（化学工艺专业论文）超声波动态原油破乳脱盐脱水的研究.pdfVIP

硕士学位论文 摘要 油田采出的原油大都是以乳状液的形式存在的，乳状液分散结构十分复杂， 常以油包水( w o ) 类型为主。原油除含有工业生产所需要的成份外，还含有 n a c i 、c a c l 2 、m g c l 2 等盐类杂质和水份，而这些成分会严重影响原油的加工 生产过程，其中水分还会增加运输成本。原油中含水过多一方面会造成蒸馏塔 操作不稳定，严重时会造成冲塔事故；另一方面会增加能量消耗。而原油中的 盐类会水解生成强腐蚀性的物质h c l ；同时盐类还会引起加工过程中的催化剂 中毒，以及在管壁上沉淀形成盐垢而降低传热效率，增大流动阻力，甚至造成 管路堵塞、停工事故等，因此原油在炼厂加工前都必须进行脱水脱盐处理。 原油破乳脱水的方法主要有物理、电、化学等方法，通常这三种方法是结 合使用。但随着对油田的深度开采，采用上述方法常无法对其顺利实现油水分 离。由于这些原油的化学成分及乳状液结构的复杂性，难以用电法和化学法加 以破乳脱水，若让其进入电脱水器，亦将破坏电场，甚至造成跳闸。针对这种 情况，有必要用另外的方法来实现破乳脱水。近年来国内外研究表明，超声波 破乳是一种很有发展前景的新型破乳脱水方法。 以鲁宁管输原油为研究对象，按照工厂实际电脱盐流程，设计了超声波电 脱盐联合破乳实验装置进行破乳动态小试实验。实验比较了超声波电脱盐联合 作用和单一电脱盐作用的脱盐脱水效果。在超声电脱盐联合作用下，盐含量从 3 9 4 6 m g l 可降至2 2 0 m g l 左右，水含量可降至o 1 3 ( w ) 左右，小于工厂脱盐 指标6 0 0 m g l 和脱水指标o 3 0 ( w ) ；而单一电脱盐在相同条件下，原油盐含 量只能降到7 1 2 m g l 左右，水含量只能降至o 5 7 左右；通过显微跟踪分析， 在超声波作用后，油中水粒子的粒径明显变大，数量明显减少，这从直观上证 明了超声波对油中水粒子的凝聚作用。实验考察了影响原油破乳脱盐的几个重 要参数，如：声场，操作温度，超声发生器输出功率，破乳剂用量，混合阀前 后压差，超声波频率，脱盐罐电压，洗水量对脱盐脱水效果的影响。进行了驻 波场中的正交试验，分析了超声发生器输出功率，混合阀前后压降，破乳 剂用量对实验的影响程度；在原油流量2 0 l h ，洗水流量1 l h ，电脱盐罐电压 6 k v ，脱盐罐温度8 0 。c ，1 0 k h z 驻波场超声波作用条件下，三因素最佳水平组合： 摘要 超声发生器输出电压1 5 0 w ，混合阀前后压降o 4 m p a ，破乳剂用量3 0 p p m ，经 软件s t a t i s t i c a 6 0 预测得到的预测值为1 9 4 5 9 m g l ，验证实验的盐含量为2 1 1 m g l ，证明该预测数据可信。实验考察了原油经过一次驻波场超声作用和一次 混响场超声作用后的原油脱盐脱水效果，原油脱后盐含量和水含量分别达到了 1 5 1 m g l 和0 0 6 ，效果优于只经过一次驻波超声辐射的结果( 2 1 1 m l 和 o 1 3 ) 或者一次混响场超声辐射处理的结果( 3 6 1 m g l 和0 2 4 ) 。 本文认为目前超声波原油破乳仍不可能完全替代电脱盐过程，但由于超声 破乳过程不受原油性质影响，故超声波处理可作为电脱盐过程的预处理，即可 以作为强化原油破乳脱水或减轻电脱盐装置负荷的有效途径。 关键词：超声波破乳脱盐脱水 一 翌主兰堡垒墨 a b s t r a c t t h ef o r mo fc r u d eo i lu s u a l l yl i e sa se m u l s i o n ，a n dt h ed i s p e r s i v es t r u c t u r ea n d c o m p o n e n ta r ev e r yc o m p l i c a t e d t h ea q u e o u sp a r t i c u l a t eu s u a l l ye x i s t si no i l t h e r e a r em a n yu n u s e f u lc o m p o n e n t si no i ls u c ha sn a c l ，c a c l 2 ，m g c l 2 e t c ，w h i c hc a n d e s t r o yt h er e f i n i n go fc r u d eo i l t h ec o s to fr e m o v i n gt h e m ，e s p e c i a l l yw a t e r ，f r o m o i lw i l lb ei n c r e a s e d t h ee x c e s s i v ew a t e rc a nm a k et h eo p e r a t i o no fd i s t i l l a t i o n t o w e ru n s t a b l ea n di n c r e a s et h ec o n s u m p t i o no fe n e r g y t h es a l t si nc r u d