重質(zhì)原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)試驗(yàn)研究

郭 輝

(中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆 阿克蘇 842000)

塔河原油具有密度高、鹽含量高、黏度大、瀝青質(zhì)含量高等特點(diǎn)，屬于重質(zhì)稠油[1-2]。近年來，塔河原油性質(zhì)進(jìn)一步劣質(zhì)化，給原油電脫鹽和后續(xù)處理裝置的運(yùn)行增加了難度。中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱塔河煉化)自2010年9月26日3.5 Mta常減壓蒸餾裝置開工以來，經(jīng)電脫鹽后的原油鹽含量居高不下，基本維持在10～12 mgNaClL，切水帶油現(xiàn)象嚴(yán)重，后續(xù)常壓塔、焦化分餾塔運(yùn)行困難。常壓塔、焦化分餾塔結(jié)鹽嚴(yán)重，餾出口產(chǎn)品閃點(diǎn)波動(dòng)大，汽柴油顏色深，兩塔水洗頻繁，設(shè)備腐蝕加劇[3]，成為裝置安全生產(chǎn)運(yùn)行的最大隱患[4-5]。針對(duì)電脫鹽工藝處理塔河重質(zhì)原油存在的不足，進(jìn)行了原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)試驗(yàn)。本文主要介紹膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)試驗(yàn)原理及不同試驗(yàn)條件下的運(yùn)行情況。

1 原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)工藝原理

膜接觸器內(nèi)裝有大量一定直徑的金屬或非金屬纖維，當(dāng)原油和水從膜接觸器頂部進(jìn)入后，由于毛細(xì)作用，油和水在纖維表面上的張力不同，油、水對(duì)纖維的親和性不同，水相更易于在纖維表面鋪展，在纖維之間形成順向流動(dòng)的液膜。由于兩相的流速不同，兩相間的摩擦力將液膜拉得非常薄，為兩相傳質(zhì)提供了足夠大的場(chǎng)所。在傳質(zhì)過程中，原油中的鹽類化合物溶入水相，當(dāng)傳質(zhì)完成后水相沿著纖維直接流到罐底，而密度較輕的油相則浮在上面，兩相得以分離，原油中的鹽隨著水相脫出，如圖1所示。該技術(shù)避免了傳統(tǒng)混合工藝中出現(xiàn)的乳化和夾帶現(xiàn)象[6]。

膜反應(yīng)器內(nèi)部裝有無(wú)數(shù)極細(xì)的纖維。膜反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)速率M由下式?jīng)Q定：

M=K×A×ΔC

式中：K為兩相之間特定的傳質(zhì)系數(shù)；A為兩相接觸的有效面積；ΔC為兩相間濃度差推動(dòng)力。由上式可以看出，增大兩相接觸有效面積是提高傳質(zhì)效率的最有效手段。

圖1 膜接觸器內(nèi)兩相流動(dòng)示意

2 原油預(yù)處理試驗(yàn)

2.1 原 料

塔河原油性質(zhì)見表1。由表1可知：塔河原油密度(20 ℃)高達(dá)954.1 kgm3，黏度(50 ℃)為897.1 mm2s，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2.30%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.34%，鹽含量也較高。

表1 塔河原油性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)介紹

原油預(yù)處理試驗(yàn)采用三級(jí)膜處理串聯(lián)方式，處理量為100～200 kgh。原油自常減壓蒸餾裝置電脫鹽注水注破乳劑前引出，溫度為進(jìn)電脫鹽前換熱終溫140～145 ℃，采用流量計(jì)控制(100～200 kgh)并記錄流量，壓力為0.8～1.2 MPa；脫硫凈化水自電脫鹽注水來，溫度為50～60 ℃，控制(4.0～8.0 kgh)并記錄流量。原油與注水經(jīng)換熱后分別進(jìn)入一級(jí)膜接觸器，經(jīng)膜接觸器處理后進(jìn)入一級(jí)油水分離罐沉降分離；分離后的原油進(jìn)入二級(jí)膜接觸器，經(jīng)二級(jí)膜接觸器處理后進(jìn)入二級(jí)油水分離罐沉降分離；分離后的原油再進(jìn)入三級(jí)膜接觸器，經(jīng)三級(jí)膜接觸器處理后的原油去電脫鹽三級(jí)罐。三級(jí)膜接觸器中注入脫硫凈化水，切水可外排，也可作為注水注入一級(jí)或二級(jí)膜接觸器；二級(jí)膜接觸器注入脫硫凈化水或三級(jí)膜接觸器切水，切水可外排，也可作為注水注入一級(jí)膜接觸器；一級(jí)膜接觸器注入脫硫凈化水，也可注入二級(jí)或三級(jí)膜接觸器切水。最終的膜接觸器切水與電脫鹽工業(yè)裝置切水一同外排至污水場(chǎng)。工藝流程示意如圖2所示。原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)側(cè)線試驗(yàn)裝置的主要設(shè)備見表2。

