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二、原油电脱水和脱盐的机理
1.原油电脱水的机理
电脱水的过程也就是乳化原油在高压电场力(交、直流电场)的作用下经过破乳、聚结、沉降,使原油与水分离的过程。
其基本原理是破坏乳化液油水界面膜的稳定性,使其破裂,促进水颗粒凝聚成大水滴,借助油水密度差将水从原油中沉降下来。
电脱水器聚结段的有电栅极可诱导水滴间偶极子的吸引,从而增加它们足够大的相互碰撞机会而达到聚结的目的。
具体机理是将原油乳状液置于高压直流或交流电场中,由于电场对水滴的作用,使水滴发生变形并产生静电力。
水滴变形可削弱乳化膜的机械强度,静电力可使水滴的运动速度增大,动能增大,促进水滴碰撞,而碰撞时其动能和静电力位能便能够克服乳化膜的障碍而彼此聚结成粒径较大的水滴,在原油中沉降分离出来。
水滴在电场中聚结主要有三种方式,即电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结。
1)电泳聚结
根据异性电相吸引的原理,在直流电场中,水滴移向与其本身电荷电性相反的电极,此现象称为电泳。
由于原油中各种粒径水滴的界面上都带有同性电荷,故原油乳状液中全部水滴,将以相同的方向运动。
在电泳过程中,水滴受原油的阻力作用产生拉长变形,并使界面膜机械强度削弱,同时因水滴大小不等、所带的电量不同和运动时所受的阻力各异,故各水滴在电场中运动速度不同,水滴发生碰撞,使削弱的界面膜破裂,水滴合并增大,从原油中沉降分出。
未发生碰撞合并或碰撞合并后还不足以沉降的水滴将运动至与水滴相反的电极区附近。
由于水滴在电极区附近密集,增加了水滴碰撞合并的机率,使原油中大量小水滴主要在电极区附近分出。
电泳过程中水滴的碰撞、合并称为电泳聚结。
2)偶极聚结
在高压直流或交流电场中,原油乳状液中水滴受电场力的极化和静电感应,使水滴两端带上不同极性的电荷即形成诱导偶极。
因为水滴两端同时受正负电极的吸引,在水滴上作用的合力为零,水滴除产生拉长变形外,在电场中不产生像电泳那样的运动,但水滴的变形削弱了界面膜的机械强度,特别在水滴两端界面膜的机械强度最弱。
原油乳状液中许多两端带电的水滴像电偶极子一样,在外加电场中以电力线方向呈直线排列形成“水链”,相邻水滴的正负偶极相互吸引,电的吸引力使水滴相互碰撞,合并成大水滴,从原油中沉降分离出来。
这种聚结方式称为偶极聚结,偶极聚结是在整个电场中进行的。
3)振荡聚结
在工频交流电场中,电场方向每秒改变50次,水滴内各种正负离子不断地作周期的往复运动,使水滴两端的电荷极性发生相应的变化。
离子的往复运动使水滴界面膜不断的受到冲击,使其机械强度降低甚至破裂,水滴相撞而聚结成大水滴,从原油中分离出来。
这种聚结方式称为振荡聚结,振荡聚结是在整个电场中进行的。
原油乳状液在交流电场中,水滴以偶极聚结和振荡聚结为主;
在直流电场中,水滴以电泳聚结为主,偶极聚结为辅。
过高的电场强度还会使水滴发生电分散作用,即由于水滴偶极矩的增大,其变形加剧,椭球形水滴两端受电场拉力过大而导致分裂。
当电场强度大于4.8kV/cm时,将有电分散发生。
电分散时的电场强度与油水间的界面张力有关,因此任何使油水界面张力降低的因素,如脱水温度的增高,化学破乳剂的使用,均导致电场对水滴的相对作用增强,使产生电分散时的电场强度值降低。
电脱水和脱盐所使用的电场包括交流(AC)、直流(DC)和交直流电场,表2-3-21是三种电场的适用条件、工作方式和优缺点情况比较;
图2-3-36是直流电和双电场脱水的供电示意图。
原油乳状液采用电破乳方法脱水时,应充分利用化学破乳剂的作用,提高脱水效果。
由于各种原油性质不同,其形成乳状液性质也不同,需要选择不同品种的化学破乳剂与之相匹配才能有较好的破乳效果。
