CN105199777B - 一种高频原油脱水器 - Google Patents

Abstract

一种高频原油脱水器，高频脱水器与阻抗调配网络相连；高频辐射器与温度检测系统相连；温度检测系统分别与阻抗调配网络、功率放大槽路、高频振荡回路、检测报警系统相连；检测报警系统与电源系统控制系统相连；电源系统控制系统、高频振荡回路、功率放大槽路及阻抗调配网络均与冷却系统相连；高频在高频脱水器产生径向高频电场，在电场作用下，产生取向极化，水滴两端感应产生相反的电荷，形成感应电场，相近的水滴之间产生偶极聚结，凝结成大水滴，破乳沉降；高频电场促使极性分子高速旋转，导致电中和作用，当液珠失去双电层的作用后，碰撞聚并，使油水分离，具有运行费用低，脱水简化，脱水效率高，脱水稳定安全，绿色环保的特点。

Description

一种高频原油脱水器

技术领域

本发明属于石油设备技术领域，具体涉及一种高频原油脱水器。

背景技术

稠油是全球石油烃类能源中的重要组成部分，具有十分巨大的生产潜力。据统计，我国稠油已控制及探明储量中，普通稠油约占40%。特稠油占12%，超稠油占48%，而且随着近几年的高速开发，稠油在我们原油产量中所占的比例也越来越大。但是由于稠油粘度高、密度大、含胶质沥青质高、油气比低、携砂量大，所以开采、集输、加工处理都较常规原油困难得多，同时由于稠油高含沥青质与胶质，它们所形成的界面膜强度较大，以至于其W/O型乳状液的破乳脱水非常困难。目前原油脱水方法主要有：1）沉降分离；2）加热脱水；3）化学破乳；4）电破乳；5）润湿聚结。沉降分离速度慢，只能分离游离水；加热脱水能量利用率低，速度慢，脱水不彻底；润湿聚结脱水效果差；加化学破乳剂存在药剂用量大，沉渣多，设备易腐蚀，油品不易回收，环境污染等缺点；电破乳出油效率高，但耗电量大，装置复杂，安全要求高，而且对于含水量较高的W/O型乳化液，常因加不上电压使电破乳难以进行。

为了降低脱水装置的运行费用，能量的节约是非常重要的。为此，应设法提高系统的热效率，特别是要在工艺流程中应尽量减少对高含水原油进行加热升温。除此之外，化学破乳剂的消耗量应严加控制，因为它在运行费用中所占比例最大，而且，化学破乳剂本身具有一定的毒性，还会对原油的后续处理造成困难。所以最理想的就是不使用化学破乳剂而使用其他更加经济、高效的办法进行破乳脱水。同时，现有的脱水方式一般还需配合电脱水进行，而电脱水能耗极大，而且还不好控制，极易发生击穿事故。因此寻找另一种更稳定的方法来取代电脱水也很有必要。近年来，国内外学者在不断的进行这方面的研究，提出了很多新工艺、新方法。当前，原油脱盐脱水的主要方法包括：沉降法、电化学法、过滤法、声化学法、磁处理法、微波辐射法、生物法等。其中，电化学法应用最为广泛。而高频电磁波作为一种清洁高效的能源，在原油的脱盐脱水方面已初步显示出其自身的优势。

20世纪90年代末，加拿大艾伯塔委员会开始研究超声波提高原油破乳技术。研究中，该委员会用加拿大艾伯塔勒杜克和冷湖两个油田的原油制备两个含水5％～20％的油水乳状液。25C°时粘度分别为2.49和32800mPa·s。然后，分别进行低频（16～20KHz）和（2MHz）超声波破乳处理试验。结果表明，超声波能够使水珠加速聚结，从而提高油水分离效率。与传统的破乳工艺相比，超声波破乳技术能耗低和破乳剂用量少。

高频电磁波破乳技术的加热不同于传统的热传导加热方式，是由内向外的加热 ,能使物质瞬间提升温度，并且产生强电磁场，使极性分子高速运动，破坏油水界面膜，达到破乳效果。高频电磁波脱水的速度和效果是重力沉降、化学脱水和加热脱水等方法所不能比拟的。而在这方面，国内外做的较多的是微波的实验。国外从20世纪80年代开始就做了微波原油脱水的相关实验室和现场试验的研究，取得了较大的成功，最后证明微波辐射加热是一种可以取代常规脱水技术的脱水方法。在国内，有关微波辐射加热破乳的研究起步较晚。直到20世纪的90 年代初，胡同亮等人相继做了一些有关微波辐射加热与水浴加热破乳的实验对比研究 ,得出了微波加热破乳效果好的结论，且指出了微波加热破乳的效果受升温速率、加热时间、压力、含水率等因素的影响，这为将微波加热分离技术应用于我国工业上提供较好的实验基础。

