电脱水、电脱盐

第四节 电脱水、电脱盐工艺设计

一、 原油脱水和脱盐的目的及标准

1. 原油脱水和脱盐的目的和方法

在石油开采过程中，通常从地下采出的原油含有水或盐，并随着开采年限的增加与注水开发，油井产水量也会不断地增加直到开采失去经济价值而废弃该油井。如果在生产过程中原油不进行脱水处理，一方面含水量较高会增加原油在生产、储存和运输等过程中设备容量，增加了开发过程中的成本；另一方面不能满足用户对含水量要求。如果达不到用户的要求，就会降低原油的销售价格或失去该原油产品的市场竞争力。脱水的最终目的是分离出油水混合液中的污水及杂质，以获得合格的商品原油，达到原油销售的含水标准。

常见的原油脱水的方法主要有：重力沉降、加热沉降、化学脱水、电脱水与电化学脱水等。这几种脱水方法在海上油田开发中均被采用，大多数的情况下是两种或以上的方法组合使用。具体采用何种流程和方法可根据油品性质、含水率及乳化程度、油田工程方案具体情况，通过试验及技术经济对比确定。由于电化学脱水具有破乳能力强，脱水效率高，占地面积小等特点，在海上油田中得到了广泛的应用。

原油含盐量过高不仅会增加原油在处理、运输和储存过程中设备或管道的腐蚀，更重要的是对下游炼油厂来说，含盐量过高不能进入炼厂进行直接加工炼制。一般情况下，炼厂在买入原油时要规定原油含盐量指标。在工艺设计过程中，应根据原油中的含水量和水中的含盐量，计算确定最终原油中的含盐量是否低于规定的指标，如果不能满足要求，则应采取经济有效的工艺方法，使原油中的含盐量低于规定的指标。

脱盐工艺主要利用原油中的盐易溶解于淡水中的原理，采用淡水“冲洗”含盐原油的方法。由于原油中盐溶于水中，在脱水的同时也脱除了大部分的盐。原油含水量减少，盐含量也相应地减少，并最终能满足用户要求。从理论上看，原油产品含水量越低，则其含盐量就越小；冲洗后水中盐浓度越低，则其含盐量就越小。所以，对于含盐原油脱水越干净，冲洗水及冲洗次数越多，最终原油含盐量越低，但这会大大增加生产成本，一般会考虑采用最经济的工艺处理方案达到能满足用户需要即可。

2. 原油脱水和脱盐的标准

按我国现行的石油天然气行业标准《原油电脱水设计规范》（SY/T 0045-1999），对脱水原油的水含量标准按轻质原油（20℃时，密度小于或等于0.8650g/cm3）、中质原油（20℃时，密度为0.8651~0.9160g/cm3）、重质原油（20℃时，密度为0.9161~0.9960g/cm3）分为三个等级标准，即为：对于轻质原油的脱水原油，其含水量指标应小于或等于0.5%（质量）；对于中质原油的脱水原油，其含水量指标应小于或等于1%（质量）；对于重质原油的脱水原油，其含水量指标应小于或等于2%（质量）；但按照1988年石油行业颁布的出矿原油技术条件（SY

7513-88），石蜡基原油含水量不大于0.5%（质量），中间基原油不大于1.0%（质量），环烷基原油不大于2.0%（质量）。国际上每个国家或企业也有各自不同的等级标准。

原油脱盐的目的是分离出原油中的盐杂质，降低原油中盐含量以获得合格的净化商品原油，满足用户要求，同时脱盐与脱水往往是同时进行的，而脱水/脱盐后原油含盐量的多少以及是否需要脱盐工艺要根据具体用户或消费者而定。美国雪夫龙石油公司编制的《海上油气田工程设计实用手册》中提到大多数炼厂购买的原油中含有10PTB（0.028 kg/m3）至20PTB（0.057 kg/m3）的盐，而将此种原油注入原油蒸馏釜前需进行脱盐处理，使其含盐量降至1 PTB（0.003 kg/m3）至5PTB（0.014 kg/m3）。