选择破乳剂的品种和用量应通过室内破乳剂试验和现场工业试验,根据成本和效能合理的原则确定。
2.原油脱盐的机理
原油脱盐通常采用水洗的方法。
原油脱盐的机理是利用盐易溶解于水的特点,用淡水稀释原油中的盐分,使得水中含盐浓度降低,再经过脱水后,残留的水中盐的浓度也较低,从而达到所规定的要求。
由于盐基本上以伴生水的溶解盐形式出现,因此原油的最终含盐量可以通过原油所含水量和剩余水中的含盐量多少通过公式计算来确定。
表2-3-21AC、DC和交直流电场的技术特征
电场
适用条件
工作方式
优点
缺点
AC电场
处理较高含水原油和处理集结在油水界面附近的大颗粒水珠
以偶极聚结和振荡聚结为主
水滴界面受到的振荡力较大,使脱出水清澈,水中含油率较少;
电路简单,无需整流设备;
电流方向频繁变化,电解反应是可逆的,而且带电颗粒移动受到抑制,与设备难以形成金属/电解液回路;
不会造成设备腐蚀。
脱水后其净化有含水率较高;
施加于电极上电压每一个周期内只有两个瞬间使电场强度达到最大值,故其效率较低;
原油乳状液的处理量较低;
水滴容易排列成许多水链使电场发生短路,操作不稳定;
单位原油乳状液的耗电量高
DC电场
处理含水率较低的原油乳状液
以电泳聚结为主,偶极聚结为辅
电场方向不变,带某种电荷的颗粒会向其相反极性的电极移动,带不同电荷的颗粒的运动就会形成逆向移动,发生碰撞并聚结的机会多,脱水效果好,适合处理较小的水颗粒
由于电场方向不变,设备与带电液体间形成金属/电解液回路,电解反应是不可逆和连续的,设备很可能因腐蚀而严重破坏
交直流双电场
在含水率较高的脱水器中下部建立交流电场;
在含水率较低的脱水器中上部建立直流电场
电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结,双电场脱水法能提高净化原油的质量
扩大了原油种类处理范围;
脱水深度高于单一的电场脱水深度;
增加了颗粒结合反应机会,相对来说,增加原油处理量;
加强破乳化水薄膜的力度;
在处理不稳定时,至少保留AC电场的作用;
由于AC电场存在于电极板与整个罐体之间,形成对罐体的电化学腐蚀的保护
当处理不稳定时,会失去DC电场作用
图2-3-36直流电和双电场脱水的供电示意图
(a)直流电脱水的供电(b)双电场脱水的供电
KG-调整初级线圈电压的可控硅B-脱水变压器ZL-整流硅堆TS-脱水器
三、原油电脱水和脱盐工艺参数的确定
电脱水器和电脱盐都是油气水处理系统中的重要设备,在常规工艺中,它们是两个独立的处理系统,分别完成各自的电脱水和脱盐任务。
电脱盐工艺要增加一套原油与淡水混合设备,该设备的作用是加入淡水去“冲洗”原油,便于淡水吸收原油中的盐。
1.原油电脱水主要工艺参数的确定
原油电脱水主要工艺参数包括:
操作温度、操作压力及乳化原油的停留时间、功率等。
在设计时应考虑以下几个方面:
1)原油电脱水工艺适宜处理含水小于30%的原油。
如果原油乳状液的含水率太高,例如超过40%~50%时,由于乳状液电导率的上升,不易维持稳定的电场,使脱水质量急剧降低,严重时会产生电击穿,使电脱水器操作不稳定,造成事故发生。
因而,对高含水率原油乳状液往往采用二段脱水,即先用沉降或热化学脱出部分的水后再进电脱水器进一步降低原油含水率。
2)电脱水操作温度应根据原油的粘温特性确定,宜使原油的运动粘度在低于50mm2/s的条件下进行脱水。
温度对乳化原油稳定性有很大影响,随着温度的增高,乳化原油稳定性下降。
其主要原因为:
乳化原油的主要乳化剂,如沥青质、胶质、石蜡等,在原油中的溶解度增加,减弱了由这些乳化剂构成的内相颗粒界面膜机械强度,使水滴易于在相互碰撞时合并下沉;
有助于破乳剂弥散;
可以增加破乳剂地反应能力;
