管式連續靜電聚結器及油水分離方法與流程
2023-10-09 22:29:09
本發明管式連續靜電聚結器(又稱電脫水器)是綜合考慮了傳統電脫水器的不足和應用局限性設計而成的一種新型裝置。這種新型的管式連續靜電聚結器是將電場與管道耦合起來，從而解決石油、化工等領域普遍存在的油包水乳狀液的問題，試圖快速、高效、可控地實現油水分離。
背景技術：
在石油開採的過程中往往需要向油井中注水，而原油含水給油田生產、輸送和油庫儲存原油帶來了一定的困難，因此原油脫水成為石油生產過程中一個不可或缺的重要環節之一。油與水原本不互溶，二者存在清晰的相界面，但隨著油田開發的深入，目前已經進入高含水開採階段，而且為了提高採油率，通常還需要加入某類表面活性劑亦或是納米固體顆粒，即所謂的三次採油技術。雖然此舉可以大大提高油的收率，但添加大量驅油劑以及油中本身存在的一些雜質都是天然的高性能的乳化劑，使得油、水、乳化劑三者共聚一體，這種乳狀液的存在狀態變得更加複雜、穩定，且油品的絕緣性能變差，導致電脫水器電極板間易產生短路的現象。常規脫水裝置的脫水率已經很難達到工業要求，這也就意味著需要一種更先進的技術手段來實現破乳。
原油中的水以三種形式存在，溶解水、懸浮水和乳化水，對於不同形式的水可以選擇不同的設備除去。溶解水和懸浮水可以通過重力沉降和加熱沉降的方法較容易地去除。而乳化液所具有的穩定性嚴重的影響著原油和水的自然分離。因此，乳化水必須要採用特殊的工藝才可去除。
原油與水處於不絕對穩定的乳化狀態。近年來，人們針對「油包水」型乳化液的破乳問題進行了大量的研究。概括起來主要有物理法和化學法兩種，物理法是在化學輔助破乳的基礎上提出的通過離心、電場、磁場、聲場、膜分離等給乳狀液提供外力和能量，使其分散相液滴的界面膜破壞而重新聚合成較大液滴進而在重力作用下促成其沉降分離。真正在生產工藝上得到廣泛的是電脫水法。水顆粒在電場中的受力情況如下圖2所示。電脫水的基本原理是原油乳狀液中的水滴在電場力的作用下以三種不同方式發生聚結：偶極聚結、振蕩聚結和電泳聚結。油水乳狀液的性質、電場參數、流動參數、溫度、壓力以及脫水器等都會影響到液滴的聚結。
原油電脫水供電線路和設備在電脫水過程中要具備:一定的電壓等級、電場強度足夠的和供電容量。目前的電脫水器的供電電壓一般為16.5,28.0,33.0,44.0,56.0,60.0kv,電場強度一般為50-450kv/m,國外的電脫水設備的運行場強一般在80-330kv/m範圍內選擇。通常供電設備的容量應為正常供電容量的1.5～3.0倍。根據供電電壓波形的不同，可以將電破乳脫水分為直流電場脫水、交流電場脫水、交-直流雙電場脫水、高頻脈衝電場脫水。在交流和高頻脈衝電場中，乳化液中的水珠發生偶極聚結和振蕩聚結；在直流電場中，乳化液中的水珠除發生偶極聚結外，主要以電泳聚結為主；在交-直雙電場中，上述幾種形式的聚結都存在。脈衝供電是向電極間斷供電，除促使振蕩凝結和偶極凝結外，目的在於避免電場中的電流大幅度增加，以利於平穩操作和節省電能。這三種聚結方式都是分散相液滴在電場作用下產生靜電作用，使得液滴動能增加，從而提高其之間的碰撞和聚結的概率。直流、交流和交-直流雙電場脫水的研究較早，高頻脈衝電脫水法是基於常規電脫水的基礎上發展起來的。其脫水機理是：由於連續相(油)和分散相(水)的電導率相差很大，液滴能被外電場極化，極化液滴通過碰撞在極短時間內完成聚結過程。由於外加脈衝電場的振動，分散相周圍或內部的流體速率發生變化，界面張力誘導界面流動。分散相中兩相的電導率、介電常數不連續,也導致界面電荷的累積，根據pjbailes等人的觀點，面電荷的累積有利於碰撞聚結。在電場中，特別是施加交流脈衝電的情況，增加了液滴接觸、相遇的頻率，液滴界面振動加劇，界面膜容易破裂，從而加速液滴間的相互聚結。高頻脈衝方波脫水電源能夠輸出最佳脫水電壓、能夠輸出最佳脫水頻率、對乳化膜的衝擊力大。正如前面所提到的，油品的絕緣性變差會導致電脫水器電極板間易產生短路的現象，所以在電極表面包覆絕緣層是一種很好的方法，通常採用的絕緣材料有聚四氟乙烯、特氟龍、環氧樹脂或者其他有機高分子材料。
