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原油电脱水器的设计和操作摘要：壳牌石油公司在许多油田采用了电脱水器来脱除轻质、中质和重质原油中的水。经过室内小型试验和现场试验，验证了电脱水器的性能。实验表明，对于轻油（3035API）来说，要使处理后的原油质量达到销售的指标，电脱水器的处理能力为200300bbI/in2 (极板面积)；类似地，对于重油，（1114API）来说，电脱水器的处理能力为1020bbI/in2 (极板面积)。采用这样的设计标准，就能减小设备体积和重量，从而节省投资，减少运行费用。主题词：原油 电脱水器 设计 操作 现场试验一、前言壳牌公司在许多地区，特别是墨西哥湾、西德克萨斯和加里佛尼亚等地均采用电脱水器来进行轻质、中质和重质原油的脱水。因为在一些地区，电脱水器的电场常常被关闭或被短路，使得运行没有完全成功。在加里佛尼亚的使用表明，电脱水器可以工作，但要特别注意下列间题：轻质油的加入量；破乳剂的使用；气体的逸出；固体在界面的堆积；施加电场的强度和原油的电导率等。1990年，为了下述目的，建设了一套室内小型电化学脱水试验装置(PSCET)：解决重质原油脱水中遇到的操作间题；研究轻质和中质原油的挣电脱水；建立一个提供各种原油电脱水参数的数据库。总之，小型试验的口的在于：为电脱水器结构尺寸设计确定标准，提供操作上的指导，确定电脱水器对固体和气体干扰的允许度。本文主要：发表了通过小型电化学脱水试验装置研究观察到的情况，并讨论了在建立操作指南方面PSCET的重要性；介绍了新型入口分流器的设计；总结了两个油田电脱水器的使用情况；提供了几个可以用于顶测电脱水器性能的操作实践及其相互关系。二、电脱水器1，电脱水的基本原理电场的双极状态使水滴拉长和振荡，水滴拉长时会使7尺滴间的膜变形并使其破裂，从而增加了聚结力。相同大小水滴的吸引力用下列公式表示：式中：K-介电常数；E-电场梯度；d-水滴、仁径；D-水滴中心距。一般地，相隔大约23倍液滴直径的分散水滴趋于聚结。增加电场梯度会加强这种趋势，但它仍趋于使水滴沿着电场力线悬浮。如果电场力大于重力，下降的水滴就受到阻止。此外，场强过大(接近7Kvac/in)会使大水滴破裂。一般地，电压极限在1223kV之间，这与原油重度和乳状液的一导电率成反比。原油的电导率与温度呈指数关系，温度增加时，电导率增加很大，电力消耗也大，在高温时更是这样。采用交流电压的静电脱水器主要由三部分组成：电源(变压器)；下部带电电极；_上部接地电极。变压器将线电压变成所需的高压输出。用一个通过容器壳体的绝缘的压力密封的进线套筒将该电压加到下部放电电极上。结果是存在两个相互分开的电场：一个是上部电极和下部电极之间的高梯度值电场；另一个是下部电极和油/水界面之间的低梯度值电场。传统的电脱水器，大部分水滴聚结在带电电极附近。对一于非常小的液滴(15m)来说，在电极之间的高梯度区使用双极化直流电位可以增加这些水滴的聚结力，在油出口处产生很低的含水量。在直流电场中，改变电场方向，受正电极影响的一半水滴和受负电极影响的另一半水滴以相反的方向移劝，不停地碰撞，从而增加了凝结力。2，小型电化学脱水试验装置小型电化学脱水试验装置包括一个带电极的脱水器、三个原料罐(一个300gal容积，二个各500gal容积)、一个净化原油的储罐(700gal容积)和有关的乳伏液制备和加注化学剂的泵和管线。700gal的脱水器可以代替一台极板间距为18in.直径为9f：的卧式电脱水器。可以把AC或DC电加到内部电极板上。用一咋、Agar探头控制泊/水界面。试验中所用的油和水用罐车从不同的油田运来。用氮气层和蒸气交换器来延长油/水特性，用静态混合器把油/水混合成规定的含水率。在切阀两端加一定的差压，以控制水滴的大小。在脱水器入口，沿整个脱水器高度和出口处监视乳化水的含量。