一种利用疏水膜进行油品脱水的方法.pdf

本发明提供了一种利用疏水膜脱除油品中游离水分或乳化水的方法。以疏水膜作为过滤介质，利用膜的疏水性，在不超过水相穿透压的操作压力下，含水量较高的油品通过疏水膜后，水分被疏水膜截流，可得到含水量较低的油品。该方法适用于多种油品中水分的脱除，不受含水量和温度等条件的影响。本发明的特点在于，油品中水分的脱除可在油品输送过程中实时进行，且无需添加任何试剂，大大降低能耗，脱水率高，操作弹性大，整个过程简单易行，易于实现大规模工业化应用。

1.  一种利用疏水膜进行油品脱水的方法，脱水过程在疏水膜过滤装置中进行，其主要部件膜组件分为膜上游侧和膜下游侧两部分，中间用疏水膜作为过滤介质，含水油品从上游侧流入膜组件，油相穿过疏水膜到达膜组件下游侧，游离水和乳化水被疏水膜截流，聚集一定量后排走，得到水分含量较少的油品；具体操作步骤如下：
A.将过滤用疏水膜固定在膜组件(1)内并密封好膜组件；
所述疏水膜是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈或醋酸纤维素疏水膜中的一种，其膜孔径为0.1～2μm，孔隙率70％～90％；
B.使用泵(5)将原料槽(2)中待过滤油品经进料口(6)注入膜组件(1)中，调节油温在10-80℃，采用死端过滤方式，保持阀门(9)关闭，调节泵的功率以及阀门(8)、(8’)和(10)的开度，控制跨膜压差在0.001～0.3MPa之间进行过滤，过滤后的油品由出口(7)排出收集到储槽(4)中，不断补充原料槽(2)中的待过滤油品，并每隔1～5小时打开一次阀门(9)，排出被膜截留下来的水分，即可实现连续过滤操作。

2.  根据权利要求1所述的利用疏水膜进行油品脱水的方法，其特征是该方法适用于过滤与水溶解度较低的中、低粘度油品，油品中水的含量在500～300000mg/L。

3.  根据权利要求2所述的利用疏水膜进行油品脱水的方法，其特征是所述与水溶解度较低的中、低粘度油品是汽油、柴油、煤油、润滑油、真空泵油、混合轻质油或石脑油中的一种。

4.  根据权利要求2所述的利用疏水膜进行油品脱水的方法，其特征是步骤B所述跨膜压差是0.05～0.2Mpa。

5.  根据权利要求1所述的利用疏水膜进行油品脱水的方法，其特征是步骤B的过滤过程选择错流方式，即液体流向与膜平面平行，用泵(5)将原料槽(2)中待过滤的油品经进料口(6)注入膜组件(1)中，调节油温在10-80℃，打开阀门(8)、(8’)(9)和(10)，调节泵(5)的功率以及阀门的开度，控制跨膜压差在0.001～0.2MPa之间进行过滤，过滤后的油品由出口(7)排出收集到储槽(4)中，不断补充原料槽(2)中的待过滤油品，即可实现连续过滤操作。

