低溫真空蒸餾深度處理老化油的工藝研究

常士龍

（利豐海洋工程（天津）有限公司，天津 300480）

老化油又被稱作油田絮凝混合物、油水過渡層、乳化層等。因受到污染或者因為氧化等原因，老化油成分復(fù)雜，含有豐富的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等，且黏度大、密度差小，是一層油包水（W/O）型穩(wěn)定體系[1]。現(xiàn)階段老化油脫除水分困難，現(xiàn)有工藝技術(shù)手段很不容易處理。如，目前老化油常規(guī)處理的回?fù)焦に嚰夹g(shù)，處理時間長，而且凈化油的含水率也常不達(dá)標(biāo)。然而，隨著油田生產(chǎn)逐年進(jìn)行，開采到地面相當(dāng)一部分原油因各種原因轉(zhuǎn)化為老化油，不僅占據(jù)了罐儲的有效容積，增加了維護(hù)成本，而且老化油含水集輸還會增加輸量，加劇管道的腐蝕，對現(xiàn)有脫水系統(tǒng)也會造成影響。因此，老化油的處理迫在眉捷，亟需行之有效的處理方法，以實現(xiàn)石油石化安全生產(chǎn)和節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境雙贏效益。

1 影響老化油穩(wěn)定性的主要因素

老化油介于上部油層和下部污水層之間，很難用沉降法分離。老化油乳狀液的形成原因主要有污泥等機(jī)械雜質(zhì)、回收油、化學(xué)藥劑、細(xì)菌的影響，以及聚合物的作用等。老化油是由外層為W/O 型的乳化顆粒組成、分布在整個油水界面上、性質(zhì)比較穩(wěn)定的乳化體系。影響老化油穩(wěn)定性的主要因素主要有以下幾個：

1）溫度。一般而言，隨著溫度的升高，油品中膠質(zhì)等天然乳化劑的溶解度增加，也加劇了乳狀液分散相的布朗運動，會破壞乳狀液原有的穩(wěn)定性，水滴在相互碰撞融合后會形成大液滴下沉。另外，溫度升高可增大油水密度差，降低油品黏度，因而使得水滴在油相中更易下沉。因此，對老化油加熱能使乳狀液穩(wěn)定性降低，利于老化油脫水。

2）界面張力。乳狀液體系界面能很高，加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣瑒t可以降低界面張力，利于乳狀液穩(wěn)定。

3）界面膜性質(zhì)。如果界面膜中吸附分子排列緊密，不易脫附，則能形成相當(dāng)穩(wěn)定的乳狀液。如果在較高濃度表面活性劑下，此時形成的分子吸附膜強(qiáng)度增大，乳狀液的穩(wěn)定性也會增加。

4）界面電荷。電荷導(dǎo)致液滴間產(chǎn)生排斥力而防止液滴的聚結(jié)。乳狀液的液珠上帶電，如果乳化劑為陽離子型表面活性劑則油珠帶正電，雙電層的排斥力會使液滴分開。

可見，溫度對乳狀液穩(wěn)定性影響最大，界面張力降低對乳狀液穩(wěn)定是一個有利但不是決定性因素，界面膜強(qiáng)度與緊密程度是乳狀液穩(wěn)定性的決定因素。

2 低溫真空蒸餾處理工藝

2.1 基本原理

采用先三相離心脫水脫雜，后低溫真空蒸餾深度脫水的老化油工藝思路。首先將老化油加入破乳劑和絮凝劑，應(yīng)用高速臥式離心機(jī)，在離心力作用下，進(jìn)行油水固分離，脫出一部分水和雜質(zhì)。其次，老化油先后進(jìn)入預(yù)熱器和高效蒸發(fā)器，采用低溫真空蒸餾進(jìn)行脫水。其中，熱源來自兩部分，一是回用蒸汽用于預(yù)熱器的換熱；二是高效蒸發(fā)器采用導(dǎo)熱油換熱，導(dǎo)熱油溫度控制在150℃以內(nèi)，蒸發(fā)器內(nèi)操作溫度控制在85℃以下，真空度10kPaA。

2.2 主蒸發(fā)器

本工藝?yán)玫闹髡舭l(fā)器的主要原理及具體參數(shù)如下：

（1）停留時間。老化油是以乳化物存在，要使每一個乳化核內(nèi)部達(dá)到汽化溫度，需要一定的傳熱時間，所以老化油在蒸發(fā)器內(nèi)的停留時間是關(guān)鍵，本設(shè)計停留時間不少于90min，確保乳化核內(nèi)達(dá)到設(shè)計溫度。