圖2 膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)流程示意

表2 原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)側(cè)線試驗(yàn)裝置的主要設(shè)備

2.3 溫度對(duì)原油脫水效果的影響

圖3 沉降罐溫度對(duì)脫水效果的影響

2.4 停留時(shí)間對(duì)原油脫水效果的影響

在沉降罐內(nèi)油水溫度保持130～140 ℃的條件下，考察原油在沉降罐內(nèi)的停留時(shí)間與脫后原油含水量的關(guān)系，結(jié)果見圖4。由圖4可見，當(dāng)油水沉降分離時(shí)間達(dá)到25 min 及以上時(shí)，脫后原油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.20%，繼續(xù)延長(zhǎng)停留時(shí)間，脫后原油中水含量下降趨勢(shì)較為平緩。原油中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.20%可以滿足工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)要求。

圖4 沉降罐內(nèi)停留時(shí)間與脫后原油含水量的關(guān)系

2.5 注水量對(duì)原油脫鹽效果的影響

表3 注水量對(duì)原油脫鹽效果的影響

2.6 空速對(duì)原油脫鹽效果的影響

在溫度140 ℃、壓力1.0 MPa、注水量穩(wěn)定在原油加工量的15%的條件下，考察空速對(duì)原油脫鹽效果的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見：原油空速在10～40 h-1的范圍內(nèi)，隨空速的逐漸提高，脫鹽率逐漸增大，脫鹽效果變好；當(dāng)空速達(dá)到40 h-1時(shí)，脫鹽效果最好；繼續(xù)提高空速，脫鹽效果反而有所降低。空速較低時(shí)，油水兩相在膜接觸器內(nèi)流動(dòng)的線速度較小，不利于兩相傳質(zhì)；空速過大時(shí)，油水兩相在膜接觸器內(nèi)的停留時(shí)間太短，兩相傳質(zhì)時(shí)間短，也不利于原油脫鹽。過高或過低的空速都得不到理想的脫鹽效果，較為合理的空速范圍應(yīng)該控制在20～50 h-1之間。

圖5 空速對(duì)原油脫鹽率的影響

2.7 切水回注對(duì)原油脫鹽效果的影響

在溫度135～145 ℃、沉降罐壓力1.0 MPa的條件下，考察切水回注對(duì)原油脫鹽、脫水效果的影響，結(jié)果見表4。表4中單注單切工藝的一、二、三級(jí)注水均為新鮮水，注水量為每級(jí)14%；切水回注工藝的三級(jí)注水量為14%，三級(jí)切水回注作為二級(jí)注水，二級(jí)切水回注作為一級(jí)注水。由表4三脫油中鹽含量計(jì)算出單切單注時(shí)脫鹽率為95.90%，切水回注時(shí)脫鹽率為96.25%，兩者脫鹽率相當(dāng)，但切水回注工藝的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)約新鮮水用量，減少外排污水量，對(duì)維持系統(tǒng)溫度有利。

表4 切水回注與單注單切工藝效果對(duì)比

2.8 膜接觸器床層壓降變化情況

表5為膜接觸器連續(xù)運(yùn)行1 000 h時(shí)的一、二、三級(jí)膜接觸器床層壓降。由表5可見，在膜接觸器連續(xù)運(yùn)行1 000 h時(shí)，膜接觸器床層壓降無(wú)明顯變化，說明塔河原油中的固體顆粒和機(jī)械雜質(zhì)可以通過膜接觸器進(jìn)入沉降罐，短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生堵塞膜接觸器的問題。

表5 膜接觸器床層壓降數(shù)據(jù)

2.9 試驗(yàn)裝置與電脫鹽工業(yè)裝置工藝條件對(duì)比

表6為膜接觸器試驗(yàn)裝置與工業(yè)電脫鹽裝置工藝條件對(duì)比。由表6可見：電脫鹽工業(yè)裝置采用四級(jí)串聯(lián)，一、二、三級(jí)沉降時(shí)間約為 0.5 h，四級(jí)沉降時(shí)間約為 1.5 h，破乳劑添加量(w)為 40～50 μgg，有高壓電場(chǎng)，總注水量(w)為 13%～15%；而試驗(yàn)?zāi)そ佑|器采用三級(jí)串聯(lián)，每級(jí)油水沉降時(shí)間約為0.5 h，總注水量與電脫鹽工業(yè)裝置相當(dāng)，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約破乳劑和節(jié)電。

表6 試驗(yàn)?zāi)?cè)線裝置與工業(yè)電脫鹽裝置工藝條件對(duì)比

2.10 膜接觸器與電脫鹽工業(yè)裝置脫鹽、脫水效果對(duì)比

將進(jìn)膜接觸器原油的溫度控制在135～145 ℃、壓力控制在0.9～1.0 MPa、空速調(diào)整到20～50 h-1、切水回注的條件下，與正常運(yùn)行的工業(yè)電脫鹽裝置(工藝條件見表6)的脫鹽、脫水效果進(jìn)行對(duì)比。