電極形狀對靜電聚結器的工作性能有重要影響。比較常用的電極形狀有平板電極、棒狀電極、絲網電極、波紋板狀電極和同軸圓柱電極等。不同的電極有其各自的優缺點，這需要結合具體的靜電聚結器的結構來進行選擇和設計。
一般地，湍流流動可以增加乳狀液中水滴的聚結，但僅靠湍流作用引起聚結時，存在最優的流量，高於這個流量時湍流引起的液滴破裂佔優。也就是說湍流場也可能造成液滴的破碎，因此必須採用合適的紊流強度，防止對大液滴產生分散的消極作用。電場和湍流場共同作用會顯著提高聚結效率。其原因是在湍流狀態下，液滴可能因速度梯度和速度波動等機制聚集在一起。當流動狀態達到紊流時，乳狀液通過電場的時間很短，電場引起的液滴聚結在短暫的幾秒鐘之內就可以完成。而傳統的電脫水器(如立式靜電聚結器)大多體積龐大，乳狀液流態是層流，水滴間的運動相互影響較小，碰撞作用力也較小，產生的碰撞強度較弱，所以聚結概率也較低。因此，本發明就是基於這點考慮，試圖設計一種新型的連續靜電聚結器來提高脫水效率。
技術實現要素：
我們的發明是設計一種新型的靜電聚結器來替代傳統的脫水器，
本發明的技術方案如下：
一種管式連續靜電聚結器，其特徵是依次由進料泵、原油進口管道、電場區、流動區和淨化油出口管道連接而成；其中，電場區和流動區由金屬固定板分隔開來，交替排列；
所述流動區和電場區的體積比為0.5-1.0。
所述在電場區內，每一個金屬固定板上焊接數個電極板或電極棒，並與相對金屬固定板上的電極板或電極棒形成對插；金屬固定板通過法蘭與靜電聚結器的殼體密封連接。
所述外加供電設備直接將電場加載在電場區兩端的金屬固定板上；與電源正極相連的即為正極金屬固定板，焊接在其上的電極板為正極板；同理，與電源負極相連的負極固定板上的電極板電性為負。
所述在固定板與法蘭之間加一絕緣層，防止聚結器漏電。
所述電極固定板上電極板或電極棒排列方式如下：採用的電極形式為電極板；在一端固定板上等間距焊接數個電極板，然後在與其中兩個相鄰電極板中間位置水平對應的另一端固定板上焊接電極板。
所述電極固定板上電極板或電極棒排列方式如下：採用的電極形式為窄型電極板；正負極金屬固定板上焊接數層電極板或電極棒，每層的電極板或電極棒等水平間距分布。正極固定板上的每個正極板與相鄰的兩個同層的負極板呈正三角形分布。同理，負極固定板上的每個負極板與相鄰的兩個同層的負極板呈正三角形分布。
所述電極固定板上電極板或電極棒排列方式如下：採用的電極形式為電極棒；正負極金屬固定板上的電極棒均呈正方形分布，並保證正極棒均為負極棒的正方形分布的中心。同理，負極棒均為正極棒的正方形分布的中心。
所述電場區為2-6個。
本發明管式連續靜電聚結器的油水分離方法；其特徵是進料泵將原油由進料管道注入靜電聚結器後，原油通過金屬電極板上的圓孔或孔槽進入電場區並在電極板間流動；此時，乳化水受到電場力的作用而發生聚結沉降，從而實現油水分離。
具體說明如下：
本發明的管式連續靜電聚結器，依次由進料泵、原油進口管道、電場區、流動區、和淨化油出口管道連接而成。其中，電場區和流動區由金屬固定板分隔開來，交替排列。流動區和電場區的體積比為0.5-1.0最佳。在電場區內，每一個金屬固定板上按照一定的方式焊接數個電極板(棒)，並與相鄰的金屬固定板上的電極板(棒)形成對插。外加供電設備直接將電場加載在電場區兩端的金屬固定板上。與電源正極相連的即為正極金屬固定板，焊接在其上的電極板為正極板。同理，與電源負極相連的負極固定板上的電極板電性為負。金屬固定板通過法蘭與靜電聚結器的殼體密封連接。並在固定板與法蘭之間加一絕緣層，防止聚結器漏電。以兩個電場區為例的管式連續靜電聚結器結構示意圖如圖3所示。