内相颗粒体积膨胀,使界面膜变薄,机械强度减弱;
加强了内相颗粒的布朗运动,增加了相互碰撞合并成大颗粒的几率;
油水体积膨胀系数不同,原有体积膨胀系数较大,使水和油的密度差增大,水滴易于在油相中下沉;
降低了原油的粘度,水滴易于沉降。
由此可见,对乳化原油加热,能使乳化原油稳定性降低,有利于原油脱水。
但是加热需要消耗燃料;
增加原油的蒸汽压,从而增加原油集输过程中的原油蒸发损耗;
加热使乳化原油平均体积电导率增加,增加了电脱水过程中的电耗;
加热还使得水滴的电分散加剧。
因此,选择合适的电脱水温度很重要。
实践证明,原油的粘温特性与原有电脱水的效果有密切关系,当原油在粘度为50mm2/s以下进行电脱水时,各种原油基本上均可获得很好的脱水效果。
所以电脱水操作温度的确定,以使原油的粘度低于50mm2/s为条件。
总之,应本着节能的原则,在达到脱水质量的前提下,尽可能对乳化原油少加热或不加热。
3)电脱水器操作压力与原油饱和蒸汽压有关。
《原油电脱水设计规范》(SY/T0045-1999)中规定:
在设计时电脱水器操作压力应比操作温度下的原油饱和蒸汽压高0.15MPa。
在海上油田电脱水器设计时通常也按此规范执行,但需要考虑原油工艺处理流程实际情况,综合考虑电脱水器操作压力。
虽然电脱水器的操作压力对电脱水过程的诸因素没有直接影响,但根据原油在电脱水器之后进入不同的单元而选择合适的操作压力。
如果原油处理流程经电脱水器后直接进储罐或船舱储存,电脱水器的操作压力只需满足原油进储罐或船舱储存的压力要求即可;
若原油处理流程经电脱水器后直接经管道外输,电脱水器的操作压力可以适当提高。
电脱水器入口可设置分气设施,脱除少量气体,但电脱水器的操作压力不能太低,否则出现大量气体后会影响脱水效果。
4)电脱水器的处理能力,应根据原油乳状液在电脱水器内的停留时间确定。
电脱水器的处理能力按下式计算:
(公式2-3-15)
式中:
V-单台电脱水器处理的含水原油体积流量,m3/(h·
台);
Vi-电脱水器空罐容积,m3/台;
t-选定的含水原油在电脱水器内的停留时间,h。
5)电脱水器的台数应按下列原则确定:
运行台数按下式计算:
(公式2-3-16)
式中n-电脱水器台数,台;
∑V-经脱水器处理的含水原油体积流量,m3/h;
V-单台电脱水器处理的含水原油体积流量,m3/(h·
台)
6)原油乳状液在电脱水器内的停留时间,一般与乳化原油的性质有关。
一般的对于轻质、中质原油停留时间为20~40min,重质原油或稠油停留时间不宜超过60min。
在设计时最好按电脱试验的数据确定。
7)电脱水器的功率按电破乳时需要加热到的温度和处理液量来确定。
8)电脱水器内电场强度的设计,强电场部分的电场强度设计值一般为0.8~2.0kV/cm;
弱电场部分的电场设计值一般为0.3~0.5kV/cm。
2.原油脱盐工艺参数的确定
原油脱盐的主要工艺参数有:
原油的含盐量计算、稀释水的量、脱盐级数选择及压力、温度等。
脱盐工艺主要分为单级脱盐工艺和二级循环的脱盐工艺。
单级脱盐工艺具体流程,参见图2-3-37。
二级循环的脱盐工艺是在单级脱盐工艺基础上,将电脱盐器分别处理后的污水与电脱水器入口原油重新混合,参见图2-3-38。
加入第二级脱盐器,可使水再循环使用,从而减少总的淡水量。
图2-3-37单级脱盐流程图
图2-3-38二级循环脱盐流程图
1)原油的含盐量计算
原油的含盐量Z(PTB)可用以下公式确定:
(公式2-3-17)
Z—原油含盐量,磅/千桶纯原油,PTB
X1=
=脱盐器出口端原油中的水分数,按体积计算
K1=
水的含盐量,磅/桶
SGw=含盐水的比重,若未知,可假设为1.07
K=盐的浓度,百万分之几,按重量计算,ppm
2)稀释水量的确定
处理后的原油含盐量若超过规定要求,则必须在处理过程中进行一级或多级脱盐。
