原油電脫水器技術(shù)進(jìn)展.pdf

秋水

從地層中開(kāi)采出的原油不可避免地含有大量的
水，給之后的儲(chǔ)運(yùn)、加工環(huán)節(jié)帶來(lái)了很多不利影響。
因此必須對(duì)采出油進(jìn)行脫水處理，以保證外輸前原
油的含水量低于o．5％。采出油中水主要以溶解
水、乳化水和懸浮水為主，其中乳化水最為穩(wěn)定。特
別對(duì)于重質(zhì)油來(lái)說(shuō)，很難利用常規(guī)的重力沉降法將
其脫除。人們針對(duì)乳化液脫水進(jìn)行了很多研究，如
靜電聚結(jié)、化學(xué)破乳、微波破乳及離心分離等，其中
應(yīng)用最為廣泛的首推靜電聚結(jié)法和化學(xué)破乳法。靜
電聚結(jié)主要適用于W／O型乳化液，利用電場(chǎng)將連
續(xù)相(油)中分散相(水)聚結(jié)成尺寸較大水滴，使其
便于分離。電脫水技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。關(guān)于原油
電脫水的專利有很多，文中著重從電場(chǎng)形式、極板結(jié)
構(gòu)與布局、輔助設(shè)備以及溫度和壓力這4個(gè)方面進(jìn)
行簡(jiǎn)要介紹。
1 電場(chǎng)形式‘1～7]
電場(chǎng)是電脫水器最主要的組成部分，它的形式
直接決定了脫水的效果。按照供電方式的不同，可
將電場(chǎng)大致分為4類。
圖1 電脫水技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)圖
1．1 交流電場(chǎng)
交流電場(chǎng)是目前電脫水器中應(yīng)用最多的電場(chǎng)形
式，其頻率大多為50 Hz。水滴在交流電場(chǎng)中主要
發(fā)生偶極聚結(jié)和振蕩聚結(jié)。偶極聚結(jié)的原理為水滴
在電場(chǎng)作用下發(fā)生極化，兩端帶上不同極性的電荷，
相鄰水滴正負(fù)偶極相互吸引并發(fā)生聚結(jié)。而振蕩聚
結(jié)是指每個(gè)極化水滴在交流電場(chǎng)的作用下反復(fù)伸縮
振蕩，使得水滴表面的乳化膜強(qiáng)度削弱，最終合并成
大水滴，在重力作用下從原油中沉降出來(lái)。
交流電場(chǎng)具有電路簡(jiǎn)單、無(wú)需整流設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，
第6期肖蘊(yùn)，等：原油電脫水器技術(shù)進(jìn)展
且由于電流頻繁變換，帶電顆粒移動(dòng)受抑制，使得電
解反應(yīng)可逆，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕，因此適合處
理含水率較高的原油。但由于交流電場(chǎng)的電壓隨時(shí)
間以正弦規(guī)律變化，因此只有部分時(shí)間內(nèi)的電壓對(duì)
脫水有利，處理量及效率均較低。另外電場(chǎng)中的水
滴易沿著電場(chǎng)方向排列形成許多水鏈，造成電場(chǎng)短
路，導(dǎo)致操作不穩(wěn)定。
1．2直流電場(chǎng)
相對(duì)于交流電場(chǎng)，直流電場(chǎng)的應(yīng)用不十分廣泛。
它主要利用固定的電場(chǎng)，使帶有不同極性的水顆粒
向著相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生碰撞，形成較大水滴
便于沉降。而未產(chǎn)生碰撞的水顆粒會(huì)運(yùn)動(dòng)到極板，
并在其上聚結(jié)，這就是所謂的電泳聚結(jié)。
直流電場(chǎng)脫水效果好，脫出油含水率很低，適合
處理尺寸較小的水顆粒。但由于設(shè)備與帶電流體間
形成的回路會(huì)對(duì)設(shè)備造成劇烈的電化學(xué)腐蝕，因此
只能用于處理含水率很低的原油，如煉油廠的電精
制過(guò)程。
