一、概述

全球经济活动推动着石油需求的不断增长。目前对以往无开发价值的陆上和浅海小型油藏或品质差的油藏也进行了开发。据估计，世界可采储量的15%是由重油组成的。然而到目前为止，这些油藏因为可采潜力、储运等原因没有得到开发。

尽管近来发现了轻质和中等黏度的油藏，但重油和酸性油在世界原油总产量中的比重在不断增长。要改善这些油藏的开发效果必须依靠技术进步，这就意味着要寻找经济可行的除硫、除水、除盐和清除杂质的工艺，以及降黏、降低原油相对密度的方法来提高原油的品质。

由于化学组成的原因，重油黏度高，易乳化，通常悬浮固体杂质。有些API重度值小于22.3的重油流动性非常差，需要加热或稀释才能流向井筒或通过管线输送。

二、传统的原油脱水工艺

在炼化变成石油产品之前，原油中富含的水和固体杂质必须除去以满足管线输送的需要。同时这也是管线防腐和下游生产工序的需要。因此，水和固体杂质的含量直接影响着原油的价格。

原油脱水一般是在采油集输现场完成的。原油提炼之前需除去其他杂质如硫、重金属、蜡等，而这些工序是在炼厂完成的。

在典型的原油脱水过程中，来自生产井的原油首先进入初级分离阶段，将大部分的气体和游离水除去。然后通过加热对乳化油破乳进行二次分离，在二次分离过程中，某些束缚气、水和轻质油挥发出来。在进储油罐之前对净化油进行冷却，这个工序的目的是防止储油罐腐蚀和发生剪切破坏，并减少轻质组分的气体压力。

重质油脱水过程中存在很多难题，主要是API重度值低、黏度高、原油乳化和含油相对较高的固体杂质。所有这些问题必须要采取有效的措施加以解决，才能获得满足输送条件的原油。

三、沥青油砂矿离心脱水工艺

沥青油砂矿是重质油的另一个重要来源。由于轻质油储量的不断减少，重质油的开采变得越来越经济可行。加拿大Athabasca油砂矿估计拥有1.6×1012～2.5×1012bbl（1bbl=0.159m³）的原油储量，这是沙特阿拉伯常规原油储量的5倍多。

油砂矿开发面临的首先是开采问题，其次是炼厂炼化问题。沥青质原油是一种高粘度的重质原油，它的API重度值约为8。沥青质原油必须要进行处理以便于管线输送和普通炼厂的炼化。另外，由于沥青质原油高密度、高粘度的特性，原油脱水也存在问题。砂粒和氯化物也会使设备腐蚀和磨损。

加拿大Syncrude公司开发了一种利用蒸汽、热水和烧碱从油砂中采油的新工艺。该工艺将生产井产出的泥浆状混合物泵入分离器，在分离器内添加石脑油以便使沥青变为泡沫浮在表面。接着使用离心分离器在腐蚀的恶劣工况下对大量的沥青泡沫进行处理，从而达到除去泡沫中水和固体杂质的目的。进入初级离心器的混合物是由60%的稀释沥青、30%的水和10%的固体杂质组成。经过末级离心处理后只含有不到0.6%的固体杂质和不到2%的水，从而使处理后的氯含量较低，避免了对下级处理设备的腐蚀。

四、重油脱水难点和方向

4.1 乳化

乳化通常是指水和固体杂质包含在油里，并以乳状液的形式稳定存在着。按照这个定义，乳状液是由两种互不相溶的液相组成的，一种液体分散在另一种连续的液相里。例如，乳状液可能是以水包油或油包水形式存在。分散作用更为广泛的定义也包括悬浮作用（如固体颗粒分散在持续的液相中）。

重油生产、输送和处理过程中总是存在着水相和油相。所形成的稳定的乳状液从原油处理和产品质量的角度来说是不受欢迎的。

当原油和水通过油层孔隙渗出时，原油乳化就开始了。这是在高温、高压的条件下发生的。由于油水混合物通过管线和阀门时存在压力梯度，因此从井口到管汇进行处理的过程中通常要经历一个大的压降。这样原油在经过地表设施、管线输送系统和炼厂时得到了进一步乳化。

原油组成尤其是原油中富含的表面活性分子是原油乳化存在复杂性的重要原因。这些物质是天然的，依靠在油水界面形成障碍阻止水滴的凝结从而加强了乳状液的稳定性（凝结是液滴聚集形成大液滴的过程）。