圖6為試驗(yàn)裝置與電脫鹽工業(yè)裝置脫后原油鹽含量的同期對(duì)比。由圖6可見，膜接觸器三級(jí)脫后鹽含量在初期條件優(yōu)化階段與工業(yè)裝置三級(jí)電脫鹽相當(dāng)，在穩(wěn)定運(yùn)行后膜接觸器三級(jí)脫鹽后鹽含量(平均值為16.8 mgNaClL)優(yōu)于工業(yè)三級(jí)電脫鹽裝置(平均值為25.9 mgNaClL)，略差于工業(yè)四級(jí)電脫鹽裝置(平均值為11.5 mgNaClL)。

圖6 試驗(yàn)?zāi)?cè)線裝置與工業(yè)電脫鹽裝置脫鹽效果對(duì)比

圖7為膜接觸器裝置與電脫鹽工業(yè)裝置脫后原油水含量對(duì)比。膜接觸器裝置三級(jí)脫后原油平均水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.2%，三級(jí)電脫鹽罐原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%左右。膜接觸器脫水效果優(yōu)于工業(yè)三級(jí)電脫鹽裝置同期數(shù)據(jù)。

圖7 試驗(yàn)?zāi)?cè)線裝置與工業(yè)電脫鹽裝置脫水效果對(duì)比

圖8為膜接觸器與電脫鹽工業(yè)裝置總切水的油含量對(duì)比。由圖8可見：膜接觸器總切水的油含量最低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.8 mgL，最高為93.8 mgL，平均值為36.9 mgL；而電脫鹽工業(yè)裝置總切水的油含量不穩(wěn)定，質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值在200 mgL左右。從總切水油含量來看，膜接觸器裝置優(yōu)于電脫鹽工業(yè)裝置，且相對(duì)較平穩(wěn)，波動(dòng)較小。

圖8 試驗(yàn)?zāi)?cè)線裝置與工業(yè)電脫鹽裝置總切水的油含量對(duì)比

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證了其在處理塔河重質(zhì)原油時(shí)的優(yōu)勢(shì)，但仍沒有達(dá)到中國(guó)石化對(duì)塔河原油脫鹽后原油鹽含量小于5 mgNaClL的要求，還需要進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化。

針對(duì)塔河重質(zhì)原油，膜強(qiáng)化傳質(zhì)處理試驗(yàn)最有效的操作條件為：原油進(jìn)入膜處理器的空速為20～50 h-1，操作溫度為135～145 ℃，操作壓力為0.8～1.0 MPa，總注水量(w)為14%～18%，油水在沉降罐中的沉降時(shí)間為25 min 以上。

膜強(qiáng)化傳質(zhì)試驗(yàn)脫水后原油水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.2%，優(yōu)于電脫鹽工業(yè)裝置，工藝操作條件基本相同。膜強(qiáng)化傳質(zhì)試驗(yàn)脫鹽后鹽含量為7.9～24.8 mgNaClL，平均值為16.8 mgNaClL，優(yōu)于工業(yè)三級(jí)電脫鹽裝置(平均值為25.9 mgNaClL)。膜強(qiáng)化傳質(zhì)試驗(yàn)切水油含量小于100 mgL，優(yōu)于三級(jí)電脫鹽裝置，大大降低了污水處理成本，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

3.2 建 議

在系統(tǒng)能夠滿足的條件下，控制膜接觸器溫度在140～147 ℃，可以進(jìn)一步提高脫鹽脫水效果。在相同空速和注水比例的條件下，脫后原油含鹽、含水量隨溫度的提高而逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。說明較高的溫度有利于原油脫鹽、脫水。溫度升高，原油黏度降低，在膜接觸器內(nèi)容易形成更薄的液膜，可以提高油水接觸面積，增強(qiáng)原油脫鹽、脫水效果。控制合適的溫度可以通過原油與渣油系統(tǒng)換熱或提高注水溫度來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)公式M=K×A×ΔC，提高兩相接觸的有效面積A，增加膜反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)速率M，可以達(dá)到更好的脫鹽目的。結(jié)合重質(zhì)原油的特點(diǎn)和原油膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)工業(yè)化后的長(zhǎng)周期運(yùn)行，建議設(shè)置膜處理器沖洗系統(tǒng)。

在工業(yè)放大應(yīng)用時(shí)，可以考慮將膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理技術(shù)與現(xiàn)有電脫鹽裝置相結(jié)合。在原油進(jìn)電脫鹽前先通過膜強(qiáng)化傳質(zhì)預(yù)處理工藝脫除大量鹽類后，再進(jìn)入電脫鹽裝置(電脫鹽裝置可以只投用兩級(jí)或者一級(jí))進(jìn)行脫鹽，以達(dá)到更好的脫鹽效果；也可以考慮采用該技術(shù)在塔河油田原油集合站對(duì)原油進(jìn)行預(yù)處理。

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