碟式離心機在重油和瀝青質(zhì)原油脫水中的應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
一、概述
全球經(jīng)濟(jì)活動推動著石油需求的不斷增長。目前對以往無開發(fā)價值的陸上和淺海小型油藏或品質(zhì)差的油藏也進(jìn)行了開發(fā)。據(jù)估計，世界可采儲量的15%是由重油組成的。然而到目前為止，這些油藏因為可采潛力、儲運等原因沒有得到開發(fā)。
盡管近來發(fā)現(xiàn)了輕質(zhì)和中等黏度的油藏，但重油和酸性油在世界原油總產(chǎn)量中的比重在不斷增長。要改善這些油藏的開發(fā)效果必須依靠技術(shù)進(jìn)步，這就意味著要尋找經(jīng)濟(jì)可行的除硫、除水、除鹽和清除雜質(zhì)的工藝，以及降黏、降低原油相對密度的方法來提高原油的品質(zhì)。
由于化學(xué)組成的原因，重油黏度高，易乳化，通常懸浮固體雜質(zhì)。有些API重度值小于22.3的重油流動性非常差，需要加熱或稀釋才能流向井筒或通過管線輸送。
二、傳統(tǒng)的原油脫水工藝
在煉化變成石油產(chǎn)品之前，原油中富含的水和固體雜質(zhì)必須除去以滿足管線輸送的需要。同時這也是管線防腐和下游生產(chǎn)工序的需要。因此，水和固體雜質(zhì)的含量直接影響著原油的價格。
原油脫水一般是在采油集輸現(xiàn)場完成的。原油提煉之前需除去其他雜質(zhì)如硫、重金屬、蠟等，而這些工序是在煉廠完成的。
在典型的原油脫水過程中，來自生產(chǎn)井的原油首先進(jìn)入初級分離階段，將大部分的氣體和游離水除去。然后通過加熱對乳化油破乳進(jìn)行二次分離，在二次分離過程中，某些束縛氣、水和輕質(zhì)油揮發(fā)出來。在進(jìn)儲油罐之前對凈化油進(jìn)行冷卻，這個工序的目的是防止儲油罐腐蝕和發(fā)生剪切破壞，并減少輕質(zhì)組分的氣體壓力。
重質(zhì)油脫水過程中存在很多難題，主要是API重度值低、黏度高、原油乳化和含油相對較高的固體雜質(zhì)。所有這些問題必須要采取有效的措施加以解決，才能獲得滿足輸送條件的原油。
三、瀝青油砂礦離心脫水工藝
瀝青油砂礦是重質(zhì)油的另一個重要來源。由于輕質(zhì)油儲量的不斷減少，重質(zhì)油的開采變得越來越經(jīng)濟(jì)可行。加拿大Athabasca油砂礦估計擁有1.6×1012～2.5×1012bbl（1bbl=0.159m3）的原油儲量，這是沙特阿拉伯常規(guī)原油儲量的5倍多。
油砂礦開發(fā)面臨的首先是開采問題，其次是煉廠煉化問題。瀝青質(zhì)原油是一種高粘度的重質(zhì)原油，它的API重度值約為8。瀝青質(zhì)原油必須要進(jìn)行處理以便于管線輸送和普通煉廠的煉化。另外，由于瀝青質(zhì)原油高密度、高粘度的特性，原油脫水也存在問題。砂粒和氯化物也會使設(shè)備腐蝕和磨損。
加拿大Syncrude公司開發(fā)了一種利用蒸汽、熱水和燒堿從油砂中采油的新工藝。該工藝將生產(chǎn)井產(chǎn)出的泥漿狀混合物泵入分離器，在分離器內(nèi)添加石腦油以便使瀝青變?yōu)榕菽≡诒砻?。接著使用離心分離器在腐蝕的惡劣工況下對大量的瀝青泡沫進(jìn)行處理，從而達(dá)到除去泡沫中水和固體雜質(zhì)的目的。進(jìn)入初級離心器的混合物是由60%的稀釋瀝青、30%的水和10%的固體雜質(zhì)組成。經(jīng)過末級離心處理后只含有不到0.6%的固體雜質(zhì)和不到2%的水，從而使處理后的氯含量較低，避免了對下級處理設(shè)備的腐蝕。
四、重油脫水難點和方向
4.1 乳化