更为复杂的是原油乳状液中还含有固体和气体。因此，掌握乳化和破乳的化学知识对于生产过程的改善和控制是完全必要的。

4.2 乳化剂的性质

乳化剂的性质是复杂的。例如，重油中含油大量的沥青质（沥青质是高分子强极性化合物，是天然的乳状液）。

原油中其他成分也具有表面活性，如树脂、脂肪酸（环烷酸）、卟啉和石蜡。一般它们本身不能形成稳定的乳状液，但通过与沥青质的结合能影响乳状液的稳定性。

树脂是由极性分子组成的，经常含油氮、氧、硫等异质原子。树脂可以溶解原油中含油的沥青质并将其从油水界面上转移，从而影响乳状液的稳定性。环烷酸也具有类似的作用。某些天然生成的脂肪酸对乳状液的稳定性也具有一些影响。

石蜡是一种饱和烃类化合物，可在油水界面上产生共吸附，从而提高乳状液的稳定性。在原油中含有石蜡的微晶体，并含有二氧化硅、砂子、泥土和氧化铁颗粒。这些微粒是天然亲水的，但在含水原油中长期暴露会发生转向变为亲油的。减小这些亲油微粒的尺寸也会增加油包水乳状液的稳定性。如果有大量的沥青质存在，同时含油微粒和沥青质的乳状液比只含有沥青质的乳状液稳定得多。

4.3 影响脱水效果的因素

许多分离技术的依据是两种要分离成分的互不相溶性及其之间存在的密度差。

Stoke公式描述了在重力作用下液体介质中固体颗粒或液滴的分离速度。由Stoke公式可见，分离速度是一个函数，它不仅与密度差有关系，而且与颗粒的尺寸、液相的黏度有关系。液滴或颗粒的尺寸对分离的影响尤为显著，因为分离速度随着液滴或颗粒尺寸的增长呈指数增长。保持高温、降低黏度也是除去原油中水和固体杂质的有效措施。

4.4 重力脱水转向离心力脱水

虽然各个油田的脱水工艺不尽相同，但传统的原油脱水和除盐方法通常是采用几个按序放置的大型沉降罐，再采用静电凝结过滤器做处理。在经过以上工艺后原油含水会降到0.5%以下。在稳定的乳状液存在的情况下，要达到满意的脱水效果，必须采取加热、添加化学剂等措施，并要等待较长的一段时间。

由于传统的静态脱水系统依靠密度差实现原油沉降脱水，当原油密度变大时，就需要大量的分离设备和系统处理时间。就这点来说，浅海油田采油平台由于载荷和空间的限制，重油脱水工艺的要求更高。

原油乳化和高粘度使以重力脱水设备为基础的原油脱水工艺变得更为复杂。结果是，尽管在上游采用了昂贵的重型处理设备，但仍难交付满足炼化需要的原油，这些原油只能贱卖。并且，静电凝结过滤器处理含税5%以上的原油由于消耗大量的电能一般很不经济，同时耗电量随着水含量的增多而增加。

由于分散在原油中介质颗粒较小，可以采用离心机分离工艺进行有效的分离。离心机的基本原理是通过旋转、加速运动使流体产生较大的离心力，依靠离心力实现对流体的分离。采用离心机可提高分离速度几千倍，结果微米级的颗粒和水滴也可以分离出来。

五、离心机

利用碟式离心机，不需要添加大量化学剂，API重度值低达11.5的重油可获得有效处理，满足管线输送的需要。碟式分离机具有分离效率高、结构紧凑的优点，也适宜于空间和载荷有限的浅海采油平台上应用。

可采用碟式离心机对裹携大量固体颗粒的高粘原油进行处理。间歇排液式离心机不适用于原油脱水，因为它处理能力有限，满足不了现场生产的需要。

5.1 离心机的结构

在碟式离心机中，原油的处理是依靠在转鼓中产生强大的离心力实现的。转鼓内部是由一组互相套叠在一起的圆锥形碟片组成，并形成分离区域。虽然作用时间只有几秒，但由于离心力的作用能产生非常好的处理效果。离心机的分离处理速度是重力分离速度的几千倍。

下面对离心机的工作原理进行介绍。液体通过进料口、进料区和过流通道被引入旋转离心机转鼓内的分离碟片组，固体颗粒或液滴在离心机作用下沉降到碟片上并沿碟片表面向转鼓周围滑动，固体颗粒或液滴不断地流向转鼓内表面并在转鼓排出管中收集，然后通过喷嘴排出。净化油通过分离碟片向转鼓中心移动并通过内置向心泵入排料口。

