原油電脫水器技術(shù)進展.pdf

秋水

從地層中開采出的原油不可避免地含有大量的
水，給之后的儲運、加工環(huán)節(jié)帶來了很多不利影響。
因此必須對采出油進行脫水處理，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
別對于重質(zhì)油來說，很難利用常規(guī)的重力沉降法將
其脫除。人們針對乳化液脫水進行了很多研究，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)展簡圖見圖1。關(guān)于原油
電脫水的專利有很多，文中著重從電場形式、極板結(jié)
構(gòu)與布局、輔助設(shè)備以及溫度和壓力這4個方面進
行簡要介紹。
1 電場形式‘1～7]
電場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
將電場大致分為4類。
圖1 電脫水技術(shù)發(fā)展簡圖
1．1 交流電場
交流電場是目前電脫水器中應(yīng)用最多的電場形
式，其頻率大多為50 Hz。水滴在交流電場中主要
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)是指每個極化水滴在交流電場的作用下反復(fù)伸縮
振蕩，使得水滴表面的乳化膜強度削弱，最終合并成
大水滴，在重力作用下從原油中沉降出來。
交流電場具有電路簡單、無需整流設(shè)備的優(yōu)點，
第6期肖蘊，等：原油電脫水器技術(shù)進展
且由于電流頻繁變換，帶電顆粒移動受抑制，使得電
解反應(yīng)可逆，不會對設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕，因此適合處
理含水率較高的原油。但由于交流電場的電壓隨時
間以正弦規(guī)律變化，因此只有部分時間內(nèi)的電壓對
脫水有利，處理量及效率均較低。另外電場中的水
滴易沿著電場方向排列形成許多水鏈，造成電場短
路，導(dǎo)致操作不穩(wěn)定。
1．2直流電場
相對于交流電場，直流電場的應(yīng)用不十分廣泛。
它主要利用固定的電場，使帶有不同極性的水顆粒
向著相反的方向運動，從而產(chǎn)生碰撞，形成較大水滴
便于沉降。而未產(chǎn)生碰撞的水顆粒會運動到極板，
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
形成的回路會對設(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
制過程。
1．3 交／直流雙電場
為提高脫水效率，F(xiàn) L Prestridge等結(jié)合交流、
直流電場優(yōu)點，設(shè)計出交／直流雙電場，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，下部為交流電場，原油乳化液由電脫水器底部
注入，先通過交流電場，利用振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)脫
去大部分水，而后乳化液進入直流電場脫去。
雙電場的應(yīng)用拓寬了電脫水器的使用范圍，且
由于直流電場為半波交替帶電，因此減緩了設(shè)備的
腐蝕。其缺點是工藝流程不穩(wěn)定時，直流電場會失
去作用。
1．4脈沖電場
通過對電脫水原理的深入研究發(fā)現(xiàn)，原油乳化
液中2個相鄰、粒徑相同的水顆粒間在電場中的聚
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
場強度，V／m；d為2個水顆粒之間距離，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，必須從提高電場強度、縮短水顆粒間距這兩方面
人手。針對上述要求，人們在常規(guī)電脫水的電壓輸
出波形上疊加了一個高頻脈沖信號，設(shè)計出了一種
新的脫水電場形式——高頻脈沖電場嘲。通過改變
該電場脈沖幅度、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
電場強度的直接因素，脈沖幅度越大，電場強度越
高，反之電場強度越低。由式(1)可以知道，電場強
度增大，水顆粒之間的聚結(jié)力也會相應(yīng)增大。但是
當(dāng)電場強度增大到一定程度時，會發(fā)生電分散現(xiàn)象，
即原油乳狀液中的水顆粒在電場的作用下，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，最后變成2個更小的水顆粒。顯然，電分
散對脫水是有害的。脈沖電場不同于傳統(tǒng)的正弦波
電場，是方波電場，因此可以選擇合適的脈沖幅度，
使其達(dá)到足夠高的電場強度，又不會導(dǎo)致電分散的
發(fā)生。
1．4．2 脈沖寬度
脈沖寬度是指單個脈沖所持續(xù)的時間。脈沖寬
度太小，乳狀液中的水顆粒沒有足夠的時間吸收電
場中的能量。脈沖寬度太大，水顆粒雖有足夠的時
間吸收電場中的能量，但又容易產(chǎn)生電分散和電擊
穿現(xiàn)象。對于不同的乳化液，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
對不同的乳化液產(chǎn)生出最適合的電場。
1．4．3脈沖頻率
當(dāng)外加電場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，就會發(fā)生共振現(xiàn)象。此
時，水顆粒振動幅度最大，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，由于水顆粒振
動幅度增大，水顆粒間距離相對縮短，使水顆粒間聚
結(jié)力變大。
實踐證明，高頻脈沖電場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，相對于其它形式的
電場，具有明顯的優(yōu)勢。另外，可針對不同類型的乳
化液調(diào)節(jié)電場的參數(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
電場強度、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
水平電極為目前國內(nèi)最常用的電極形式，它的
結(jié)構(gòu)比較簡單，工藝也較為成熟，多為2層或3層圾
萬方數(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電場，極板與接地