乳化通常是指水和固體雜質(zhì)包含在油里，并以乳狀液的形式穩(wěn)定存在著。按照這個定義，乳狀液是由兩種互不相溶的液相組成的，一種液體分散在另一種連續(xù)的液相里。例如，乳狀液可能是以水包油或油包水形式存在。分散作用更為廣泛的定義也包括懸浮作用（如固體顆粒分散在持續(xù)的液相中）。
重油生產(chǎn)、輸送和處理過程中總是存在著水相和油相。所形成的穩(wěn)定的乳狀液從原油處理和產(chǎn)品質(zhì)量的角度來說是不受歡迎的。
當(dāng)原油和水通過油層孔隙滲出時，原油乳化就開始了。這是在高溫、高壓的條件下發(fā)生的。由于油水混合物通過管線和閥門時存在壓力梯度，因此從井口到管匯進(jìn)行處理的過程中通常要經(jīng)歷一個大的壓降。這樣原油在經(jīng)過地表設(shè)施、管線輸送系統(tǒng)和煉廠時得到了進(jìn)一步乳化。
原油組成尤其是原油中富含的表面活性分子是原油乳化存在復(fù)雜性的重要原因。這些物質(zhì)是天然的，依靠在油水界面形成障礙阻止水滴的凝結(jié)從而加強了乳狀液的穩(wěn)定性（凝結(jié)是液滴聚集形成大液滴的過程）。
更為復(fù)雜的是原油乳狀液中還含有固體和氣體。因此，掌握乳化和破乳的化學(xué)知識對于生產(chǎn)過程的改善和控制是完全必要的。
4.2 乳化劑的性質(zhì)
乳化劑的性質(zhì)是復(fù)雜的。例如，重油中含油大量的瀝青質(zhì)（瀝青質(zhì)是高分子強極性化合物，是天然的乳狀液）。
原油中其他成分也具有表面活性，如樹脂、脂肪酸（環(huán)烷酸）、卟啉和石蠟。一般它們本身不能形成穩(wěn)定的乳狀液，但通過與瀝青質(zhì)的結(jié)合能影響乳狀液的穩(wěn)定性。
樹脂是由極性分子組成的，經(jīng)常含油氮、氧、硫等異質(zhì)原子。樹脂可以溶解原油中含油的瀝青質(zhì)并將其從油水界面上轉(zhuǎn)移，從而影響乳狀液的穩(wěn)定性。環(huán)烷酸也具有類似的作用。某些天然生成的脂肪酸對乳狀液的穩(wěn)定性也具有一些影響。
石蠟是一種飽和烴類化合物，可在油水界面上產(chǎn)生共吸附，從而提高乳狀液的穩(wěn)定性。在原油中含有石蠟的微晶體，并含有二氧化硅、砂子、泥土和氧化鐵顆粒。這些微粒是天然親水的，但在含水原油中長期暴露會發(fā)生轉(zhuǎn)向變?yōu)橛H油的。減小這些親油微粒的尺寸也會增加油包水乳狀液的穩(wěn)定性。如果有大量的瀝青質(zhì)存在，同時含油微粒和瀝青質(zhì)的乳狀液比只含有瀝青質(zhì)的乳狀液穩(wěn)定得多。
4.3 影響脫水效果的因素
許多分離技術(shù)的依據(jù)是兩種要分離成分的互不相溶性及其之間存在的密度差。
Stoke公式描述了在重力作用下液體介質(zhì)中固體顆?；蛞旱蔚姆蛛x速度。由Stoke公式可見，分離速度是一個函數(shù)，它不僅與密度差有關(guān)系，而且與顆粒的尺寸、液相的黏度有關(guān)系。液滴或顆粒的尺寸對分離的影響尤為顯著，因為分離速度隨著液滴或顆粒尺寸的增長呈指數(shù)增長。保持高溫、降低黏度也是除去原油中水和固體雜質(zhì)的有效措施。
4.4 重力脫水轉(zhuǎn)向離心力脫水
雖然各個油田的脫水工藝不盡相同，但傳統(tǒng)的原油脫水和除鹽方法通常是采用幾個按序放置的大型沉降罐，再采用靜電凝結(jié)過濾器做處理。在經(jīng)過以上工藝后原油含水會降到0.5%以下。在穩(wěn)定的乳狀液存在的情況下，要達(dá)到滿意的脫水效果，必須采取加熱、添加化學(xué)劑等措施，并要等待較長的一段時間。
由于傳統(tǒng)的靜態(tài)脫水系統(tǒng)依靠密度差實現(xiàn)原油沉降脫水，當(dāng)原油密度變大時，就需要大量的分離設(shè)備和系統(tǒng)處理時間。就這點來說，淺海油田采油平臺由于載荷和空間的限制，重油脫水工藝的要求更高。