为了使含盐量达到可接受的标准,可以减少油中残余水量或可采用淡水稀释以降低残余水中的含盐量,或综合考虑这两个因素。
稀释水也尽可能要与原油混合充分,达到稀释盐分的目的。
(1)单级脱盐需要淡水量的计算
单级脱盐需要淡水量可以按下面公式求得:
(2-3-18)
Z—脱盐器出口油流中每1000桶纯油的含盐量,磅/千桶纯原油,PTB
A—来流中每1000桶原油中的水量,桶
X1—来流中水的分数,按体积计算
K1—来流中每桶水的含盐量,磅
B—脱盐器出口油流中每1000桶原油中的水,桶
X2—脱盐器出口油流中水的分数,按体积计算
C—每1000桶原油中进脱盐器入口的水量,桶
K3—每桶进入第一级脱盐器水中的总盐量,磅
E—稀释水与产出水的混合效率,以分数表示(假设为0.8)
K2—每桶稀释水中的盐,磅
Y—每1000桶原油中所需的稀释水量,桶
根据公式2-3-18,若单级脱盐后原油的含盐量合格,可以推导出稀释水的量;
计算公式中X2的取值一般考虑电脱水器脱水后的实际情况,若采用电脱水器脱水可以将原油中的残余水含量降低到0.2%~0.5%的范围内。
在设计时,若试验室测试的相关数据为国际单位制,采用上述公式进行计算需要进行单位转换。
(2)两级脱盐需要淡水量的计算
仅用一级脱盐工艺来除去非常高的含盐量是不实用和不经济的,因为所需的稀释水量太大。
通常在二级脱盐器中,稀释水是在第二级脱盐器前注入原油的,从第二级脱盐器底部分离出的排出水在第一级脱盐器前循环至原油来流中(参见图2-3-38)。
将该水循环回第一级入口,便可降低盐的浓度,而且改进了从第一级出来的脱水效果。
两级脱盐需要的淡水量的计算方法与单级脱盐相同,但二级脱盐器入口参数需选用一级脱盐器出口参数,并利用物质平衡原理进行计算。
3)脱盐工艺级数的选择
当需要进行脱盐处理时,必须确定级数。
级数的确定取决于原油性质、水中含盐量、合同要求、是否有冲洗水以及冲洗水的质量。
确定合适系统的一般步骤如下:
(1)采用传统的加热脱水器时,确定原油的含盐量(公式2-3-17,正常范围为原油含0.5%~1%的水)。
若有实际试验数据,计算时则可以采用;
若无数据,可假设为1%的水。
(2)将计算结果与合同要求相比较。
若含盐量高于规格书中所允许的,确定使用电脱水器能达到的含盐量(正常范围为含0.2%~0.5%的水)。
若无实际实验数据,假设为0.5%的水。
若计算结果满足规格书的要求,则无须进一步进行处理。
若结果不能满足规格书的要求,必须采用稀释/冲洗水脱盐系统。
(3)求出单级脱盐系统所需冲洗水。
一般而言,冲洗水的体积百分数为3%—8%。
(4)确定满足考虑冲洗水量的脱盐器尺寸(若所需量合理)。
(5)若单级脱盐器尺寸太大,而且所需冲洗水量过大,则计算二级处理器所需冲洗水量。
(6)确定满足二级处理能力的脱盐器的尺寸。
(7)评价设备的经济性、尺寸、冲洗水量、可获得的空间以及上述各方案的有关费用,并做出决定。
(8)由于原油脱盐器的效率随着脱盐的多少而变化,因此获得现场实际数据则可优化原油脱盐器的设计。
脱盐器的效率、冲洗水量和级数均相互关联,因此,设计人员必须评价由增加几何尺寸和冲洗水量而增加的费用与多级系统费用之间的关系。
4)稀释水的压力、温度要求
稀释水的压力、温度要满足流程物流平衡。
冲洗水压应高于原油1.2×
103kPa(25磅/英寸2),混合阀的压降一般为0.24~0.48×
103kPa(5—10磅/英寸2)。
5)混合效率
脱盐系统最重要的是混合冲洗水和原油的方法及设备的效率。
分散在原油中的冲洗水滴直径越小,它们与夹带的盐水液滴接触和聚结的可能性越大。
脱盐系统的混合效率实际上是产出水与冲洗水混合的百分率。
70%~85%的混合效率便可认为是达到合理范围。