eo i lw i l l h y d r o l y z et oh c i ，w h i c hi sc o r r o s i v ei n t e n s e l y a tt h es a m et i m e ，t h e s es a l t sw i l l d e p o s i to nt h ew a l lo fp i p e s ，r e d u c et h ee f f i c i e n c yo fh e a tt r a n s p o r t ，i n c r e a s ef l o w r e s i s t a n c e ，a n de v e nb l o c ku pt h ep i p e m o r e o v e r ，t h es a l t sa n dw a t e ri nc r u d eo i lc a n p o i s o nc a t a l y s t s ，s oc r u d eo i lm u s tb ed e w a t e r e da n dd e s a l t e db e f o r er e f i n i n g t h em a i nm e t h o d so fc r u d eo i le m u l s i o nb r e a k i n gc a nb ep h y s i c a l ，e l e c t r i c a l ， a n dc h e m i c a l u s u a l l yt h e s et h r e ew a y sa r eu s e dj o i n t l y b u ts o m e t i m e s ，t h e ya r e a t p r a c t i c a lf o rs o m et y p e so fc r u d eo i l ，e s p e c i a l l yf o rf u r t h e rc r u d eo i lm i n e d d u et o c o m p l e x i t yo fc h e m i c a lc o m p o n e n t sa n di t se m u l s i o ns t r u c t u r e ，i ti sd i f f i c u l tt o d e m u l s i f yw i t he l e c t r i c a lo rc h e m i c a lm e t h o d s i ft h e s et y p e so fc r u d eo i le n t e rt h e e l e c t r i c a ld e s a l t i n gd e v i c e ，t h e yw i l ld e s t r o yt h ee l e c t r i c a lf i e l d s oi ti se m e r g e n tt o f i n do u to t h e rw a y st od e m u l s i f yt h e m t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e si n d i c a t e t h a tc r u d eo i le m u l s i o nb r e a k i n gb yu l t r a s o u n di r r a d i a t i o ni san e wm e t h o di nf u t u r e e x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e d t o d e m u l s i f yt h er u n i n gc r u d eo i l w i t h u l t r a s o u n dc o m b i n e dw i t he l e c t r i c a l d e s a l t i n ga c c o r d i n gt o t h ea c t u a l d e s a l t i n g p r o c e s so f t h eo i lr e f i n e r y t h er e s u l t so f d e h y d r a t i o na n dd e s a l t i n go f c r u d eo i lw e r e c o m p a r e db e t w e e nw i t hu l t r a s o u n dc o m b i n e dw i t he l e c t r i c a ld e s a l t i n ga n dw i t h e l e c t r i c a l d e s a l t i n go n l y t h es a l tc o n t e n to ft h ec r u d eo i lt r e a t e db yu l t r a s o u n d c o m b i n e dw i t he l e c t r i c a ld e s a l t i n gc o u l