通过实验，得知高频辐射和电炉加热两种方法使试样升温至相同或相近的温度，静置一段时间后的破乳率有明显差别，高频辐射的破乳率高于电炉加热的破乳率；也明了高频加热的时间短、电耗省；高频辐射破乳不仅使常规加热中的乳液粘度降低、促进油-水分离，还存在非热效应的机制，使其破乳率比常规加热的破乳率增大，显示了高频辐射是一种有效的破乳方法。其作用机理主要包括：乳液温度升高粘度降低，油、水相温差大，分散介质与分散相的分离过程加快；另一方面，极性分子在高频电场中的高频率旋转导致电中和作用，破坏油-水界面的双电层，Zeta电位值降低，分散介质颗粒聚集、凝并。与常规加热相比，高频辐射的破乳率高，时间短，具有工业化应用的前景。

油田中后期开采阶段，原油性质复杂，经酸化、压裂的原油进站后，整个系统的平衡就会被打破，一次、二次溢流含水超过40%以上，脱水器无法正常工作，外输含水指标随之升高。

原油中的石油酸如脂肪酸、环烷酸、胶质酸和沥青酸等可与碱反应，生成相应的石油酸盐。石油酸盐是一种表面活性剂，能起到破乳剂的作用。随着碱加量的增加，碱产生过剩，造成脱出水的pH值增加，矿化度增加，碱解离出来的反离子(Na+)压缩油水界面扩散双电层，降低油滴表面的负电性及油珠之间的静电排斥力，不利于原油脱水。

虽然目前原油脱水的技术已趋成熟，但是经过三次采油技术的低渗透油田含水原油的脱水技术仍没有得到很好的解决，现有的技术手段比较单一，并且能耗较高，如何降低生产成本，提高稠油生产的安全性、经济性，是目前急需解决的问题。同时，对于低渗透油田含水原油，采用的常规的脱水技术也存在的能耗高、环境污染、后期处理难等诸多问题。自2000年开始，进行了新型高效稠油脱水技术的探索研究，先前进行了微波脱水和中波脱水实现研究。微波脱水效果良好，但是大功率微波频率固定，无法随原油品性的变化进行变频，实现最佳高效的脱水，而且微波单管输出功率小，而且造价高，一次投资大，维护费高，推广难度大；中波功率脱水过程中，欧姆加热耗能大，且在高含水时易出现短路，使脱水中断。为此，本发明解决原油的高效集输问题，它是快速、稳定、高效的脱水技术。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高频原油脱水器，本发明主要利用高频代替现有脱水流程中的电脱水设备，减小了油田进行稠油脱水的运行费用，并且简化了脱水流程，提高脱水效率，增加了油田脱水的稳定性和安全性；化学药剂的减少使用，不仅节约了大量资金，同时也符合绿色环保理念。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高频原油脱水器，包括有高频辐射器，高频辐射器的输入端与阻抗调配网络相连；高频辐射器的温度取样端与温度检测系统相连；温度检测系统分别与阻抗调配网络、功率放大槽路、高频振荡回路、检测报警系统相连；检测报警系统与电源系统控制系统相连；电源系统控制系统、高频振荡回路、功率放大槽路及阻抗调配网络均与冷却系统相连。

所述的高频原油脱水器采用10KW～50KW连续可调的高频功率。

所述的高频原油脱水器的频率为20MHZ±3MHZ。

所述的高频脱水器包括有外壁，外壁的纵向中心段设有高频馈能入口，高频馈能入口外设有陶瓷环；陶瓷环外设有连接法兰；高频馈能入口内端连接有剖面为T形结构的绝缘层，绝缘层内腔中设有内芯，内芯采用金属材质；外壁的内侧与内芯之间设有扶正器；绝缘层的上侧为液流区，陶瓷环、连接法兰、高频馈能入口和内芯构成高频馈能器，内芯和外壁构成同轴环空高频换能脱水段。

