陳 穎 莫 瑞 孔繁宇 張雪楠

(1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；2.中國(guó)石油吉林油田公司新木采油廠)

老化油蒸餾脫水關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究*

陳 穎*1莫 瑞1孔繁宇2張雪楠1

(1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；2.中國(guó)石油吉林油田公司新木采油廠)

針對(duì)目前老化油脫水方法的缺點(diǎn)，以吉林油田老化油為研究對(duì)象，通過對(duì)老化油和原油進(jìn)行性質(zhì)對(duì)比研究，結(jié)合老化油難處理原因及其解決方法，提出了一種老化油蒸餾脫水技術(shù)。給出了老化油蒸餾脫水終點(diǎn)的確定方法和防暴沸措施，考察了處理溫度、處理時(shí)間、沸石添加方式和熱推動(dòng)力對(duì)老化油蒸餾脫水效果的影響，以確定蒸餾脫水的最佳工藝參數(shù)。

老化油 蒸餾脫水 工藝流程 凈化油含水率

老化油密度大、粘度高、凝點(diǎn)較低且膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高，而由于老化油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)是天然高性能的界面活性物質(zhì)，因此其油-水界面膜牢固，導(dǎo)致油水乳化[1]，使老化油脫水技術(shù)難度增大。目前，老化油脫水主要采用熱化學(xué)沉降法、摻稀油稀釋法和電化學(xué)法，這些方法存在處理時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備易腐蝕、處理效果對(duì)藥劑依賴性大及易引起二次乳化等缺點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)外均致力于開發(fā)一種高效、使用壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、無污染或低污染的老化油脫水方法[2]。

在此，筆者以吉林油田老化油為研究對(duì)象，通過對(duì)比分析老化油和原油的基本性質(zhì)，針對(duì)老化油難處理的原因，提出一種準(zhǔn)確可行、適應(yīng)性強(qiáng)、高效的老化油蒸餾脫水處理方法，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)與工藝進(jìn)行探索與優(yōu)化。

1 老化油脫水實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

老化油脫水實(shí)驗(yàn)所用油樣為吉林新木油田某區(qū)塊提供的老化油樣品。主要試劑有：正庚烷(天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品)、苯(天津市興復(fù)科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品)、甲苯(天津市星月化工有限公司產(chǎn)品)、石油醚(90～120℃)、柱層析氧化鋁(100～200目)、丙酮和乙醇(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)劑有限公司產(chǎn)品)。所有試劑均為分析純。

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器有：LVDV-Ⅱ+PRO動(dòng)力粘度測(cè)試儀(美國(guó)博勒飛公司制造)、SY-05型石油密度計(jì)(上海醫(yī)聯(lián)控溫儀器廠)、SYP1008-3E凝固點(diǎn)測(cè)定器(上海昌吉)和水含量分析裝置(自制)。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程與方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，稱取一定量老化油，將其水浴加熱至融化，自然沉降48h。然后取出上層油樣并充分混合均勻，加入老化油蒸餾罐中加熱升溫，脫除水蒸氣后進(jìn)入冷凝器冷凝排出，每隔10min測(cè)定油溫和脫水率。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB/T 1884-2000、GB 510-91、GB/T 260-77和GB/T 511-2010分別測(cè)定老化油和原油的密度、凝點(diǎn)、含水率和機(jī)械雜質(zhì)；采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定油品的粘度；采用柱層析法測(cè)定老化油和原油的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、芳烴和蠟組分。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本性質(zhì)對(duì)比分析

由于老化油來源多樣、組成復(fù)雜，為了找到準(zhǔn)確可行的脫水方法，在脫水之前將老化油和原油基本性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。由表1可知，老化油的密度、動(dòng)力粘度、凝點(diǎn)和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟、芳烴的組分均高于原油，原因是老化油采出時(shí)間和在油水處理系統(tǒng)中循環(huán)停留時(shí)間較長(zhǎng)，其輕組分過于揮發(fā)，因此重組分含量高于原油中的重組分含量；由已經(jīng)氧化成復(fù)雜氧化物的烴類組分、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等共同作用導(dǎo)致老化油含水率遠(yuǎn)高于原油，同時(shí)形成的氧化膠質(zhì)和菌膠團(tuán)構(gòu)成的粘稠狀物質(zhì)中易夾帶水分，使老化油形成穩(wěn)定的乳狀液，難脫出其中水相部分，導(dǎo)致老化油含水率遠(yuǎn)高于原油；老化油中含有一部分回收污油和落地原油，因此導(dǎo)致其機(jī)械雜質(zhì)高于原油[3]。另外，老化油中含有相當(dāng)一部分泥漿和三次采油所帶入的各種添加劑，這些泥漿和添加劑在老化油中也起到乳化作用，使油、水、泥難以分離。

