3 2 6 】。 2 0 0 6 年，洛阳石油化工工程公司和中国石油化工股份有限公司洛阳分公司合作开发 了脉冲电脱盐技术并在工业装置上得到应用，与交流电场相比，脉冲电场节电5 0 以上， 且破乳剂用量也较后者减少，经济效益非常明显。 电极板方面则主要以水平极板为主，垂直吊挂式极板应用得较少，但近年来有逐步 增多的趋势。洛阳石油化工工程公司于上世纪8 0 年代开发了一种鼠笼式电极板并在工 业装置上得到应用，提高了脱盐效率。 同样是在上世纪9 0 年代，美国p e t r o l i t e 公司通过改变电脱盐装置的原油进料 位置和进料部件形式从而开发出一种高速电脱盐脱水技术，据称其单级脱盐率可达9 5 以上。 超声波用于原油破乳的技术研究始于上世纪5 0 、6 0 年代。到了8 0 年代，美国t e k o i x 公司已分别在美国的8 家工厂进行了工业化试验，且取得了良好的应用效果。日本的三 菱重工、美国的e x x o n m o b i l 研究工程公司等也开展了相关技术研究口8 4 7 1 。 国内开展超声波破乳的技术研究工作起步较晚，从可查阅的文献看，开始于9 0 年代。 目前进行该项技术的研究单位主要有中国石化齐鲁分公司研究院、中国石油大港油田原 油集输公司、南京工业大学、威海海和科技有限责任公司等。齐鲁分公司研究院在大量 实验室研究工作的基础上，于2 0 0 3 年在胜利炼油厂联合装置一级电脱盐设备上进行了超 声波破乳工业试验，取得了令人满意的效果。目前该技术已在胜利油阳石化总厂、洛阳石 化、九江石化等单位实现工业应用，标志着国内在原油超声波辅助破乳技术上取得了突 _ i 第章前育 破。 2 0 0 6 年，洛阳石油化工工程公司、齐鲁石化研究院、中石化洛阳分公司将脉冲电脱 盐技术和超声波破乳这两项技术进行了有机组合并在洛阳分公司原油电脱盐装置上实 现工业应用。 纵观电脱盐技术的发展历程，电脱盐技术今后的发展趋势是开发高效、节能、环保 的电脱盐技术和设备，电脱盐工艺是油田和炼厂必不可少的工艺组成部分，是炼厂真正 意义上的龙头设备，具有广阔的应用前景。 1 4 课题研究的主要内容 综合超声波强化破乳和脉冲电脱盐的各自的优点，为进一步提高脱盐效果，降低电 脱盐装置的运行电耗、减少破乳剂的使用、减少排水含油，开发超声脉冲电脱盐组合技 术。 ( 1 ) 设计电脱盐中型实验装置的流程并画出原则流程图。 ( 2 ) 研制适用于电脱盐中型实验装置的脉冲电源。 ( 3 ) 根据超声波破乳原理选择适宜电脱盐中型实验装置的超声波发生器。 ( 4 ) 各主要零部件设计。 ( 5 ) 工艺管路管径及加热炉功率的计算。 ( 6 ) 开发电脱盐中型实验装置的自动控制程序。 ( 7 ) 各部件之间的有机组合建成电脱盐中型实验装置。 本文通过对超声波强化破乳的机理分析，找出了影响乳化液破乳效果的主要声波参 数为频率、声强、声压和作用时间，选定了适用于原油破乳的参数范围并据此选定用于 超声脉冲电脱盐中型试验装置的超声波发生器、设计了相应的超声波破乳罐；通过对电 场破乳脱盐脱水机理的分析，提出脉冲电源的主要理论参数为输出电压、电流、脉冲频 率和占空比，并据此研制了适用于原油破乳的脉冲电源；通过理论计算得出所需脱盐罐 的技术参数、工艺管路的管径以及加热炉的功率；研制出国内首套超声脉冲电脱盐中型 试验装置并实现了装置的计算机自动控制。 上述工作的丌展，为丌发高效、节能的原油脱盐设备及工艺提供了先进、可靠的研 究手段。 4 、 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章超声脉冲电脱盐中试装置建设方案 2 1 装置工艺流程 按照试验的要求以及工艺试验的考察对象，结合目前工业电脱盐装置流程设计本实 验装置的工艺流程如下： 原油手工加入原油储罐，预热到5 0 ，经入口阀进入原油泵。