1．3 交／直流雙電場(chǎng)
為提高脫水效率，F(xiàn) L Prestridge等結(jié)合交流、
直流電場(chǎng)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出交／直流雙電場(chǎng)，并采用豎掛
電極配合其使用。其原理為，電脫水器上部為直流
電場(chǎng)，下部為交流電場(chǎng)，原油乳化液由電脫水器底部
注入，先通過(guò)交流電場(chǎng)，利用振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)脫
去大部分水，而后乳化液進(jìn)入直流電場(chǎng)脫去。
雙電場(chǎng)的應(yīng)用拓寬了電脫水器的使用范圍，且
由于直流電場(chǎng)為半波交替帶電，因此減緩了設(shè)備的
腐蝕。其缺點(diǎn)是工藝流程不穩(wěn)定時(shí)，直流電場(chǎng)會(huì)失
去作用。
1．4脈沖電場(chǎng)
通過(guò)對(duì)電脫水原理的深入研究發(fā)現(xiàn)，原油乳化
液中2個(gè)相鄰、粒徑相同的水顆粒間在電場(chǎng)中的聚
結(jié)力為：
F一(6￡E2戶)／d4 (1)
式中，e為原油乳化液的介電常數(shù)，F(xiàn)／m；E為外加電
場(chǎng)強(qiáng)度，V／m；d為2個(gè)水顆粒之間距離，r為水顆
粒半徑，m。
由式(1)可以看出，要使水顆粒間的聚結(jié)力增
大，必須從提高電場(chǎng)強(qiáng)度、縮短水顆粒間距這兩方面
人手。針對(duì)上述要求，人們?cè)诔Ｒ?guī)電脫水的電壓輸
出波形上疊加了一個(gè)高頻脈沖信號(hào)，設(shè)計(jì)出了一種
新的脫水電場(chǎng)形式——高頻脈沖電場(chǎng)嘲。通過(guò)改變
該電場(chǎng)脈沖幅度、寬度及頻率，可以有效地提高脫水
效率。
1．4．1 脈沖幅度
脈沖幅度即脈沖電壓的峰值。脈沖幅度是影響
電場(chǎng)強(qiáng)度的直接因素，脈沖幅度越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越
高，反之電場(chǎng)強(qiáng)度越低。由式(1)可以知道，電場(chǎng)強(qiáng)
度增大，水顆粒之間的聚結(jié)力也會(huì)相應(yīng)增大。但是
當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)生電分散現(xiàn)象，
即原油乳狀液中的水顆粒在電場(chǎng)的作用下，不是與
周圍的水顆粒發(fā)生聚結(jié)，而是被逐漸拉伸，使水顆粒
變細(xì)變長(zhǎng)，最后變成2個(gè)更小的水顆粒。顯然，電分
散對(duì)脫水是有害的。脈沖電場(chǎng)不同于傳統(tǒng)的正弦波
電場(chǎng)，是方波電場(chǎng)，因此可以選擇合適的脈沖幅度，
使其達(dá)到足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度，又不會(huì)導(dǎo)致電分散的
發(fā)生。
1．4．2 脈沖寬度
脈沖寬度是指單個(gè)脈沖所持續(xù)的時(shí)間。脈沖寬
度太小，乳狀液中的水顆粒沒(méi)有足夠的時(shí)間吸收電
場(chǎng)中的能量。脈沖寬度太大，水顆粒雖有足夠的時(shí)
間吸收電場(chǎng)中的能量，但又容易產(chǎn)生電分散和電擊
穿現(xiàn)象。對(duì)于不同的乳化液，最適合的脈沖寬度不
盡相同，而脈沖電源可以調(diào)節(jié)脈沖寬度，因此可以針
對(duì)不同的乳化液產(chǎn)生出最適合的電場(chǎng)。
1．4．3脈沖頻率
當(dāng)外加電場(chǎng)的振蕩頻率與乳化液中水顆粒的固
有振蕩頻率相等或接近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。此