6.  根据权利要求5所述的利用疏水膜进行油品脱水的方法，其特征是所述跨膜压差是0.05～0.2Mpa。

一种利用疏水膜进行油品脱水的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用疏水膜脱除油品中水分的方法，属于膜分离技术领域。
背景技术：
油田的后期开采过程中需要进行注水开采，导致开采出的原油含有大量的水分，油品中所含水分会使油的物性改变，造成输送动力的增加，并给后期加工过程带来困难。
在轻质油的加工过程中，一些不适当的操作也会使油品中含有大量的水，如果水分不经处理直接进入下游工艺中的精馏塔，会因水的汽化而造成塔内压力波动过大，影响正常生产。
在飞机等运输工具的加油过程中，如果燃油中含有较多的水分，在气温较低的情况下，会导致燃油结冰，造成在启动时发动机不易点燃以及在运行过程中发动机熄火等问题，并且燃油中的水分会在油箱中滋生微生物，对油箱的金属结构造成腐蚀。
因此，油品中水分的脱除是石化、化工生产过程中的一个重要的步骤。
目前，脱除各种油品中水分的方法主要有高压电场脱水、加热重力沉降脱水、化学脱水以及上述方法的综合联用脱水等。
文献1：娄世松，周伟.胜利原油脱水技术研究[J].石油化工腐蚀与防护，2006，23(1)：8～12，对胜利油田原油进行研究，油溶性破乳剂加入量80μg/g，脱水温度80℃，电场800V/cm，停留时间55分钟，脱水后的含水量在0.5％(5000mg/L)以下，平均含水量为0.33％，脱水电流在15～25mA。在电场脱水同时加上超声波辅助破乳脱水的情况下，脱水电流在5～15mA。
文献2：蒋昌启，朱建华，刘红研，武本成.超稠油化学降粘脱水技术[J].青岛科技大学学报，2005，26(2)：109～113，辽河油田曙一区超稠油一般含水为60％～70％，除去明水后含水量仍达30％～40％。目前，辽河油田对超稠油采用热化学沉降技术，存在脱水时间长、能耗高、占用较多沉降罐的问题，脱水温度选择在90℃，加药浓度为300mg/L^-1，沉降72h以上时，净化油含水才降至5％(50000mg/L)，沉降120h，净化油含水可降至2％左右。
文献3：张志庆，王芳.新型稠油破乳剂分子结构对孤东稠油脱水的影响[J].油田化学，2006，23(4)：325～328，油样为胜利油田孤东采油厂四号联合站净化油，50℃时黏度9000mPa·s，酸值2mg KOH/g原油，沥青质胶质含量35.2％，使用作者合成的7种水溶性共聚醚破乳剂，120分钟脱水率为82％～94％，使用作者合成的7种油溶性的HDI系列共聚醚120分钟脱水率为90％～98％。
文献4：刘海涛，何晓芬，张梅.柴油电脱水盐脱水系统的应用[J].石油化工腐蚀与防护，2006，23(5)：47～49，中国石油天然气股份有限公司克拉玛依石化分公司900kt/a汽柴油加氢装置，柴油电脱水系统采用复式高效交直流电脱水器，通过电脱水系统和盐脱水系统的联用，电脱水器配备一台全阻抗防爆交直流变压器，功率80kVA，原料油停留时间为41.6分钟，可将柴油脱后水的质量分数降至300μg/g以下。
上述这些方法普遍存在能耗大，不能连续操作，占用空间较大，引入新的杂质，成本较高等缺陷。油品中水分的脱除是目前石化、化工等行业遇到的关键问题之一。因此，研究应用于脱除油品中水分的新技术具有重要的意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种利用疏水膜脱除油品中水分的方法，是一种新型高效节能的油水分离方法。
在使用疏水膜去除油品中水分时，由于有限穿透压的存在，产生一定的阻力，使水分不能透过疏水膜，而油的穿透压很小，比较容易通过疏水膜。穿透压可用Laplace公式计算：
P W = 2 σ cos θ r ]]>
式中，σ是界面张力(油/水)，θ是接触角，r是膜孔径。当操作压力不大于水相穿透压时，油通过疏水膜，水分被疏水膜截流，实现油水分离。
本发明利用上述原理，将油水混合物在不超过水相穿透压的操作压力下进行过滤，经过一级或多级过滤后，截留水分和杂质，最终得到含水量200mg/L～500mg/L且较纯净的油品。
脱水过程在如图1所示的疏水膜过滤装置中进行，膜组件分为膜上游侧和膜下游侧两部分，中间用疏水膜作为过滤介质，含水油品从上游侧流入膜组件，油相穿过疏水膜到达膜组件下游侧，游离水和乳化水被疏水膜截流，聚集一定量后排走，得到水分含量较少的油品；具体操作步骤如下