本發明的管式連續靜電聚結器各種選擇情況的設備如下：
電極固定板
如上所述，焊有電極板或電極棒的兩塊固定板之間的區域為電場區。原油的脫水效果除了與外加供電設備的參數設置有關外，一定程度上還與固定板上電極板(棒)的排列方式有關，排列方式的不同直接導致了電極密度的差異。在本發明中，我們設計使用了兩種電極：板式電極和棒狀電極。固定板上電極的排布方式有三種。
第一種排布方式:
第一種排布方式採用的電極形式為電極板。在一端固定板上等間距焊接數個電極板(見圖4)，然後在與其中兩個相鄰電極板中間位置水平對應的另一端固定板上焊接電極板(見圖5)。外加供電設備直接將電場加載在電場區兩端的金屬固定板上,形成正負電極板。正負電極板之間即為流體的流道。在流道與金屬板對應的位置處開孔槽使得流體得以流入電場區。這樣的排布方式簡單，易於加工製作。
第二種排布方式：
第二種排布方式採用的電極形式為電極板或電極棒。不同於第一種方式，此電極板的寬度要小得多，排布方式也要複雜得多。為了更加直觀地展示這種結構，筆者提供了電場區的側視剖面圖，如圖6所示。在圖中有很多個三角形，每個三角形的頂點都代表著一個電極板(棒)，相鄰兩層的電極板(棒)分別焊接在兩側的金屬固定板上。那麼，添加外電場後，相鄰兩層的電極板(棒)就帶上了不同的電性。正負電極板(棒)之間即為流體的流道。在流道與金屬板對應的位置處開圓孔使得流體得以流入電場區。按照上述方法排布後，每塊金屬固定板上電極板和圓孔的分布圖如圖7、圖8所示。
第三種排布方式:
第三種排布方式與第二種排布方式相類似，採用的電極形式為電極棒。圖9為此排布方式下的電場區側視剖面圖，圖中有多個正四邊形，正四邊形的頂點位置和中心位置分別為兩端金屬固定板上電極棒焊接點。在與正負電極棒交錯排列形成的流道對應的金金屬板上的位置處開設孔槽，如圖10、圖11。
電極板(棒)裝配
本發明中用到的電極採用平板電極或者棒狀電極。其中平板電極是使用較多的一種電極形式，平板電極之間的電場是均勻電場,雖然存在一定的邊緣效應，但可以通過儘量減小極板厚度來克服。當然，如果油包水乳化液中水的含量較高時，會在電極間產生短路現象，這時也可以採用複合電極。無論是平板電極還是棒狀電極,其正極都焊接於聚結器的同一側固定板上，而負極則都焊接與另一側固定板。通過對插，來形成正負相間的聚結器電場區。
法蘭結構
電場區的左右固定板通過法蘭與靜電聚結器的殼體連接，圖12為法蘭結構圖。法蘭的尺寸適管道尺寸而定。在金屬固定板與法蘭之間加一絕緣層，防止聚結器漏電。
電場設計
本發明中電場考慮採用ac-dc-ac高頻脈衝方波的電脫水方案。輸入電壓為單相220v，最大輸出電壓為20kv,功率小於3kw。
本發明的管式連續靜電聚結器的油水分離方法：
進料泵將原油以一定的速度由進料管道注入靜電聚結器後，原油通過金屬電極板上的圓孔或孔槽進入電場區並在電極板間流動。此時，乳化水受到電場力的作用而發生聚結沉降，從而實現油水分離。另外，金屬固定板上電極板(棒)的排布方式對脫水效果也有很大的影響。原油從進入靜電聚結器一般經過2-6個電場區的電脫水作用即可得到滿足工業需求的淨化油。
這種管式連續靜電聚結器與傳統的脫水器相比具有以下優點：
(1)它是一種管式連續的處理器，體積大大減小，可以實現對原油的大型化、連續化的處理。
(2)流體在進入電場區的瞬間流速增大，乳狀液流態是湍流，水滴間的相互運動增強，碰撞機率變大，產生的碰撞強度也相應變大。當通過優化，選擇適當的湍動強度時，聚結器內的聚結概率也相應地變大。同時，在流體離開聚結器時，其瞬間流速減小，這樣，在管道區內後面的液滴又對前面的液滴產生一定的擠壓作用，增強前後液滴的碰撞機會。此外，流速的忽快忽慢，將使液滴的界面變形不斷變化，更容易破壞液滴穩定的界面層，進一步提高了聚結效率。
