电脱水器技术的分析.doc

电脱水器技术的分析07级本科2班冯玉娇200711011217电脱水器技术的分析从地层中开采出的原油不可避免地含有大量的水,给之后的储运、加工环节带来了很多不利影响。因此必须对采出油进行脱水处理,以保证外输前原油的含水量低于0. 5 %。采出油中水主要以溶解水、乳化水和悬浮水为主,其中乳化水最为稳定。特别对于重质油来说,很难利用常规的重力沉降法将其脱除。人们针对乳化液脱水进行了很多研究,如静电聚结、化学破乳、微波破乳及离心分离等,其中应用最为广泛的首推静电聚结法和化学破乳法。静电聚结主要适用于W/ O 型乳化液,利用电场将连续相(油) 中分散相(水) 聚结成尺寸较大水滴,使其便于分离。电脱水技术发展简图见图1 。着重从电场形式、极板结构与布局、辅助设备以及温度和压力这4 个方面进行简要介绍。1 电场形式电场是电脱水器最主要的组成部分,它的形式直接决定了脱水的效果。按照供电方式的不同,可将电场大致分为4 类。1. 1 交流电场交流电场是目前电脱水器中应用最多的电场形式,其频率大多为50 Hz 。水滴在交流电场中主要发生偶极聚结和振荡聚结。偶极聚结的原理为水滴在电场作用下发生极化,两端带上不同极性的电荷, 相邻水滴正负偶极相互吸引并发生聚结。而振荡聚结是指每个极化水滴在交流电场的作用下反复伸缩振荡,使得水滴表面的乳化膜强度削弱,最终合并成大水滴,在重力作用下从原油中沉降出来。交流电场具有电路简单、无需整流设备的优点, 且由于电流频繁变换,带电颗粒移动受抑制,使得电解反应可逆,不会对设备造成严重腐蚀,因此适合处理含水率较高的原油。但由于交流电场的电压随时间以正弦规律变化,因此只有部分时间内的电压对脱水有利,处理量及效率均较低。另外电场中的水滴易沿着电场方向排列形成许多水链,造成电场短路,导致操作不稳定。1. 2 直流电场相对于交流电场,直流电场的应用不十分广泛。它主要利用固定的电场,使带有不同极性的水颗粒向着相反的方向运动,从而产生碰撞,形成较大水滴便于沉降。而未产生碰撞的水颗粒会运动到极板,并在其上聚结,这就是所谓的电泳聚结。直流电场脱水效果好,脱出油含水率很低,适合处理尺寸较小的水颗粒。但由于设备与带电流体间形成的回路会对设备造成剧烈的电化学腐蚀,因此只能用于处理含水率很低的原油,如炼油厂的电精制过程。1. 3 交/直流双电场为提高脱水效率,结合交流、直流电场优点,设计出交/ 直流双电场,并采用竖挂电极配合其使用。其原理为,电脱水器上部为直流电场,下部为交流电场,原油乳化液由电脱水器底部注入,先通过交流电场,利用振荡聚结和偶极聚结脱去大部分水,而后乳化液进入直流电场脱去。双电场的应用拓宽了电脱水器的使用范围,且由于直流电场为半波交替带电,因此减缓了设备的腐蚀。其缺点是工艺流程不稳定时,直流电场会失去作用。1. 4 脉冲电场通过对电脱水原理的深入研究发现,原油乳化液中2 个相邻、粒径相同的水颗粒间在电场中的聚结力为:F = (6E 2 r 6 ) / d 4 (1)式中,为原油乳化液的介电常数,F/ m ; E 为外加电场强度,V/ m ; d 为2 个水颗粒之间距离, r 为水颗粒半径,m。由式(1) 可以看出,要使水颗粒间的聚结力增大,必须从提高电场强度、缩短水颗粒间距这两方面入手。针对上述要求,人们在常规电脱水的电压输出波形上叠加了一个高频脉冲信号,设计出了一种新的脱水电场形式高频脉冲电场。通过改变该电场脉冲幅度、宽度及频率,可以有效地提高脱水效率。1. 4. 1 脉冲幅度脉冲幅度即脉冲电压的峰值。脉冲幅度是影响电场强度的直接因素,脉冲幅度越大,电场强度越高,反之电场强度越低。