由原油泵抽出的原油 与按照一定比例注入破乳剂、脱盐剂和水一起进入加热器进行原油加热，加热到所需的 温度，进入搅拌罐混合，混合后的原油由搅拌罐上部出来，经过可调混合器，在超声波 破乳器进行超声波强化破乳，然后由底部进入电脱盐罐。 原油与破乳剂、脱盐剂及水的混合物料，被加热到9 0 - - - , 1 7 0 ，在2 , - - , 1 0k v 强电 场的作用下，在电脱盐罐中停留2 0 , - - - 4 0r a i n ，进行油水分离。一级脱水、脱盐后的原油 由电脱盐罐顶部出来，进入二级脱盐流程，与破乳剂、脱盐剂和水进行混合，混合器混 合均匀后，进入二级脱盐罐进行脱水、脱盐，脱后产品出口到收集罐。 电脱盐罐中脱出的含盐污水，由脱盐罐底部排水管进入盐水收集罐。 为便于比较，本实验装置仍设破乳剂注入系统。 破乳剂、脱盐剂和水按比例混合，手工加入助剂罐，经泵入口阀，由计量泵加入原 油泵出口管线中。为了便于计量，每一级采用一套助剂注入系统。 出口产品收集罐中的油，可以凭借高位势能流回到原油储罐，形成循环系统。开工 时，电脱盐装置先循环，待冷循环、热循环正常，并将温度、电场强度提到正常值以后 再改开路。然后注入规定量的破乳剂、脱盐剂及水的混合料。 系统清洗时，在原油储罐中加入轻柴油，经原油泵、混合器、电脱盐罐、产品收集 罐，再回到原油储罐。 具体流程图附后。 2 2 控制系统设计原则 原油流量由计量齿轮泵和变频器控制。量程在0 , - - , 3 51 h 。控制范围1 0 - 2 01 h 。 表头数据可现场显示，并远传到计算机。 破乳剂、脱盐剂和水，先由电子称计量并按比例配置，再由计量泵控制进料量。量 程在0 - - - 0 2 51 h 。控制范围0 1 - - 2 01 h 。注入量的控制可先进行运行标定，标定后 切换至流程中。 电脱盐罐温度，由电加热器自动控制。量程在0 - , 2 0 0 。测温点在加热器出口或 、 第二章超声脉冲电脱哉中试装置建设方案 电脱盐罐的出口。温度可自动控制，控制范围9 0 - 1 5 0 ，并具有超限报警功能。表头 数据可现场显示，并远传到计算机。 电脱盐罐压力，由背压阀自动控制，同时设副线手动控制。或者用氮气背压控制( 具 体方案与制造商协商) 。量程在0 1 8m p a 。取压点在出口管线上，控制范围0 7 1 6 m p a 。并具有超限报警功能。表头数据可现场显示，并远传到计算机。 油剂混合强度由可调式混合器手动控制。量程在o 0 2m p a 。取压点在混合器两端 管线处。控制范围0 0 0 5 - - - 0 1 5m p a 。表头数据可现场显示，并远传到计算机。 油水界面高度，在脱水包下设手动应急界面控制阀。 电脱盐电场电流、电压，数据可现场显示，并远传到计算机。 原油储罐及管线拌热，由电加热带加热，固定控制在5 0 。 2 3 各零部件参数及规划 2 3 1 进料系统 ( 1 ) 原料罐：系统( 原料储罐及原料管线) 密闭。 系统( 原料储罐及原料管线) 保温且带加热手段。 容积：4 0 l 。 尺寸大小：由3 0 0 x 5 0 0 。 ( 2 ) 搅拌罐：系统密闭，可采用反应釜代替。 系统( 原料储罐及原料管线) 保温且带加热手段。 带搅拌系统。 容积：2l 。 ( 3 ) 进料泵：进口高精度计量柱塞泵或齿轮泵。 进料量1 - 4 0l h ，连续可调。 进样精度误差不大于1 。 使用压力：1 6 m p a 。 使用温度：1 0 0 。 能远传至计算机显示及控制。 配装一台。 ( 4 ) 注剂泵：高精度计量泵进料。 进料量0 1 - 2l h ，连续可调。 进样精度误差不大于1 。