电化学除碳酸钙垢阴极表面脱垢工艺优化研究

成杰,张志浩,周友硕,童嵩林,刘建国,崔淦*

(1.长庆工程设计有限公司,陕西 西安 710016;2.中国石油大学(华东),山东 青岛 266580)

油田集输系统防垢工作的重要性日渐突出,近年来,电化学除垢技术因其环保、处理效率高、适用性广、操作简便等优点而备受关注,其能应对复杂多变的采出液成分且能大量去除成垢离子[1]。然而,电化学除垢技术面临的主要挑战是在长期运行过程中阴极上的积垢随着反应的进行,大量的沉积物覆盖在电极表面的活性区域,导致除垢效率降低、能耗增加,甚至导致阴极和阳极之间短路的风险,从而导致安全事故[2]。因此,及时清理阴极表面的水垢是至关重要的。

目前,常用的脱垢方法包括机械刮除、超声波脱垢和阴阳极反接脱垢。机械刮除法是指在阴极表面安装刮板或使用橡皮球清洗装置定期清洗极板,但是在极板之间安装刮刀增加了阴极和阳极之间的距离,不仅降低了反应器的空间利用率和除垢效率,还增加了极板之间的电阻,导致能量消耗增加[3]。超声波脱垢技术由于操作简单、自动化程度高、运行费用低、在线连续工作、工作性能可靠、效率高、无环境污染等特点[4],在油田生产中得到了广泛的应用。阴阳极反接脱垢法是指反转阳极和阴极的原始极性,实现水垢剥离,近年来,该方法引起了相当大的研究兴趣,该方法反应器结构紧凑、无需额外设备、脱垢效果好、操作简单[2]。

本文采用室内实验,分别研究超声波和阴阳极反接两种脱垢工艺效果,从脱垢效率、脱垢稳定性和安全性等方面进行综合分析与评价,以提出电化学除碳酸钙垢阴极表面脱垢工艺技术,为电化学沉积法去除油田采出液碳酸钙垢的技术推广提供支持。

1 实验试剂和装置

1.1 实验试剂

本次实验中所选择药品的等级和用量均按照SY/T 5673—2020《油田用防垢剂通用技术条件》的规定,如表1所示。

表1 主要试剂

1.2 超声波脱垢实验装置

超声波脱垢装置示意图如图1所示,实验仪器的主要参数见表2。信号发生器的主要作用是给超声波脱垢装置提供各种频率电信号;功率放大器的主要作用是将信号发生器输入的信号的功率增加到更高的水平,以便能够提供更高功率;功率计主要作用是测量电信号的有功功率;超声波换能器的主要作用是从功率放大器获得电能,然后将其转换成超声波。由于超声波的传播具有方向性,将超声波换能器安装在水槽底部[5]。将已经结垢的钛基镀钌铱挂片放入水槽中,超声波在不同频率、不同功率和不同反应时间下对挂片进行处理,观察其脱垢的效果。

图1 超声波实验装置组装示意图

表2 超声波实验仪器主要参数

1.3 阴阳极反接脱垢实验装置

反接脱垢装置主要由直流电源和水槽两部分组成,将已经结垢的钛基镀钌铱挂片放入水槽中,与电源正极相连,将表面光滑干净的钛基镀钌铱极板与电源负极相连。在不同电流密度、不同反应时间下对带垢极板进行处理,观察其脱垢的效果,反接脱垢实验装置组装示意图2,实验仪器的主要参数见表3。

图2 反接实验装置组装示意图

表3 反接实验仪器主要参数

1.4 脱垢效果评价

1)将除锈、打磨、冲洗、烘干、称量后的钛基镀钌铱挂片放入标准碳酸钙溶液中,恒温水浴锅温度设定为60 ℃,24 h后取出挂片,经恒温干燥箱风干后,称量并计算挂片的结垢量m0;

2)将结垢挂片放入原标准碳酸钙溶液中,超声波在不同频率、不同功率和不同反应时间下分别对挂片进行处理;阴阳极反接装置在不同电流密度、不同反应时间下对挂片进行处理;称量并计算超声波和阴阳极反接作用后挂片的质量m1;

3)脱垢效果采用质量差法,即脱垢率计算公式为:

式中:m0——超声波和反接作用前挂片的质量,g;

m1——超声波和反接作用后挂片的质量,g;

E——脱垢率,%。

2 实验结果和分析

2.1 超声波脱垢效果

2.1.1 超声波频率的影响

表4～表7分别为超声波功率为15 W、频率分别为20,25,28和40 kHz下的脱垢率,图3为不同超声波频率下的脱垢率对比图,图4为超声波脱垢前后实验结果图。由实验结果可知,在功率和反应时间相同的情况下,脱垢率随着超声波频率的增加先升高后降低,在频率为28 kHz时,脱垢率最大,脱垢效果好。这是因为,超声波频率增加,单位时间内超声波的交变次数越多,液体体系中的剪切效应增强[5];另一方面也有利于液体获得超声波中的能量,增强超声波的热效应,瞬间产生的高温降低空化阈值,利于空化气泡的形成,加剧空化效应的强度。但是频率过高,会影响超声波的空化作用,产生大量空化泡,形成声屏蔽,超声波的能量在传播过程中衰减快,热效应减弱,声波压缩相时间缩短,空化气泡来不及破灭,影响了超声波的传播,有效脱垢效果减弱[6]。

