原油脉冲电脱盐技术研究_任满年

关键词: 原油 电脱盐 电脱水 脉冲 机 理
1前言
炼油厂加工的商品原油均含有一定量的盐和 水。其中水质量分数一般小于 01 5% , 多以/ 油包 水0( WPO) 型乳状液的形式悬浮于油相中, 其颗粒 直径为 10~ 20 nm[ 1] , 具有较高的稳定性。原油中 的盐类主要以碱金属和碱土金属盐酸盐的形式溶 解于原油所含的微小水滴中, 少量为碳酸盐、硫酸 盐、有机酸盐[ 2] 和重金属卟啉螯合物[ 3] , 此类盐在 原油加工过程中会增加能耗、腐蚀和堵塞设备、引 起催化剂中毒, 严 重影 响安全 生产 和产 品质 量。 为此, 原油深加工过程 要求脱盐后原油的 盐质量 浓 度 不 大 于 31 0 mgPL , 水 质 量 分 数 不 大 于 01 3% [ 4] , 污水含油浓度不大于 500 m gPL。
3实验
31 1 电源及装置 采用 SM T- 1500 型 原 油脉 冲 电 脱盐 专 用 电
源, 具有短路自保护功能。其技术指标为: 额定输 入电压 380 V ( 3PH , 50 H z) ; 输出脉冲电流不大于 200 mA; 额定输出脉冲电压 15~ 60 kV, 脉冲频率 50~ 2 000 H z, 占空比 6% ~ 50% , 均连续可调。
加工工艺
石油炼制与化工 PET R OL EU M PRO CESSIN G AN D P ET ROCH EM ICAL S
2011 年 12 月 第 42 卷 第 12 期
原油脉冲电脱盐技术研究
任满年
( 中国石化洛阳分公司, 洛阳 471012)
摘 要: 分析原油脉冲电脱盐技术的脱盐P脱 水机理。以 10 LPh 的两 级动态原 油脉冲电 脱盐装 置, 采用正 交试 验法对影响原油脉冲电脱盐效果的 7 个因素进行研究。结果表明: 在 原油处理 量提高 60% 的情况下, 采用 优选的工艺条件, 二级电脱盐后原 油的盐质 量浓度 小于 31 0 mgPL , 水 质量分 数小于 01 3% , 切 水含油 浓度 小于 100 mgPL, 达到了深度脱盐的技术要求; 与普通 交流电脱盐相比, 脉冲电脱盐节电率可达 581 9% 。
脱后原油含水量和含盐污水( 切水) 含便于数据处 理, 将此三个指标均按百分制打分, 分值越大, 说明脱
盐P脱水效果越好。结合实际生产中对电脱盐质量
指标的控制苛刻度, 取脱盐率、脱后原油含水量和
切水含油量的权重分别为 01 4、01 3 和 01 3。
脱盐率得分=
强度。
对某种稳定的原油乳状液而言, 式中的 r 和 s
不因温度、压力等外加工艺条件而改变, 水滴间的
聚结力取决于电场强度 E, E 越大越利于水滴聚
合, 电脱盐效率就 越高。但是 电场强度存在一 个
临界值, 即 41 7 kVPcm[ 7] ; 超过此值, 分散作用将占
主导地位, 增加电场强度反而 会使水滴分散得 更
一级
1 000 2 000
二级
1 000 2 000
F( 脉冲频率PHz )
一级
50
1 000
二级
50
1 000
G ( 占空比, % )
一级
6
30
二级
6
30
3
125 125
101 0 0
7 7 16
3 000 3 000
2 000 2 000
50 50
素, 破乳剂用量和 处理量是次要 因素。从有利 于 脱水的角度来看, 脱盐温度和占空比是主要因素, 处理量是次要因素, 其它为次重 要因素。从有 利 于降低切水含油的角度来看, 破乳剂用量和脉 冲 场强是重要因素, 脉冲频率和 脱盐温度是次重 要 因素, 其余为次要因素。综合考虑脱盐、脱水和切 水含油 3 个指标, 占空比、破乳剂用量、脱盐温度和 脉冲场强是主要因素, 其它为次要因素。
任满年. 原油脉冲电脱盐技术研究
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聚结和振荡聚结[ 9] 。由于受到电 场强度的限 制, 这两种电场对乳化膜较厚的微水滴作用效果不太
理想, 当乳状液含水量 较大或脱盐器乳化 层较厚 时, 易 发 生 漏 电短 路, 造 成原 油 脱 盐P脱 水 效 果 恶化。
脉冲电 脱盐工艺采用专用脉冲直流电源, 可 以形成单向、高压、高频、窄脉冲、大空度比 电场, 其脉冲频率、电场强度和占空比可实现连续可调。 单向脉冲电压可分解为直流电压和交流电压的叠 加[ 6] 。在直流脉冲电 场中, 原油 乳状液液滴 对外 电场的响应受 到电介质松驰过 程的控制[ 10-11] , 脉 冲电场的最佳频率取决于连续相的松弛时间。原 油乳状液是比较 复杂的 体系, 并非纯 电介质[ 12] 。 在使用绝缘电极的情况下, 乳状液和绝缘 材料实 际上构成了一个双层复合电介质[ 13-14] 。由于绝缘 层的阻抗远大于容抗, 而乳状液的容抗远 大于阻 抗, 这 种双 层 复 合电 介 质可 以 看 作 RC 串 联 电 路[ 15] 。在该复合体系加以脉冲电场, 乳状液液滴 间由于偶极诱导产生的相互作用力与电场的频率
