超聲波-電脫鹽技術的工業應用

左 艷 梅

(揚州工業職業技術學院化學工程學院，江蘇 揚州 225127)

原油輸送到煉油廠后除了夾帶少量的泥砂、鐵銹等固體外，雜質主要是水和鹽。水的來源主要有：①油田開采出來的原油中所含的地下水；②二次、三次采油中的注水；③在煉油廠中為了洗鹽，往往也注入5%的水。鹽的來源主要是地下水溶解的鈉、鈣、鎂鹽，大多以氯化物的形式存在。當含水原油進行常壓蒸餾處理時，相對于其它烴類化合物，水是輕組分，被蒸至塔頂后造成精餾塔塔頂壓力過高，干擾常壓塔的平穩操作，甚至引發沖塔事故。另外，在原油加熱或冷卻時，由于水的存在，會增加蒸汽或冷卻水的消耗量。一般要求原油經過預處理后，含水質量分數低于0.06%。鹽分的存在會在水解后形成鹽垢，降低換熱器的換熱效率；鹽水解產生具有強腐蝕性的HCl，如果系統同時存在硫化物，則設備腐蝕更加嚴重。原油中的鹽類在蒸餾時，大多殘留在渣油和重餾分中，將影響石油產品的質量[1]；油中的鈉鹽(Na+)對分子篩催化劑的晶格有破壞作用，會造成分子篩催化劑的永久性失活。一般要求油中的鹽(NaCl)質量濃度不大于3 mg/L。

常壓蒸餾裝置是煉油裝置的能耗最大單元，能源消耗為全煉油廠能耗的20%～35%。目前現有電脫鹽裝置存在以下問題：注入水與破乳劑在油中混合的均勻程度、原油在電場中的停留時間、注水量及油水混合程度、電脫鹽裝置出來的污水處理等，還有裝置設備處理量大帶來的腐蝕問題及后續產品加工的難易及成本等[2]。因此，優化電脫鹽裝置是常壓蒸餾裝置節能的措施之一。本課題以揚州地區某石化企業500 kt/a常壓蒸餾裝置為研究對象，利用超聲波-電脫鹽技術代替原破乳劑-電脫鹽技術。本文主要介紹新技術投入后的效果。

1 電脫鹽工藝流程

1.1 原油二級脫鹽工藝流程

采用二級電脫鹽，根據裝置運行需要可以選擇串聯和并聯的方式，原油在破乳劑、高壓電場作用下，水滴慢慢變成橢圓球體，隨著電場作用的增強，橢球的偏心率逐漸增大，當電場超過某一臨界值，水滴變尖，甩出聚集，逐步變成水層，然后利用油水密度差將水從原油中沉降脫除。

原油脫鹽、脫水工藝流程級數的選定與原油的含鹽量和脫后原油的含鹽要求有關，一級脫鹽率可達90%～95%，為了深度脫鹽，往往采用二級電脫鹽甚至三級脫鹽工藝流程。原油二級脫鹽工藝流程見圖1。原油從原油罐經原油泵輸送，破乳劑經破乳劑泵輸送與原油混合，先通過4個換熱器預熱，將換熱后的原油與水、新鮮破乳劑在靜態混合器中混合后進入一級和二級電脫鹽罐；在電脫鹽罐中，進入一級脫鹽罐，電脫鹽一級注入水為5%～6%，二級脫鹽罐注入水為2%～3%，原油與破乳劑、水在電場及自身重力作用下進行分離，原油中的鹽分溶解在水中，與水一起被脫除。在該過程中，需加入破乳劑進行化學脫水，破乳劑通過計量泵分別注入一級和二級電脫鹽罐之前。除了注入破乳劑外，還需要注入5%左右的水進行洗鹽，將新鮮水注入二級電脫鹽之前，再利用二級電脫鹽罐脫除的水注入一級電脫鹽罐之前進行洗鹽[3-4]。一級電脫鹽罐脫除的污水排入污水處理系統。