db er e d u c e df r o m3 9 4 6 m g lt o2 2 m g la n d w a t e rc o n t e n tc a nb er e d u c e dt oo 1 3 i nt h eo p t i m u me x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s h o w e v e r , a f t e rt r e a t e db ye l e c t r i c a ld e s a l t i n gi nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h es a l tc o n t e n t o ft h ec r u d eo i la n dt h ew a t e rc o n t e n tc a no n l yb er e d u c e dt o7 1 2 m g la n do 5 7 a b s t r a c t r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , a f t e rt h er a d i a t i o no fu l t r a s o u n d ，i tc o u l db eo b s e r v e dw i t h m i c r o s c o p et h a tt h es i z e so fw a t e rd r o p sg r e wa n da m o u n t sr e d u c e d t h ef a c t o r so f e f f e c t i n ge m u l s i o nb r e a k i n gb yu l t r a s o u n d ，s u c ha ss o u n df i e l d ，f r e q u e n c y ，p o w e ro f u l t r a s o u n d ，o p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ed r o po fm i x i n gv a l v e ，d o s a g eo f d e m u l s i f y i n ga g e n ta n dv o l t a g eo fd e s a l t i n gt a n kw e r es t u d i e d m o n o f a c t o r i a la n d m u l t i p l ef a c t o r s o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fd e m u l s i f i c a t i o nw e r ec a r r i e do u t t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sf o rc r u d eo i ld e s a l t i n gi ns t a n d i n gf e l da r e ：f l o wo fo i l2 0 l h f l o wo fw a t e r1 l h ，v o l t a g eo fd e s a l t i n gt a n k6 k v ，o p e r a t i o nt e m p e r a t u r e8 04 c ， u l t r a s o u n df r e q u e n c yl o k h z ，i ns t a n d i n gw a v ef i e l d ，p o w e ro fu l t r a s o u n d1 5 0 w ， p r e s s u r ed r o po f m i x i n gv a l v eo 4 m p a ，d e m u l s i f y i n ga g e n td o s a g e3 0 p p m t h ef i n a l s a l tc o n t e n ti nt h i sc o n d i t i o ni s1 9 5 m g lp r e d i c t e db ys t a t i s t i c a 6 0 t h i sr e s u l tw a s p r o v e dc r e d i t a b l eb yt h ee x p e r i m e n t si nt h es a m ec o n d i t i o n t h i ss a l tc o n t e n to f c r u d eo i lm e e t st h ed e m a n d s ( u n d e r6 o o m g l ) o fr e f i n e r y a f t e rt r e a t m e n ti nt h e s t a n d i n gw a v ef i e l da n dt h e ni nr e v e r b e r a t i o nf i e l d ，t h es a l tc o n t e n ta n dw a t e r c o n t e n to ft h ec r u d eo i lc o u l db er e d u c e dt o1 51m 妒。