(3)過程參數可控。一方面，在一定的電壓下，乳化水的聚並時間是確定的，可以通過改變流體的整體流速來得到最短的聚並時間。另一方面，可以增減電場區的個數來提高脫水效率。若實際生產需要，可以滿足自動化控制的需求。
附圖說明
圖1：添加劑的作用效果示意圖；
圖2：水顆粒在電場中的受力情況示意圖；
圖3：管式連續靜電聚結器結構示意圖；
圖4：正極板(負極板)排布方式一示意圖；
圖5：負極板(正極板)排布方式一示意圖；
圖6：電場區電極板排布方式二側視剖面圖；
圖7：正極板(負極板)排布方式二示意圖；
圖8：負極板(正極板)排布方式二示意圖；
圖9：電場區電極板排布方式三側視剖面圖；
圖10：正極棒(負極棒)排布方式三示意圖；
圖11：負極棒(正極棒)排布方式三示意圖；
圖12：法蘭結構圖。法蘭由兩個法蘭盤構成，每個法蘭盤上連接管道，法蘭盤之間加上法蘭墊，最後用螺栓將兩個法蘭盤拉緊使其緊密結合起來。
說明書附圖中的標號所代表的元件名稱如下：
1—正極板；2—正極金屬固定板；3—孔槽；4—法蘭；5—負極金屬固定板；6—負極板；7—靜電聚結器殼體；8—窄型正極板；9—圓孔；10—窄型負極板；11—正極棒；12—負極棒；13—進料泵；14—含水原油進料管道；15—淨化油出口管道；16—絕緣層；17—電場區；18—流動區。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明：
如圖1所示，油和水本是不互溶的兩相，靜止狀態下會分層。但是在石油開採的過程中，往往需要添加某些添加劑來提高採油率。添加劑的作用效果使得水在油中呈乳化態存在，難以除去。電脫水的原理如圖2所示，水顆粒在電場中會帶電，帶電後的水顆粒會受到偶極力和電泳力的作用而產生偶極聚結和電泳聚結。由於油水兩相的密度不同聚結水沉降而實現分離。
實施例1：
如圖3所示，本發明的靜電聚結器結構是：進料泵13、原油進口管道14、電場區17、流動區18、和淨化油出口管道15順次連接。其中，電場區17和流動區18由正極金屬固定板2和負極金屬固定板5分隔開來，交替排列。正極金屬固定板2上焊接數個正極板1，並與相鄰的負極金屬固定板5上的負極板6對插，形成電場區17。正極金屬固定板2和負極金屬固定板5通過法蘭4與靜電聚結器的殼體7密封連接。並在正極金屬固定板2與法蘭4和負極金屬固定板5與法蘭4之間分別加一絕緣層16，防止聚結器漏電。電極排布方式如圖4、圖5所示。其中正極板(負極板)上的排布方式如圖4所示，在正極金屬固定板2上焊接數個正極板1，正極板之間開設孔槽3；負極板(正極板)上的排布方式如圖5所示，在負極金屬固定板5上焊接數個負極板6，負極板之間開設孔槽3。流動區和電場區的體積比為0.5，電場區的個數為4。如圖12所示為法蘭結構圖，法蘭4的結構是標準的工業設備用法蘭。它的尺寸大小適具體的管道尺寸而定。
按上述方法設計的管式連續靜電聚結器加工完成後，通過進料泵將原油以一定的流速由進料管道注入靜電聚結器，原油通過正極金屬固定板2上的孔槽3進入電場區並在電極板間流動。此時，乳化水受到電場力的作用而發生聚結沉降。然後，通過負極金屬固定板5上的孔槽3進入流動區後再次流入電場區。經過4個電場區後，幾乎全部的乳化水發生聚結沉降，油水分層，達到了分離的目的。聚結效率要比傳統電脫水器的脫水效率高8％左右。
實施例2：
操作方式及其他條件同實施例1，僅改變流動區和電場區的體積比為0.8。脫水效果優於實施例1。脫水效率和實施例1相比提高1.5％左右。
實施例3：
操作方式及其他條件同實施例1，僅改變流動區和電場區的體積比為1.0。脫水效果優於實施例1，較實施例2的脫水效果差。但比傳統電脫水器的脫水效率高出8.7％左右。認為最佳流動區和電場區的體積比為0.8。
實施例4：