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕_ 上学位论文 使用压力：2 5 m p a 。 使用温度：5 0 。 配装二台。 ( 5 ) 电子称：测量精度误差不大于1 ；最大称量： 4 5 k g 。 可远传至计算机联合控制。 配装二台。 ( 6 ) 加热炉在流量范围1 0 - 2 0 升小时，加热原油温度至1 7 0 。 2 3 2 脱盐系统 ( 1 ) 脱盐罐：采用不锈钢材质：容积7 l ，直径1 5 0 。 两头带可拆法兰和椭圆形封头。 内部原油进出口有可拆分配器和集合器。 极板可拆卸、更换。 具有独立的原油和脱盐水的取样口。 罐上留有超声波插入口。 取样阀选用进口阀。 ( 2 ) 混合器：采用不锈钢材质具有手动无级调解混合压差。 ( 3 ) 超声破乳器：选购，采用不锈钢材质。 频率：2 0 k h z 。 声强可调( 具体的参数另附) 。 ( 4 ) 脱盐电场：脉冲电场和交直流双路选择。 o - 2 5 0 0 v c m 可调节。 脱盐电压、电流仪表显示。 ( 5 ) 脱盐温度：8 0 - 2 0 0 连续可调。 控温精度误差不大于0 5 c 。 所有管线带保温及温度控制。 ( 6 ) 混合强度：具有多级调节和控制功能。 便于拆装。 ( 7 ) 压力控制：采用压力变送器和限压阀联合控制。 7 第二章超声脉冲电脱盐中试装置建设方案 2 3 3 排水系统 l 排水调节阀：采用不锈钢材质。 2 限压调节阀：利用流量调节控制操作压力。 2 4 材料要求 原油管线的进料系统，选通用的p g l 6 ，d g l 2 无缝钢管，材质为1 8 8 钢。 助剂管线选用p 9 6 ，d 9 4 无缝钢管，材质为1 8 8 钢。 阀门选通用的相应的管径截止阀，便于处理凝堵，材质为1 8 - 8 钢。 脱盐罐、原料储罐、助剂储罐均采用1 8 8 钢材质。 2 5 安全措施 ( 1 ) 管路上设安全阀，限值1 6m p a 。 ( 2 ) 动态电脱盐装置安装在防爆实验室内。 ( 3 ) 动态电脱盐装置的设备、电器件均选用防爆等级的设备及部件。 ( 4 ) 电脱盐罐温度、压力设超限报警功能。 2 6 环保措施 ( 1 ) 原料储罐及产品储罐采用密闭设计，防止油气挥发。 ( 2 ) 实验后的废油及装置清洗后的废油，排入统一的废油罐中。 ( 3 ) 动态电脱盐装置实验室设置强制通风设施。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第三章超声波破乳器的选择弟二早疋亘户口波做孔裔h - j 迈佯 3 1 超声波破乳机理 3 1 1 位移效应 油水乳化液中的微水滴在超声波声场中至少存在三种漂移力【4 8 5 1 1 ： 定。 ( 1 )由于微水滴在超声波声场中是不停的运动的，而其运动并非完全对称，这种 非对称性运动即会使其受到声场的作用力即漂移力，漂移力的大小为 凡= 一丢所珊后u 孑细2 n 2 觑。 而 口= ( 1 + 国2 ，2 ) 2 可见，该种漂移力的大小由声波的角频率国、波数氏持续时间，和微水滴质量决 ( 2 )声压使微水滴产生的漂移力的大小为 几= 矽缈i 彳1 2 俯珊) 3 ，( 告) s ；n 2 h 。 l 彳i 代表声场中的速度势振幅，尸( p pd ) 是一个与水和油的密度有关的系， 其大小为 f ( 箸 + 弘箸 2 + 堕 p0 ( 3 )在声场的作用下油水乳化液的温度及粘度都会有所变化，这种变化也会使 微水滴产生漂移力，其大小为 乃= 孚旧一3 砣胍2 7 7 。c ) - l 风u 。2 s i n2 觑。( 4 ) 上式表明了这种漂移力与乳化液的黏度h 和声波的速度c 之间的关系。 在上述漂移力的综合作用下，水滴向超声波波节处迁移、振荡、碰撞、聚并，此即 为位移效应。