a n do 0 6 r e s p e c t i v e l y ， w h i c hw e r es u p e r i o rt ot h er e s u l t s ( 2 1l m 班a n d0 13 ) o fb e i n gt r e a t e di nt h e s t a n d i n gw a v ef i e l do rt h er e s u l t s ( 3 6 1 m g la n do 2 4 ) o fb e i n gt r e a t e d i n r e v e r b e r a t i o nf i e l d w ed o n tc o n s i d e rt h a tu l t r a s o u n dt r e a t m e n tc a nc o m p l e t e l yr e p l a c ee l e c t r i c d e s a l t i n gp r o c e s s h o w e v e r ，t h ep r o c e s so fd e m u l s i f i c a t i o nw i t hu l t r a s o u n di sn o t i n f l u e n c e db yc h a r a c t e ro fc r u d eo i l s ot r e a t m e n t 丽mu l t r a s o u n dc a nb ec o n s i d e r e d a sp r e t r e a t m e n to fe l e c t r i c a lt r e a t m e n t ，a n di tc a ni n t e n s i f ye l e c t r i cd e s a l t i n gb y l i g h t e n i n gt h ec h a r g eo f e l e c t r i cd e s a l t i n gd e v i c e k e y w o r d s ：u l t r a s o u n dd e m u l s i f i c a t i o n d e h y d r a t i o n d e s a l t 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 原油破乳脱盐脱水的意义 原油除含有工业生产所需要的组份外，还含有n a c i 、c a c l 2 、m g c l 2 等盐 类杂质和水份，而这些成分会严重影响原油的加工生产过程，其中水分还会增 加运输成本。原油中含水过多一方面会造成蒸馏塔操作不稳定，严重时会造成 冲塔事故；另一方面会增加能量消耗。而原油中的盐类会水解生成强腐蚀性的 物质h c l ；同时盐类还会引起原油加工过程中的催化剂中毒，以及在管壁上沉 淀形成盐垢而降低传热效率，增大流动阻力，甚至会堵塞管路，造成停工事故 ”】。因此原油在加工前必需先进行脱盐、脱水。我国几种主要原油进炼油厂时 的含水、含盐情况见表1 - 1 。 表1 - 1我国几种主要原油进炼油厂时的含盐含水情况【2 t a b l e1 - 1p e r c e n t a g eo f m o i s t u r ea n ds a l t so f s e v e r a lk i n d so f c r u d eo i li nc h i n a 一般炼油厂要求脱盐脱水后的盐含量为：6 0 0 m g l ，水含量为：o 3 0 ( w ) 。表1 1 中的水含量都较低，这是因为原油运输到炼油厂之前已经脱过水以 便降低运输成本。原油在炼油厂又会被加入5 7 左右的新鲜水，通过静态 混合器的混合，将残留在原油中的盐类溶解并稀释，原油和含盐水会形成新的 乳状液，再通过电脱盐设备在破乳脱水过程中将盐随水脱除。所以炼厂原油破 乳脱水主要目的是为了脱盐。 随着我国很多油田进入二、三次采油，原油品质变差，化学成分和油水乳 第一章文献综述 状结构变得更为复杂，采用加热、高电压场和破乳剂的常规脱盐脱水方法将愈 来愈难以达到炼油厂的要求。电脱盐设备经常跳闸，使达不到要求的原油流入 后续生产工序，导致催化剂中毒，严重影响正常的生产，同时造成巨大的浪费。 对于重质原油，粘度高、密度大，其破乳脱水比稀质油更困难。粘度在5 0 0 0 p a s 以内的稠油仍采用电一化学脱水，即以化学破乳剂为主，电脱为辅的常规破乳 脱水工艺：对粘度更大的稠油，采用常规方法已显困难【3 】。 1 2 原油的乳状液结构及性质 世界上开采出来的原油大都是以乳状液的形式存在的。原油乳状液是十分 复杂的分散体系，以油包水( w o ) 类微粒结构为主。影响原油乳状液稳定性的 因素很多，如密度、粘度、含水量、水滴直径、水滴电性、水相性质、原油中 固体颗粒、界面膜强度和粘性及乳状液的老化等。研究表明，原油之所以能形 成稳定的乳状液，主要是由于原油中含有天然乳化剂，原油乳状液的稳定性在 很大程度上取决于由天然乳化剂形成的液液界面膜。