罐體間形成弱電場。乳化液進入電脫水器后先經(jīng)過
弱電場，脫去尺寸較大的水滴，之后進入強電場脫去
尺寸較小的水滴。這種設(shè)計保證了乳化液在進入強
電場時。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)模的使用開始于20世紀(jì)70年
代。它針對平板電極電場與重力場間相，易造成跳
電的缺點，延長了水顆粒在電場反應(yīng)區(qū)的停留時間，
減少了對較大水顆粒沉降的阻礙。在豎掛電場中，
水滴運動的不同向性(呈扇形)，使水鏈形成的長度、
存留的時間較短，形成水平直鏈的機會較小。因此，
豎掛電場不易被破壞，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，但其對電極尺寸和
布局的要求較高。如尺寸或布局的設(shè)計不合理，就
會導(dǎo)致易跳電、脫出原油不合格等后果。
2．3 鼠籠電極
近年來，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)計原理是在提高電場強度強化脫水效
率的前提下，盡量避免高含水原油在強電場區(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)域采用弱電場布置，而在脫水器頂部、原油出口
端等低含水區(qū)域采用強電場布置。同時為了避免脫
水器內(nèi)部二次返混和上升油流對下降水滴的阻滯作
用，采用側(cè)進側(cè)出的原油進出方式，油水混合物在電
脫水器內(nèi)水平流動。實驗證明。這種設(shè)計思路既提
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。理論計算證
明，只要絕緣材料滿足以下幾個條件，就可能達(dá)到既
不影響脫水所需電場強度，又不會出現(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)率低幾個量級，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，同時也降低了對絕緣材料厚度的需求，減少了其
對電場的影響。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)者對絕緣電極進行了研究，但由于
其對材料和工藝要求極其嚴(yán)格，且絕緣層對電場不
可避免會產(chǎn)生影響，因此至今未見絕緣電極應(yīng)用于
工業(yè)生產(chǎn)的報道。
3 輔助設(shè)備
利用其它設(shè)備輔助靜電力進行原油乳化液脫水
的設(shè)計有很多，如離心機、過濾器等。其中關(guān)于離心
機的研究最多，且目前已經(jīng)有油田利用離心機進行
脫水。
在離心機與電脫水器的組合應(yīng)用中，高壓電極
位于離心機的中心，離心機的外壁接地，從而形成了
由圓心指向外、垂直于液體流動方向的電場。離心一
電脫水器結(jié)構(gòu)見圖2，原油乳化液注入到分離器后。
沿著圓周旋轉(zhuǎn)。電場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)生的離心力可以實現(xiàn)
油水分離，又不會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
認(rèn)為這種高速的離心運動所產(chǎn)生的剪切力和混合力
會使乳化液更穩(wěn)定，即增加了脫水難度。
實驗證明，離心機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)備單獨應(yīng)用。
分
圖2離心一電脫水器結(jié)構(gòu)
利用過濾器提高電脫水效率的設(shè)計方案也有報
道，主要是利用化學(xué)萃取原理。原油從過濾器的一
側(cè)進入，并通過充滿親水性物質(zhì)的濾芯，此物質(zhì)會把
萬方數(shù)據(jù)
第6期肖蘊，等：原油電脫水器技術(shù)進展
水從油中萃取出來。同時在過濾器的兩側(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展研
究的報道也有很多。
4溫度和壓力
溫度和壓力對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。
壓力對電脫水效果的影響很少被提及。但實驗
證明。在低于大氣壓力的條件下。油水分離的速度加
快。據(jù)報道，當(dāng)乳化液處于電場中時，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一步促進水滴的聚合和
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。特別是油田開發(fā)過
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入油田采出液
中，形成復(fù)雜的乳化液，對流程沖擊大，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。實際操作中的主要應(yīng)對措施
是將乳化層作為廢油置換出流程。，?
目前中海油在SZ36—1油田開展聚合物驅(qū)油，采
出液脫水難度更大[13~1引，因此需要開發(fā)新型電脫水
器以解決實際生產(chǎn)過程出現(xiàn)的難題。+考慮到海上油
田的特殊性，針對復(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題，實現(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
發(fā)成本。同時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)主要從兩個方向開展研究：①
改進供電方式，優(yōu)化供電頻率和電壓。②改進電極
結(jié)構(gòu)，增加絕緣涂層，降低電耗，提高電場強度的利
用率。
6展望
自電脫水器發(fā)明以來，人們進行了大量的研究。
世界范圍內(nèi)40 a來大量的現(xiàn)場實踐證明，電脫水器
不僅經(jīng)濟性能較好，而且對周圍環(huán)境影響很小。隨
著靜電聚結(jié)機理研究、電場控制技術(shù)及超聲波微波
等其它輔助技術(shù)的不斷進步，電脫水器的性能將進
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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