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海上钻屑脉冲热驱脱油技术与脉冲管洗涤器

关键词海上钻屑 / 脉冲管洗涤器 / CFD / 过程模拟

摘要

本文针对海上钻屑处理的特殊性，提出了海上钻屑脉冲热驱脱油技术。其总体方案为：以轻质溶剂稀释和清洗岩屑，再将重质油(油基泥浆)与轻质溶剂分离，重质油可汇入振动筛下钻井液，溶剂循环使用。岩屑中所含轻质溶剂以高温干燥方式驱除，使岩屑中不含油与溶剂，可抛海处理，干燥出来的溶剂循环使用。该方法可在钻井平台的限定范围内安全进行，并达到环保排放标准，且经济效益显著。利用HYSYS化工流程模拟软件对提出的多个可行工艺方案进行了模拟计算，对海上钻屑脉冲热驱脱油技术中各工艺设备的物流与热力学参数进行了评价。从工艺的可实施性、耗能及技术...展开 本文针对海上钻屑处理的特殊性，提出了海上钻屑脉冲热驱脱油技术。其总体方案为：以轻质溶剂稀释和清洗岩屑，再将重质油(油基泥浆)与轻质溶剂分离，重质油可汇入振动筛下钻井液，溶剂循环使用。岩屑中所含轻质溶剂以高温干燥方式驱除，使岩屑中不含油与溶剂，可抛海处理，干燥出来的溶剂循环使用。该方法可在钻井平台的限定范围内安全进行，并达到环保排放标准，且经济效益显著。利用HYSYS化工流程模拟软件对提出的多个可行工艺方案进行了模拟计算，对海上钻屑脉冲热驱脱油技术中各工艺设备的物流与热力学参数进行了评价。从工艺的可实施性、耗能及技术性能指标情况综合考虑，确定了最佳工艺流程方案。最终流程方案中，整个工艺过程的能耗为300kW/h，溶剂消耗量为12kg /h。针对钻屑洗涤工艺过程，开发了新型混合洗涤设备-脉冲管洗涤器，并用Fluent6.2提供的欧拉多相流模型和RNG k-ε湍流模型对其进行了液固两相湍流流场的数值模拟。分析了脉冲管洗涤器内的流场和颗粒的运动情况。并对其性能进行了实验测试。结果表明：脉冲管洗涤器特殊的结构设计，增强了管内流体的湍动，增加了颗粒的停留时间，从而提高了混合洗涤的效果。对精馏过程进行了实验测试。测试结果表明：岩屑洗涤后的溶剂跟油基泥浆混合液可以顺利通过精馏过程分离。对精馏分离前后的油基泥浆和溶剂的色谱分析测试结果表明处理前后油基泥浆的成分基本没有变化，可以返回钻井过程循环使用；溶剂也可循环利用。经国家海洋局北海监测分局的检验结果表明：由实验得到的样品中钻屑中的含油量降至0.12％(重量百分比)，生物毒性检验达标。目前国际上规定的钻屑可排海的最低含油量指标为1％。

1．1研究开发的总体思路

对含油岩屑组成进行分析化验，经充分调研、实验室实验和过程模拟计算与优化后，提出以下处理方案：以轻质溶剂稀释和清洗岩屑，再将重质油(油基泥浆)与轻质溶剂分离，重质油可汇入振动筛下钻井液，溶剂循环使用。岩屑中所含轻质溶剂以高温干燥方式驱除，使岩屑中不含油与溶剂，可抛海处理，干燥出来的溶剂循环使用。

2．4 T艺1.2过程与主要设备

油基泥浆的粘度大、粘附性强、岩属粒度细，故难以用机械的方法脱除。用 轻质溶剂四次洗涤后，可将岩屑粘附的油基彻底洗脱下来。但还需解决以下几方 面及相关工程技术问题。1．2．1岩屑的洗涤分离

本方案采用逆流四级洗涤工艺洗涤岩屑。由干燥机和溶剂分离塔分离下来的 轻质溶剂作为最后一次洗涤的清洗液(四次洗涤液)，四次洗涤液与岩屑分离后 进入三级洗涤过程作为三次洗涤液，再与岩屑分离后作为二次洗涤液，二次洗涤 液与岩屑分离后作为一次洗涤液。一次洗涤液与岩屑分离后进入油基与溶剂分离 塔。其洗涤流程见图2—

3。

考虑到每次洗涤后的混合液中含砂量大，不能用泵输送。由振动筛来的物料 先用螺杆泵推入一级脉冲管洗涤器底部，脉冲管靠流动中管道的不断收缩扩张使 液固充分混合并完成洗涤，物料从顶部流出返转向下进入l。卧式螺旋卸料沉降离 心机，1“卧式螺旋卸料沉降离心机将岩屑与溶液分离，出液直接进入溶剂分离塔，岩屑由螺杆泵送入二级洗涤管底部，由二次洗涤液冲散带起洗涤，洗涤管顶部出 青岛科技人学研究生学位论文