原油乳化和高粘度使以重力脫水設(shè)備為基礎(chǔ)的原油脫水工藝變得更為復(fù)雜。結(jié)果是，盡管在上游采用了昂貴的重型處理設(shè)備，但仍難交付滿足煉化需要的原油，這些原油只能賤賣。并且，靜電凝結(jié)過濾器處理含稅5%以上的原油由于消耗大量的電能一般很不經(jīng)濟(jì)，同時耗電量隨著水含量的增多而增加。
由于分散在原油中介質(zhì)顆粒較小，可以采用離心機分離工藝進(jìn)行有效的分離。離心機的基本原理是通過旋轉(zhuǎn)、加速運動使流體產(chǎn)生較大的離心力，依靠離心力實現(xiàn)對流體的分離。采用離心機可提高分離速度幾千倍，結(jié)果微米級的顆粒和水滴也可以分離出來。
五、離心機
利用碟式離心機，不需要添加大量化學(xué)劑，API重度值低達(dá)11.5的重油可獲得有效處理，滿足管線輸送的需要。碟式分離機具有分離效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，也適宜于空間和載荷有限的淺海采油平臺上應(yīng)用。
可采用碟式離心機對裹攜大量固體顆粒的高粘原油進(jìn)行處理。間歇排液式離心機不適用于原油脫水，因為它處理能力有限，滿足不了現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。
5.1 離心機的結(jié)構(gòu)
在碟式離心機中，原油的處理是依靠在轉(zhuǎn)鼓中產(chǎn)生強大的離心力實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部是由一組互相套疊在一起的圓錐形碟片組成，并形成分離區(qū)域。雖然作用時間只有幾秒，但由于離心力的作用能產(chǎn)生非常好的處理效果。離心機的分離處理速度是重力分離速度的幾千倍。
下面對離心機的工作原理進(jìn)行介紹。液體通過進(jìn)料口、進(jìn)料區(qū)和過流通道被引入旋轉(zhuǎn)離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分離碟片組，固體顆?；蛞旱卧陔x心機作用下沉降到碟片上并沿碟片表面向轉(zhuǎn)鼓周圍滑動，固體顆?；蛞旱尾粩嗟亓飨蜣D(zhuǎn)鼓內(nèi)表面并在轉(zhuǎn)鼓排出管中收集，然后通過噴嘴排出。凈化油通過分離碟片向轉(zhuǎn)鼓中心移動并通過內(nèi)置向心泵入排料口。
傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為碟式離心機的作用同斜板沉降罐的作用是相同的，不同的只不過是強大的離心力取代了重力。然而研究表明，碟式離心機中液相的流態(tài)和分離過程根本不同于斜板沉降罐。液相的流態(tài)與碟片組合碟片組中分配液相的幾何空間有密閉的關(guān)系。
5.2 進(jìn)料區(qū)
將來液在瞬間充分加速旋轉(zhuǎn)并盡量減少剪切、破裂的發(fā)生和泡沫的產(chǎn)生，阻止由于更小顆粒的形成而促進(jìn)了來液的乳化，這是進(jìn)料區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個關(guān)鍵性因素。
利用在進(jìn)料區(qū)互相套疊在一起的碟片即采用所謂的碟式進(jìn)口，進(jìn)入的流體介質(zhì)經(jīng)過輕微加速，不會形成大的飛濺和泡沫。非旋轉(zhuǎn)的流體向上移動進(jìn)入碟片組和進(jìn)料管之間的間隙，接著向碟片組外圍移動（采用的碟片數(shù)量取決于離心機的設(shè)計要求，低流速度要求碟片數(shù)量少，高流速要求碟片數(shù)量多）。這樣因為液滴和顆粒污染物沒有分解從而提高了分離效率，并且束縛在液體中的氣體也較少。
5.3 脫水優(yōu)化
