雙電場電脫水器脫水技術研究

莫立源，彭松梓，崔新安，楊麗娜

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順113001； 2. 中國石化集團洛陽石油化工工程有限公司，河南 洛陽 471003）

隨著三次采油新技術在各大油田迅速推廣，我國油田逐漸進入高含水開發(fā)階段[1]。高含水采出液通過常規(guī)三相分離、熱化學處理后進入電脫水裝置含水仍然很高，導致脫水裝置電流過大，甚至跳閘，影響裝置運行穩(wěn)定性[2]。

近年來，靜電聚結技術在應對高含水采出液上取得了良好的效果，原油脫后含水量可降低到10%以下，但仍未能滿足原油外輸?shù)暮蟆鹘y(tǒng)電脫水裝置中金屬電極脫水效率高但無法應對高含水原料，而復合電極可有效避免高含水采出液帶來的問題[3-5]。

因此希望通過合理的電極結構布局，研制新型、高效的一體化電脫水設備，利用各自的電場優(yōu)勢來實現(xiàn)油水的高效分離，實驗目的在于減少設備級數(shù)、簡化操作流程、提高油水分離效率，尤其對于空間受限的海上平臺，具有良好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與制備方法

實驗用油為蓬萊 19-3原油，密度(20 ℃)為927.6 kg/m3，粘度 (50 ℃)為 97.91 mm2/s，鹽含量為130 mg/L，總酸值為3.2 mg KOH/g。

1.1.1 乳化液制備

綜合考慮乳化液穩(wěn)定性和后續(xù)實驗需要，確定所需乳化液的制備條件為室溫條件下剪切速度11 000 r/min，20%(wt)乳化液剪切時間 3 min，30%(wt)乳化液剪切時間4 min、 40%(wt)乳化液剪切時間6 min、50%(wt)乳化液剪切時間9 min，制備好的乳化液室溫下靜置8 h無分層現(xiàn)象。

1.1.2 絕緣電極制備

根據(jù)靜態(tài)和動態(tài)試驗所需電極尺寸將合適長度的氟塑料絕緣管套在不銹鋼金屬電極上，底端采用高溫環(huán)氧樹脂固化劑與玻璃珠進行密封，以保證原油乳狀液不會滲進電極內(nèi)，避免造成短路。在190~230 ℃下熱縮10 min即可得到實驗絕緣電極。

1.2 實驗裝置與方法

1.2.1 靜態(tài)試驗(圖1-2)

圖1 靜態(tài)電脫水裝置示意圖Fig.1 Static electric dehydration system

圖2 復合電極脫水罐俯視圖Fig.2 Composite electrode vertical view

試驗方法：由于靜態(tài)試驗無法做到同一個電脫水罐內(nèi)同時采用兩種電場，考慮采用間歇式試驗方法，即在電脫水罐內(nèi)裝入一定量乳化液，首先采用復合電極進行油水分離，分離一定時間后，取出復合電極，放入金屬電極進行裸電場油水分離試驗，試驗完畢取上層油樣用 GB260規(guī)定方法進行脫后含水分析，該含水量可以視為雙電場油水分離后的含水量。

1.2.2 動態(tài)試驗

動態(tài)雙電場電脫水器內(nèi)部電極結構如圖 3所示，最下層為復合電極，其余兩層為金屬電極，其中上層接電，中間層接地，形成靜電場區(qū)域Ⅰ和裸電場區(qū)域Ⅱ。其中復合電極采用絕緣材料包覆在一定長度的不銹鋼棒上制成，水平等間距排列并固定在分離器上，金屬電極采用相同規(guī)格不銹鋼棒制成的平板格柵電極。電極間距根據(jù)靜態(tài)實驗兩種電極最佳停留時間分配進行確定。

試驗在自建裝置上進行，原油與自來水分別經(jīng)過恒溫加熱器加熱至實驗所需溫度，由計量泵進入反應釜攪拌混合，然后進入雙電場電脫水器進行油水分離，分離后的原油從聚結分離器上部流出返回原油罐；分離出的水從脫水器底部流出返回水罐，整個實驗油水達到動態(tài)平衡，在雙電場電脫水器原油出口設置取樣點，對取樣水含量進行分析并計算原油乳化液脫水率。

圖3 電極分布示意圖Fig.3 Electrodes distribution diagram

1.3 分析方法

靜電聚結脫水效率用η表示，其中：

式中： C1、C2分別為靜電聚結脫水前后原油質量含水率，%。

2 靜態(tài)雙電場電脫水試驗結果與討論

2.1 不同溫度對原油脫水率的影響

制備含水30%、40%(wt)乳化液，絕緣電極加壓3 000 V，時間15 min，金屬電極加壓1 200 V，作用時間15 min?？疾觳煌瑴囟葘υ腿榛好撍Ч挠绊?，試驗結果如圖4。