原油中的成膜物质主要有 沥青质、胶质、石蜡、石油酸皂及微量的粘土颗粒等，这类物质含量越高，原 油乳状液性质就越稳定【u 】。 油水界面膜可按照受压时的流动性分为三类：( 1 ) 固体刚性膜，为相对不溶 性膜，界面粘度较高，在酸性条件下强度高，中性条件下强度中等，碱性条件 下强度弱或转变为流动膜。刚性膜是由沥青质构成的，沥青质是分子量高的两 性物质，在酸性和中性条件下显现类似胺的碱性性质，在碱性条件下显弱酸性 质。( 2 ) 液体流动膜，受压易扭曲变形，压力消除后很快复原，界面粘度较低， 在碱性条件下强度高，酸性条件下强度弱。流动膜是由胶质构成的，胶质分子 量比沥青质小，为弱的有机酸，只显酸的性质。( 3 ) 过渡膜，不会扭衄变形，界 面粘度低，在界面张力较低时出现。就界面膜的强度而论，沥青质膜大于胶质 膜。沥青质形成的界面膜强度大，可承受高压。含有适量胶质的沥青质膜，由 于胶质、沥青质之间的相互作用，变得较致密，强度增大，崩塌压力不受明显 影响；在胶质含量继续增大时膜强度逐渐下降。沥青质膜可以承受高压的部分 原因，在于沥青质中的芳香环是平躺在界面上的。胶质分子的芳香度较低，对 沥青质的缔合、聚结有阻碍作用，在高芳香度的沥青质与脂肪族体系之间构成 硕士学位论文 了平稳的过渡区【4 5 l 。 固体颗粒是影响原油乳状液稳定的一个重要因素，但只有吸附了表面活性 剂的固体颗粒才有乳化作用。固体颗粒在油水界面的分布依赖于固水、水油和 固油之间的界面张力y 。y 。和y 。，如y 。o ( y 。w + r 。) 或v 。w 、y 。o 、y 。中 的任一个小于其它两个之和，固体颗粒将集中于界面处。当y 。 y 。时，固体颗 粒大部分浸没于油相中，被水相浸润的面积小，形成的原油乳状液( w 0 型乳 状液) 乳滴界面面积小，稳定性高。因此，水润湿固体颗粒可以稳定0 w 型乳 状液，而油润湿固体颗粒可以稳定w 0 型乳状液。固体颗粒浓度增加时水滴平 均体积减小，乳状液界面总面积增大，停留于界面的固体颗粒数增多，使乳状液 的稳定性增大。在固体颗粒对乳状液的稳定作用中有一个最小浓度( 最小表面覆 盖率) ，高于这一浓度时固体颗粒在乳滴周围界面膜上的分布已较密，颗粒之间 已有较强的相互作用，界面膜强度较大f 4 ，5 。 石蜡是原油乳状液稳定的另一个因素，在温度降低时原油中的石蜡可形成 细小的蜡晶或蜡网结构，使原油粘度上升，一些蜡晶滞留在水滴之间，阻碍油膜 排泄，或在水滴表面形成具有一定强度的蜡晶网，将水滴包围分隔，阻碍水滴 絮凝、聚并、沉降，使乳状液变得十分稳定。在这种情况下，温度越低则蜡网 的强度越大，原油乳状液越稳定。但由石蜡构成的界面膜与胶质膜、沥青质膜 相比强度较低，在原油乳状液的稳定作用中并不重要。这是由于石蜡的基本组 成是非极性的直链烷烃以及一些支链烷烃，分子问相互作用不强【4 ”。 1 3 原油破乳脱水脱盐的常规方法c 6 , 7 1 乳状液在热力学上是不稳定体系，最终的平衡应是两相分离，最后破乳。 原油乳状液的破坏一般经历分油、絮凝、膜排水、聚结、相分离等过程，其中 有些过程是可逆的( 如絮凝) ，有些过程是不可逆的( 如聚结) ，乳状液的液滴破坏 是界面膜破裂( 膜排水) 的结果。 原油破乳脱水脱盐的方法主要有物理、电、化学等方法，通常这三种方法 是结合使用的。油田地面工程中的分离过程一般先采用重力分离流程( 如图 1 - 1 1 ，然后再用电脱水的方法来分离油和水，在电脱盐的过程中一般还加入破 乳剂以提高破乳效果。 第一章文献综述 1 气笆一化l 一净化气 器广一口 = 二二 二= = 二二二二= 一 站外来油h 油1 一分_ _ 一电脱水器卜一净化油 = 二工二= = 二二二= ；4 二二二j i 二! ! h 三! ! h 二笙兰i 挣化永h 糖v 滤卜压警潼卜 图i - i 油田地面常规重力分离工艺流程 f i g 1 1f l o w c h a r to f g r a v i t a t i o n a ls e p a r a t i o ni no i l f i e l d 化学方法破乳主要是在原油乳状液中加入破乳剂，破乳剂的作用是降低油 水之间的界面张力，使界面膜变得不稳定，导致界面膜的破裂，水滴聚结油 水两相分离。破乳剂的用量有一个临界聚集浓度c a c ( c r i t i c a la g g l o m e r a t i o n c o n c e n 廿a f i o n ) ，在达到c a c 之前，破乳脱水脱盐效果随破乳剂用量的增加而 提高，超过c a c 浓度后，破乳效果会下降或几乎不发生变化。原因是在c a c 浓度以下，破乳剂分子以单体形式分配于油水两相中并吸附在油水界面，在达 到c a c 浓度时破乳剂在油水界面的吸附量达到最大，超过c a c 浓度后破乳剂 开始在油相、水相或第三相聚集。破乳剂聚集体在低盐度时以o w 型微乳液形 式存在于水相中，使o w 型乳状液( 含油污水) 稳定，但对w o 型乳状液有 破乳作用；在盐度0 2 0 4 m o l l 时形成富集破乳剂的第三相，其含水率大于 9 0 ，密度大于水，故沉积于底部；盐度大于0 4 m o l l 时第三相消失，破乳剂 集体转入油相，结果使w o 型乳状液稳定，破乳速率下降。 