圖1 原油二級脫鹽工藝流程

1.2 超聲波-電脫鹽技術

超聲波-電脫鹽技術的原理是基于超聲波作用下油包水型乳化液的破壞過程，油水性質不同的流體介質產生的位移效應來實現油水分離，水粒子將不斷向波腹或波節運動，聚結并發生碰撞，生成直徑較大的水滴；因密度差異，水滴借助重力從油中沉降、分離，達到脫鹽脫水的目的。在超聲波中由于聲壓分布的不均勻性而導致原油中水粒子分布不均勻，從而更有利于水粒子的碰撞達到破乳的目的。

該企業原油脫鹽裝置利用工業低頻的二級交流電進行處理，遵循的基本原則是保持原裝置工藝流程不變，在裝置上增加一條副線管路，再通過DCS控制的超聲波作用區安裝在副線管路上，如圖2所示。超聲波作用區主要包括驅動電源、DCS控制器、頻率自動跟蹤部件、震動子、超聲波換能器。

當原油經過與常壓側線及減壓渣油換熱到130 ℃時，注入5%～7%的新鮮水經混合閥混合后進入超聲波破乳，DCS控制頻率為10 kHz，混合閥前后壓降0.5 MPa，電脫鹽罐電壓6 kV，超聲功率160 W，打破原油的乳化狀態，聚集、分散后再進入電脫鹽罐脫鹽、脫水。

圖2 超聲波-電脫鹽技術工藝流程

2 超聲波-電脫鹽技術效果

在相關操作條件及破乳劑加入量保持恒定的情況下，以1個月為期限，每天上午9:30和下午14:30各取1次分析樣品，分析采集的數據為超聲波系統投入使用前的數據；在停用破乳劑及其它相關操作條件不變的情況下，同樣以1個月為期限，每天上午9:30和下午14:30各取1次分析樣品，所得數據為超聲波系統投入使用后的數據。

2.1 脫鹽效率對比

超聲波-電脫鹽技術使用前后一級、二級電脫鹽結果見表1和表2。從表1可以看出，超聲波-電脫鹽技術使用前，二級脫后鹽濃度平均為2.42 mg/L，鹽分總脫除率達到91.74%。從表2可以看出，超聲波-電脫鹽技術使用后，二級脫后鹽濃度平均值下降為1.67 mg/L，與超聲波-電脫鹽技術使用前相比，含鹽量下降30.99%，鹽分總脫除率從91.74%上升到96.03%。而且，超聲波系統投入使用后，水滴分散很細，脫除效果明顯上升。

表2 超聲波-電脫鹽技術使用后一、二級電脫鹽結果

2.2 脫鹽后水中含油情況及COD對比

在揚州地區某石化企業隨機抽取4組樣品，比較其脫鹽后水中含油情況，超聲波-電脫鹽技術使用前后水中含油情況對比照片見圖3。從圖3可以看出：①超聲波-電脫鹽技術使用前，污水比較渾濁，顏色較深，可見污水中含油量較多，造成脫油帶水或水中含油情況較為嚴重，油水分離效果差；②超聲波-電脫鹽技術使用后，污水顏色逐漸變淺，油水界面層清晰，分離效果較好。

圖3 超聲波-電脫鹽技術使用前后水中含油情況對比照片

圖4 超聲波-電脫鹽技術使用前后污水中含油量的變化◆—超聲波技術使用前； ■—超聲波技術使用后。圖5同

超聲波-電脫鹽技術使用前后污水中含油量的變化(1個月)見圖4，污水中COD的變化見圖5。從圖4和圖5可以看出：在原有加工量不變的情況下，使用超聲波-電脫鹽技術后，污水中含油量及COD明顯下降且趨勢平穩，污水中含油量從超聲波-電脫鹽技術使用前的158.9 mg/L(平均值)下降為47.68 mg/L(平均值)，下降111.22 mg/L；污水中COD從超聲波-電脫鹽技術使用前的2 845.0 mg/L(平均值)下降為1 067.5 mg/L(平均值)，下降1 777.5 mg/L。說明利用超聲波-電脫鹽技術代替原破乳劑-電脫鹽技術，能夠使操作平穩進行，同時降低了污水中COD含量，使處理難度降低。