靜電聚結器結構如圖3所示，進料泵13、原油進口管道14、電場區17、流動區18、和淨化油出口管道15順次連接。其中，電場區17和流動區18由正極金屬固定板2和負極金屬固定板5分隔開來，交替排列。正極金屬固定板2上焊接數個正極板1(或正極棒11)，並與相鄰的負極金屬固定板5上的負極板6(或負極棒12)對插，形成電場區17。正極金屬固定板2和負極金屬固定板5通過法蘭4與靜電聚結器的殼體7密封連接。並在正極金屬固定板2與法蘭4和負極金屬固定板5與法蘭4之間分別加一絕緣層16，防止聚結器漏電。如圖6所示，電場區電極板排布方式二側視剖面圖：每個三角形的頂點都代表著一個電極板(棒)，相鄰兩層的電極板(棒)分別焊接在兩側的金屬固定板上。正負電極板(棒)之間即為流體的流道。在流道與金屬板對應的位置處開圓孔9使得流體得以流入電場區。其中正極板(負極板)排布方式如圖7所示，在正極金屬固定板2上焊接數個窄型正極板8，並在與流道對應的金屬板上的位置處開設圓孔9；負極板(正極板)排布方式如圖8所示，在負極金屬固定板5上焊接數個窄型負極板10，並在與流道對應的金屬板上的位置開設圓孔9。流動區和電場區的體積比為0.8，電場區的個數為4。如圖12所示為法蘭結構圖，法蘭4的結構是標準的工業設備用法蘭。它的尺寸大小適具體的管道尺寸而定。
按上述方法設計的管式連續靜電聚結器加工完成後，通過進料泵將原油以一定的流速由進料管道注入靜電聚結器，原油通過正極金屬固定板2上的圓孔9進入電場區並在電極板間流動。此時，乳化水受到電場力的作用而發生聚結沉降。然後，通過負極金屬固定板5上的圓孔9進入流動區後再次流入電場區。經過4個電場區後，幾乎全部的乳化水發生聚結沉降，油水分層，達到了分離的目的。脫水效率要比傳統電脫水器的脫水效率高11.5％左右。
實施例5：
操作方式及其他條件同實施例4，僅改變電場區個數為2。脫水效果不佳，未達到脫水原油的工業標準。
實施例6：
操作方式及其他條件同實施例4，僅改變電場區個數為3。脫水效率低於實施例42.2％左右，但仍能達到工業要求。
實施例7：
操作方式及其他條件同實施例4，僅改變電場區個數為5。脫水效率略高於實施例4。
實施例8：
其他條件同實施例4，僅改變電場區個數為6。脫水效率同實施例5無差異。
實施例9：
靜電聚結器結構如圖3所示，進料泵13、原油進口管道14、電場區17、流動區18、和淨化油出口管道15順次連接。其中，電場區17和流動區18由正極金屬固定板2和負極金屬固定板5分隔開來，交替排列。正極金屬固定板2上焊接數個正極棒11，並與相鄰的負極金屬固定板5上的負極棒12對插，形成電場區17。正極金屬固定板2和負極金屬固定板5通過法蘭4與靜電聚結器的殼體7密封連接。並在正極金屬固定板2與法蘭4和負極金屬固定板5與法蘭4之間分別加一絕緣層16，防止聚結器漏電。如圖9所示，電場區電極板排布方式三側視剖面圖：正四邊形的頂點位置和中心位置分別為兩端金屬固定板上電極棒焊接點。在與正負電極棒交錯排列形成的流道對應的金屬板上的位置處開設孔槽3。其中正極棒(負極棒)排布方式如圖10所示，在正極金屬固定板2上焊接數個正極棒11，相鄰兩層正極棒之間開設孔槽3；負極棒(正極棒)排布方式如圖11所示，在正極金屬固定板5上焊接數個負極棒12，相鄰兩層負極棒之間開設孔槽3。流動區和電場區的體積比為0.8，電場區的個數為5。如圖12所示為法蘭結構圖，法蘭4的結構是標準的工業設備用法蘭。它的尺寸大小適具體的管道尺寸而定。
按上述方法設計的管式連續靜電聚結器加工完成後，通過進料泵將原油以一定的流速由進料管道注入靜電聚結器，原油通過正極金屬固定板2上的孔槽3進入電場區並在電極棒間流動。此時，乳化水受到電場力的作用而發生聚結沉降。然後，通過負極金屬固定板5上的孔槽3進入流動區後再次流入電場區。經過5個電場區後，幾乎全部的乳化水發生聚結沉降，油水分層，達到了分離的目的。脫水效率要比傳統電脫水器的脫水效率高10％左右。