图3 超声波脱垢率与频率实验结果图

图4 超声波处理前后挂片实物图

表4 频率为20 kHz时超声波脱垢效果表

表5 频率为25 kHz时超声波脱垢效果表

表6 频率为28 kHz时超声波脱垢效果表

表7 频率为40 kHz时超声波脱垢效果表

2.1.2 超声波功率的影响

表8～表10分别为超声波频率为28 kHz、功率分别为15,30和45 W下的脱垢率,图5为不同超声波功率下的脱垢率对比图。由实验结果可知,在频率和反应时间相同的情况下,脱垢率随着超声波功率的增加而升高。这是因为,随着超声波功率的增大,超声波的机械作用和空化作用增强,声场中机械运动越激烈。同时,在空化阈值声强以上,提高声强,液体中空化作用得到加强,有利于增强脱垢效果[6-7]。

图5 超声波脱垢率与功率实验结果图

表8 功率为15 W时超声波脱垢效果表

表9 功率为30 W时超声波脱垢效果表

表10 功率为45 W时超声波脱垢效果表

2.2 阴阳极反接脱垢效果

表11～表13分别为电流密度为120,240和360 A/m2下的脱垢率,图6为不同电流密度下的脱垢率对比图,图7为阴阳极反接脱垢前后实验结果图。由实验结果可知,随着反接电流密度的增大,除垢效果逐渐增强,且脱垢速率逐渐增大。这是因为,当电流方向反转时,原先的阴极变成了阳极,从而发生了氧化反应并失去了电子,此时水解反应导致阳极表面产生大量氧气气泡且很难形成新的碳酸钙垢,从而在气泡的冲击下电极表层的垢层脱落。电流密度增大时,水解反应增强,气泡冲击增强,从而使脱垢速率增强[8-10]。进一步分析,360 A/m2的电流密度除垢速率过快,难以控制,且耗能可能多。综合脱垢效率及经济合理性可得,240 A/m2为最优反接电流密度,最优反接处理时间45 s。

图6 反接脱垢率与电流密度实验结果图

图7 阴阳极反接处理前后挂片实物图

表11 电流密度为120 A/m2时脱垢效果表

表12 电流密度为240 A/m2时脱垢效果表

表13 电流密度为360 A/m2时脱垢效果表

2.3 脱垢技术对比分析

选取脱垢效果最好的超声波和阴阳极实验结果进行对比,如表14所示。由实验结果可知:

表14 脱垢效果对比表

1)从稳定性来看,超声波脱垢刚开始脱垢速率大,但是随着时间的增加,脱垢率变化不大,在2 min时脱垢率仅有88.75%。阴阳极反接脱垢,虽然刚开始脱垢率低于超声波脱垢,但是其脱垢率随时间变化均匀,所以稳定性强于超声波脱垢;

2)从脱垢效率来看,阴阳极反接脱垢比超声波脱垢更彻底,在30 s时就已经将极板上的垢清理干净,即超声波脱垢的效率远低于阴阳极反接脱垢;

3)从安全性来看,超声波的空化作用会损伤极板表面的镀层,从而降低脱垢效率,甚至造成安全隐患,而阴阳极反接脱垢处理快且对极板无损伤,所以阴阳极反接脱垢的安全性强于超声波脱垢;

4)从操作与设备方面来看,阴阳极反接脱垢相较于超声波脱垢操作更简单,设备更紧凑且成本更低。

综上,从稳定性、脱垢效率和安全性等方面综合对比分析,阴阳极反接脱垢优于超声波脱垢,因此,将阴阳极反接脱垢作为电化学除碳酸钙垢阴极表面脱垢最优工艺技术。

3 结论

通过本文研究,主要得到以下结论:

1)超声波的功率、频率等均会对脱垢效果产生影响,相同频率、相同处理时间下,超声脱垢效果随超声波功率的增大而增强。在相同功率、相同处理时间下,随着超声波频率的增大,脱垢率先增大后减小,频率为28 kHz时脱垢效果最好;

2)阴阳极反接可以较好地脱除阴极板表面垢层。随着反接电流密度的增大,除垢效果逐渐增强,且脱垢速率逐渐增大。360 A/m2的电流密度除垢速率过快,难以控制,且耗能可能多。综合脱垢效率及经济合理性,240 A/m2为最优反接电流密度,最优反接处理时间45 s;

3)从除垢率和除垢时间综合对比分析了阴阳极反接和超声波除垢效果,推荐将阴阳极反接作为电化学除碳酸钙垢阴极表面脱垢最优工艺技术。