圖1 老化油脫水實(shí)驗(yàn)流程

表1 老化油和原油基本性質(zhì)的分析數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)老化油和原油基本性質(zhì)的對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，升溫技術(shù)可以打破油水密度差小的特點(diǎn)，即利用油水沸點(diǎn)不同，通過升溫技術(shù)加熱油水混合物，使水沸騰、汽化，從而達(dá)到油水分離的目的。在老化油蒸餾脫水過程中，升高溫度可以提高老化油中可溶介質(zhì)的溶解能力，同時(shí)，瀝青質(zhì)的吸附能力下降，瀝青質(zhì)周圍吸附的膠質(zhì)能夠逐漸溶入油分中，使其分散程度提高，膠體的結(jié)構(gòu)特征消失，老化油轉(zhuǎn)變?yōu)榻普嫒芤?。另一方面，由于吉林油田老化油具有含蠟高的特性，破乳過程中，蠟晶將會(huì)停留在水滴之間，在水滴表面形成一層蠟晶屏障，阻礙油相中的水滴擠出、阻止水滴合并、提高乳狀液穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)溫度較高時(shí)，蠟組分可以吸附在油水界面上，減小油水界面張力，破壞油水界面膜結(jié)構(gòu)，降低乳狀液的穩(wěn)定性。為了初步確定影響老化油蒸餾脫水的工藝參數(shù)，首先在恒溫油浴中進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 老化油蒸餾脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過程中400g含水率27.5%的老化油初餾點(diǎn)為102℃，在帶有沸石的圓底燒瓶中老化油運(yùn)行平穩(wěn)，氣泡爆裂穩(wěn)定。當(dāng)脫水時(shí)間為90min、脫水溫度為155℃時(shí)，凈化油含水率低于0.50%，而且該脫水方法不受油水密度差的影響，因此蒸餾脫水是一種較為有效的老化油脫水方法。

2.3 脫水終點(diǎn)的確定

對(duì)于老化油脫水效果即凈化油含水率的測(cè)定，研究者大多采用國(guó)標(biāo)中的共沸蒸餾方法[4,5]：每次取樣0.1g，并按1∶1的比例加入共沸試劑，1h后得到油樣的含水率。該方法脫水過程中需要多次測(cè)量含水率，導(dǎo)致此方法操作復(fù)雜、試劑消耗量大且時(shí)效性差。

老化油蒸餾脫水過程中內(nèi)部溫度與含水率變化情況如圖2所示。其中，OA段為升溫階段，老化油升溫迅速，但含水率基本不變；曲線T-t與C-t在A點(diǎn)重合，此時(shí)老化油溫度達(dá)102℃，水相開始沸騰并產(chǎn)生氣泡；直到B點(diǎn)，老化油溫度增長(zhǎng)都較為緩慢且此階段耗時(shí)較長(zhǎng)，含水率開始逐漸降低，因此AB段為老化油主要脫水階段。曲線T-t中B點(diǎn)(115℃)是老化油溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)應(yīng)曲線C-t中的D點(diǎn)，此時(shí)凈化油含水率已降為0.39%；此后BC區(qū)間老化油溫度急速增長(zhǎng)，而曲線C-t中DE區(qū)間含水率雖仍有下降但已十分緩慢。這是因?yàn)樯郎剡^程中導(dǎo)熱油持續(xù)供熱使老化油溫度上升，而當(dāng)達(dá)到水相沸點(diǎn)時(shí)，水分蒸發(fā)會(huì)帶走一部分熱量使溫度下降，因而二者會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，在這個(gè)平衡過程中老化油溫度不變，水分大量逸出。當(dāng)水分蒸發(fā)完全，熱量平衡發(fā)生變動(dòng)，此時(shí)熱量完全供給老化油升溫，老化油升溫迅速。因此，當(dāng)老化油溫度達(dá)到115℃時(shí)，即可作為脫水終點(diǎn)，即凈化油含水率已達(dá)到0.50%以下。通過老化油含水率與其溫度之間的關(guān)系即可無需取樣與添加試劑，便能根據(jù)溫度確定脫水終點(diǎn)，因此老化油蒸餾脫水方法準(zhǔn)確、快捷。