圖4 溫度與脫水效果Fig.4 Dehydration efficiency and temperature

不同含水率乳化液的脫水率均隨溫度的升高而上升，溫度從60 ℃升高到80 ℃，油水乳狀液的黏度降低，分子熱運動加快，乳狀液中水滴碰撞聚結機會增多，使水滴聚結沉降加快。當溫度升高到90℃以上后，原油黏度減小速度放緩，乳化液脫水率上升趨勢逐漸平穩(wěn)，繼續(xù)升高溫度會增加能耗。由斯托克斯沉降公式知，沉降速度與水滴粒徑成正比，而且液滴粒徑大的碰撞聚結的概率會隨之增大，因此相同條件下含水40%(wt)的乳化液脫水率高于30%乳化液。

2.2 不同電壓對原油脫水率的影響

脫水溫度為90 ℃，制備含水率20%、30%、40%(wt)乳化液，絕緣電極加電壓3 000 V，時間15 min，更換金屬電極作用時間15 min，考察金屬電極施加不同電壓對脫水效果的影響，試驗結果見圖5。

不同含水量的乳化液脫水率均隨著電壓的升高而增加，至1 200 V時增加幅度趨于緩和，這是由于在交流電場情況下，以偶極聚結方式為主，根據(jù)聚結公式，在電場作用下水滴之間的聚結力與電場強度的平方成正比，所以隨著電壓的提高，電場強度增大，水滴聚結力增大，水滴聚結量和聚結速度增加，脫水效率明顯增大。繼續(xù)升高電壓，這時水滴粒徑對靜電聚結力起著決定性作用，因此對脫水率沒有明顯的影響。相同條件下含水量越高的乳化液，脫水率也越高，是由于水滴之間的聚結力同粒徑六次方成正比，電場對含水量高的大水滴聚結效果比較明顯，同時含水量越高，水滴間距越小，聚結力越大，因此原油脫水率也隨之升高。

圖5 電壓與脫水效果Fig.5 Dehydration efficiency and voltage

2.3 電場作用時間對原油脫水率的影響

脫水溫度90 ℃，絕緣電極加壓3 000 V，金屬電極加壓 1 200 V，配置含水率為 20%、30%和40%(wt)油水乳化液進行脫水實驗，總作用時間為30 min，考察兩種電極不同時間分配下的脫水效果，試驗結果見圖6。

試驗結果表明，在總作用時間30 min不變的前提下，乳化液脫水率變化是隨著金屬電極作用時間的延長呈現(xiàn)一個先升高后緩慢下降的一個過程。在分配時間15~15 min時，不同含水量的乳化液均達到相對理想的脫水效果，隨著金屬電極作用時間增加，乳化液脫水率上升放慢，繼續(xù)增加金屬電極作用時間，脫水率逐漸下降，這主要是由于絕緣電極作用時間變短，在乳化液含水依然較高的情況下更換金屬電極，水滴排列成鏈導致電極發(fā)生短路，從而終止脫水過程，影響乳化液脫水效率。因此，增加金屬電極作用時間能使乳化液脫水效果有明顯的提升，但同時需要保證絕緣電極的一定作用時間來使整體的裝置穩(wěn)定運行。

圖6 作用時間與脫水效果Fig.6 Dehydration efficiency and action time

3 動態(tài)雙電場電脫水試驗

溫度為 90 ℃，控制進料含水率為 70%和80%(wt)，用動態(tài)試驗考察電壓對原油乳狀液脫水效率的影響,試驗結果見圖7。

圖7 電壓與脫水效果Fig.7 Dehydration efficiency and voltage

兩種不同含水量乳化液的脫水效率均隨電壓的增加而提高，與靜態(tài)試驗規(guī)律類似，動態(tài)試驗電壓加到4 500 V時，不同含水的乳化液在雙電場的作用下脫水效率均達到99%以上，繼續(xù)增加電壓，脫水效率變化不大。在根據(jù)靜態(tài)實驗優(yōu)化過的操作條件下，電壓在4 500 V時，70%、80%(wt)乳化液脫后含水率分別為 0.44%和 0.38%，均達到原油脫后含水小于0.5%的外輸指標。

4 結 論

（1）靜態(tài)試驗結果表明，在雙電場作用下原油脫水率隨溫度升高、電壓增大而提高，隨金屬電極作用時間的延長呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在兩電極作用時間各15 min時效果理想。

（2）動態(tài)試驗結果表明，不同含水量乳化液的脫水效率和電壓之間的規(guī)律與靜態(tài)試驗相吻合。在優(yōu)化操作條件下70%、80%(wt)乳化液經(jīng)過一級脫水脫后含水均小于0.5%，滿足原油外輸含水條件。

（3）采用雙電場組合設計的電脫水器實驗過程中電極未發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，裝置運行穩(wěn)定，能夠適應高含水甚至超高含水的工作狀況。

［1］賈鵬林，婁世松，楚喜麗.原油電脫鹽脫水技術[M].北京：中國石化出版社，2010-04.

［2］張黎明，何利民，張晶，等.電極結構及絕緣層對靜電聚結器的影響[J]. 油氣田地面工程,2010,29(10):18-20.

［3］黃正華.油水混合介質相對介電常數(shù)的研究[J]. 油氣田地面工程,20 00,19(2):8-9.

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［5］S E Taylor. Theory and practice of electrically enhanced phase separation of water-in-oil emulsions[J]. Trans. IChemE,1996, 74 (A):526–540.