所述的扶正器有4个。

所述的绝缘层采用聚四氟乙烯。

所述的内芯采用金属材质。

本发明的有益效果是：

高频辐射破乳与常规加热方法的比较。高频辐射和电炉加热两种方法使试样升温至相同或相近的温度，静置一段时间后的破乳率有明显差别，高频辐射的破乳率高于电炉加热的破乳率；也证明了高频加热的时间短、电耗省；高频辐射破乳不仅使常规加热中的乳液粘度降低、促进油-水分离，还存在非热效应的机制，使其破乳率比常规加热的破乳率增大，显示了高频辐射破乳技术具有工业化应用的前景。

本发明主要利用高频代替现有脱水流程中的电脱水设备，由于高频脱水的高效性甚至取消了化学破乳剂的添加，这样一来，大大减小了油田进行稠油脱水的相关运行费用，并且简化了脱水流程，提高脱水效率，增加了油田脱水的稳定性和安全性，电脱水在含水率波动的情况下工作极不稳定。化学药剂的减少使用，不仅节约了大量资金，同时也符合绿色环保理念。

采用本发明的高频原油脱水器，脱水速度快，效率高，可取消电脱水器，并且不需要添加化学破乳剂。高频短波脱水具有微波破坏油-水界面的双电层，Zeta电位值降低，又具有低频分散介质颗粒聚集、凝并的作用，效果最佳。短波变频容易，单管功率大，而且造价较低，一次投资较小，维护费低，技术成熟，易于推广。

原油项目由于污染物很多（污油、污泥、污水和其他一些对环境有害的物质等）一直以来都难以做到完全的绿色环保。但是大势所趋之下，各个原油相关单位都在为了实现绿色环保而不断努力着。使用高频脱水设备来改善稠油的脱水流程，主要注重脱水效率和其带来的经济性，它减少了化学用品的使用，降低了能源消耗，提高了脱水效率，因此也使油田向着绿色环保这一目标有大大的迈进了一步。同时，免除了操作人员在使用化学破乳剂时可能会承受的安全风险，一定程度上保障了油田工作者人身安全。

附图说明

图1为本发明的结构原理框图。

图2为本发明的应用实例图。

图3为本发明的高频脱水器结构图。

图4为扶正器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，一种高频原油脱水装置，包括有高频脱水器，高频脱水器的输入端与阻抗调配网络相连；高频脱水器的温度取样端与温度检测系统相连；温度检测系统分别与阻抗调配网络、功率放大槽路、高频振荡回路、检测报警系统相连；检测报警系统与电源系统控制系统相连；电源系统控制系统、高频振荡回路、功率放大槽路及阻抗调配网络均与冷却系统相连。

工作原理是：

高频振荡回路产生高频电磁信号，经过功率放大槽路放大成大功率高频电磁波，然后经阻抗调配网络高效输送给高频原油脱水装置，实现高频原油脱水，其中，电源系统向阻抗调配网络、功率放大槽路、高频振荡回路、检测报警系统和检测报警系统提供电力；阻抗调配网络调整高频原油脱水的输入阻抗与功率放大槽路输出阻抗之间的阻抗匹配，使高频能量最有效地作用于高频脱水。

参见图2，井排原油经气液分离器，再经沉降脱水罐处理后，进入含水油罐，含水油罐中的油经脱水泵脱水后进入换热器进行热交换，经过热交换后的油一部分进入净化油罐，净化油罐中的油经过外输油泵送至油库或首站；另一部分进入加热炉后进入高频脱水器脱水，经过高频脱水后的污水去污水处理厂处理。

分析高频辐射和电炉加热两种情况下试杆的Zeta电位。结果表明(表2)，高频辐射后试样的Zeta电位比电炉加热后试样的Zeta 电位有明显的降低，而Zeta电位随温度变化的情况无规则。 这进一步证明了高频辐射存在非热效应，除了使试杆升温以外，还有电中和作用、Zeta电位的降低，促进了分散相颗粒的聚集，从而加速了分离过程，提高了破乳率。

实验证明，高频辐射是一种有效的破乳方法。其作用机理主要包括：乳液温度升高粘度降低，油、水相温差大，分散介质与分散相的分离过程加快：另一方面，极性分子在高频电场上的高频率旋转导致电中和作用，破坏油-水界面的双电层，Zeta电位值降低，分散介质颗粒聚集、凝并，当液珠失去双电层的作用后，容易碰撞聚并，致使油水分离。与常规加热相比，高频辐射的破乳率高，时间短，具有工业化应用的前景。