圖2 老化油蒸餾脫水過程中內(nèi)部溫度與含水率變化情況

2.4 防暴沸措施

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的油水共熱操作，防止其暴沸應(yīng)主要從防止生成過熱液體和控制加熱推動(dòng)力兩方面考慮。蒸餾過程中若形成過熱液體，則在受到外力擾動(dòng)后會(huì)在瞬間完成汽化膨脹，產(chǎn)生極大的破壞力，若某些部位超過材料的極限強(qiáng)度甚至?xí)l(fā)生斷裂。沸石是多孔結(jié)構(gòu)，能夠提供很大的表面積供小氣泡生長(zhǎng)變大，降低界面附加壓力。選取具有代表性的6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列入表3，對(duì)沸石的填裝方式、填裝數(shù)量和最佳粒徑進(jìn)行考察。

表3 沸石添加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無沸石時(shí)蒸餾脫水極易發(fā)生暴沸；加入沸石后，暴沸情況有所改善，但添加方式不同效果有所區(qū)別。沸石一定均勻平鋪才能達(dá)到良好的防暴沸效果，否則部分區(qū)域仍暴沸嚴(yán)重，如實(shí)驗(yàn)2、3；由實(shí)驗(yàn)3、4可知，沸石形態(tài)過大時(shí)很多沉在底部，導(dǎo)致其防暴沸作用小，仍易發(fā)生暴沸；沸石平均粒徑為0.5cm時(shí)，防暴沸效果最好；沸石填裝量應(yīng)為待處理老化油量的1/5～1/3，如實(shí)驗(yàn)4、5、6。

蒸餾脫水過程中，必須要通過調(diào)節(jié)加熱推動(dòng)力將傳熱溫差(即傳熱面溫度和含水老化油內(nèi)部平均溫度的差值)調(diào)整控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)考察不同含水率的老化油的暴沸溫差如圖3所示。由圖3可知，不同含水率的老化油，其暴沸溫差呈不對(duì)稱U形，即當(dāng)老化油含水率較低時(shí)，暴沸溫差較高；隨老化油含水率的升高，暴沸所需的加熱推動(dòng)力減小且變化較快，當(dāng)含水率為25%左右時(shí)，暴沸溫差最小，為70℃；當(dāng)含水率繼續(xù)升高時(shí)，暴沸所需的加熱推動(dòng)力增大且變化較慢。

2.5 老化油蒸餾脫水工藝

以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與上述研究為依據(jù)，考慮流程的安全性、操作可行性和可推廣性，利用油水沸點(diǎn)不同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)處理量為2m3/h的老化油蒸餾脫水工藝，其流程如圖4所示。

圖3 老化油含水率與暴沸溫差關(guān)系曲線

圖4 老化油蒸餾脫水工藝流程

老化油蒸餾脫水裝置采用半布管形式的U形管換熱器來實(shí)現(xiàn)，換熱區(qū)和蒸汽區(qū)留有足夠的空間，其中管程導(dǎo)熱油，殼程老化油，分為左腔室和右腔室。左腔室為初蒸部分，其溫度控制在105～115℃之間，實(shí)現(xiàn)老化油含水率由27%下降到1%；右腔室為精蒸部分，其溫度控制在120～125℃之間，使凈化油含水率由1.00%降至0.50%以下。整個(gè)老化油蒸餾脫水工藝由導(dǎo)熱油、老化油、水蒸氣和冷凝水4套循環(huán)工藝組成。黑色流股為老化油處理流程，老化油由左端進(jìn)入裝置，隨著左腔室液面上升，液位計(jì)的浮球浮起，油從出口流出，經(jīng)管線流動(dòng)到精蒸裝置中，脫水完成后合格的凈化油經(jīng)緩沖罐排出，若含水率不達(dá)標(biāo)，則重新進(jìn)入左側(cè)初蒸裝置，以使處理后的老化油達(dá)到合格的含水率。紅色流股為導(dǎo)熱油循環(huán)流程，其進(jìn)出口都在右側(cè)，導(dǎo)熱油以并聯(lián)方式同時(shí)進(jìn)入初蒸和精蒸裝置，熱電偶將溫度信號(hào)反饋給流量閥門，全裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，通過調(diào)節(jié)閥門控制導(dǎo)熱油流量進(jìn)而調(diào)節(jié)兩腔室溫度，以溫度控制流量，以流量調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)老化油的平穩(wěn)加熱過程。藍(lán)色流股為冷卻水循環(huán)流程，其目的是使脫水換熱器中脫除的高溫水蒸氣冷卻。黃色流股為水蒸氣處理流程，水蒸氣由脫水裝置頂部排出經(jīng)冷凝器冷卻后由凝結(jié)水罐排出。