进入炼油厂的原油脱水脱盐过程是在原油中注入一定量含氯低的新鲜水 ( 注入量一般为5 ) ，经充分混合，溶解残留在原油中的盐类同时稀释原有盐水 形成新的乳状液，然后在破乳剂和高压电场的作用下使微小水滴逐步聚结成较 大水滴，借重力从油中沉降分离，达到脱水脱盐的目的。原油脱盐脱水的典型 工艺流程如图1 - 2 所示【2 】。 4 硕士学位论文 破乳剂 新鲜水 源油 进接力泵 换热器 图1 2 原油脱盐脱水的典型工艺流程 f i g 1 2c l a s s i c a lf l o w c h a r to f c r u d eo i ld e s a l t i n ga n dd e w a t e r i n g 永 含水原油通过高压电场时，在分散相水滴上形成感应电荷，由于电荷是按 极性排列，因而水滴在电场中形成定向键，每两个靠近的水滴，电荷相等，极 性相反，产生偶极聚结力，积聚成较大水滴，这个偶极聚结力可用下式计算： 厂= 6 f 2 e 2 r 2 ) 4 ( 1 - 1 ) l 式中：产一偶极聚结力，n ；k 一原油介电常数，f m ； e 。电场梯度，v c a n ：，- 一微滴半径，c r n ； 卜两微滴间中心距，o n 。 国内炼油厂采用的强电场梯度为5 0 0 - - 1 0 0 0 w c m ，弱电场梯度为 1 5 0 3 0 0 v c m 。原油中的水滴在高压电场作用下很快聚结成大水滴，然后借重 力作用从原油中沉降分离出来。沉降速度服从斯托克斯定律【8 1 ( 式l 一2 ) ，水滴直径 愈大、原油和水的相对密度差愈大、温度越高、原油粘度小时，沉降速度越快。 。：垡：丝二盟 1 8 , u 式中：d 一水滴直径，m ：p 。一水的密度，k g m 3 ； p 一油的密度，k g m 3 ；旷一油的粘度，p a s 。 除了上述方法以外，另外还有许多原油破乳脱水的方法， ( 1 - 2 ) 如磁处理技术、 第一章文献综述 旋流分离技术、膜分离技术、过滤法原油脱盐脱水技术等 9 1 1 0 1 l ，1 2 ，1 3 ，1 4 但对有些原油采用上述方法却无法顺利实现油水分离，如三次采油采出的 水包油( o w ) 孚l 化原油、污水回收油、老化油以及某些进口原油等，由于其化 学成分及乳状液结构的复杂性，难以用电法和化学法加以破乳脱水，若使它们 混入电脱水器，亦将破坏电场，甚至造成跳闸。要解决这种情况，必须研究开 发其它方法来实现破乳脱水。从目前的文献资料来看，在混响声场或驻波声场 中进行超声波原油破乳是一种设备简单、成本低、适应性强、有发展前景的新 型辅助物理破乳脱水脱赫方法，在石油炼制过程中具有良好的应用前景。超声 波破乳脱盐技术与电脱盐技术的比较如表卜2 。 表卜2 超声波破乳脱盐与电脱盐的比较 t a b l ei - 2t h ec o m p a r a t i v es t a t e m e n to f u l t r a s o u n dd e s a l t i n ga n de l e c t r i cd e s a l t i n g 1 4 超声波破乳脱水脱盐的意义及国内外研究现状 随着原油质量的变差，将面临油中有毒、有害、腐蚀性物质的增加，因此 采用常规破乳脱水脱盐法不能有效脱除原油中的水、盐等杂质而影响石油的后 续加工。进行超声波原油破乳脱水脱盐研究，以改进现有工艺过程，对石化企 业特别是对炼油厂来说显得日益重要。 国外超声破乳研究开展的比较早，有的甚至进入了试验应用阶段并申请了 专利。早在5 0 、6 0 年代，前苏联和美国等国家就开始了研究。前苏联使用串联 起来的环状声波转换器，每个转换器都装有对油流聚焦的陶瓷元件，它向含水 乳化油辐射声波，大大加快了原油、污油的破乳脱水速度。 6 硕士学位论文 美国t e k s o n i x 公司 1 6 , 1 7 开发了一种高效且经济的工艺，利用超声波对油水 乳化物进行破乳处理。t e k s o n i x 工艺是用泵把乳化物送过一条斜管分离器，乳 化物在其中受到1 8 2 7 k h z 的超声波的横向振动约5 1 0 分钟，水作为载体。 超声波在以水为载体的传递过程中，对油粒子施于一定速率的推力，从而破坏 乳化物，最后各相物质按密度的不同加以分离。 s t e f a n e s c ua u r e l i a n 和a m i l c a rv l a d i m i g 博悃超声波使原油脱盐脱水，原油 通过一旁路管道，旁路管道有超声波作用然后回到主管道。 目本有专利1 9 0 0 1 报道，在处理切削废油和船用废油时，用超声波进行辅助 处理，8 0 时用超声波作用- - d , 时，油中含水量降为1 4 5 ( 重量) ，而直接用热 沉降- d , 时，油中含水量仍高达3 1 5 。 k h a p a e v v m 和l u t c h a k n l 2 1 1 对油水乳化物( 如石油、船用废水等) 经过超 声处理后的分离进行了研究，并和没有用超声波处理的乳状液作了比较，发现 超声辐照l o 1 5 分钟效果最好。 h u a n gp i n y 和t s a o y u h - h w a n g 2 2 悃超声波从废水中回收液态烃类化合物， 使废水通过一管道，管道上至少有两组超声换能器，控制声强在空化闽值以下， 液态烃类化合物在超声波的作用下聚结、沉降，进而从废水中分离出来。 