時(shí)，水顆粒振動(dòng)幅度最大，處于最不穩(wěn)定狀態(tài)。其外
表面的油水薄膜易被機(jī)械破壞，并與相鄰的水顆粒
發(fā)生合并，使水顆粒直徑變大。同時(shí)，由于水顆粒振
動(dòng)幅度增大，水顆粒間距離相對(duì)縮短，使水顆粒間聚
結(jié)力變大。
實(shí)踐證明，高頻脈沖電場(chǎng)以其適宜的脈沖幅度、
寬度及頻率，提高了電脫水的效率，降低了電能的消
耗，又避免了電擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，相對(duì)于其它形式的
電場(chǎng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，可針對(duì)不同類型的乳
化液調(diào)節(jié)電場(chǎng)的參數(shù)，使其達(dá)到最佳脫水效果。
2 電極結(jié)構(gòu)與布局[7~10]
電場(chǎng)的形成除了與電源有關(guān)，還與電極的結(jié)構(gòu)
和布局有關(guān)外。合理的結(jié)構(gòu)和布局，不僅可以穩(wěn)定
電場(chǎng)強(qiáng)度、防止電擊穿，更可以提高分離效率。常用
的電極形式大致分為4種。
2．1 水平電極
水平電極為目前國(guó)內(nèi)最常用的電極形式，它的
結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工藝也較為成熟，多為2層或3層圾
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
石油化工設(shè)備2009年第38卷
板。通電后，極板與極板間形成強(qiáng)電場(chǎng)，極板與接地
罐體間形成弱電場(chǎng)。乳化液進(jìn)入電脫水器后先經(jīng)過(guò)
弱電場(chǎng)，脫去尺寸較大的水滴，之后進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)脫去
尺寸較小的水滴。這種設(shè)計(jì)保證了乳化液在進(jìn)入強(qiáng)
電場(chǎng)時(shí)。不至由于含水率太高而引起電擊穿現(xiàn)象。
但隨著聚合物驅(qū)油的逐漸推廣，含有聚合物的乳化
液電導(dǎo)率增加，且二相間的液膜也更加牢固。這不
僅增加了電脫水的難度，而且增加了水鏈的形成幾
率，使得水平極板結(jié)構(gòu)的電脫水器頻頻跳電。在乳
化液聚合物含量較高的油田中，部分電脫水器已不
能正常工作。
2．2 豎掛電極
豎掛電極較大規(guī)模的使用開(kāi)始于20世紀(jì)70年
代。它針對(duì)平板電極電場(chǎng)與重力場(chǎng)間相，易造成跳
電的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)了水顆粒在電場(chǎng)反應(yīng)區(qū)的停留時(shí)間，
減少了對(duì)較大水顆粒沉降的阻礙。在豎掛電場(chǎng)中，
水滴運(yùn)動(dòng)的不同向性(呈扇形)，使水鏈形成的長(zhǎng)度、
存留的時(shí)間較短，形成水平直鏈的機(jī)會(huì)較小。因此，
豎掛電場(chǎng)不易被破壞，即使被破壞后也較容易恢復(fù)。
雖然豎掛電極具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)電極尺寸和
布局的要求較高。如尺寸或布局的設(shè)計(jì)不合理，就
會(huì)導(dǎo)致易跳電、脫出原油不合格等后果。
2．3 鼠籠電極
近年來(lái)，出現(xiàn)了一種新型結(jié)構(gòu)的電極，即鼠籠式
電極。它的設(shè)計(jì)原理是在提高電場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)化脫水效
率的前提下，盡量避免高含水原油在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)造成
