CN102021018A - 新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法和设备，用于油田油气集输系统的原油脱水和炼油厂的脱水、脱盐，使原油乳化液中分散相小水颗粒聚结长大。本发明设备的核心部分为电极组件，包括导电金属棒、竖直同轴安装的多层筒状电极、平行安装的板状电极；当向电极组件施加高压交流电后，原油乳化液中的分散相水颗粒基于介电泳聚结和振荡聚结机理进行破乳，使分散相水颗粒充分聚结长大，显著减少后续重力沉降时间，提高处理效率，使得设备紧凑化、高效化，基于介电泳现象的破乳机理可以大幅度减少化学破乳剂的用量，降低总体运行成本，进而提高炼油厂的经济效益。

Description

新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法和设备

技术领域

本发明属于原油电脱水、脱盐技术领域，涉及一种新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法和设备，主要用于油田油气集输系统的原油脱水和炼油厂的脱水、脱盐，也可用于水下生产系统的原油脱水。

背景技术

在常规电脱水(脱盐)器中，油包水型原油乳化液从罐体底部进入，整体呈自下而上的流动态势，在此过程中受电场作用而静电聚结长大的分散相水颗粒开始发生逆流重力沉降。这种布局方式使得原油乳化液的流动方向和聚结后分散相水颗粒的沉降方向相反，增加了水滴的沉降时间，影响脱水(脱盐)效率。由于水颗粒静电聚结长大与水颗粒重力沉降两个过程同步进行，为了保证后一个过程的顺利进行，常规电脱水(脱盐)器多采用卧式放置并始终保持罐内的层流流态，因此处理装置容积较大、处理效率难以进一步提高。此外，当处理含水率较高的原油乳化液时，常规电脱水(脱盐)器内部的油水界面可能浸没下层的水平电极或者垂直悬挂电极下端的外表面，引起电极短路，导致电脱水(脱盐)器工作中断，这种情况在海上生产平台更为常见。

基于对适当湍流反而能够促进分散相水颗粒碰撞、聚结等问题的全面认识，西方发达国家的研究人员打破数十年来常规电脱水(脱盐)器结构设计中的惯性思维模式，率先提出了将水颗粒静电聚结长大与水颗粒重力沉降两个过程分开、予以先后实施的原油脱水方案，从而使得静电聚结破乳设备紧凑化、高效化，这就是所谓的紧凑型静电预聚结原油脱水技术。在近20年的时间里，西方发达国家以该技术的工业化应用为最终目标，从工作机理、产品开发等方面进行了大量的应用基础研究工作。近年来相继推出了紧凑型静电聚结器(CEC)、在线静电聚结器(IEC)、容器内置式静电聚结器(VIEC)、低含水率聚结器(LOWACC)等紧凑型静电预聚结设备，其中CEC、IEC独立于常规重力分离器，而VIEC、LOWACC则安装在常规重力分离器内部。从静电聚结破乳机理而言，CEC、IEC和VIEC都是围绕偶极聚结或振荡聚结破乳机理进行设计的，只有LOWACC应用了介电泳聚结破乳机理；从应用领域而言，IEC、VIEC、LOWACC仅仅用于油气田开发工程中井口原油乳化液的脱水，迄今尚未用于炼油厂中原油乳化液的脱水(脱盐)，仅有CEC应用于原油乳化液的脱盐处理工艺。对VIEC和LOWACC而言，当原油乳化液流经其内部的蜂窝状流道时，原油乳化液中含有的悬浮固体颗粒向下沉降，覆盖在电极表面，容易引起电极短路。国内有不少研究人员围绕原油乳化液的静电聚结破乳机理进行了大量的实验研究，对于紧凑型静电预聚结设备的现场应用方面还处于起步阶段。