高含水老化油具有普遍性，但在每個(gè)聯(lián)合站都建一套老化油蒸餾脫水系統(tǒng)投資較大，因此筆者建議按照上述工藝流程建一套移動(dòng)的老化油處理裝置，該裝置既能滿足上述脫水處理系統(tǒng)的要求，又具有靈活性，可在聯(lián)合站之間輪換使用，既降低了設(shè)備投資又可以解決實(shí)際問題。

3 結(jié)論

3.1通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，處理400g含水率27.5%的老化油時(shí)，初餾點(diǎn)為102℃，當(dāng)脫水溫度為155℃時(shí)，90min后可使凈化油含水率達(dá)到0.50%以下。

3.2由老化油含水率與其溫度之間的關(guān)系可知，當(dāng)老化油溫度達(dá)到115℃時(shí)，即可使凈化油含水率達(dá)到0.50%以下。

3.3將為質(zhì)量為老化油質(zhì)量的1/3、平均粒徑為0.5cm的沸石均勻平鋪才能達(dá)到最佳防暴沸效果，且溫度不應(yīng)超過此含水率的極限暴沸溫度。

3.4老化油蒸餾脫水工藝無需取樣與添加藥劑，不易引起二次乳化，無污染且適用性強(qiáng)。該工藝以U形管換熱器作為蒸餾裝置，分為初蒸部分和精蒸部分，導(dǎo)熱油以并聯(lián)方式進(jìn)入初蒸和精蒸裝置管程中，通過熱電偶的溫度信號(hào)控制流量閥門來調(diào)節(jié)兩腔室的溫度，為殼程內(nèi)的老化油加熱，脫除的水蒸氣由蒸餾裝置頂部經(jīng)冷凝器冷卻排出，合格的凈化油經(jīng)緩沖罐排出。

[1] 楊忠平,王憲中,田喜軍,等.吉林油田聯(lián)合站老化原油成因與脫水方法研究[J].油田化學(xué),2010,27(3):337～341.

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[3] 尚飛飛,廖克儉,王洪國(guó).遼河油田稠油及老化油物性分析[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2011,24(5):17～21.

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StudyonKeyTechnologyandProcessofDistillationDehydrationofAgingOil

CHEN Ying1, MO Rui1, KONG Fan-yu2, ZHANG Xue-nan1

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.XinmuOilProductionPlant,PetroChinaJilinOilfieldCompany,Songyuan138000,China)

Considering the shortcomings of aging oil dehydration methods at present time, and through taking the aging oil of Jilin oilfield as the object of study to compare the character between the aging oil and the crude oil as well as basing on analyzing the difficulty in processing the aging oil, the technology concerning the aging oil distillation dehydration was proposed, including the method to determine the finishing line of distillation dehydration and the measures against the blasting boiling; meanwhile, the influence of processing temperature and time, zeolite addition and thermal driving force on the dehydration effect was investigated to make sure optimal process parameters of distillation dehydration operation.

aging oil, distillation dehydration, technological process, cleaned oil moisture content

TQ420.6+7

A

0254-6094(2016)01-0038-05

*新木油田老化油脫水技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(JS13-W29-JZ-20-30)。

**陳 穎，女，1965年10月生，教授。黑龍江省大慶市，163318。

2015-02-26，

2015-03-24)