一种油水分离系统及分离的工艺方法与流程

本发明涉及一种油水分离系统及利用其进行油水分离的工艺方法，属于互不相溶液体的液液分离技术领域，特别适用于具有不同密度的液体如油品脱水和污水除油过程。

背景技术：

现有技术中的油水分离方法主要有重力沉降法、离心分离法、加压电场法、吸附分离法、气浮法等。近年来，随着油品重质化劣质化趋势的加强，油品乳化变得十分严重，使乳化水含量较高，即油品中含有的水分较多是以“油包水”型乳化态存在，导致现有技术中油水分离工艺和分离设备的分离效果很不理想，且存在停留时间长、设备体积大、分离填料容易堵塞、乳化水难以脱除或不能深度脱水以达到技术指标要求的难题。

目前各种油品对于水含量都有严格的控制指标，如常减压蒸馏装置进料要求水含量≤0.5wt%，汽油、煤油、轻柴油产品要求水含量≤0.3wt%，重柴油产品要求水含量≤1.5wt%，供给沸腾床进料的原料油如煤焦油要求其水分含量≤0.5wt%。而现有技术中油品脱水时一般采用电脱水技术，该技术对于组成较为简单、乳化程度较轻的油品来说，经过电脱水后能够满足要求，但是对于那些组成复杂、乳化严重的油品来说，难以达到水含量指标要求。如煤焦油原料具有组成复杂、粘度大、油水乳化严重的特点，采用电脱水方法达到的水含量为2～4.5wt%，还远远不能满足要求，这主要是由于电脱水后沉降分离只能去除部分明水（水滴粒径≥100μm），而那些＜100μm的水滴以及以“油包水”型存在的乳化水实不能去除的，因此就需要开发新的油水分离工艺和分离设备，解决那些组成复杂、粘度大、乳化严重的油水分离问题，实现深度脱水，满足后续加工工艺的水含量要求。

cn203947077u提出了一种油品深度脱水的装置，该装置包括壳体、进料管、整流器、纤维聚结层、波纹强化分离层，以及液面计等几个部分。该装置对于那些高粘度物料或/和乳化较为严重的物料难以处理，一方面会由于物料粘度大造成聚结器内部的纤维聚结层积料堵塞，而无法长期运行，另一方面该装置没有较强的破乳功能，不能实现深度脱水。

cn201310352748.3公开了一种重污油脱水装置及方法，其特征在于：罐区污油引出后进入y型过滤器，过滤后经增压泵增压后进入蒸汽换热器升温至80~130℃，然后引入旋流脱水器分离为低含水污油相和低含油污水相，其中低水污油相进入聚结脱水器进一步脱水，得到低含水油并引出装置；同时低含油污水相则进入旋流除油器内分为高含水污油相和污水相，污水相排出，高含水污油则循环做脱水处理。该发明方法采用过滤—旋流—聚结—旋流的方法进行重污油脱水，对于那些组分复杂、高粘度、乳化严重油品难以实现深度脱水，即该方法的适用性较为有限。

综上，由于原油重质化、劣质化趋势的加氢，原油加工过程中的各种油品也随之质量变差，而实际过程中确实液存在较多组成复杂、粘度大、油水乳化严重的物料，它们在脱水过程中现有技术一般采用电脱水方法，达到的水含量为2～4.5wt%，远远不能满足工艺要求，这主要是由于一方面油品中组成复杂，较多组分不能被极化而实现分离，另一方面，油水乳化严重，电聚结脱水不具有破乳功能，因而大量的乳化水不能脱除。因此需要开发新型的油水分离装置和工艺，实现对组成复杂、粘度大、乳化严重的油品进行深度油水分离。

技术实现要素：

针对现有技术中对于组成复杂、粘度高、油水乳化严重的油水混合物通过常规的油水分离技术难以实现深度分离的问题，本发明拟提供一种油水分离系统和工艺方法，分别设置膜过滤/破乳系统，预分离系统、轻相分离系统和重相分离系统，膜过滤/破乳系统实现油水混合物中颗粒悬浮物的持续去除及初步破乳，预分离系统实现游离水滴或油滴的快速去除、轻相分离区和重相分离系统实现“油包水”或“水包油”型物料的强制破乳和聚结分离。上述装置可以高效实现杂质的去除，乳化较为严重的污水除油或重质污油的除水，具有效率高、停留时间短、体积小、设备简单，污水除油或重油脱水的脱除率达到98%以上。

为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种油水分离系统，包括膜过滤/破乳系统、预分离系统、轻相分离系统和重相分离系统；