美国专利US 6136174公开了一种原油脱水用静电预聚结器(CEC)，其特征是原油乳化液在静电预聚结器内以非层流流态自上而下流动，能节省动力消耗、有利于促进分散相水颗粒的碰撞聚结；电极部分可以作为一个整体组件自外壳筒体预部取出，维修检查较为方便。但其不足之处在于：筒体顶部区域未充满原油乳化液，限制了静电预聚结器的处理量；处理后的原油乳化液在进入后续沉降分离设备之前，应该避免因剧烈的剪切作用而使得其中的较大分散相水颗粒再次发生破裂；对W/O型原油乳化液中含气量、含水率的适应能力偏低；对稠油乳化液的处理效果不好；仅应用了偶极聚结或振荡聚结破乳机理，未能充分认识到介电泳现象对静电预聚结作用的重要价值。中国专利200710015911.1(授权公告号CN 101173182A)公开了一种新型原油乳状液静电脱水器，其特征是聚结部分安装在电脱水器上部，且与沉降分离部分连为一体；电脱水器下部的沉降分离部分安装有扰流板和交错波纹聚结板等构件，可以加快水滴的聚结速度。但其不足之处在于：原油乳化液在聚结部分的流态为层流，未能充分利用湍流对分散相水颗粒的碰撞、聚结作用，同时层流流态限制了静电预聚结器的处理效率；原油乳化液经过扰流板后形成的漩涡可能使聚结后较大的分散相水颗粒再次发生破裂；难以处理高粘度的原油乳化液；仅应用了偶极聚结或振荡聚结破乳机理，未能利用介电泳现象对分散相小水颗粒的聚结破乳机理；对W/O型原油乳化液中含水率的适应能力偏低。

鉴于上述原因，有必要发明新型高效原油脱水(脱盐)用静电预聚结方法和设备，以充分利用介电泳聚结破乳机理，大幅度提高原油乳化液的电脱水(脱盐)效率，使得原油电脱水(脱盐)设备紧凑化、高效化。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法和设备，采用新的布置方式、电极结构和流动形式能够处理不同粘度、含水率的原油乳化液，增加原油乳化液中分散相水颗粒的碰撞几率、减少后续重力沉降时间、显著提高脱水、脱盐效率，使得原油电脱水、脱盐设备紧凑化、高效化。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法，主要包括以下步骤：低粘度原油乳化液自入口管流入后以湍流流态向下流动，原油乳化液在导电金属棒与壳体顶部区域之间形成的非均匀电场内发生介电泳聚结，聚结后的原油乳化液通过筒状电极组件上钢条的圆孔进入环形流道，原油乳化液受到高压交流电作用后，在波纹板状电极间产生非均匀交流电场，引起分散相水颗粒的介电泳聚结，水颗粒粒径变大，聚结后的原油乳化液依次通过筒状电极下方的导流板、上平面板状电极的圆孔进入平面板状电极的流道内，流道内部的均匀高强电场促使原油乳化液中分散相水颗粒发生偶极聚结或振荡聚结，水颗粒粒径得到进一步增大，充分聚结后的原油乳化液流入静电预聚结器的锥形封头内，最终从出口管流出，在处理过程中析出的少量气体从椭圆形封头上方的排气口排出。

对于高粘度的原油乳化液则采用自下而上的流动方式使原油乳化液充满环形流道。

本发明的设备，主要由椭圆形封头(25)、壳体(17)、锥形封头(12)、电极组件和高压交流电源(5)组成，其中：椭圆形封头(25)上安装有入口管(1)和排气口(24)，壳体(17)上安装有压力表(2)、温度计(3)，内部安装电极组件，锥形封头(12)上安装出口管(11)，椭圆形封头(25)与壳体(17)通过螺栓连接，在壳体(17)上端设置耳式支座(19)，锥形封头(12)与壳体(17)相互焊接形成一体，外部的高压交流电源(5)通过高压电缆(7)与壳体(17)内部的电极组件相连，高压电缆(7)覆盖在绝缘管(6)内部，高压电缆(7)通过法兰盘(4)与高压交流电源(5)相连。所述的电极组件包括导电金属棒(23)、竖直同轴安装的多层筒状电极(31)、平行安装的板状电极(13)，多层筒状电极组件(31)由环形电极、螺钉(22)、电极对中器(21)、上下电极绝缘块(20)、(16)组成，环形电极为带电电极(8)，平面板状电极(9)接地电极，最外层带电电极通过电极对中器(21)将其固定，内部的带电电极之间用上电极绝缘块(20)固定，带电电极(8)上方用一个钢条连接，与高压电缆(7)相连，钢条上开有圆孔并涂有致密绝缘层，导电金属棒(23)焊接在钢条上，最外层波纹状带电电极下方悬挂上平面板状电极，其表面覆盖致密绝缘层，下平面板状电极通过托板将其支撑，平面板状电极(13)上开有圆孔充当液体分布器的作用，筒状电极组件使用热轧工字钢(10)支撑，带电电极(8)和接地电极(9)的下端插入下电极绝缘块(16)中，接地电极(9)之间由一根钢条与筒体连接，电极接入设备由高压电缆(7)、法兰盘(4)、密封垫圈、绝缘管(6)、螺母等组成，在电极棒的外面包裹着聚四氟乙烯制作的绝缘管(6)，电极棒的两端用螺母固定。