脱前原油盐含量- 脱后原油盐含量 脱前原油盐含量
@
100
脱后原油含水量得分=
100-
脱后原油含水量 该批样品最大含水量- 最小含水量
@
10 0
切水含油得分=
100-
切水含油量 该批样品最大含油量- 最小含油量
@
10 0
综合得分= 01 4 @ 脱盐率得分+ 01 3 @ 脱后原油
含水量得分+ 01 3 @ 切水含油得分
4 结果与讨论
41 1 第一次优化试验
第一次优化试验中, 影响脉冲电脱盐效果的 7 个因素各自所选的水平见表 1。其中占空比是在 一串理想的脉冲序列中( 如方波) , 脉冲的持续 时 间与脉冲 周期的 比值。占空 比决定 着脉 冲电 脱 盐的节能效果, 占空比越低, 脱盐的电耗越少。从 表 3 可知, 提高占空比, 一级电脱盐的综合效果明 显提高。 41 11 1 一级脉冲电脱盐数据 分析 一级 脉冲电 脱盐数据的极差分析如表 2 所示。试验结果及极 差以 X abc 表示, X 为 S , W , O , Z, R, 分别代表脱盐 率、含水量、切水含油量、综合打分和极差, a 代表 第一次或第二次优化试验, b 代表一级或二级电脱 盐, c 代表某一因素的三个水平。极差 R 表示某一 因素三个水平平均值中最大值与最小值的差值, R 值大说明该因素的影响作用大。从表 2 可知, 不同 因素对各脱盐指标的影响效果不同。对于一级脉 冲电脱盐, 从有利于脱盐的角度来看, 脉冲频 率、占空比、注水量、脉冲场强和脱盐温度是主要因
我国炼油行业具有非常重要的意义。
2 原油脉冲电脱盐机理
在原油电脱盐过程 中, 油水乳状液的破乳 主
要依靠电场的聚结作用来实现, 两个相邻水滴 之
间受到的聚结力为[ 6] :
F = 24PE
Ew - E Ew + 2E
2
@
r6 s4
@ E2
式中: E为原油的介电常数; Ew 为水滴的介电常数;
r 为水滴半径; s 为两水滴间的距离; E 为外加电场
极子, 相邻的水滴产生剧烈 的振动, 聚结、长大 速 度快; 继续通电, 聚结速度稍有下降, 并趋于稳定。 随着加电时间的延长, 微米级 的乳化水滴不断 长 大, 分散度减小。同时, 还会出现沿不同方向排列 的水链, 平行的水链聚集在一起融合成大的水滴, 继续形成更大的水链和水滴。高频高压脉冲电场 的峰值在很短的时间内上升很高, 油相中的水 滴 反复受到突变电场的冲击, 加速了水滴间的聚结。
滴随电场的变化所产生的振荡和移动, 形成偶极
收稿日期: 2011-05- 09; 修改稿收到日期: 2011-06-08。 作者简介: 任满年( 1966 ) ) , 教授 级高工, 毕 业于西北 大学化 工系, 现从事炼油技术开发工作, 已发 表论文 15 篇, 获 国家发 明专利 8 项。
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石油炼制与化工
2011 年 第 42 卷
31 3 试验方案及数据处理
本研究采用正交试验法, 用 L 27 ( 37 ) 正交表对
影响脱盐效果的工艺条件( 脱盐温 度、注水量、破
乳剂用量及处理量) 和电场特征参数 ( 脉冲电 压、
脉冲频率及占 空比) 7 个 因素进行 筛选和优 化试
验, 并考察脉冲电脱盐工艺的电耗和运行稳定性。 原油电脱盐过程是一个多目标系统, 脱盐率、
有关, 频率过低, 则乳状液的电容 大, 电压 与电容 成反比, 分配在乳状液上的电压小, 乳状液液滴间 产生的作用力也小; 频率过高, 则液滴不能很好地 响应外电场的变化, 尽管电场强度很大, 但由于液 滴极化不好, 作用力仍会大大降低。因此, 脉冲电 场破乳存在着最佳频率[ 13] 。
原油脉冲电脱盐P脱水的微观机理可以归纳为 四个方面, 即偶极聚结、振荡聚结、水链聚 结和强 场冲击[ 9] 。在高频高 压脉冲电场的作 用下, 微水 滴的运动规律为: 通电瞬间, 微水滴被极化形成偶
小, 降低脱盐P脱水效率。第一代和第二代电脱盐
技术的电场强度一般在 800~ 1 500 VPcm 之间, 与
临界值有较大的差距, 电场强 度过大则会因漏 电
击穿而中断供电, 这就限制了 其脱盐效率的进 一
步提高。
不同性质 电场的破乳机 理不同。研究发现:
直流电场的脱盐P脱水是利用电场对水滴极化所产 生的偶极力聚结[ 8 ] ; 而交流电 场则是利用极化 水
通过调节高频脉冲电场的频率和占空比, 可 以使脉冲输出时间小于水链形成短路的时间。在 形成水链短路前终止脉 冲, 短路 即消失。在短 路 消失后, 再加下一个脉 冲, 就可以 避免电能泄漏, 大大地提高脉冲电场的强度, 显著改善脱盐P脱水 效果和设备运行平稳性。由于脉冲电源为间歇供 电方式, 缩短了通电时间, 具有明显的节电效果。