電極短路。因此在脫水器底部、原油入口端等高含
水區(qū)域采用弱電場(chǎng)布置，而在脫水器頂部、原油出口
端等低含水區(qū)域采用強(qiáng)電場(chǎng)布置。同時(shí)為了避免脫
水器內(nèi)部二次返混和上升油流對(duì)下降水滴的阻滯作
用，采用側(cè)進(jìn)側(cè)出的原油進(jìn)出方式，油水混合物在電
脫水器內(nèi)水平流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明。這種設(shè)計(jì)思路既提
高了原油乳化液脫水效率，又降低了能耗，解決了高
密度、高含水原油脫水面臨的難題。
2．4絕緣電極
為了從根本上降低甚至杜絕電擊穿幾率，出現(xiàn)
了在電極上包覆一層絕緣材料的想法。理論計(jì)算證
明，只要絕緣材料滿足以下幾個(gè)條件，就可能達(dá)到既
不影響脫水所需電場(chǎng)強(qiáng)度，又不會(huì)出現(xiàn)電擊穿現(xiàn)象
的目的：①原油乳化液的介電常數(shù)在2．O～2．7，因
此所選絕緣材料的介電常數(shù)不應(yīng)小于2．7，最好大
于4。②所選絕緣材料的電導(dǎo)率應(yīng)比純凈原油的電
導(dǎo)率低幾個(gè)量級(jí)，這樣才能保證絕緣的效果。③所
選材料的擊穿電壓越高，越能杜絕電擊穿現(xiàn)象的發(fā)
生，同時(shí)也降低了對(duì)絕緣材料厚度的需求，減少了其
對(duì)電場(chǎng)的影響。④在電脫水所需溫度內(nèi)物理和化學(xué)
性質(zhì)穩(wěn)定，不和原油或其它電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
盡管很多學(xué)者對(duì)絕緣電極進(jìn)行了研究，但由于
其對(duì)材料和工藝要求極其嚴(yán)格，且絕緣層對(duì)電場(chǎng)不
可避免會(huì)產(chǎn)生影響，因此至今未見(jiàn)絕緣電極應(yīng)用于
工業(yè)生產(chǎn)的報(bào)道。
3 輔助設(shè)備
利用其它設(shè)備輔助靜電力進(jìn)行原油乳化液脫水
的設(shè)計(jì)有很多，如離心機(jī)、過(guò)濾器等。其中關(guān)于離心
機(jī)的研究最多，且目前已經(jīng)有油田利用離心機(jī)進(jìn)行
脫水。
在離心機(jī)與電脫水器的組合應(yīng)用中，高壓電極
位于離心機(jī)的中心，離心機(jī)的外壁接地，從而形成了
由圓心指向外、垂直于液體流動(dòng)方向的電場(chǎng)。離心一
電脫水器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，原油乳化液注入到分離器后。
沿著圓周旋轉(zhuǎn)。電場(chǎng)的作用是把分散的小水滴聚結(jié)
成尺寸合適的大水滴，使其產(chǎn)生的離心力可以實(shí)現(xiàn)
油水分離，又不會(huì)被離心力撕裂成小水滴。由于水
的密度大于油，因此適宜尺寸的大水滴將移動(dòng)到分
離器外壁，并從外壁所設(shè)管道中脫出。而靠近分離
器中心的油含水率很低，類似絕緣材料。因此有人
提出可以利用離心力代替電極絕緣。但另一種觀點(diǎn)
認(rèn)為這種高速的離心運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪切力和混合力
會(huì)使乳化液更穩(wěn)定，即增加了脫水難度。
實(shí)驗(yàn)證明，離心機(jī)與電脫水器的組合應(yīng)用可減
少化學(xué)藥劑的用量，且可用于處理高含水率的原油
乳化液，而效果更是遠(yuǎn)優(yōu)于這兩種設(shè)備單獨(dú)應(yīng)用。
分
圖2離心一電脫水器結(jié)構(gòu)
利用過(guò)濾器提高電脫水效率的設(shè)計(jì)方案也有報(bào)
道，主要是利用化學(xué)萃取原理。原油從過(guò)濾器的一