传统的观念认为碟式离心机的作用同斜板沉降罐的作用是相同的，不同的只不过是强大的离心力取代了重力。然而研究表明，碟式离心机中液相的流态和分离过程根本不同于斜板沉降罐。液相的流态与碟片组合碟片组中分配液相的几何空间有密闭的关系。

5.2 进料区

将来液在瞬间充分加速旋转并尽量减少剪切、破裂的发生和泡沫的产生，阻止由于更小颗粒的形成而促进了来液的乳化，这是进料区结构设计的一个关键性因素。

利用在进料区互相套叠在一起的碟片即采用所谓的碟式进口，进入的流体介质经过轻微加速，不会形成大的飞溅和泡沫。非旋转的流体向上移动进入碟片组和进料管之间的间隙，接着向碟片组外围移动（采用的碟片数量取决于离心机的设计要求，低流速度要求碟片数量少，高流速要求碟片数量多）。这样因为液滴和颗粒污染物没有分解从而提高了分离效率，并且束缚在液体中的气体也较少。

5.3 脱水优化

前面已经讨论了原油脱水存在的主要问题：油水密度差小，原油黏度高，液滴和固体颗粒尺寸小，以及稳定乳状液的存在。

因此在对原油脱水实施优化过程中必须要考虑其他参数。一个原油脱水系统必须要适应不断变化的来液需要，并保持较好的脱水效率。喷嘴碟式离心机可很好地满足这种需要。

在转鼓中液态水作为密封可阻止原油流失到水相中。要获得理想的分离效果，必须保持油水界面在合适的位置，这样要对现有的分离区域进行优化。

油水界面的位置可以通过改变转鼓内油相、水相之间的压力平衡来实现。因此不管来液流速多少，可用底部大量的缓冲水平衡组成不断变化的来液保持油水界面在合适的位置，从而避免油相流失到水相中，获得符合管线输送条件的原油。

要保持油水界面在合适的位置，不需要在来液中掺水。在来液中掺水促进了原油乳化，是非常有害的。实际上，不管流速多少，在配水腔中保持水相在一定的位置是较好的解决方法。在配水腔里旋转的流体进入一个内置向心泵获得一定的泵压。排水管出口管线和2个高度灵敏的恒压调节阀相连，保证了配水腔中压力处于恒定的水平。这些结构设计确保了在转鼓中可实现稳定的油水界面。

不管来液含水多少，通过调节阀进水和排水保证了喷嘴始终处于充满水的状态。如果来液含水满足不了喷嘴的需要，通过调节阀进水可满足需要；如果来液含水过多，超过了喷嘴的需要，过量的水将被排出。

六、结论

由于重油的固有特性，技术的新进展使重油开发经济可行。随着市场需求的不断发展，越来越多的近海采油平台的建设以及原油开采的高成本，石油工业对处理复杂重质原油的脱水设备的依赖越来越强。特别是操作空间的限制和工艺稳定性的要求，近海重油开采过程中原油脱水工艺要求较高。

重油脱水面临许多问题。由于天然乳化剂如石蜡、沥青质、固体杂质的存在，重油容易形成乳状液。稳定乳状液中液滴或颗粒非常小，在经过很长一段时间后才会发生凝结和分离。

原油含水和乳化程度影响着原油黏度。原油黏度越高，脱水效率越差。当原油密度增加接近于水时，传统的静态脱水系统如沉降罐和电脱水器效果很不理想。即使采取加热和添加化学剂措施，脱水原油的品质也不能满足炼化的需要。因此，随着开采的原油API重度值的不断减少和黏度的不断增加，传统工艺脱水效率会不断变差。这些都驱动着要寻找高效破乳、高效脱水的原油处理工艺。

碟式离心机是一种高效的脱水设备，应用于原油脱水，并且具有可靠性高的优点。例如，在中质和重质燃料油生产现场，利用成千上万的碟式离心机来达到原油脱水和除渣。此外，喷嘴碟式离心机在沥青油砂矿用于原油脱水也已二十多年了。沥青油砂矿原油脱水对离心机的可靠性、固体杂质的处理效率以及抗磨损性的要求更为苛刻。

因此，喷嘴碟式离心机是原油脱水的首选。喷嘴碟式离心机可处理固体杂质，具有脱水效率高、在线可控制的特点。