h u t c h i s o n 掣2 3 1 用超声技术净化航空发动机油，原理是利用超声波的驻波效 应，处理装置由两个在同一水平上相向对置的超声换能器所组成，换能器之间 放置被处理的污油样品，如一个换能器发射超声波，油中的污物粒子将聚集在 声束轴线上相距二分之一波长的各点处，如两个换能器同频激发，也会产生同 样效应，但是如果两个挟能器的工作频率略有差别，在这种情况下，驻波不再 停止，而是有规则的横越两个换能器之间的媒质，使滞留在相距半波长各处的 粒子被运动的驻波所带走，最终集中在某一换能器的一侧，然后被分流。 r o a t zs i n o n e 。k a t z e rs i l k e 和h a e r t e lg e o r g t 2 4 分别用超声波和超滤膜来处 理用非离子乳化剂稳定的w o 型乳状液，实验后认为膜过程不能使油水完全分 离，而超声波可以使油水完全分离，加入破乳剂、较高的温度以及较低的p h 值都可以加快油水分离过程。 p a c z y n s k a - l a h m eb f 2 5 用加热和超声波协同作用的方法使污油破乳，使用 的超声波频率为3 5 k h z 和4 5 k h z ，认为使用超声波破乳优于其他的破乳方法。 7 第一章文献综述 s i n g hb p 2 6 , 2 7 慵超声波破乳，在加入破乳剂的情况下，脱水率达9 9 1 0 0 ， 不加破乳剂，室温脱水率大于7 5 ，超声波对一些化学破乳不起作用，比较稳 定的乳状液破乳也能得到令人满意的结果。还分别用超声和热沉降的方法使 w o 型乳状液破乳，在不加破乳剂的情况下，超声波在室温( 2 8 ) 达到最大的 脱水率为7 5 3 ，所需时间为8 0 分钟，而用热沉降的方法在4 0 。c 、7 0 。c 和8 0 的脱水率分别为1 2 5 、3 8 8 和4 7 2 ，所需时间大约为2 小时。室温，破 乳剂j m - 4 8 5 的浓度为1 0 0 0 p p m 时，超声波破乳可获得9 3 的脱水率，而用热 沉降的方法在8 0 只能获得4 7 2 的脱水率。破乳剂d e 2 3 5 0 的浓度为 5 0 0 p p m ，室温( 2 8 ) ，超声波作用2 小时，脱水率为1 0 0 ，而用热沉降的方 法最大脱水率为9 0 。 美国专利u s 5 8 8 5 4 2 4 中，d a v i sr o b e r tm i c h a e l 等用超声波处理污油乳状 液，声波的频率范围在0 5 1 0 0 k h z 之间，1 2 5 k h z 最好。对于a p i 重度大于 2 0 的轻油乳状液，可以不加破乳剂破乳。其处理过程是污油先经过重力沉降脱 除游离水( 温度4 0 * ( 2 4 2 c ) ，然后通过超声波作用的管道( 温度8 09 c 8 2 c ) ，超声 波作用后，再利用重力沉降的方法使油水分离，处理量为1 5 1 0 b d ，使用破乳 剂为a q u a n o x 2 7 2 ，加入量在频率1 2 5 k h z 时为1 5 l d ，用b s & w ( b a s i c s e d i m e n ta n dw a t e r ) 法分析水含量为0 。 g a r y w s a m s 和m o s h e n z a o u kf 3 卅讨论了在原油性质，水的性质，化学破 乳剂，压力和热量循环对原油破乳的影响认为过强的剪切能量会增加油水表 面，从而造成水粒子的更加分散。破剂的p i l l 0 1 3 之间有利水粒子的凝聚。适 当得提高乳液的导电率有利于破乳，但需要更大的电压供应并且限制了电压梯 度的提高。 开展超声波破乳脱盐脱水研究，在国内相对较晚，仍处于探索阶段，进入 工业应用仍有一定难度。孙宝江等口9 锻据理论分析并结合工程实际，对可控制 的参数声强、频率和声辐射时间进行了研究，证实了超声波破乳的可行性，特 别是对用普通的电一化学方法无法达到要求的复杂油水乳状液具有良好的效 果。虞建业等1 3 0 , 3 1 在实验室研究了超声辐照对原油破乳脱水的影响，结合化学 破乳提高了最终脱水率，同时又降低了脱出水的含油量等；研究了超声场参数 对脱水率的影响，其中声强、辐照时间和频率是影响脱水率的主要因素，而间 硕士学位论文 歇比、脉冲宽度等为次要因数。付静、魏启忠3 2 】，韩萍芳等3 3 1 都讨论了影响超 声波破乳效率的主要因素，温度、超声波处理时间是重要影响因素。后者还提 出超声波声强不能超过空化阈值，破乳剂的用量也不能超过临界聚结浓度。 鉴于国内研究对象多为油田原油，且脱后盐含量仍不符合炼油厂进塔要求， 需要进一步脱盐。本文即对原油进炼厂后用超声波进行深度脱盐的可行性、实 用性进行了研究。减少破乳剂用量、降低石油加工成本、改进炼油厂现有工艺 对我国石油炼制及石油加工业具有重要意义。 1 5 本课题的研究内容 本文以鲁宁管输原油为研究对象。按照工厂实际电脱盐流程设计超声波电 脱盐联合破乳实验装置并进行破乳动态小试实验。比较超声波电脱盐联合作用 和单一电脱盐作用的脱盐脱水效果；进行显微跟踪分析。