低温真空蒸馏深度处理老化油的工艺研究

常士龙

（利丰海洋工程（天津）有限公司，天津 300480）

老化油又被称作油田絮凝混合物、油水过渡层、乳化层等。因受到污染或者因为氧化等原因，老化油成分复杂，含有丰富的胶质、沥青质等，且黏度大、密度差小，是一层油包水（W/O）型稳定体系[1]。现阶段老化油脱除水分困难，现有工艺技术手段很不容易处理。如，目前老化油常规处理的回掺工艺技术，处理时间长，而且净化油的含水率也常不达标。然而，随着油田生产逐年进行，开采到地面相当一部分原油因各种原因转化为老化油，不仅占据了罐储的有效容积，增加了维护成本，而且老化油含水集输还会增加输量，加剧管道的腐蚀，对现有脱水系统也会造成影响。因此，老化油的处理迫在眉捷，亟需行之有效的处理方法，以实现石油石化安全生产和节约能源保护环境双赢效益。

1 影响老化油稳定性的主要因素

老化油介于上部油层和下部污水层之间，很难用沉降法分离。老化油乳状液的形成原因主要有污泥等机械杂质、回收油、化学药剂、细菌的影响，以及聚合物的作用等。老化油是由外层为W/O 型的乳化颗粒组成、分布在整个油水界面上、性质比较稳定的乳化体系。影响老化油稳定性的主要因素主要有以下几个：

1）温度。一般而言，随着温度的升高，油品中胶质等天然乳化剂的溶解度增加，也加剧了乳状液分散相的布朗运动，会破坏乳状液原有的稳定性，水滴在相互碰撞融合后会形成大液滴下沉。另外，温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，对老化油加热能使乳状液稳定性降低，利于老化油脱水。

2）界面张力。乳状液体系界面能很高，加入适当的表面活性剂，则可以降低界面张力，利于乳状液稳定。

3）界面膜性质。如果界面膜中吸附分子排列紧密，不易脱附，则能形成相当稳定的乳状液。如果在较高浓度表面活性剂下，此时形成的分子吸附膜强度增大，乳状液的稳定性也会增加。

4）界面电荷。电荷导致液滴间产生排斥力而防止液滴的聚结。乳状液的液珠上带电，如果乳化剂为阳离子型表面活性剂则油珠带正电，双电层的排斥力会使液滴分开。

可见，温度对乳状液稳定性影响最大，界面张力降低对乳状液稳定是一个有利但不是决定性因素，界面膜强度与紧密程度是乳状液稳定性的决定因素。

2 低温真空蒸馏处理工艺

2.1 基本原理

采用先三相离心脱水脱杂，后低温真空蒸馏深度脱水的老化油工艺思路。首先将老化油加入破乳剂和絮凝剂，应用高速卧式离心机，在离心力作用下，进行油水固分离，脱出一部分水和杂质。其次，老化油先后进入预热器和高效蒸发器，采用低温真空蒸馏进行脱水。其中，热源来自两部分，一是回用蒸汽用于预热器的换热；二是高效蒸发器采用导热油换热，导热油温度控制在150℃以内，蒸发器内操作温度控制在85℃以下，真空度10kPaA。

2.2 主蒸发器

本工艺利用的主蒸发器的主要原理及具体参数如下：

（1）停留时间。老化油是以乳化物存在，要使每一个乳化核内部达到汽化温度，需要一定的传热时间，所以老化油在蒸发器内的停留时间是关键，本设计停留时间不少于90min，确保乳化核内达到设计温度。

（2）自清洁功能。确保老化油在蒸发器中的自由流动，不结垢，蒸发器具有自动清垢功能。

（3）蒸发面积。留有足够的蒸发面积，确保有充足的热量补充，处理量能够实现放大。

（4）总传热效率。导热油在轴内有足够的流速，增加总传热系数，在中空轴和中空盘做特殊的导流设计。

（5）中空轴转速。薄膜蒸发的时间为2s，轴转速定为15r/min。

（6）液相防沸。在液相中加沸石（直径5mm 左右），控制液面波动[2]。

（7）蒸汽回用。主蒸发器产生的蒸汽回用，主要将潜热回收，用于老化油预热。根据老化油的含水率不同，利用一部分处理后的老化油的显热，ΔT=15℃左右。

（8）工艺耗能平衡。用导热油循环量补充热量平衡，保持系统操作的连续性。

2.3 工艺流程

老化油自原料罐泵入两级预热器。第一级：油/汽换热器，自主蒸发器产生的不饱和水蒸气经过蒸汽压缩机升温后作为预热器的加热介质，老化油加热至55℃左右。

第二级：油/油换热器，利用处理后的老化油作为换热介质，使老化油换热至65℃左右，进入主蒸发器。主蒸发器采用圆筒形卧式容器，蒸发器下部有液的外表面设导热油半管，用于老化油加热，容器腔内采用中空双轴盘式蒸发件，中空的轴及盘内部通导热油，用于老化油和蒸发需要的热量补充。导热油来自导热油系统。主蒸发器产生的不饱和蒸汽，经过蒸汽压缩机升温后，经过饱和水罐，进入第一级预热器，为老化油进行预热。冷凝的蒸汽冷凝水和少量轻烃，进入冷凝水罐，冷凝水罐采用氮封保护，污水进厂内污水处理系统，轻烃泵入厂内轻烃储罐。VOCs 经引风机引入厂内VOCs 处理系统。