目前原油脱盐还没有形成统一的国际规定，但是我们可以根据相关的石油行业标准中关于合格原油的定义来确定。通常我们认为合格原油的含盐量标准为：含盐量小于57mg/L（相当于0.057kg/m3）；国际上通常将原油的含盐量小于20 PTB（0.057 kg/m3）作为合格原油的含盐量指标，但该含盐量指标是一个参考指标，具体是否需进行脱盐工艺需结合原油含水和水中含盐量具体确定。

上述标准是在工艺设计时或在前期研究阶段应予遵循和考虑的，但在工艺方案的最终确定阶段，应与原油销售部门紧密结合，根据原油的销售去向和用途，共同确定经济合理、适合原油特性的处理指标。

二、 原油电脱水和脱盐的机理

1. 原油电脱水的机理

电脱水的过程也就是乳化原油在高压电场力（交、直流电场）的作用下经过破乳、聚结、沉降，使原油与水分离的过程。其基本原理是破坏乳化液油水界面膜的稳定性，使其破裂，促进水颗粒凝聚成大水滴，借助油水密度差将水从原油中沉降下来。电脱水器聚结段的有电栅极可诱导水滴间偶极子的吸引，从而增加它们足够大的相互碰撞机会而达到聚结的目的。具体机理是将原油乳状液置于高压直流或交流电场中，由于电场对水滴的作用，使水滴发生变形并产生静电力。水滴变形可削弱乳化膜的机械强度，静电力可使水滴的运动速度增大，动能增大，促进水滴碰撞，而碰撞时其动能和静电力位能便能够克服乳化膜的障碍而彼此聚结成粒径较大的水滴，在原油中沉降分离出来。

水滴在电场中聚结主要有三种方式，即电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结。

1) 电泳聚结

根据异性电相吸引的原理，在直流电场中，水滴移向与其本身电荷电性相反的电极，此现象称为电泳。由于原油中各种粒径水滴的界面上都带有同性电荷，故原油乳状液中全部水滴，将以相同的方向运动。

在电泳过程中，水滴受原油的阻力作用产生拉长变形，并使界面膜机械强度削弱，同时因水滴大小不等、所带的电量不同和运动时所受的阻力各异，故各水滴在电场中运动速度不同，水滴发生碰撞，使削弱的界面膜破裂，水滴合并增大，从原油中沉降分出。未发生碰撞合并或碰撞合并后还不足以沉降的水滴将运动至与水滴相反的电极区附近。由于水滴在电极区附近密集，增加了水滴碰撞合并的机率，使原油中大量小水滴主要在电极区附近分出。电泳过程中水滴的碰撞、合并称为电泳聚结。

2) 偶极聚结

在高压直流或交流电场中，原油乳状液中水滴受电场力的极化和静电感应，使水滴两端带上不同极性的电荷即形成诱导偶极。因为水滴两端同时受正负电极的吸引，在水滴上作用的合力为零，水滴除产生拉长变形外，在电场中不产生像电泳那样的运动，但水滴的变形削弱了界面膜的机械强度，特别在水滴两端界面膜的机械强度最弱。原油乳状液中许多两端带电的水滴像电偶极子一样，在外加电场中以电力线方向呈直线排列形成“水链”，相邻水滴的正负偶极相互吸引，电的吸引力使水滴相互碰撞，合并成大水滴，从原油中沉降分离出来。这种聚结方式称为偶极聚结，偶极聚结是在整个电场中进行的。

3) 振荡聚结

在工频交流电场中，电场方向每秒改变50次，水滴内各种正负离子不断地作周期的往复运动，使水滴两端的电荷极性发生相应的变化。离子的往复运动使水滴界面膜不断的受到冲击，使其机械强度降低甚至破裂，水滴相撞而聚结成大水滴，从原油中分离出来。这种聚结方式称为振荡聚结，振荡聚结是在整个电场中进行的。

原油乳状液在交流电场中，水滴以偶极聚结和振荡聚结为主；在直流电场中，水滴以电泳聚结为主，偶极聚结为辅。

过高的电场强度还会使水滴发生电分散作用，即由于水滴偶极矩的增大，其变形加剧，椭球形水滴两端受电场拉力过大而导致分裂。当电场强度大于4.8kV/cm时，将有电分散发生。电分散时的电场强度与油水间的界面张力有关，因此任何使油水界面张力降低的因素，如脱水温度的增高，化学破乳剂的使用，均导致电场对水滴的相对作用增强，使产生电分散时的电场强度值降低。