所述的环形电极采用波纹板状电极与平面板状电极交替组合竖直排列的方式，或采用波纹板状电极。

本发明采用新的布置方式将静电预聚结设备立式安装，当所处理原油乳化液的粘度较小时，原油乳化液在静电预聚结设备内自上而下流动，能节省动力消耗，提高经济效益；而当所处理原油乳化液的粘度较大时，原油乳化液在静电预聚结设备内自下而上流动，能使原油乳化液充满环形流道，提高处理效率。

本发明的设计思想源于介电泳聚结和振荡聚结破乳机理，在静电预聚结设备壳体顶部安装导电金属棒，该金属棒与带高压电的筒状电极相连，这样就具备了利用介电泳机理的电场条件。为了充分利用介电泳聚结破乳机理，同时为了提高处理量，在静电预聚结设备壳体中部竖直同轴安装多层筒状电极，筒状电极可以采用波纹板状电极与平面板状电极交替组合竖直排列的方式，也可以均采用波纹板状电极，安装时两相邻波纹板状电极的波峰与波谷分别一一对应，且相邻电极之间涂有致密绝缘层，以防止分散相水颗粒形成水涟时电极短路；当施加高压交流电后，在筒状电极间形成非均匀交流电场，作用在水颗粒两端的电场强度不相等，产生一个朝着强电场梯度区域的净作用力，水颗粒在向电场强度最大位置处移动的过程中发生介电泳聚结。平行安装的板状电极的上极板与带电的筒状电极相连，而下电极接地，当施加高压交流电后，在上下极板之间的流道内形成相对均匀的高强电场，不带极性电荷的中性水颗粒受电场感应影响而形成诱导偶极子，每个诱导偶极子两端带等量的异性电荷；当两个诱导偶极子非常靠近时，若其相邻端带相反电荷，就会相互吸引而发生偶极聚结，与此同时，每个诱导偶极子两端因受方向相反、大小相等的两个吸引力作用而被拉长成椭球体。虽然并不发生整体位移，但在高压AC电场的交变作用下，反复的伸缩振荡仍会削弱油水界面膜的强度，最终发生所谓的振荡聚结。就流动形式而言，原油乳化液在静电预聚结设备内呈湍流流态，有利于分散相水颗粒的碰撞、聚结。

本发明采用的新型电极结构，主要特征为：1.平面板状电极上开有多个圆孔，充当流体分布器的功能；2.筒状电极间距小，电极之间形成狭窄的环形流道；3.波纹板筒状电极表面覆盖致密绝缘层；4.原油乳化液竖直流动，在电场中的停留时间较短。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：本发明能处理不同粘度的原油乳化液，尤其对稠油乳化液的脱水、脱盐具有较好的处理效果；对处理量及原油乳化液内含盐、含水率波动的适应性较强，具有较大的操作弹性；电极表面采用绝缘涂层技术，避免电极短路，提高静电预聚结方法和设备运行的稳定性和安全性；原油乳化液中分散相水颗粒的聚结长大较为彻底，能减少后续重力沉降时间，提高脱水、脱盐效率，使得原油电脱水、脱盐设备紧凑化、高效化；基于介电泳现象的破乳机理可以大幅度减少化学破乳剂的用量，降低总体运行成本，进而提高炼油厂的经济效益。