前面已經(jīng)討論了原油脫水存在的主要問題：油水密度差小，原油黏度高，液滴和固體顆粒尺寸小，以及穩(wěn)定乳狀液的存在。
因此在對原油脫水實施優(yōu)化過程中必須要考慮其他參數(shù)。一個原油脫水系統(tǒng)必須要適應(yīng)不斷變化的來液需要，并保持較好的脫水效率。噴嘴碟式離心機可很好地滿足這種需要。
在轉(zhuǎn)鼓中液態(tài)水作為密封可阻止原油流失到水相中。要獲得理想的分離效果，必須保持油水界面在合適的位置，這樣要對現(xiàn)有的分離區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。
油水界面的位置可以通過改變轉(zhuǎn)鼓內(nèi)油相、水相之間的壓力平衡來實現(xiàn)。因此不管來液流速多少，可用底部大量的緩沖水平衡組成不斷變化的來液保持油水界面在合適的位置，從而避免油相流失到水相中，獲得符合管線輸送條件的原油。
要保持油水界面在合適的位置，不需要在來液中摻水。在來液中摻水促進(jìn)了原油乳化，是非常有害的。實際上，不管流速多少，在配水腔中保持水相在一定的位置是較好的解決方法。在配水腔里旋轉(zhuǎn)的流體進(jìn)入一個內(nèi)置向心泵獲得一定的泵壓。排水管出口管線和2個高度靈敏的恒壓調(diào)節(jié)閥相連，保證了配水腔中壓力處于恒定的水平。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計確保了在轉(zhuǎn)鼓中可實現(xiàn)穩(wěn)定的油水界面。
不管來液含水多少，通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)水和排水保證了噴嘴始終處于充滿水的狀態(tài)。如果來液含水滿足不了噴嘴的需要，通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)水可滿足需要；如果來液含水過多，超過了噴嘴的需要，過量的水將被排出。
六、結(jié)論
由于重油的固有特性，技術(shù)的新進(jìn)展使重油開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行。隨著市場需求的不斷發(fā)展，越來越多的近海采油平臺的建設(shè)以及原油開采的高成本，石油工業(yè)對處理復(fù)雜重質(zhì)原油的脫水設(shè)備的依賴越來越強。特別是操作空間的限制和工藝穩(wěn)定性的要求，近海重油開采過程中原油脫水工藝要求較高。
重油脫水面臨許多問題。由于天然乳化劑如石蠟、瀝青質(zhì)、固體雜質(zhì)的存在，重油容易形成乳狀液。穩(wěn)定乳狀液中液滴或顆粒非常小，在經(jīng)過很長一段時間后才會發(fā)生凝結(jié)和分離。
原油含水和乳化程度影響著原油黏度。原油黏度越高，脫水效率越差。當(dāng)原油密度增加接近于水時，傳統(tǒng)的靜態(tài)脫水系統(tǒng)如沉降罐和電脫水器效果很不理想。即使采取加熱和添加化學(xué)劑措施，脫水原油的品質(zhì)也不能滿足煉化的需要。因此，隨著開采的原油API重度值的不斷減少和黏度的不斷增加，傳統(tǒng)工藝脫水效率會不斷變差。這些都驅(qū)動著要尋找高效破乳、高效脫水的原油處理工藝。
碟式離心機是一種高效的脫水設(shè)備，應(yīng)用于原油脫水，并且具有可靠性高的優(yōu)點。例如，在中質(zhì)和重質(zhì)燃料油生產(chǎn)現(xiàn)場，利用成千上萬的碟式離心機來達(dá)到原油脫水和除渣。此外，噴嘴碟式離心機在瀝青油砂礦用于原油脫水也已二十多年了。瀝青油砂礦原油脫水對離心機的可靠性、固體雜質(zhì)的處理效率以及抗磨損性的要求更為苛刻。
因此，噴嘴碟式離心機是原油脫水的首選。噴嘴碟式離心機可處理固體雜質(zhì)，具有脫水效率高、在線可控制的特點。