处理后的老化油泵入老化油储罐。系统需要的冷却水、仪表风、氮气自厂内相应系统接入。具体工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程框图

3 工艺技术特点及参数

3.1 工艺技术特点

本装置为处理老化油装置，处理能力为1t/h。来自厂内老化油储罐的原料，泵入老化油预热器，两次预热至65℃左右，进入蒸发器进行低温蒸馏，脱水后老化油自流入老化油接收罐，然后泵入厂内原油储罐。自蒸发器内蒸发的蒸汽经过蒸汽压缩机升温后，经过饱和水罐，进入预热器加热老化油，换热后的冷凝水进入冷凝水接收罐，泵入厂内污水处理系统。真空泵接入蒸发器和分液罐，使两个设备处于真空状态下运行[3]。冷却水接入装置冷却水总管，用于蒸汽压缩机和真空泵冷却。氮气接入装置氮气总管，用于蒸发器轴封保护气，开停车系统惰化并兼作仪表风使用。工艺技术特点如下；

（1）防堵塞。采用改良型高效蒸发器，老化油在蒸发器内无死角的流动，不黏壁，不堵塞，蒸发器内不结垢，保持良好的换热。

（2）能耗低。产生的蒸汽压缩升温后全部用于老化油预热，充分利用蒸汽相变潜热。

（3）低温操作。系统内在真空状态下操作，降低整个系统操作温度。

（4）自动清泥功能。蒸发器内保持处理物流动性，配置清洁内件。

（5）处理效率高。应用特制蒸发器，换热面积大，换热效率高，处理量容易放大。

3.2 工艺技术参数

根据老化油的物理化学特性，采用真空蒸馏的总体技术方案，工艺技术参数如下：

（1）主蒸发器

①操作压力：10kPaA 设计压力：0～300kPaA。

②操作温度：85℃ 设计温度：170℃。

③停留时间：不小于90min（蒸汽器容积设计依据）。

④老化油进料温度：≥65℃；老化油出料温度（末端物料室）：85℃；（最佳蒸发温度在70～85℃）。

⑤导热油：135℃（进），125℃（出）。

⑥蒸发器顶端出汽口尺寸：DN800，高度：3 000mm。以防止液夹带为准。

（2）一级预热器

①老化油（管程）：操作温度：45℃（进），55℃（出）；操作压力：0.3MPaG。

②饱和蒸汽（壳程）：操作温度：90℃（进），80℃（出）；操作压力：0.2MPaG。

（3）二级预热器

①原料老化油（管程）：操作温度：55℃（进），65℃（出）；操作压力：0.3MPaG。

②处理后老化油（壳程）：操作温度：85℃（进），70℃（出）；操作压力：0.1MPaG。

4 工艺安全性及环境影响分析

4.1 工艺所用装置安全性分析

（1）机械密封泄漏风险。蒸发器轴与蒸发器本体有两处机械密封，首先设计上使机械密封端处于气相空间处，其次在外部采用氮气进行密封，密封压力设计为9kPaG 左右，两端压差控制在100kPa 以内。由于蒸发器是真空系统，如果有泄漏，氮气进入蒸发器，既不产生爆燃风险，也不影响工艺性能，并能够通过控制系统进行实时监测。

（2）轻烃风险控制。冷凝水接收罐布置在装置的上部，冷凝水自流入冷凝水接收罐，接收罐的液面上部有部分轻烃，轻烃定期外排，污水采用液位联锁外排，接收罐为微正压操作，采用氮封，防止氧气进入。并在冷凝水接收罐中部布置循环冷却水盘管，作为冷凝补充。多余气体（VOCs 和部分饱和蒸汽）自动排入厂内低压气系统或VOCs 处理系统。

（3）导热油泄漏风险。进入蒸发器中空轴的导热油，有两套旋转接头，采取必要的防泄漏保护和安全联锁措施。

（4）空气进入系统风险。所有老化油的主流程系统采用全流程无氧操作，避免形成氧气与油气的混合物及老化油二次被氧化的风险。

（5）高温风险。所有的产生高温设备及管道，均做防烫设计及保护设施。

4.2 环境影响分析

本工艺目标是将老化油破乳，含水率降为1%以内。工艺过程中产生的产物流向及处置：①处理后的老化油及轻烃。泵入厂内原油储罐和轻烃储罐。②废水。老化油产生的废水，含有机物，泵入厂内污水处理厂进行处置。③固废。脱水段工艺不产生固废，除杂流程可能产生的少量污油泥，与厂内产生的污油泥统一处置。④VOCs。本装置采用低温低能耗蒸馏工艺，装置运行过程中会产生VOCs。为了确保安全及稳定生产，工艺将系统产生的VOCs 接入厂内VOCs 处理系统（如果有）。⑤该系统三废均得到有效处置，新增设施不对环境产生二次污染。

5 结束语

综上所述，低温真空蒸馏深度处理老化油的工艺利用处理老化油装置，处理能力为1t/h，对老化油具有良好的处理效果，且此工艺具有较强的安全性及较低的环境影响，值得进一步研究及推广应用。