由式(1) 可以知道,电场强度增大,水颗粒之间的聚结力也会相应增大。但是当电场强度增大到一定程度时,会发生电分散现象,即原油乳状液中的水颗粒在电场的作用下,不是与周围的水颗粒发生聚结,而是被逐渐拉伸,使水颗粒变细变长,最后变成2 个更小的水颗粒。显然,电分散对脱水是有害的。脉冲电场不同于传统的正弦波电场,是方波电场,因此可以选择合适的脉冲幅度,使其达到足够高的电场强度,又不会导致电分散的发生。1. 4. 2 脉冲宽度脉冲宽度是指单个脉冲所持续的时间。脉冲宽度太小,乳状液中的水颗粒没有足够的时间吸收电场中的能量。脉冲宽度太大,水颗粒虽有足够的时间吸收电场中的能量,但又容易产生电分散和电击穿现象。对于不同的乳化液,最适合的脉冲宽度不尽相同,而脉冲电源可以调节脉冲宽度,因此可以针对不同的乳化液产生出最适合的电场。1. 4. 3 脉冲频率当外加电场的振荡频率与乳化液中水颗粒的固有振荡频率相等或接近时,就会发生共振现象。此时,水颗粒振动幅度最大,处于最不稳定状态。其外表面的油水薄膜易被机械破坏,并与相邻的水颗粒发生合并,使水颗粒直径变大。同时,由于水颗粒振动幅度增大,水颗粒间距离相对缩短,使水颗粒间聚结力变大。实践证明,高频脉冲电场以其适宜的脉冲幅度、宽度及频率,提高了电脱水的效率,降低了电能的消耗,又避免了电击穿现象的发生,相对于其它形式的电场,具有明显的优势。另外,可针对不同类型的乳化液调节电场的参数,使其达到最佳脱水效果。2 电极结构与布局电场的形成除了与电源有关,还与电极的结构和布局有关外。合理的结构和布局,不仅可以稳定电场强度、防止电击穿,更可以提高分离效率。常用的电极形式大致分为4 种。2. 1 水平电极水平电极为目前国内最常用的电极形式,它的结构比较简单,工艺也较为成熟,多为2 层或3 层极板。通电后,极板与极板间形成强电场,极板与接地罐体间形成弱电场。乳化液进入电脱水器后先经过弱电场,脱去尺寸较大的水滴,之后进入强电场脱去尺寸较小的水滴。这种设计保证了乳化液在进入强电场时,不至由于含水率太高而引起电击穿现象。但随着聚合物驱油的逐渐推广,含有聚合物的乳化液电导率增加,且二相间的液膜也更加牢固。这不仅增加了电脱水的难度,而且增加了水链的形成几率,使得水平极板结构的电脱水器频频跳电。在乳化液聚合物含量较高的油田中,部分电脱水器已不能正常工作。2. 2 竖挂电极竖挂电极较大规模的使用开始于20 世纪70 年代。它针对平板电极电场与重力场同相,易造成跳电的缺点,延长了水颗粒在电场反应区的停留时间,减少了对较大水颗粒沉降的阻碍。在竖挂电场中,水滴运动的不同向性(呈扇形) ,使水链形成的长度、存留的时间较短,形成水平直链的机会较小。因此,竖挂电场不易被破坏,即使被破坏后也较容易恢复。虽然竖挂电极具有上述的优点,但其对电极尺寸和布局的要求较高。如尺寸或布局的设计不合理,就会导致易跳电、脱出原油不合格等后果。2. 3 鼠笼电极近年来,出现了一种新型结构的电极,即鼠笼式电极。它的设计原理是在提高电场强度强化脱水效率的前提下,尽量避免高含水原油在强电场区造成电极短路。因此在脱水器底部、原油入口端等高含水区域采用弱电场布置,而在脱水器顶部、原油出口端等低含水区域采用强电场布置。同时为了避免脱水器内部二次返混和上升油流对下降水滴的阻滞作用,采用侧进侧出的原油进出方式,油水混合物在电脱水器内水平流动。实验证明,这种设计思路既提高了原油乳化液脱水效率,又降低了能耗,解决了高密度、高含水原油脱水面临的难题。2. 4 绝缘电极为了从根本上降低甚至杜绝电击穿几率,出现了在电极上包覆一层绝缘材料的想法。