附图说明

图1为本发明结构总体示意图

图2为本发明图1的A-A剖视示意图

图3为本发明图1的B-B剖视示意图

图4为本发明图1的C-C剖视示意图

图5为本发明图4的D-D剖视示意图

图6为本发明另一结构示意图

具体实施方式

下面结合附图作进一步详细的说明。

由图1示出本发明的设备，主要由椭圆形封头(25)、壳体(17)、锥形封头(12)、电极组件和高压交流电源(5)组成，其中：椭圆形封头(25)上安装有入口管(1)和排气口(24)；壳体(17)上安装有压力表(2)、温度计(3)，内部安装电极组件；锥形封头(12)上安装出口管(11)。椭圆形封头(25)与壳体(17)通过螺栓连接，使得电极组件的维修检查较为方便；锥形封头(12)与壳体(17)相互焊接形成一体，耳式支座(19)支撑静电预聚结器立式安装。外部的高压交流电源(5)通过高压电缆(7)与壳体(17)内部的电极组件相连。高压电缆(7)覆盖在绝缘管(6)内部，以保证其与壳体绝缘良好。为了维修方便，高压电缆(7)通过法兰盘(4)与高压交流电源(5)相连。

本发明的电极组件包括导电金属棒(23)、竖直同轴安装的多层筒状电极、平行安装的板状电极(13)。竖直同轴安装的多层筒状电极组件由环形电极、螺钉(22)、电极对中器(21)、上下电极绝缘块(20)、(16)等组成，环形电极可以均采用波纹板状电极，安装时两相邻波纹板状电极的波峰与波谷分别一一对应；也可以采用波纹板状电极与平面板状电极交替组合竖直排列的方式，如图1所示，波纹板状电极为带电电极(8)，平面板状电极接地，最外层带电电极通过电极对中器(21)将其固定，以避免其与壳体接触，而内部的带电电极之间用上电极绝缘块(20)固定，带电电极(8)上方用一个钢条连接，以便与高压电缆(7)相连，使电极组件通电，钢条上开有圆孔使原油乳化液均匀流过多层筒状电极之间的环形流道。相邻电极之间均涂有致密绝缘层以防止原油乳化液中分散相水颗粒形成水涟时电极短路，钢条上的圆孔表面仍需要覆盖致密绝缘材料。导电金属棒(23)焊接在钢条上，当静电预聚结器外的高压交流电源(5)通过高压电缆(7)向钢条输送高压电时，导电金属棒(23)与接地壳体之间形成非均匀电场，引起原油乳化液中分散相水颗粒的介电泳聚结。最外层波纹状带电电极下方悬挂上平面板状电极，其表面覆盖致密绝缘层，下平面板状电极通过托板将其支撑，平面板状电极(13)上开有圆孔充当液体分布器的作用，使原油乳化液均匀流动。筒状电极细件使用热轧工字钢(10)支撑，带电电极(8)和接地电极(9)的下端插入下电极绝缘块(16)中，接地电极(9)之间由一根钢条与筒体连接。上下电极绝缘块材料选用电木，其特性是不吸水、不导电、耐高温、犟度高。电极接入设备由高压电缆(7)、法兰盘(4)、密封垫圈、绝缘管(6)、螺母等组成，在电极棒的外面包裹着聚四氟乙烯制作的绝缘管(6)，电极棒的两端用螺母固定，防止电极的松动。为了保征静电预聚结器运行时的安全，静电预聚结器的外壳接地。运行过程中，静电预聚结器内部充满原油乳化液，高压交流电源(5)通过高压电缆(7)将高压电输送至波纹板状带电电极上。

图6所示为本发明新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法和设备的第二种结构示意图，适合处理高粘度的原油乳化液，与图1的不同之处在于原油乳化液自静电预聚结设备底部流入后，自下而上流动，采用这种布局方式可以使原油乳化液充满环形流道，提高处理效率。