图l中试规模的电/化处理器3，操作要求用小型电化学脱水试验装置，对轻质、中质和重质油进行了交流电脱水研究，以确定一定操作参数(操作温度、水滴尺寸、流量等)下的性能。对于化学不稳定乳状液来说，试验证明电脱水器优于简单的加热脱水器见表1。结果清楚地表明，使用电场时，净化油含水率的减少量至少是原来的34倍。下面总结了在一个小型电化学脱水试验中各种参数的影响结果。表1不同油品的静电脱水(l)操作温度原油的油水密度差一般要随温度的增加而增加，依不同的原油，在某个温度下达到峰值，此后随温度的增加开始慢慢下降。而另一方面，原油的粘度随温度的增加而不断减小。斯脱克斯参数定义为密度差除以油的动力粘度，一般用于表示油水的分离性。图2是温度对密度差和对斯脱克斯参数所产生的影响，如图所示，11API油的密度差值是170F下，斯脱克斯参数峰值为320F。根据不同的油品，最佳的操作温度在170320F之间。由于脱水器是压力容器，当脱水器的操作压力超过原油和水的蒸气压力时，达到高温脱水。但是，用序号为F的油样所做的小型试验说明，把温度从220F增加到260F 并没有获得更多的好处。图3是温度对各种原油斯脱克斯参数产生的影响。一般来说，斯脱克斯参数越大，越易分离。但温度过高时：电导率增加，耗电量增大；如果操作压力不变，脱除原油中轻馏分的气体会产生短路；密度差减小，阻碍分离，造成油/水界面扩大；增加原料相对于脱水器的容量的弹性，造成停留时间短和短路现象；残渣沉降在界面上集结成固体(碳酸钙)。过多热量的使用会导致工艺流程故障，增加操作费用。处理温度高，操作压力低时，蒸气中的轻馏分损失占处理量的3%以上。图2油/水密度差和斯脱克斯参数图3斯脱克斯参数与温度的关系(2)原油流量对不同的油品，可以流量的变化鉴别脱水器在达到销售标准(轻油含水体积百分比为1%，重油含水体积百分数比3%)时的最大处理能力。最大处理能力用一单位容器横截面面积处理的原油量来表示，单位为bbI/d/ft2产，它是斯脱克斯参数的函数。实际流量约高于厂家推荐设计流量的4倍。这是毫不奇怪的，厂家在设计时，假定极板会短路。(3)水滴尺寸对于电脱水器来说，乳状液中水滴的尺寸是一个非常重要的参数。水滴越大，越易聚结。注意，只有将水滴分散使其在化学上不稳定时，脱水器才能工作。可以采用图像分析技术确定各种乳状液的液滴尺寸。表2列出了140F时，序号为B的油样试验时的流量、液滴尺寸和净化油含水率。这些结果说明，把净化油含水率保持在1%(体积百分比)以下时，油处理能力可高达382 bbI/d/ft2。如果中等大小的水滴尺寸大于31m，净化油含水率应该低到0.8%。总之，在这几项试验中产生的液滴尺寸比在现场确定的液滴尺寸(120m)小得多。如图3所示。表2 油量对排出油脚和水的影响 (4)入口原油含水只要水滴尺寸大于30m，在入口含水率从5%增加到30%时，净化油含水率不变。入口含水率为3%一5%时，净化油含水率稍高，但不到1%。如前所述，水滴在23倍水滴直径以内易于聚结。含水波动时可以保持正常的操作；提高油/水界面高度，降低水中含油。如果把液体短路减到最小程度，就能获得所有这些优点。以后还要讨论液体短路的影响问题。(5)电场强度研究发现，脱水性能随场强的增大而改进，而且处理量越大，或入口含水率越高，需要的电场强度越高。例如，要脱除F原油的水，达到外输标准，电场分离5%10%的含水率的原油最少需要1.14kV/in，含水20%平均为2kv/in。这种原油和G原油，电场区的耗电是0.50.6kvA/ft2。这些原油比普通油的导电性更强，耗电是一般油的两倍。按颗粒尺寸和原油类型的不同，当极板间的含水率超过5%8%时，发现有短路和打火现象发生。油越重时，使电场短路的含水率会低于5%，特别是当原油导电性极强时。如图4所示。图4操作参数(6)脱水器的含水率分布图图5是用1%或小于1%的BS&W所取得的最大处理量时原油F、E和B的含水率分布图。正如所期望的那样，在水/油界面和带电极板间的电场中含水率变化很快。