电脱水和脱盐所使用的电场包括交流（AC）、直流（DC）和交直流电场，表2-3-21是三种电场的适用条件、工作方式和优缺点情况比较；图2-3-36 是直流电和双电场脱水的供电示意图。

原油乳状液采用电破乳方法脱水时，应充分利用化学破乳剂的作用，提高脱水效果。由于各种原油性质不同，其形成乳状液性质也不同，需要选择不同品种的化学破乳剂与之相匹配才能有较好的破乳效果。选择破乳剂的品种和用量应通过室内破乳剂试验和现场工业试验，根据成本和效能合理的原则确定。

2. 原油脱盐的机理

原油脱盐通常采用水洗的方法。原油脱盐的机理是利用盐易溶解于水的特点，用淡水稀释原油中的盐分，使得水中含盐浓度降低，再经过脱水后，残留的水中盐的浓度也较低，从而达到所规定的要求。由于盐基本上以伴生水的溶解盐形式出现，因此原油的最终含盐量可以通过原油所含水量和剩余水中的含盐量多少通过公式计算来确定。 表2-3-21 AC、DC和交直流电场的技术特征

电场 适用条件 工作方式 优点 缺点

AC电场 处理较高含水原油和处理集结在油水界面附近的大颗粒水珠 以偶极聚结和振荡聚结为主 水滴界面受到的振荡力较大，使脱出水清澈，水中含油率较少；电路简单，无需整流设备；电流方向频繁变化，电解反应是可逆的，而且带电颗粒移动受到抑制，与设备难以形成金属/电解液回路；不会造成设备腐蚀。 脱水后其净化有含水率较高；施加于电极上电压每一个周期内只有两个瞬间使电场强度达到最大值，故其效率较低；原油乳状液的处理量较低；水滴容易排列成许多水链使电场发生短路，操作不稳定；单位原油乳状液的耗电量高

DC电场 处理含水率较低的原油乳状液 以电泳聚结为主，偶极聚结为辅 电场方向不变，带某种电荷的颗粒会向其相反极性的电极移动，带不同电荷的颗粒的运动就会形成逆向移动，发生碰撞并聚结的机会多，脱水效果好，适合处理较小的水颗粒 由于电场方向不变，设备与带电液体间形成金属/电解液回路，电解反应是不可逆和连续的，设备很可能因腐蚀而严重破坏

交直流双电场 在含水率较高的脱水器中下部建立交流电场；在含水率较低的脱水器中上部建立直流电场 电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结，双电场脱水法能提高净化原油的质量 扩大了原油种类处理范围；脱水深度高于单一的电场脱水深度；增加了颗粒结合反应机会，相对来说，增加原油处理量；加强破乳化水薄膜的力度；在处理不稳定时，至少保留AC电场的作用；由于AC电场存在于电极板与整个罐体之间，形成对罐体的电化学腐蚀的保护 当处理不稳定时，会失去DC电场作用

图2-3-36 直流电和双电场脱水的供电示意图 （a） 直流电脱水的供电 （b）双电场脱水的供电

KG-调整初级线圈电压的可控硅 B-脱水变压器 ZL-整流硅堆 TS-脱水器

三、 原油电脱水和脱盐工艺参数的确定

电脱水器和电脱盐都是油气水处理系统中的重要设备，在常规工艺中，它们是两个独立的处理系统，分别完成各自的电脱水和脱盐任务。电脱盐工艺要增加一套原油与淡水混合设备，该设备的作用是加入淡水去“冲洗”原油，便于淡水吸收原油中的盐。

1. 原油电脱水主要工艺参数的确定

原油电脱水主要工艺参数包括：操作温度、操作压力及乳化原油的停留时间、功率等。在设计时应考虑以下几个方面：

1) 原油电脱水工艺适宜处理含水小于30%的原油。如果原油乳状液的含水率太高，例如超过40%~50%时，由于乳状液电导率的上升，不易维持稳定的电场，使脱水质量急剧降低，严重时会产生电击穿，使电脱水器操作不稳定，造成事故发生。因而，对高含水率原油乳状液往往采用二段脱水，即先用沉降或热化学脱出部分的水后再进电脱水器进一步降低原油含水率。