委內瑞拉超重原油脫鹽脫水的設計與計算

＊史永剛

（蘭州寰球工程有限公司 甘肅 730060）

委內瑞拉超重原油脫鹽脫水的設計與計算

＊史永剛

（蘭州寰球工程有限公司 甘肅 730060）

從井場來的超重原油中通常含有一定的水和鹽，為了達到商品原油所要求的純度標準，一般需要同時利用電脫水、加入化學破乳劑、加熱這三種方法進行破乳加工工藝處理。原油乳狀液在高壓電場與破乳劑的作用下，其中的分散相水滴便聚結成大水滴，再利用油水密度差將水沉出。由于原油中所含的大部分鹽都是溶解在水當中的，所以脫鹽和脫水需要同時進行。本文從委內瑞拉超重原油的性質出發(fā), 論述了適合該原油電脫鹽脫水裝置的工藝設計，提出了適合該重油電脫鹽脫水的最佳工藝操作參數(shù)。

超重原油；脫鹽脫水；工藝設計；操作條件

1.概述

自改革開放以來，我國社會經濟快速發(fā)展，石油消費量逐年攀升，1980年我國石油年消費量為87.6Mt，到2011年已增長到490Mt。從1993年我國成為原油凈進口國以來，原油進口量年年遞增，尤其是近幾年增速加??；近年來，中國通過一系列的國際合作，致力于原油進口渠道的拓展，在石油進口途徑多樣化方面付出了一定心血，例如和委內瑞拉簽署能源戰(zhàn)略聯(lián)盟協(xié)議。中國向委內瑞拉投入了大量資金用于重油的開采，大幅度提升了委內瑞拉對華原油出口量。由此可見，未來我國將會不斷提高重質原油的進口數(shù)量，國內煉油廠加工委內瑞拉超重原油也將成為重中之重。

委內瑞拉超重原油在井口用輕油進行稀釋，降低黏度，便于管道運輸。其后進行油氣分離，脫鹽脫水、稀釋調和等工藝后可作為煉油原料。由于委內瑞拉超重原油是高酸、高黏度、高密度、高瀝青質的劣質原油，還含有大量氮、殘?zhí)?、硫、金屬等其他雜質，加大了提煉工藝難度，甚至還會影響到煉油廠的正常生產運行，所以對原油的脫鹽脫水是原油加工中的一個很重要的步驟，而針對委內瑞拉超重油選擇合適的脫鹽脫水方法與適當?shù)牟僮鳁l件顯得尤為重要。

2.脫鹽脫水方法選擇

原油的脫水主要有熱化學脫水與電脫水兩種方法。熱化學脫水是把含水原油加熱到一定的溫度，并在原油當中加入適當劑量的原油破乳劑，適度降低油水界面膜表面的張力，達到破壞乳狀液原有穩(wěn)定性的目的，從而改變乳狀液原來的類型，實現(xiàn)油與水的分離。一般而言，單純利用熱化學脫水法使含水原油油水分離合格達標，一方面不經濟，如設備、費用資耗費較高，經濟上的投入與產出比率對于大多數(shù)煉油廠生產的原油而言是成本費用過高；另外就是凈化出來的產品質量依然不夠穩(wěn)定。所以大多數(shù)油田都采用熱化學脫水與電脫水相結合的方法來對原油進行凈化處理。熱化學脫水是將含水率較高的原油進行油水分離的最佳辦法，當原油的含水比率大于30%的時候，電脫水器難以維持自身正常的運行和生產，只有利用熱化學脫水的方法先將原油含水降低到30%以下，才保證電脫水器的正常運轉。熱化學脫水所用的設備為臥式壓力沉降罐。

由于委內瑞拉超重原油的含水率一般為12%，（含鹽689～848PTB）可以直接選用脫水效果好，脫鹽率高的電脫鹽脫水器，且采用兩級串聯(lián)的方式，二級脫鹽脫水后的原油含水率降至1%以下，含鹽達到20PTB(56ppm)以下。

3.電脫鹽脫水的原理

原油中所含的水分散在與其互不相容的油品中形成液態(tài)非均相物系，其中水為分散相，原油為連續(xù)相。由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有各自不同的物理性質（如粒子的大小、密度等），受到外力作用時其運動狀態(tài)也就各不相同，所以可以用沉降原理進行分離。