一般说来，场强最大的位置是在发生大部分脱水的带电极板以下l ft以内，因而，电脱水器制造厂把水/油界面放在带电极板以下l2 ft处。然而，当油/水界面在带电极板以下约23ft时，观察到脱水性能没有变化。发现含水率的分布与带电极板和油/水界面之间的距离成正比。结果是如果在界面处形成稳定的乳化层，界面和带电极板之间3ft的距离能提供更长的停留时间，使水下滴并避免极板短路。在上部的电极之间发生额外的脱水。 图5 原油含水-油水界面分布图(7)水质水中含油随脱水温度的增加而减少，变化范围在300500ppm之间。(8)固体干扰当入口固体主要是亲水性湿砂子保持在1%以下时，脱水性能不受影啊。另一方面，象泥土/FeS(硫化铁)这样的亲油性固体，依固体含量的不同，净化原油的含水率分别增加到2%3%。流量高些时，这些亲油性固体(0.2%0.3%)随着处理过的油被带走，造成高出口含水率。在Midway Sunset，如硫化铁和沥青烯这样的亲油性固体稳定乳化，形成不良的油水界面，它随时间而增加。(9)游离气的干扰由于以下的一个或多个原因所致，原料中存在着游离气体：三相分离器中气体分离不充分；热发生器中用热过多；脱水器中操作压力低于流体的蒸气压力。注意，原油粘度越高，除气率越低。小型试验建议，当固体含量小于0.05%时，游离气达到0.05的气/油体积比是允许的。存在的固体多时，该值减到0.025。图6是有固体和气体存在的情况下，220F时34bbI/d/ft2原油脱水的小型试验结果图。固体的存在使水的含量稍有增加，但是气体和固体共同存在使含水率从1%增加到5%。这项观察强调静电脱水器上游气体完全分离和减小由于操作压力不够时处理气释放气体的重要性。图6 固体/气休干扰对性能的影响4，新型人口分布器的设计处理器中液体短路减少了有效停留时间和滴/滴凝聚力，增加上升液流的速率，然后该速率增加了水的携带。如上所述，最早短路的发生是由于：流量波动的增加：进料分散器的堵塞；存在游离气体和固体；原料温度的增加。不光通过优化操作条件，还可以通过设；卜高效率的入口/出口分布器来减少短路现象：为了最大限度地利用脱水器的横截面，开发设计了新型的进料分布器，并在Midway Sunset和入Mars，Ram Powell电脱水器中得到了实施。5，在油田的使用经验下面几部分介绍在两个油甲使用电脱水器的情况，一个是处理重质油，一个是处理轻质油。(1)Midway Sunset油田通过中心原油脱水设备对北部Midway Sunset，爹山田的11API原油进行脱水。脱水采用高深卧式机械脱水器(12ft8ft)和立式电脱水器(12ft80ft)。这些设备最早在1986年制造。设备的标称处理量是6000bbI/d油和23500bbI/d水。在1992年之前，采用在沉降罐中加入轻质油稀释剂和重力分离的方法对北部Midway Sunset以的产品进行处理，估计轻质油稀释剂成本为0.60美元。由于稀释剂成本较高，就不得不寻求一种替代工艺。根据PSCET的试验结果，在新的脱水设施中加入了静电处理器，1993年现场试验证明，轻质油稀释剂的使用没有必要，便停止了稀释剂的使用。在近于300F的温度时发生最佳脱水。但是，达到这个温度时，油/水之间的密度差减小到临界状态，既使分离区的干扰非常小，也会变换油和水的位置，据操作员讲，脱水器_仁样品分析说明，在容器上部周围有水。停留时间和分布图研究认为，停留时间是计算时间的1/41/10倍。把卧式机械脱水器的乳化排出液加入到静电处理器里。原Howe-Baker没计在标称39in油/水界面上10in处引入入口乳状液。在实验室的跳能测试期间，对电脱水模拟试验时进行肉眼观察后确认，当把乳状液引入标称油/水界面上时，在标称油/水界面旁边形成一稠层稳定孚t化层井在水沉降时受乳化层的干扰接下来，做一了内部修改，把人口降低到标称油水界面以下36in、12in。还对入口分布管进行了重新没计。采用高温电脱水器为11API乳状液脱水时，遇到了设计上和操作上的关键问题。