理论计算证明,只要绝缘材料满足以下几个条件,就可能达到既不影响脱水所需电场强度,又不会出现电击穿现象的目的: 原油乳化液的介电常数在2. 02. 7 ,因此所选绝缘材料的介电常数不应小于2. 7 ,最好大于4 。所选绝缘材料的电导率应比纯净原油的电导率低几个量级,这样才能保证绝缘的效果。所选材料的击穿电压越高,越能杜绝电击穿现象的发生,同时也降低了对绝缘材料厚度的需求,减少了其对电场的影响。在电脱水所需温度内物理和化学性质稳定,不和原油或其它电解质发生反应。尽管很多学者对绝缘电极进行了研究,但由于其对材料和工艺要求极其严格,且绝缘层对电场不可避免会产生影响,因此至今未见绝缘电极应用于工业生产的报道。3 辅助设备利用其它设备辅助静电力进行原油乳化液脱水的设计有很多,如离心机、过滤器等。其中关于离心机的研究最多,且目前已经有油田利用离心机进行脱水。在离心机与电脱水器的组合应用中,高压电极位于离心机的中心,离心机的外壁接地,从而形成了由圆心指向外、垂直于液体流动方向的电场。离心电脱水器结构见图2 ,原油乳化液注入到分离器后,沿着圆周旋转。电场的作用是把分散的小水滴聚结成尺寸合适的大水滴,使其产生的离心力可以实现油水分离,又不会被离心力撕裂成小水滴。由于水的密度大于油,因此适宜尺寸的大水滴将移动到分离器外壁,并从外壁所设管道中脱出。而靠近分离器中心的油含水率很低,类似绝缘材料。因此有人提出可以利用离心力代替电极绝缘。但另一种观点认为这种高速的离心运动所产生的剪切力和混合力会使乳化液更稳定,即增加了脱水难度。实验证明,离心机与电脱水器的组合应用可减少化学药剂的用量,且可用于处理高含水率的原油乳化液,而效果更是远优于这两种设备单独应用。利用过滤器提高电脱水效率的设计方案也有报道,主要是利用化学萃取原理。原油从过滤器的一侧进入,并通过充满亲水性物质的滤芯,此物质会把水从油中萃取出来。同时在过滤器的两侧加装电极板,使萃取出的小水滴聚结,便于其从预先设置的管道中排出。此外,使用微波、超声波等作为辅助手段开展研究的报道也有很多。4 温度和压力温度和压力对于原油乳化液电脱水效果的影响很大。由于膨胀系数不同,加热后原油和水的密度差变大。另外加热后原油粘度降低,两相间的液体膜强度变差,更易于破乳,这些都有利于乳化液中水颗粒的沉降。很多破乳剂也是需要在高温的环境下才能发挥作用。压力对电脱水效果的影响很少被提及。但实验证明,在低于大气压力的条件下,油水分离的速度加快。据报道,当乳化液处于电场中时,低压条件下水滴的聚结较高压下快很多,但具体原因不明。另外,低压与加热共同作用可以进一步促进水滴的聚合和油水的分离。除上述方法外,还有很多其它方法可以提高电脱水效率,如加入化学药剂就可以极大改善原油电脱水效果。5 海上油田电脱水器新技术发展方向海上油田所处环境特殊、油气集输流程短、脱水效率要求高且外输含水指标高。特别是油田开发过程中的钻完井作业、修井作业以及酸化作业等增产措施使大量不同种类的表面活性剂进入油田采出液中,形成复杂的乳化液,对流程冲击大,增加了脱水难度,主要表现在电脱水器频繁跳电、外输原油超标和污水处理困难。实际操作中的主要应对措施是将乳化层作为废油置换出流程。目前中海油在SZ3621 油田开展聚合物驱油,采出液脱水难度更大,因此需要开发新型电脱水器以解决实际生产过程出现的难题。考虑到海上油田的特殊性,针对复杂乳化液特别是注聚采出液,新型电脱水器必须满足下列条件: 采用新技术解决电脱水器频繁跳电问题,实现电源连续安全供电,保证脱水效果。在保证脱水效果的前提下,采用新技术节省电能,减少海上油田电站负载,降低油田开