要實現(xiàn)這種分離，其方法是使分散相與連續(xù)相之間發(fā)生相對運動，所以非均相物系的分離操作也遵循流體流動的基本規(guī)律。在脫鹽脫水器里面，油和水的分離是憑借所受的重力差來實現(xiàn)的，在原油中水滴的沉降速度受水滴自身微粒直徑的大小和油品粘度等的影響，一般采用斯托克斯(Stokes)公式計算：

w—水滴勻速沉降速度，m/s；

dw—水滴直徑，m；

μ0—原油的粘度，Pa·s；

ew、e0—即為水與油的密度，kg/m3。

從以上公式得出，水滴之沉降速度和油及水的密度差、水滴顆粒的直徑平方是正比關系，和原油粘度是反比關系。

電脫鹽脫水法是目前國內外廣泛采用的用于原油脫鹽脫水的方法，原油通過脫鹽脫水器內的電場時，在分散相水滴上形成感應電荷，在電場力的作用下，帶有正、負電荷的水滴作定向位移時，相互碰撞而合成大水滴。加快速水在原油中的沉降速度。由于原油中大部分鹽是溶解在水中的，所以脫鹽和脫水時同時進行的。

4.委內瑞拉超重油脫鹽脫水流程設計

在來自上游輸送站的原油(37.7℃)在管線上注入破乳劑，通過原油進料泵輸送至原油預加熱器與脫鹽脫水后的產品油進行換熱，達到預先加熱原油和利用產品油熱能的目的。原油經換熱器預熱后的溫度為108℃，再經加熱爐將原油加熱至143℃，進入脫鹽脫水器。包括一級脫鹽脫水器和二級脫鹽脫水器。在脫鹽脫水器中通過重力沉降，達到油水分層，從而將水分離出來。由于原油中所含的大部分鹽是溶解在水中，所以在脫水的同時所含的鹽也相應的脫除出來。一級脫鹽脫水器脫水后的原油與注入水進入混合閥充分混合后進入二級脫鹽脫水器，將一級未分離的鹽徹底溶解并進行沉降分離。

在一二級脫鹽脫水器之間設置循環(huán)水線，將二級沉降脫出的水送至一級脫鹽脫水器進行循環(huán)利用。

5.關鍵設備的選擇與計算

(1)脫鹽脫水器。水滴沉降時間由電脫鹽脫水器的規(guī)格來決定，它是由原油性質、操作條件、原油處理量、脫鹽率等諸多因素決定的。近年來，國外煉油行業(yè)逐漸喜歡選擇大直徑的脫鹽罐是有一定科學依據的，因為當脫鹽罐長度一定的時候，直徑的增大即增加了極板的面積，當罐體的橫截面積大小一定時，設備的直徑增大可以降低原油的流速，延長液滴的沉降時間。原油越重越需要大直徑的罐。脫鹽脫水器直徑一般取3～4米，長度按處理能力而定。電脫水器的處理能力按下式計算：

V=Vi/t

V—單臺電脫水器處理含水原油的體積流量；

Vi——電脫水器空罐容積；

t—含水原油在電脫水器內的停留時間。

根據油水分離的實際需要，含水原油在脫鹽脫水器內的停留時間通常為20～40min。

(2)換熱器的選擇。由于在化工生產中間壁式換熱器應用最多，而其中的管殼式換熱器和板式換熱器應用最為廣泛。從傳熱系數(shù)來講，板式換熱器由于流體在板片間流動時湍動程度高，且板片厚度薄，同樣工況下傳熱系數(shù)比管殼式換熱器要大，且板式換熱器單位容積所提供的傳熱面積大，便操作靈活清洗方便，但是由于板式換熱器僅適合選用清潔且粘度低的物料，而且操作壓力通常不能超過2.0MPa，并不適合用于粘度較大且含雜質的介質，針對委內瑞拉超重原油本身的性質，宜設計選用管殼式換熱器。

(3)泵的選擇。由于委內瑞拉超重原油的粘度在進料泵操作溫度（37.7℃）下高達442cP，屬高粘度流體。選泵時必須按照原油粘度范圍確定泵的類型。在各類泵中，螺桿泵適合輸送高粘度的液體且螺桿泵具有以下特點：

①流量均勻，當螺桿旋轉時，密封腔連續(xù)向前推進，各瞬間排出量相同；②轉速可以較高，同樣排量下，它的體積、重量均比較低；③運行平穩(wěn)，噪音小，螺桿凹槽空間較大，有少量雜質顆粒也不妨礙工作。