本发明采用的装置如图1所示，其核心部分为膜组件(1)；接口(6)和(6’)分别为膜组件上游侧的进料口和排水口；接口(7)为膜组件下游侧的产品收集口；(2)为带搅拌的待处理油品原料槽；(3)为收集被膜截流水分的储槽；(4)为收集过滤后油品的产品储槽；(5)为连接原料槽和进料口的泵体；(8)、(8’)、(9)和(10)为控制流量的阀门；(11)和(11’)为测量跨膜压差的压力表。
所用膜组件可以是板式膜组件、中空纤维膜组件、卷式膜组件或管式膜组件。最常用的是板式膜组件(见图2)和中空纤维膜组件，中空纤维膜组件结构示意图见专利ZL200410077945.X。
本发明的具体操作步骤如下：
A.将过滤用疏水膜固定在膜组件(1)内并且密封好膜组件；
所述疏水膜是聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PS)、聚丙烯腈(PAN)或醋酸纤维素(CA)疏水膜中的一种，其膜孔径为0.1～2μm，孔隙率70％～90％；
B.使用泵(5)将原料槽(2)中待过滤油品经进料口(6)注入膜组件(1)中，调节油温在10-80℃，采用死端过滤方式，即液体流向与膜平面垂直，保持阀门(9)关闭，调节泵的功率以及阀门(8)、(8’)和(10)的开度，控制跨膜压差在0.001～0.3MPa之间进行过滤，过滤后的油品由出口(7)排出收集到储槽(4)中，不断补充原料槽(2)中的待过滤油品，并每隔1～5小时打开一次阀门(9)，排出被膜截留下来的水分，即可实现连续过滤操作；过滤后油品的含水量为200～500mg/L。较优的跨膜压差为0.05～0.2MPa。
过滤过程也可选择错流过滤方式，即液体流向与膜平面平行，使用泵(5)将原料槽(2)中待过滤的油品经进料口(6)注入膜组件(1)中，调节油温在10-80℃，打开阀门(8)、(8’)(9)和(10)，调节泵(5)的功率以及阀门的开度，控制跨膜压差在0.001～0.2MPa之间进行过滤，过滤后的油品由出口(7)排出收集到储槽(4)中，不断补充原料槽(2)中的待过滤油品，即可实现连续过滤操作，过滤后油品的含水量为200～500mg/L。较优的跨膜压差为0.05～0.2MPa。
该方法适用于过滤与水溶解度较低的中、低粘度油品，如汽油、柴油、煤油、润滑油、混合轻质油或石脑油中的一种；油品中水的含量在500～300000mg/L。
本发明的优势是：利用疏水膜脱除油品中水分的方法，在不添加其他化学试剂的情况下，利用油水两相在疏水膜表面不同的穿透压产生的阻力差异来实现油水分离；选择具有优良化学惰性和耐温性能的膜材料，使其在各种过滤条件下都不会和油中的组分发生反应，污染油品；膜的表面光滑特性使其不易被污染，反清洗容易。方法工艺过程简单易行、能耗低、过滤流量为10ml/min～500ml/min、水分截留率可达99％以上、疏水膜使用寿命可达到2～5个月，易于实现大规模工业化应用。
附图说明
图1为疏水膜过滤装置示意图，其中各序号代表：(1)板式过滤膜组件；(2)油品原料槽；(3)截流水分储槽；(4)产品储槽；(5)输油泵；(6)、(6’)和(7)膜组件接口；(8)、(8’)、(9)和(10)阀门；(11)和(11’)压力表。
图2为板式膜组件的内部结构示意图，其中序号代表：(1)疏水膜；(2)膜组件外壳；(3)O型密封圈；(4)进料口；(5)排水口；(6)产品出口；(7)固定膜组件螺栓。
具体实施方式
实施例1
A.将疏水膜封装于板式膜组件(1)中待用。疏水膜选用聚四氟乙烯(PTFE)膜，膜孔径为1μm，孔隙率90％。
B.将去离子水加入轻质油中，搅拌15min，配制含水量为946mg/L的油水混合物待用。
将上述含水量为946mg/L的轻质油放入原料槽(2)中，不断搅拌，温度为20℃，用泵(5)将油水混合物从进料口(6)输送入膜组件(1)，不施加额外的压力，靠油水混合物静压力进行过滤(跨膜压差约为0.001MPa)，过滤方式为死端过滤，过滤后的油品从膜组件的下游侧出口(7)排出收集到容器(4)中。测量该油品含水量为282mg/L，过滤流量为10ml/min，水分截留率为70.2％。
其中油的含水量用瑞士万通831型卡尔费休水分分析仪(库仑法)测量。
实施例2：
选用孔径为2μm，孔隙率90％的聚四氟乙烯疏水膜，采用初始含水量为8356mg/L的航空煤油，其他操作同实施例1。过滤后的油品含水量为286mg/L，水分截留率为96.6％。