考察影响原油破乳脱 盐的几个重要参数，如声场，操作温度，超声发生器输出功率，频率，脱盐罐 电压。破乳剂用量，混合阀前后压差，洗水量对脱盐脱水效果的影响。设计驻 波场中的脱盐正交试验，分析各因素对原油脱盐的影响程度，并得到原油脱盐 的最佳试验条件。 第二章理论部分 第二章理论部分 2 1 超声波简介 声学是物理学的一个分支，超声学是声学发展中最为活跃的一部分，超声 波是一种在媒质中传播的弹性机械波，人耳能听到的声波频率为1 6 h z 一2 0 k h z ， 频率大于2 0 k h z 的声波，因超出人耳可闻的上限被称为超声波。超声波囡其波 长短而具有束射性强和易于通过聚焦集中能量的特点。超声波是一种波动形式， 因此它可以作为探测和负载信息的载体或媒介；同时超声波又是一种能量形式， 当强度超过一定值时，就可以通过它予传声媒质的相互作用，影响、改变以至 破坏后者的状态、性质及结构。用于化学化工中的超声波频率一般为 2 0 l 【h z 2 m h z 。 2 1 1 超声波的产生【”】 超声波通常由超声波换能器产生，所谓换能器，就是一种能够实现不同形 式能量转换的器件。超声换能器就是能实现机械能量或电磁能量与超声振动能 量相互转换的器件，主要有两种类型的超声换能器，即机械型和机电型。机械 型超声发生器又分为气动式超声发生器和液动式超声发生器。机电型发生器又 分为压电式超声换能器和磁致伸缩式超声换能器。在本实验中，所用超声波换 能器为磁致伸缩式超声换能器。 2 1 2 描述超声波的基本声学参数一声强m 】 声波是机械振动能量的传播形式，描述声波要用到诸如振幅、频率、周期、 质点振动位移、速度、声压及能量等有关物理参数。其中，声强在超声波原油 破乳中起很重要的作用。 声强i 是指通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流，又称为 平均声能量流密度。即 ，：学：一8 c 0 ( 2 - 1 ) 声强的单位为w 恤2 。 根据声强的定义，还可用单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻媒 硕士学位论文 质所做的功来表示，可以写成： i = 等甓r e ( p ) r e ( 岫( 2 - 2 ) 式中r e 代表取实部，t 表示时间。 对于沿正x 方向传播的平面声波，可得到： k 罴= 羔= 三肺c o 记= 助印k 。沼s ， 式中为有效质点速度，r e = 鲁 对沿负x 方向传播的反射波 1 = 一去肋c 0 谤= 一p o e o v e = 一既v 。 ( 2 4 ) 这时声强为负值，表示声能量向负x 方向传递。所以声强是有方向的量， 它的指向就是声传播的方向。 当声波在媒质中传播时，在声波的负压相( 即稀疏相) 内，媒质所受到的作 用力) b ( p o - p 。) ，p 0 为流体静压力，如果声强大于流体静压力，就会在液体中形 成负压区，如果负压足够强，那么分子间的平均距离就会增大到超过极限距离， 从而破坏液体结构的完整性，导致出现空腔或空穴，在相继而来的声波正压相 内这些空穴又将被压缩，结果是使一些空化泡进入持久振荡，另外一些空化泡 将完全崩溃，由此定义，使液体产生空化所需的最低声压或声强，称为空化阈 值。在原油破乳过程中，声强要低于空化阈值。 2 1 3 声波的传播 声波在媒质中传播时，媒质的质点随波振动，假如有两列或两列以上的声 波同时传到空间某点时，则该点的质点振动可以看成是各列声波单独引起的振 动之和，而当两列具有相同频率、固定相位差的声波叠加，就会发生声波的干 涉现象。 驻波是声波干涉的特例。当两列频率相同、振幅相同的声波以相反方向在 一条直线上传播时，它们相互干涉而产生驻波。驻波的频率和原来波的频率相 同，但振幅随距离作周期性的变化，在距离为x = n 2 2 ( n = 0 ，1 ，2 ) 时， 合成波的振幅为原来的两倍，而当工= ( 2 n + 1 ) 2 4 ( n = 0 ，1 ，2 ) 时，合成 第二章理论部分 波的振幅为0 。要形成驻波，振源与反射面之间的距离应满足半波长整数倍的 要求。在本实验中，分别用混响场和驻波声场来处理原油，考察不同声场对超 声波原油脱水的效果。 2 1 4 超声波与媒质的相互作用机制3 5 】 一般小振幅超声波在媒质中传播时，声波与媒质的相互作用可导致声波的 相位与幅度等发生变化，而媒质本身并不发生任何明显变化，或者说声波不会 对媒质产生任何明显效应。但是当声强增大时( 即作为功率超声使用时) ，声波 传播将会对媒质产生一定的影响或效应，诸如使媒质的状态、组分、功能或结 构等发生变化，这类变化统称为超声效应。超声波与媒质的相互作用可分为热 机制和非热机制两种，在非热机制中又可分为机械( 或力学) 机制与空化机制。 2 1 4 1 热机制 超声波在媒质中传播时，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使其自 身温度升高。如果超声波对媒质产生了某种效应，而用其他加热方法获得同样 温升并重现同样效应时，我们称产生该超声效应的是热机制。 当强度为i 的平面超声行波在声压吸收系数为a 的媒质中传播时，单位体积媒 质中超声波作用t 秒产生的热量q 为： q = 2 0 j t ( 2 5 ) 即与