（2）自清潔功能。確保老化油在蒸發(fā)器中的自由流動，不結(jié)垢，蒸發(fā)器具有自動清垢功能。

（3）蒸發(fā)面積。留有足夠的蒸發(fā)面積，確保有充足的熱量補(bǔ)充，處理量能夠?qū)崿F(xiàn)放大。

（4）總傳熱效率。導(dǎo)熱油在軸內(nèi)有足夠的流速，增加總傳熱系數(shù)，在中空軸和中空盤做特殊的導(dǎo)流設(shè)計。

（5）中空軸轉(zhuǎn)速。薄膜蒸發(fā)的時間為2s，軸轉(zhuǎn)速定為15r/min。

（6）液相防沸。在液相中加沸石（直徑5mm 左右），控制液面波動[2]。

（7）蒸汽回用。主蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽回用，主要將潛熱回收，用于老化油預(yù)熱。根據(jù)老化油的含水率不同，利用一部分處理后的老化油的顯熱，ΔT=15℃左右。

（8）工藝耗能平衡。用導(dǎo)熱油循環(huán)量補(bǔ)充熱量平衡，保持系統(tǒng)操作的連續(xù)性。

2.3 工藝流程

老化油自原料罐泵入兩級預(yù)熱器。第一級：油/汽換熱器，自主蒸發(fā)器產(chǎn)生的不飽和水蒸氣經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)升溫后作為預(yù)熱器的加熱介質(zhì)，老化油加熱至55℃左右。

第二級：油/油換熱器，利用處理后的老化油作為換熱介質(zhì)，使老化油換熱至65℃左右，進(jìn)入主蒸發(fā)器。主蒸發(fā)器采用圓筒形臥式容器，蒸發(fā)器下部有液的外表面設(shè)導(dǎo)熱油半管，用于老化油加熱，容器腔內(nèi)采用中空雙軸盤式蒸發(fā)件，中空的軸及盤內(nèi)部通導(dǎo)熱油，用于老化油和蒸發(fā)需要的熱量補(bǔ)充。導(dǎo)熱油來自導(dǎo)熱油系統(tǒng)。主蒸發(fā)器產(chǎn)生的不飽和蒸汽，經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)升溫后，經(jīng)過飽和水罐，進(jìn)入第一級預(yù)熱器，為老化油進(jìn)行預(yù)熱。冷凝的蒸汽冷凝水和少量輕烴，進(jìn)入冷凝水罐，冷凝水罐采用氮封保護(hù)，污水進(jìn)廠內(nèi)污水處理系統(tǒng)，輕烴泵入廠內(nèi)輕烴儲罐。VOCs 經(jīng)引風(fēng)機(jī)引入廠內(nèi)VOCs 處理系統(tǒng)。

處理后的老化油泵入老化油儲罐。系統(tǒng)需要的冷卻水、儀表風(fēng)、氮氣自廠內(nèi)相應(yīng)系統(tǒng)接入。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程框圖

3 工藝技術(shù)特點及參數(shù)

3.1 工藝技術(shù)特點

本裝置為處理老化油裝置，處理能力為1t/h。來自廠內(nèi)老化油儲罐的原料，泵入老化油預(yù)熱器，兩次預(yù)熱至65℃左右，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行低溫蒸餾，脫水后老化油自流入老化油接收罐，然后泵入廠內(nèi)原油儲罐。自蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)過蒸汽壓縮機(jī)升溫后，經(jīng)過飽和水罐，進(jìn)入預(yù)熱器加熱老化油，換熱后的冷凝水進(jìn)入冷凝水接收罐，泵入廠內(nèi)污水處理系統(tǒng)。真空泵接入蒸發(fā)器和分液罐，使兩個設(shè)備處于真空狀態(tài)下運行[3]。冷卻水接入裝置冷卻水總管，用于蒸汽壓縮機(jī)和真空泵冷卻。氮氣接入裝置氮氣總管，用于蒸發(fā)器軸封保護(hù)氣，開停車系統(tǒng)惰化并兼作儀表風(fēng)使用。工藝技術(shù)特點如下；

（1）防堵塞。采用改良型高效蒸發(fā)器，老化油在蒸發(fā)器內(nèi)無死角的流動，不黏壁，不堵塞，蒸發(fā)器內(nèi)不結(jié)垢，保持良好的換熱。

（2）能耗低。產(chǎn)生的蒸汽壓縮升溫后全部用于老化油預(yù)熱，充分利用蒸汽相變潛熱。

（3）低溫操作。系統(tǒng)內(nèi)在真空狀態(tài)下操作，降低整個系統(tǒng)操作溫度。

（4）自動清泥功能。蒸發(fā)器內(nèi)保持處理物流動性，配置清潔內(nèi)件。

（5）處理效率高。應(yīng)用特制蒸發(fā)器，換熱面積大，換熱效率高，處理量容易放大。

3.2 工藝技術(shù)參數(shù)