圖5 超聲波-電脫鹽技術使用前后污水中COD的變化

2.3 脫鹽后污水處理現場對比

超聲波-電脫鹽技術使用前，為了降低電脫鹽污水中的含油量，加大了破乳劑的使用比例或使用高價位的復配破乳劑，經過水質檢測分析，破乳劑在污水中的殘留達到20 μg/g，破乳劑比例提高帶來的好處是污水中含油量下降，但含有大量表面活性劑的污水進入高濃污水處理裝置后處理難度增大。超聲波-電脫鹽技術使用前后污水處理現場對比照片見圖6。從圖6可以看出：超聲波-電脫鹽技術使用前，由于大量的表面活性劑存在會形成高濃泡沫，增加了污水處理的費用，同時破乳劑本身成本增加；超聲波-電脫鹽技術使用后，停止使用破乳劑，所產生污水中的泡沫量下降，水質檢測分析污水中油含量較低[5]。

圖6 超聲波-電脫鹽技術使用前后污水處理現場對比照片

2.4 經濟效益對比

利用超聲波-電脫鹽技術代替原破乳劑-電脫鹽技術，省去購買破乳劑的相關費用。以常壓蒸餾裝置500 kt/a計算，若電脫鹽注入破乳劑的量為16 μg/g，市售破乳劑價格為1.5萬元/t計，則節約成本12萬元/a。利用超聲波-電脫鹽技術使用后，污水中含油量由原來的158.9 mg/L下降到47.68 mg/L，若每年開工以340天計，原油價格估計約3 800元/t，節約費用3.44萬元/a。

實施超聲波脫鹽技術后可以實現系統穩定操作，減輕破乳劑使用設備突然跳停后造成常減壓蒸餾裝置停工的影響，同時也減輕對其它設備的沖擊影響[6]，總的脫鹽脫水效率明顯上升，可以在一定程度上提高處理量。當排出的污水中不含破乳劑時，污水凈化和處理系統的成本大大降低，體現了節能減排的宗旨，一方面保護了環境，另一方面節約了成本。

3 結 論

(1)超聲波-電脫鹽技術使用前，二級脫后鹽濃度平均為2.42 mg/L，鹽分總脫除率為91.74%；超聲波-電脫鹽技術使用后，二級脫后鹽濃度平均值下降為1.67 mg/L，與超聲波-電脫鹽技術使用前相比，含鹽量下降30.99%，鹽分總脫除率上升到96.03%。而且，超聲波系統投入使用后，水滴分散很細，脫除效果明顯上升。

(2)在原有加工量不變的情況下，使用超聲波-電脫鹽技術后，污水中含油量從超聲波-電脫鹽技術使用前的158.9 mg/L下降為47.68 mg/L；污水中COD從超聲波-電脫鹽技術使用前的2 845.0 mg/L下降為1 067.5 mg/L。說明利用超聲波-電脫鹽技術代替原破乳劑-電脫鹽技術，能夠使操作平穩進行。

(3)利用超聲波-電脫鹽技術代替原破乳劑-電脫鹽技術，每年可節約破乳劑成本12萬元，節約原油處理成本3.44萬元。

[1] 張建芳，山紅紅，涂永善.煉油工藝基礎知識[M].2版.北京：中國石化出版社，2009：37-76

[2] 薛彩霞.常減壓蒸餾裝置節能優化的研究[D].西安：西安石油大學，2013

[3] 蔡馳，李振民，姜能寶.應用節措施降低常減壓裝置能耗[J].石油石化節能與減排，2011，1(3/4):6-10

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[6] 陳家慶，黃松濤，王姬革，等.高頻/高壓脈沖交流電場破乳技術及其原油電脫鹽應用研究[J].石油煉制與化工 ，2017，48(8)：12-19