在现场收集的油样，未经加热的试样静置30天后，仍未发生分离，而经高频（f=20MHZ）辐射3min的试样，静置同样长时间后破乳率达到10.5％、油层含水率降到0.63％。实验还表明，辐射时间增加，破乳率提高，油层含水率降低。经辐射后的试样也在某一状态下达到相对平衡。500mL试样在辐射30秒再静置30min后，破乳率达到90％，油层含水率已由原乳液含水11.0％降到含水0.3%，破乳效果和分离效果十分明显。

参见图3，本发明的高频脱水器，包括有外壁8，外壁8的纵向中心段设有高频馈能入口6，高频馈能入口6外设有陶瓷环4；陶瓷环4外设有连接法兰5；高频馈能入口6内端连接有剖面为T形结构的绝缘层1，绝缘层1采用聚四氟乙烯，绝缘层1内腔中设有内芯7，内芯7采用金属材质；外壁8的内侧与内芯7之间设有扶正器2，所述的扶正器有4个；绝缘层1的上侧为液流区3，陶瓷环4、连接法兰5、高频馈能入口6和内芯7构成高频馈能器，内芯7和外壁8构成同轴环空高频换能脱水段。当高频从高频馈能器馈入后，在同轴环空高频换能脱水段形成径向高频电场，实现脱水。

高频原油脱水器产生径向高频电场，在电场作用下，产生取向极化，水滴两端感应产生相反的电荷，形成感应电场，相近的水滴之间产生偶极聚结，凝结成大水滴，破乳沉降；高频电场促使极性分子高速旋转，导致电中和作用，破坏油水界面双电层，降低Zeta电位。

参见图4，图4为压模成形陶瓷，它保持内芯7和外壁8同轴。

将高频原油脱水器通过法兰连接安装在原油乳状液管路中，原油乳状液通过管路流入高频原油脱水器，在高频原油脱水器中，分散相颗粒的聚集，从而加速了分离过程，提高了破乳率。其作用机理主要包括：乳液温度升高粘度降低，油、水相温差大，分散介质与分散相的分离过程加快；另一方面，极性分子在高频场上的高频率旋转导致电中和作用，破坏油-水界面的双电层，Zeta电位值降低，分散介质颗粒聚集、凝并。

本发明的工作原理是：

本发明的高频脱水器的工作流程。

将图3的高频脱水器的外壁8两端的法兰直接接入图2的流程中，将图1阻抗调配网络的输出端与图3的高频馈能入口端（陶瓷环4、连接法兰5、高频馈能入口6、内芯7组成）连接。

工作前准备：打开工作电源，高频振荡回路、功率放大槽路预热，预热时间30分钟。

工作过程：待含水原油进入高频脱水器图3后，打开本脱水系统的高频馈能开关，开始脱水。

Claims (6)

1.一种高频原油脱水器，其特征在于，包括有高频脱水器，高频脱水器的输入端与阻抗调配网络相连；高频辐射器系统的温度取样端与温度检测系统相连；温度检测系统分别与阻抗调配网络、功率放大槽路、高频振荡回路、检测报警系统相连；检测报警系统与电源系统控制系统相连；电源系统控制系统、高频振荡回路、功率放大槽路及阻抗调配网络均与冷却系统相连；

所述的高频脱水器包括有外壁（8），外壁（8）的纵向中心段设有高频馈能入口（6），高频馈能入口（6）外设有陶瓷环（4）；陶瓷环（4）外设有连接法兰（5）；高频馈能入口（6）内端连接有剖面为T形结构的绝缘层（1），绝缘层（1）内腔中设有内芯（7），内芯（7）采用金属材质；外壁（8）的内侧与内芯（7）之间设有扶正器（2）；绝缘层（1）的上侧为液流区（3），陶瓷环（4）、连接法兰(5)、高频馈能入口(6)和内芯(7)构成高频馈能器，内芯(7)和外壁(8)构成同轴环空高频换能脱水段。

2.根据权利要求1所述的一种高频原油脱水器，其特征在于，所述的高频原油脱水器采用10KW～50KW连续可调的高频功率。

3.根据权利要求1所述的一种高频原油脱水器，其特征在于，所述的高频原油脱水器的频率为20MHZ±3MHZ。

4.根据权利要求1所述的一种高频原油脱水器，其特征在于，所述的扶正器有4个。

5.根据权利要求1所述的一种高频原油脱水器，其特征在于，所述的绝缘层（1）采用聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1所述的一种高频原油脱水器，其特征在于，所述的内芯（7）采用金属材质。