实施例3：
选用孔径为1μm，孔隙率80％聚四氟乙烯疏水膜，采用初始含水量为7683mg/L真空泵油，其他操作同实施例1。过滤后的油品含水量为360mg/L，水分截留率为95.3％。
实施例4：
选用孔径为1.5μm，膜孔隙率75％聚四氟乙烯疏水膜，采用初始含水量为12694mg/L的轻质油，其他操作同实施例1。过滤后的油品含水量为310mg/L，水分截留率为97.6％。
实施例5：
选用孔径为1μm，孔隙率90％的聚四氟乙烯疏水膜，采用初始含水量300000mg/L的轻质油，其他操作同实施例1。过滤后的油品含水量为328mg/L，水分截留率为99.9％。
实施例6：
A.将疏水膜封装于板式膜组件中待用。疏水膜选用聚四氟乙烯(PTFE)膜，膜孔径为0.5μm，孔隙率85％。
B.将去离子水加入轻质油中，搅拌15min，再用超声处理30min，配制含水量为1435mg/L的含乳化水的油水混合物待用。
将上述含水量为1435mg/L的轻质油放入原料槽(2)中，不断搅拌，温度为20℃，用泵(5)将油水混合物输送到膜组件的上游侧进口(6)，调节泵(5)的功率和阀门(8)、(8’)(9)和(10)的开度，控制跨膜压差约为0.03MPa进行过滤，过滤方式为死端过滤，过滤后的油品从膜组件的下游侧出口(7)排出，用干燥的容器(4)收集产品，测量其含水量为745mg/L。
将上面得到的含水量为745mg/L的油品按照相同的步骤再过滤一边，测其产品含水量为279mg/L，水分截留率为80.6％。
其中油的含水量用瑞士万通831型卡尔费休水分分析仪(库仑法)测量。
实施例7：
选用孔径为1.5μm，孔隙率80％的聚四氟乙烯疏水膜，采用初始含水量为6200mg/L的轻质油，过滤方式为错流过滤，打开所有阀门，调节泵(5)的功率以及阀门(8)、(8’)(9)和(10)的开度，控制跨膜压差约为0.02MPa进行过滤，其他操作同实施例1。过滤后的油品含水量为337mg/L，过滤流量为50ml/min，水分截留率为94.6％。
实施例8：
选用孔径为1.5μm，孔隙率80％的聚四氟乙烯疏水膜，控制跨膜压差约为0.04MPa，温度60℃，其他操作同实施例7。过滤后的油品含水量为369mg/L，过滤流量为70ml/min，水分截留率为94.0％。
实施例9：
选用孔径为0.8μm，孔隙率90％的聚四氟乙烯疏水膜，采用初始含水量为5000mg/L的轻质油，调节泵(5)的功率和阀门(8)、(8’)(9)和(10)的开度，控制跨膜压差约为0.06MPa进行过滤，温度为30℃，其他操作同实施例1。过滤后的油品含水量为475mg/L，过滤流量为120ml/min，水分截留率为90.5％。
实施例10
A.将疏水膜封装于中空纤维式膜组件中待用。疏水膜选用聚丙烯(PP)膜，膜孔径为0.2μm，孔隙率80％。
B.将去离子水加入轻质油中，搅拌15min，配制含水量为2326mg/L的油水混合物待用。
将上述含水量为2326mg/L的轻质油放入原料槽(2)中，不断搅拌，温度为20℃，用泵(5)将油水混合物输送到膜组件的上游侧进口(6)，调节泵(5)的功率和阀门(8)、(8’)(9)和(10)的开度，控制跨膜压差约为0.01MPa进行过滤，过滤方式为错流过滤，过滤后的油品从膜组件的下游侧出口(7)排出，用干燥的容器(4)收集产品，测量其含水量为298mg/L，过滤流量为30ml/min，水分截留率为87.2％。
其中油的含水量用瑞士万通831型卡尔费休水分分析仪(库仑法)测量。
实施例11
选用孔径为0.3μm，孔隙率70％的聚偏氟乙烯疏水膜，采用初始含水量为2693mg/L的轻质油，控制跨膜压差约为0.02MPa进行过滤，其他操作同实施例10。过滤后的油品含水量为357mg/L，过滤流量为50ml/min，水分截留率为86.7％。
实施例12
采用初始含水量为3526mg/L的轻质油，并且不断补充原料槽(2)中待过滤油水混合物进行连续过滤，调节泵(5)的功率和阀门(8)、(8’)(9)和(10)的开度，控制跨膜压差约为0.02MPa进行过滤，过滤方式为错流过滤，每24小时打开阀门(9)一次排出被截留水分，其他操作同实施例1。同一张膜累计使用时间打两个月以后，测量过滤后含水量为272mg/L，过滤流量为50ml/min，水分截留率为92.3％。