即使采用三个能提供论12kV/6kV/20kV势能的150kVA变压器，也很难维持静电栅极上的全部电势能。按照Howe-Bake的原设汁，每个脱水器包括一个位于6 ft 4 in处的下部栅极，在7ft处的一个接地栅极和9 ft处的一个上部栅极。下部栅极的位置大约在乳状液入口以上27in处。为了避免短路，把下一部栅极提高到7 ft 8 in，处。接地栅极提高到8 ft 4 in，下部栅极和接地栅极的间隔保持不变，为8 in。上部栅极已拿掉。做了修改之后，把全部栅极电势能保持在280F以上也是困难的，常把脱水器作为简单的容积处理器使用。操作温度高时(300F)，油/水界面在宽垂直带范围上分配。控制这种非传统式的油/水界面非常困难。处理器配有RF探头，认为这种传统的仪器能够使用。放水看窗作为替代常被用于确定界面位置和特性，调节控制系统校验值和设定值。但是这并不能解决水泵中油偶尔被带走的问题。目前，这种“废”油从设施净油量的1%变成10%。收集的浮渣具有非常稳定的50%含水率乳化特性。把“废”油返回到工艺中去，会给设备造成不利影响，目前它被存放在中间罐里，用高速离心机处理。(2)墨西哥湾的Bull winkle平台Green Canyon 65目前的产量大约是48103bbI/d油和10103bbl/d。脱水设施包括高压和低压两相分离器、一个游离水脱除器(FWKO)、一个带脱气段和电场段的批处理器。电场的设计处理油流量是100bbI/d/ft2。由于油井酸化造成的千扰使静电栅板短路，所以把静电脱水器作为容器处理器用，油在FWKO中的停留时问约为126min。在FWKO中的操作温度约为114F，在容器处理器中约为122下，在FWKO的上游加一个破乳器。出口含水率在FWKO下游约为0.6%，容积处理器下游为0.5%，这表明，脱水主要在FWKO中发生，由于增加了8F温度和停留时间，容积处理器中的含水率稍有减小。FWKO上游水滴的体积中度直径是36m，液位控制阀上游是148m，液位控制阀下游是40m，换热器下游是120m。在这些阀的下游增加换热器提高了凝聚的潜力，增大了容积处理器上油的尺寸。这些观察说明，上游容器的尺寸设计过大。FWK下游不需增加热量。三、操作实践重质、中质和轻质原油的静电脱水，可获得满足销售的净化油。注意，下面几点操作和设计上的问题可以改进静电脱水器的性能：1、加大入口水滴的尺寸。从井口到净化油罐，观察液流工艺，以决定流量条件，减少阀门和弯头两端不必要的水滴剪切。例如，如果控制阀设计为适于最高负荷生产式的，但目前的产量只有50%，这样就应该截流阀门，避免潜在的液滴剪切。2、认识乳化特性。确定流体的粘度、密度、电导率和界面张力，以检测生产开工时的任何变化，鉴别固体类型。3、优化热量利用。保持流量一致，在设计流量以下时不要操作，以免短路。4、减少固体含量。鉴别固体的来源和类型撤出界面层维持脱水器界面清楚。5、减少游离气体。保证进入脱水器的物料不会游离气体，在操作温度下保持足够的操作压力。6、单独处理废油。不要把废油循环到处理设备的前面。分别处理废油，以减小干扰情况。7、优化化学处理。检查破乳器是否与原油兼容，用实验室离心试验分散乳化。8、设计良好的入/出口分布器。按照原料流率设计分布器，在处理器横断面提供均匀的分布。9、修改容器内件。把栅极放在容器的顶部，尽量靠近油出口，放在离容器壁至少8 in处，把水出口分布器放得尽量靠近容器底部。在油/水界面以下几英寸处馈入乳状液。采取在不干扰油/水界面的情况下抽出过渡层的措施。10、优化水放泄阀。尽可能不间歇地连续放水。11、优化能耗。一定要在栅极间充满净化油时启动静电脱水器。四、结论通过小型电化学脱水试验和现场试验，开发了.电脱水器设计和操作的指导。已经设计了使用状态范围，对于轻油，处理能力为栅极区200一300bbI/d/in2，对于重质油，则为栅极区10一20 bbI/d/in2。在西海岸用电脱水器进行重油脱水在经济上具有重大意义。由于渗漏问题，对于重