位移效应的存在，是超声波破乳机理的基础。 超声波的位移效应的强弱取决于超声声强、超声频率、超生声压以及超声波的作用 时间等。 9 第三章超声波破乳器的选择 3 1 2 声强对破乳效果的影响 声波理论为声强下的定义为：在垂直于声波传播方向上单位面积单位时间内通过的 声能量称为声强。表达式为： j = i 1p 叫2 缈2 ( 5 ) 其中，p 为介质的密度 c 为波速 彳为距声源单位距离处的振幅 为角频率。 随超声波声强的增大，其传递给微水滴的能量也将增大，微水滴的运动速度随之加 快，微水滴之间的碰撞几率明显增大并因此提高脱水效率。但是当声强超过空化阈值时， 对水滴的破碎作用将显著增大，油水乳化趋势加剧，脱水效果反而下降。可见，对于脱 水而言，存在着一个最佳声强值。 3 1 3 频率对破乳效果的影响 根据声学基本原理，介质对声波的吸收系数与频率平方成正比 2r e2 厂2b 口= r 一 ( 6 ) p c 。 其中，口为介质对声波的吸收系数 为声波频率 b = 4 3 p 为液体密度 c 为声速。 由于超声波强度的衰减与介质对声波的吸收系数成正比，由上式可知，超声波强度 的衰减与声波频率的平方成正比。超声波的频率越高，其衰减就越快，破乳声场就越不 均匀，破乳效果就越差。 3 1 4 声压对破乳效果的影响 所谓声压是指超声场某一点在某一瞬时所具有的压强p ，与没有超声波存在时同一 点的净态压强p 。之差。 其表达式为： 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 p=p c v ( 7 ) 其中，矽为液体密度。 c 为声速。 v 为质点振动速度。 在无声衰减的液体介质中，圆盘状声源的轴线上的声压是随时间t 作周期性变化 的，其振幅为： 畔胪m 医防一叫 其中，a 为波长。 五为圆盘状声源的半径。 a 为圆盘状声源轴线上一点到圆盘中心的距离。 上式可用如下所示的曲线形式描述 l p o f f 1 、 n a 图3 - 1 圆盘状声源轴线上的声压曲线 f i g u r e3 - 1 a c o u s t i cr a d i a t i o np r e s s u r ec u r v ea tt h ed i s ks o u r c ea x i s 由上图可以看出，当a n 时，声压尸有若干极大值。一般称口 n 的区域为远场。 在( 8 ) 式中 当三旧i 一口) = ( 2 n + 1 ) 啦，n ：0 ，1 ，2 。时，声压p 有极大值， 最后一个声压极大值对应刀：o ，此时口= n ，当尺分l 时，有： 第三章超声波破乳器的选择 = 冬= 罢 ( 9 ) 名4 名 其中，d 为圆盘状声源的直径。 3 1 5 声波作用时间的影响5 2 】 油水乳化液在声波的作用下破乳时，其作用时间是影响破乳效果的重要参数。研究 表明，并非作用时间越长破乳效果就越好。实际情况如图3 - 2 所示，随作用时间的增加， 含水率先减小，后小幅升高，这一现象表明作用时问存在最优值。一般来说，停留时间 为5 分钟时，其脱水性能较优，而处理量也保持在较高水平。 透 瓣 * 姐 0 05 01 1 f i 1 ；5 02 0 02 5 1 作用时间m i n 图3 - 2 声波作用时间对原油脱盐深度的影响 f i g u r e3 - 2 r e l a t i o n so fa c o u s t i ci n f l u e n c et i m ea n dd e s a l i n a t e dc r u d ew a t e rc o n t e n t 3 2 1 选定频率参数 由于超声波破乳的最佳频率在2 1 2 5 k h z 之间，选择2 1 k h z 作为购买超声波发生器的 基准条件。 