本发明的实际操作过程为：低粘度原油乳化液自入口管(1)流入后以湍流流态向下流动，原油乳化液在导电金属棒(23)与壳体(17)顶部区域之间形成的非均匀电场内发生介电泳聚结。聚结后的原油乳化液通过筒状电极组件上钢条的圆孔进入环形流道。在筒状电极之间的环形流道，原油乳化液受到高压交流电作用后，在波纹板状电极间产生非均匀交流电场，引起分散相水颗粒的介电泳聚结，水颗粒粒径变大。聚结后的原油乳化液依次通过筒状电极下方的导流板(26)、上平面板状电极的圆孔(15)进入平面板状电极的流道内，流道内部的均匀高强电场促使原油乳化液中分散相水颗粒发生偶极聚结或振荡聚结，水颗粒粒径得到进一步增大。充分聚结后的原油乳化液流入静电预聚结器的锥形封头(12)内，最终从出口管(11)流出。在处理过程中析出的少量气体从椭圆形封头(25)上方的排气口(24)排出。

Claims (4)

1.一种新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法，主要包括以下步骤：低粘度原油乳化液自入口管流入后以湍流流态向下流动，原油乳化液在导电金属棒与壳体顶部区域之间形成的非均匀电场内发生介电泳聚结，聚结后的原油乳化液通过筒状电极组件上钢条的圆孔进入环形流道，原油乳化液受到高压交流电作用后，在波纹板状电极间产生非均匀交流电场，引起分散相水颗粒的介电泳聚结，水颗粒粒径变大，聚结后的原油乳化液依次通过筒状电极下方的导流板、上平面板状电极的圆孔进入平面板状电极的流道内，流道内部的均匀高强电场促使原油乳化液中分散相水颗粒发生偶极聚结或振荡聚结，水颗粒粒径得到进一步增大，充分聚结后的原油乳化液流入静电预聚结器的锥形封头内，最终从出口管流出，在处理过程中析出的少量气体从椭圆形封头上方的排气口排出。

2.根据权利要求1所述的新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结方法，其特征在于：对于高粘度的原油乳化液则采用自下而上的流动方式使原油乳化液充满环形流道。

3.实现如权利要求1或2所述方法的设备，主要由椭圆形封头(25)、壳体(17)、锥形封头(12)、电极组件和高压交流电源(5)组成，其特征在于：椭圆形封头(25)上安装有入口管(1)和排气口(24)，壳体(17)上安装有压力表(2)、温度计(3)，内部安装电极组件，锥形封头(12)上安装出口管(11)，椭圆形封头(25)与壳体(17)通过螺栓连接，在壳体(17)上端设置耳式支座(19)，锥形封头(12)与壳体(17)相互焊接形成一体，外部的高压交流电源(5)通过高压电缆(7)与壳体(17)内部的电极组件相连，高压电缆(7)覆盖在绝缘管(6)内部，高压电缆(7)通过法兰盘(4)与高压交流电源(5)相连；所述的电极组件包括导电金属棒(23)、竖直同轴安装的多层筒状电极(31)、平行安装的板状电极(13)，多层筒状电极组件(31)由环形电极、螺钉(22)、电极对中器(21)、上下电极绝缘块(20)、(16)组成，环形电极为带电电极(8)，平面板状电极(9)接地电极，最外层带电电极通过电极对中器(21)将其固定，内部的带电电极之间用上电极绝缘块(20)固定，带电电极(8)上方用一个钢条连接，与高压电缆(7)相连，钢条上开有圆孔并涂有致密绝缘层，导电金属棒(23)焊接在钢条上，最外层波纹状带电电极下方悬挂上平面板状电极，其表面覆盖致密绝缘层，下平面板状电极通过托板将其支撑，平面板状电极(13)上开有圆孔充当液体分布器的作用，筒状电极组件使用热轧工字钢(10)支撑，带电电极(8)和接地电极(9)的下端插入下电极绝缘块(16)中，接地电极(9)之间由一根钢条与筒体连接，电极接入设备由高压电缆(7)、法兰盘(4)、密封垫圈、绝缘管(6)、螺母等组成，在电极棒的外面包裹着聚四氟乙烯制作的绝缘管(6)，电极棒的两端用螺母固定。

4.根据权利要求4所述的新型高效原油脱水、脱盐用静电预聚结设备，其特征在于：所述的环形电极采用波纹板状电极与平面板状电极交替组合竖直排列的方式，或采用波纹板状电极。

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