6)脱盐计算的实例
已知:
原油流量=50,000桶/天,原油比重=0.875,入口油温=80℉
产出水:
含盐量=3000mg/L,比重=1.02
冲洗水:
含盐量=2000ppm
脱盐器出口处:
原油含水率=0.5%
来液中:
原油含水率=10%
处理后达到的标准:
原油含盐量=10PTB(0.028kg/m3)
解:
根据公式1,计算脱盐器出口油流中的含盐量:
磅
PTB
因此,为了达到含盐量要求,需要将出口油流中的残留含水率降低至X1=
=0.093%,工艺处理上通常无法达到。
因此,需要通过水冲洗,稀释并降低残留水的含盐量的方法或综合采用这两种方法。
单级脱盐器:
将原油含盐量降低到10PTB,根据公式2,
A=
=111桶(水),B=
=5.025桶(水),E=0.8
=10.71磅(盐),K2=
=0.7磅(盐)
K3=
=1.99,K3=
所以,Y=936.8桶(水)/1000桶纯油,所需的稀释水=936.8×
50=46842桶水/天
当电脱盐器的出口含水率降低时(由5%降为0.2%),所需的稀释水量可大大降低,
B=
=2.00桶(水),K3=
=5.00,Y=183.9桶(水)
所需的稀释水=183.9×
50=9196桶水/天
可以看出,当电脱盐器的出口含水率由5%降低到0.2%时,可以减少80%的稀释水量。
若还无法接受所需稀释水量,可以考虑多级脱盐工艺,降低稀释的水量。
具体计算参考美国雪夫龙公司《海上油气田工程设计实用手册》(第九分册)原油脱盐工艺计算部分内容。
四、电脱水和脱盐设备的选型
1.电脱水设备的选型
电脱水的选型主要是根据电脱水器的容积大小确定的。
而原油电脱水器的容积主要是由原油电脱水器的处理能力、乳化原油处理的难易程度、在电脱水器内的停留时间及台数。
电脱水选型和计算的步骤一般如下所示:
确定油田在生产过程需要进电脱水器中最大液量→选择电脱水器的操作温度→确定电脱水器的操作压力→选择原油在电脱水器内的停留时间→根据公式确定电脱水器所需的容积大小→根据容积大小选择电脱水器的台数及备用情况→参照直径、长度系列确定单台电脱水器的直径和长度→校核电脱水器的处理能力直到满足要求。
具体如下:
1)电脱水器的类型:
电脱水器按供电方式可分为交流电脱水器、直流电脱水器、交直流双重电场脱水器;
电脱水器按外形分为卧式、椭圆形封头、双鞍式支座支撑式。
原油采用直流电脱水,其脱水效果要比交流电脱水器效果好,但是直流电的脱出水含油量,要比交流电的多,所以原油电脱水的供电方式,应优先采用交直双重电场(参见表2-3-22)。
在海上平台上,通常采用卧式电脱水器。
表2-3-22交、直流电脱水器效果对比
供电方式
处理量m3/h
压力
×
105Pa
温度℃
初级电压V
初级电流
A
破乳剂
原油含水%
净化油
含水%
脱出水水色或含油率%
型号
用量
mg/L
交流
82
2.0
61
250
16.0
DQ
27
38
0.20
较清
100
240
18.0
34
37
0.21
110
63
235
18.5
29
0.62
淡黄
直流
120
185
14.5
15
0.14
110~127
2.0~2.3
63~65
150~220
14~19
12~19
37~38
0.03~0.27
124
2.1
64
180
17
20
0.15
0.375
114~130
60~66
110~245
11~23
20~30
38~40
0.06~0.21
0.15~0.66
2)电脱水器筒体公称直径、长度系列及容积参见表2-3-23
表2-3-23筒体公称直径、长度系列及容积
公称直径(mm)
长度(mm)
50
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