根據(jù)老化油的物理化學(xué)特性，采用真空蒸餾的總體技術(shù)方案，工藝技術(shù)參數(shù)如下：

（1）主蒸發(fā)器

①操作壓力：10kPaA 設(shè)計壓力：0～300kPaA。

②操作溫度：85℃ 設(shè)計溫度：170℃。

③停留時間：不小于90min（蒸汽器容積設(shè)計依據(jù)）。

④老化油進(jìn)料溫度：≥65℃；老化油出料溫度（末端物料室）：85℃；（最佳蒸發(fā)溫度在70～85℃）。

⑤導(dǎo)熱油：135℃（進(jìn)），125℃（出）。

⑥蒸發(fā)器頂端出汽口尺寸：DN800，高度：3 000mm。以防止液夾帶為準(zhǔn)。

（2）一級預(yù)熱器

①老化油（管程）：操作溫度：45℃（進(jìn)），55℃（出）；操作壓力：0.3MPaG。

②飽和蒸汽（殼程）：操作溫度：90℃（進(jìn)），80℃（出）；操作壓力：0.2MPaG。

（3）二級預(yù)熱器

①原料老化油（管程）：操作溫度：55℃（進(jìn)），65℃（出）；操作壓力：0.3MPaG。

②處理后老化油（殼程）：操作溫度：85℃（進(jìn)），70℃（出）；操作壓力：0.1MPaG。

4 工藝安全性及環(huán)境影響分析

4.1 工藝所用裝置安全性分析

（1）機(jī)械密封泄漏風(fēng)險。蒸發(fā)器軸與蒸發(fā)器本體有兩處機(jī)械密封，首先設(shè)計上使機(jī)械密封端處于氣相空間處，其次在外部采用氮氣進(jìn)行密封，密封壓力設(shè)計為9kPaG 左右，兩端壓差控制在100kPa 以內(nèi)。由于蒸發(fā)器是真空系統(tǒng)，如果有泄漏，氮氣進(jìn)入蒸發(fā)器，既不產(chǎn)生爆燃風(fēng)險，也不影響工藝性能，并能夠通過控制系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。

（2）輕烴風(fēng)險控制。冷凝水接收罐布置在裝置的上部，冷凝水自流入冷凝水接收罐，接收罐的液面上部有部分輕烴，輕烴定期外排，污水采用液位聯(lián)鎖外排，接收罐為微正壓操作，采用氮封，防止氧氣進(jìn)入。并在冷凝水接收罐中部布置循環(huán)冷卻水盤管，作為冷凝補(bǔ)充。多余氣體（VOCs 和部分飽和蒸汽）自動排入廠內(nèi)低壓氣系統(tǒng)或VOCs 處理系統(tǒng)。

（3）導(dǎo)熱油泄漏風(fēng)險。進(jìn)入蒸發(fā)器中空軸的導(dǎo)熱油，有兩套旋轉(zhuǎn)接頭，采取必要的防泄漏保護(hù)和安全聯(lián)鎖措施。

（4）空氣進(jìn)入系統(tǒng)風(fēng)險。所有老化油的主流程系統(tǒng)采用全流程無氧操作，避免形成氧氣與油氣的混合物及老化油二次被氧化的風(fēng)險。

（5）高溫風(fēng)險。所有的產(chǎn)生高溫設(shè)備及管道，均做防燙設(shè)計及保護(hù)設(shè)施。

4.2 環(huán)境影響分析

本工藝目標(biāo)是將老化油破乳，含水率降為1%以內(nèi)。工藝過程中產(chǎn)生的產(chǎn)物流向及處置：①處理后的老化油及輕烴。泵入廠內(nèi)原油儲罐和輕烴儲罐。②廢水。老化油產(chǎn)生的廢水，含有機(jī)物，泵入廠內(nèi)污水處理廠進(jìn)行處置。③固廢。脫水段工藝不產(chǎn)生固廢，除雜流程可能產(chǎn)生的少量污油泥，與廠內(nèi)產(chǎn)生的污油泥統(tǒng)一處置。④VOCs。本裝置采用低溫低能耗蒸餾工藝，裝置運行過程中會產(chǎn)生VOCs。為了確保安全及穩(wěn)定生產(chǎn)，工藝將系統(tǒng)產(chǎn)生的VOCs 接入廠內(nèi)VOCs 處理系統(tǒng)（如果有）。⑤該系統(tǒng)三廢均得到有效處置，新增設(shè)施不對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

5 結(jié)束語

綜上所述，低溫真空蒸餾深度處理老化油的工藝?yán)锰幚砝匣脱b置，處理能力為1t/h，對老化油具有良好的處理效果，且此工藝具有較強(qiáng)的安全性及較低的環(huán)境影響，值得進(jìn)一步研究及推廣應(yīng)用。