根據以上特點，針對委內瑞拉超重原油，螺桿泵是較合適的選擇。

6.脫鹽脫水流程操作參數(shù)的計算與確定

(1)電脫鹽脫水器的溫度與壓力的確定。脫鹽脫水的溫度提高，原油粘度能夠得以降低。在進行脫水操作時，其溫度要根據原油本自身的粘溫特性來而定，原油的運動粘度宜低于50mm2/s。隨著溫度的不斷升高，原油粘度逐漸降低，水滴所受到的運動阻力亦隨之降低，沉降速度隨之增大。同時，油水界面的張力在較高溫度下得到降低，水滴受熱后產生膨脹，乳化膜減弱，對聚結及破乳是大有裨益的，提高脫鹽率。一般電脫鹽溫度在100～120℃，重油脫鹽溫度可在125～148℃。根據委內瑞拉原油的在用情況，當超重原油溫度在143左右℃時，其脫水效果最為理想，而當溫度再升高時，原油和水發(fā)生氣化，需要很高的操作壓力才能正常運行。所以設計本裝置脫鹽脫水器的操作溫度為143℃。

在進行脫鹽脫水過程中確定操作壓力時，操作壓力宜高于操作溫度下原油飽和蒸汽壓0.15MPa，這是為了使原油在操作溫度下不發(fā)生氣化，不影響脫鹽器滿罐運行。因143℃時該原油的飽和蒸汽壓為0.75MPa，所以選脫鹽脫水器的操作壓力為0.9MPa。

(2)脫鹽脫水器內電場強度的確定。電場強度是影響電脫鹽效率的重要的工藝參數(shù)之一。每種原油均有與之相符的脫鹽電場強度，過低或過高都會影響到工藝水準，使脫鹽率大打折扣。增加脫鹽電場強度，微小水滴之聚結力可以得到提高，同時亦產生電分散。電場強度超過一定指標時，電分散作用也隨之加強，水滴在電場力的作用下發(fā)生破裂，脫鹽率下降。原油電脫鹽的強電場部分一般為0.8～2.0kV/cm的電場強度即可，弱電場部分一般為0.3～0.5 kV/cm為佳。

(3)注水量的確定。原油注水是為了使原油中所含的水溶性鹽類溶解掉，提高水滴凝聚力。注入的水過多會導致脫鹽罐內乳化層的厚度加厚，同時也加大了電耗；注入的水過小又不能充分溶解鹽分，從而降低了脫鹽比率。通過現(xiàn)場實驗得出，該裝置在注水量為5%時，脫鹽效果最好，故該裝置的注水量確定為5%。

總結：委內瑞拉超重原油脫鹽脫水裝置在流程的設計過程中，以節(jié)能降耗和環(huán)境保護為原則，充分考慮了該原油自身的特點，進行流程的設計和設備的選擇。通過計算比選，該脫鹽脫水裝置的工藝流程合理、設備的選擇得當、完全可以滿足工藝要求。

[1]喬明,任靜,聶光華．非常規(guī)原油的加工利用進展-以委內瑞拉超重原油和加拿大油砂瀝青為例． 石化技術,2012,19(4):5．

[2]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．

[3]袁洪濤．原油加熱沉降器的運行故障及解決方法口．煉油與化工,2007,18(4):38～39．

[4]Arkins L,Warren M,Barnes C,et a1．Heavy crude oil:a global analysis and outlook to 2035 jR]．USA:Hart Energy,2011．

(責任編輯 牛玉娟)

Design and Calculation of the Desalting and Dewatering for Extra-heavey Crude Oil in Venezuela

Shi Yonggang
（Lanzhou Huanqiu Contracting and Engineering co., ltd, Gansu, 730060）

The extra-heavy crude oil from well site commonly contains certain number of water and salt, in order to reach the required purity standard of commercial oil, it generally needs to utilize the three methods of electric dehydration, adding of chemical demulsi fier and heating to take the demulsi fication process technology processing. Under the function of high-pressure electric field and demulsi fier, the crude oil emulsion’s dispersed phase water drop will coalesce into big water drop, and then take advantage of the oil-water density difference to settle the water out. Due to the majority of salt contained in crude oil is dissolved in water, the desalting and dewatering need to be taken simultaneously. In this paper, starting from the property of extra-heavy crude oil in Venezuela, it has narrated the process design suitable for the electrical desalting and dewatering device of crude oil, besides, put forward the optimal process operation parameter suitable for the electrical desalting and dewatering device of heavy oil.

extra-heavy crude oil；desalting and dewatering；process design；operation condition

T

A

史永剛（1985～），男，蘭州寰球工程有限公司；研究方向：油氣集輸工藝設計。