3 2 2 选择合适的声强参数 由于各种原油的性质差异较大，破乳时所需的最优声强不同。理论推导可知，最优 声强值应在上下临界声强之间，且必须在空化阈以下。考虑到所建中试装置将用于对不 同原料油进行研究，因此，超声波发生器声强最好能够在一定范围内可调。 3 2 3选定超声波发生器 根据上述条件，选择了江苏某厂生产的g x - 1 型超声波发生器，其主要技术参数如 下： 工作电源：a c 2 2 0 v ，5 0 h z 。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 工作频率： 18 2 2 k h z 。 声强：0 - - 1 w c m 2 范围内可调。 超声波换能头直径：2 0 m m 。 适用环境温度：一1 0 4 5 。 相对湿度：8 0 。 大气压力：8 6 - - 1 0 6 k p 。 连续工作时间：3 6 小时。 - 1 3 一 第四章脉冲电源的研制 第四章脉冲电源的研制 4 1 电破乳原理 电脱盐是利用电场力对原油乳状液进行破乳，使水滴相互聚结进而沉降的工艺过 程。由于不同的电场对原油中微水滴的作用不同，微水滴在电场中的聚结分为偶极聚结、 电泳聚结、振荡聚结三种聚结形式。聚结的结果是微水滴相互合并、粒径变大并最终从 原油中沉降分离出来。 4 1 1 偶极聚结 促进油水分离的作用是因微水滴之间由感应而产生的作用力，或者由一单向电场与 具有净电荷的微水滴之间的相互作用力作用的结果。 当水滴置于电场中时，正负电荷就被吸引到带异性电荷的电极一端。即分子中负极 性指向电场中正电位一端( 正极) ，分子中正极性指向电场中负电位一端( 负极) 。这样水 滴就被拉伸成椭圆形状。然而水滴中心并未移动，因为其受力均衡且方向相反，相邻水 滴受外界电场力作用被拉伸、拉长。水滴拉长的结果使水滴问的距离缩短，并且水滴间 异性电荷的一边彼此很接近。这就导致了水滴间一个较强的作用力存在，这种力倾向于 把它们拉到一起。在一个高电压的电场中，这种吸引力显著增大，水滴被迫互相撞击， 并迅速地结合到一起。结合成的大水滴接着就从油相中分离出来，在重力的作用下沉至 水相。 4 1 2 电泳聚结 通常情况下，油包水型乳状液中的水滴由于受电离、吸附和接触摩擦等因素的影响， 一般都带有电荷。在直流电场的作用下，水滴将根据本身所带电荷的正负向相反的电极 方面泳动，即所谓的“电泳 。 电泳会使水滴因带电多少不等、速度不同而发生相对运动，相互碰撞合并后自原油 中脱出。其他未经碰撞的小水滴会一直泳动到带电符号与其相反的电极表面才相互聚结 或聚集( 接触而未合并) 在一起，然后靠重力的作用自原油中分出。此即为“电泳聚结 。 4 1 3 振荡聚结 当乳状液通过外加电场时，水滴在电场力的诱导下发生极化，使水滴因带电而被拉 长。若多, i - n 电场为交变电场或间歇电场时，水滴将产生振荡，乳状液中水滴的乳化膜强 度减弱，相邻水滴的相反极性发生碰撞聚结，这种情况叫振荡聚结。 在交流电场中，原油乳状液中的水滴主要发生振荡聚结和偶极聚结；在直流电场中， 1 4 中国石油人学( 华东) 丁程硕：学位论文 除了发生偶极聚结外，还存在电泳聚结。 4 2 脉冲电场与其它形式电场的区别 脉冲电场与其它形式的电场相比，最大区别在于其电压的波形( 幅度和宽度) 和频 率不同。 交流电场最早应用于静电脱水设备中，其电压波形图如图4 - 1 所示。后来发展的交 直流电脱盐技术中，油水乳状液经由进油管、进油分配器进入脱水罐内，依次进入交流 弱电场、直流中电场和直流强电场，水滴受到偶极聚结、电泳、介电泳力的作用发生聚 并，从而达到乳状液破乳的目的。交直流电脱盐电场电压波形图如图4 2 所示。 u nn