側(cè)進(jìn)入，并通過(guò)充滿親水性物質(zhì)的濾芯，此物質(zhì)會(huì)把
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第6期肖蘊(yùn)，等：原油電脫水器技術(shù)進(jìn)展
水從油中萃取出來(lái)。同時(shí)在過(guò)濾器的兩側(cè)加裝電極
板，使萃取出的小水滴聚結(jié)，便于其從預(yù)先設(shè)置的管
道中排出。
此外，使用微波、超聲波等作為輔助手段開(kāi)展研
究的報(bào)道也有很多。
4溫度和壓力
溫度和壓力對(duì)于原油乳化液電脫水效果的影響
很大口¨。由于膨脹系數(shù)不同，加熱后原油和水的密
度差變大。另外加熱后原油粘度降低。兩相間的液
體膜強(qiáng)度變差，更易于破乳，這些都有利于乳化液中
水顆粒的沉降。很多破乳劑也是需要在高溫的環(huán)境
下才能發(fā)揮作用。
壓力對(duì)電脫水效果的影響很少被提及。但實(shí)驗(yàn)
證明。在低于大氣壓力的條件下。油水分離的速度加
快。據(jù)報(bào)道，當(dāng)乳化液處于電場(chǎng)中時(shí)，低壓條件下水
滴的聚結(jié)較高壓下快很多，但具體原因不明。另外，
低壓與加熱共同作用可以進(jìn)一步促進(jìn)水滴的聚合和
油水的分離。
除上述方法外，還有很多其它方法可以提高電
脫水效率，如加入化學(xué)藥劑就可以極大改善原油電
脫水效果。
5 海上油田電脫水器新技術(shù)發(fā)展方向
海上油田所處環(huán)境特殊、油氣集輸流程短、脫水
效率要求高且外輸含水指標(biāo)高。特別是油田開(kāi)發(fā)過(guò)
程中的鉆完井作業(yè)、修井作業(yè)以及酸化作業(yè)等增產(chǎn)
措施使大量不同種類的表面活性劑進(jìn)入油田采出液
中，形成復(fù)雜的乳化液，對(duì)流程沖擊大，增加了脫水
難度，主要表現(xiàn)在電脫水器頻繁跳電、外輸原油超標(biāo)
和污水處理困難[121。實(shí)際操作中的主要應(yīng)對(duì)措施
是將乳化層作為廢油置換出流程。，?
目前中海油在SZ36—1油田開(kāi)展聚合物驅(qū)油，采
出液脫水難度更大[13~1引，因此需要開(kāi)發(fā)新型電脫水
器以解決實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的難題。+考慮到海上油
田的特殊性，針對(duì)復(fù)雜乳化液特別是注聚采出液，新
型電脫水器必須滿足下列條件：①采用新技術(shù)解決
電脫水器頻繁跳電問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電源連續(xù)安全供電，保
證脫水效果。②在保證脫水效果的前提下，采用新
技術(shù)節(jié)省電能，減少海上油田電站負(fù)載，降低油田開(kāi)
發(fā)成本。同時(shí)要盡可能降低脫出的含油污水指標(biāo)，
便于油田采出水凈化處理。
基于上述考慮，應(yīng)主要從兩個(gè)方向開(kāi)展研究：①
改進(jìn)供電方式，優(yōu)化供電頻率和電壓。②改進(jìn)電極
結(jié)構(gòu)，增加絕緣涂層，降低電耗，提高電場(chǎng)強(qiáng)度的利
用率。
6展望
自電脫水器發(fā)明以來(lái)，人們進(jìn)行了大量的研究。
世界范圍內(nèi)40 a來(lái)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，電脫水器
不僅經(jīng)濟(jì)性能較好，而且對(duì)周圍環(huán)境影響很小。隨
著靜電聚結(jié)機(jī)理研究、電場(chǎng)控制技術(shù)及超聲波微波
等其它輔助技術(shù)的不斷進(jìn)步，電脫水器的性能將進(jìn)
一步提高，并朝著更小、更快、更節(jié)能的方向發(fā)展。
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