料进lo旋流器将岩屑与液体分离，液体作为一次洗涤液，岩屑由螺杆泵送入三级 洗涤管，重复上述步骤进行三、四次洗涤，四次洗涤管顶部出料直接进入2“卧式 螺旋卸料沉降离心机，将岩屑与溶剂分离，岩屑与溶剂分离后，带溶剂岩屑进入 双螺旋连续干燥机，驱除溶剂。分离出来的液体作为四次洗涤液。经四次洗涤后，岩屑中所含的油基量已降至每吨0．2kg以下。中间洗涤过程的示意图见图2-4。如此设计的目的是岩屑与液体混合后的混

合液均可不经溶剂泵，直接进入卧式螺旋卸料沉降离心机或旋流器。旋流出来的 液体中仅含lO／lm以下岩屑可用泵输送，为下一次洗涤和油砂分离过程提供动力。洗涤过程所采用的旋流器，为本方案设计者开发的专有技术Or,型旋流器。脉冲管洗涤器为设计者开发的专有技术，其特点是不用搅拌，靠管道的扩张 与收缩完成混合与洗涤过程。

图2-4中间洗涤过程示意图

Fig 2-4 schematic diagram ofmiddle countercurrent abstersion 为防止大颗粒进分离塔及尽量降低进干燥机的含溶剂量，本设计方案对四次 和一次洗涤后的液固分离采用卧式螺旋卸料沉降离心机。卧式螺旋卸料沉降离心 机可以对粒径几微米至3毫米范围内固体颗粒的悬浮液进行浓缩、脱水或分级分 离。

1．2．2油基与轻质溶剂的分离

轻质溶剂若不能被分离出来循环使用，则处理过程的成本太高。实验测试了

油基的恩氏蒸馏曲线，由实验数据分析，油基的基本物料是由40％的轻柴油和60％ 的重柴油混合而成。考虑到溶剂回收问题，在选用溶剂时应选择低沸点物系，以 有利于与油基的分离，但溶剂应是无毒的，且处理过程必须考虑分离设备的安全

性。本方案所用的溶剂为无毒溶液，沸程在90一130℃左右，很容易与油基分离。进入油基与溶剂分离塔的混合液中含砂量大约在lO～20kg／m3，其粒度均在39in 海上钻屑脉冲热驱脱油技术的过程评价与脉冲管洗涤器研究

以下。分离塔分两段：下段提馏段、上段精馏塔段。经计算分离仅需5块理论板，考虑到塔釜和塔顶冷凝器各相当于一块理论板，实际塔板板效率在0．5～0．8，若 取板效率为0．5，则只需要设置6块浮阀塔盘，上段二块、下段四块。为进一步 降低塔高，下段改用填料塔，将进料板改用穿流筛板，同时作为填料塔的液体分 布器。为预防岩屑堵塞，填料用125X型板波纹不锈钢填料。塔高5m，塔径约为 西500，塔外另设再沸器，再沸器用电加热，由泵实现与塔底液之间的快速循环，以防止油品局部过热，使油品产生裂化结碳。再沸器加热功率约为83kW，其外

形尺寸大致为m800x2000。操作时，塔顶压力为0．12MPa，塔底压力为0．125MPa。1．2．3岩屑中轻质溶剂的驱除

将岩屑中的油基用轻质溶剂洗涤下来以后，岩屑中仍含有lOOkg／t岩屑左右 的溶剂，要达到将岩屑达标排海的目的，这部分溶剂必须去除。驱除溶剂不能采 用热空气汽提。原因是；热空气虽然能将溶剂驱除干净，但在一定温度下空气和 溶剂混合易产生爆炸的危险，而且汽提后，空气与溶剂的分离需深度冷冻(约 ．50℃)，难以实现。本方案采用蒸汽间接加热干燥方式的双螺旋连续干燥机驱除 溶剂。岩屑由输送机械送入双螺旋连续干燥机。双螺旋连续干燥机由互相啮合的 两根叶片轴、带有夹套的w型壳体、机座以及传动部分组成，岩屑的整个干燥过 程在封闭状态下进行，有机挥发气体及异味气体在密封氛围下送至冷凝器冷凝，冷凝下来的溶剂由泵输送作为四次洗涤液。

排出干燥机加热区的岩屑温度大约为96℃，含油量低于0．2％(重量)。岩屑 排出干燥机的方式为，出料口底部设海水水封，岩屑直接落入水封中，在水封下 端不断注入海水，以水位与排海口的位差作动力，同时在出料口的适当位置再次 注入海水，将海水与岩屑直接排海。如此设计的目的：海水可将岩屑的温度降至 50℃以下，以避免造成热污染；因分两次注入海水，水封面上的水温高于60℃，不会产生溶剂油凝析；将油气密封。干燥出来的溶剂经冷凝器冷凝后作为四次洗 涤液。环流式旋风除尘器