所述膜过滤/破乳系统包括膜组件和循环泵，所述膜组件由若干膜管和壳体组成，膜组件的进料口和出料口与膜管相连通，膜组件的壳体出口与预分离系统连接，循环泵连接于膜组件进料口和膜组件出料口之间；

所述预分离系统包括进料管、中空滤芯和稳流区，所述进料管与膜组件的壳体连接，中空滤芯设置于进料管的中间腔体内，进料管进料口或与中空滤芯的中心腔体连通，或与中空滤芯和进料管壁之间的腔体连通；中空滤芯的表面材料为亲油疏水材料或亲水疏油材料，中空滤芯和进料管连通稳流区，稳流区上方与轻相分离系统连接，下方与重相分离系统连接；

所述轻相分离系统由下至上依次包括物料均布器ⅰ、上聚结分离区和轻相出料口；

所述重相分离系统由上至下依次包括物料均布器ⅱ、下聚结分离区、轻重相分离区和重相出料口；

其中，所述上聚结分离区和下聚结分离区为由亲油疏水材料和亲水疏油材料混合编织的具有致密凹凸结构纤维层堆叠而成；所述轻重相分离区内填充可增大油水的流程，将不同密度的油和水分离的填料层。

在上述油水分离系统中，进一步的，所述膜组件为立式。所述膜管中的膜为具有过滤和破乳功能的多孔无机膜，膜孔径为5nm～1000nm。作为具体的实施方式，所述无机膜选自陶瓷膜、金属膜、金属氧化物膜、多孔玻璃膜、沸石墨和上述几种膜的复合膜中的一种。

在上述油水分离系统中，进一步的，所述中空滤芯的表面具有致密的孔结构，优选为蜂窝六边形孔状。

在上述油水分离系统中，进一步的，所述预分离系统的进料管为卧式管。作为进一步的优选，所述进料管的上方或下方还设置一个进料管出料口，用于在进料管中分层物料的排出，其设置方式取决于所分离物料的性质，如从油品中分离水，且水为重相，则出口设置于出料管的下方，用于将中空滤芯初步分离出的水排出；如需分离污水中的油滴，且水为重相，则此出口设置于出料管的上方，用于将中空滤芯初步分离出的油排出。

在上述油水分离系统中，所述稳流区的功能为防止物料冲击和偏流，并实现物料分层，进一步的，稳流区内可不填充任何填料，也可填充具有分布功能的填料层，如导流格栅等。

在上述油水分离系统中，进一步的，所述物料均布器ⅰ和物料均布器ⅱ为现有技术中各种可实现物料均匀重分布的设计，其具有较为重要的作用，因为良好的物料初始分布可以使整个截面上的聚结填料的流通能力和停留时间近乎等同，同时在聚结脱水/除油过程中物料流动状态达到持续稳定和均匀。作为具体的实施方式，本发明中的物料均布器ⅰ和物料均布器ⅱ优选为5～10层孔板布液板错列排布堆叠而成；作为更具体的实施方式，针对需分离油品的性能，孔板布液板上的孔板孔径为4～8mm，孔中心间距为20～30mm。

本发明中，所述亲油疏水材料选自聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、丙烯酸类和尼龙中的至少一种，或选自材料表面经过亲油疏水处理的材料；在选择上述亲油疏水材料时，优选按其重量计算每克能吸收20ml～100ml油的材料；所述亲水疏油材料选自主链或侧链带有羧基、氨基、或羟基的天然高分子聚合物，如丙纶纤维，或选自材料表面经过亲水疏油处理的材料；由亲水疏油材料制备的纤维丝都还可以增加一些提高强度的材料，如金属材料、陶瓷材料等。

在上述油水分离系统中，所述上聚结分离区和下聚结分离区中致密凹凸结构纤维层优选为将材料编织成x型、v型、8型、ω型、水滴形或菱型中的任意一种。纤维层是按照多层叠加的方式进行填装的，要求填料层内部压紧，无明显空隙。

进一步的，上聚结分离区的功能是将轻相中夹带的少量重相进行破乳和聚结，因此，其纤维层结构中具有较大比例的亲重相材料，作为更具体的实施方式，其纤维层中亲轻相材料与亲重相材料的编织比例1:1.1～1:10，优选1:2～1:5；相应地，下聚结分离区的功能是将重相中夹带的少量轻相进行破乳和聚结，因此，其纤维层结构中具有较大比例的亲轻相材料，作为更具体的实施方式，其纤维层中亲轻相材料与亲重相材料的编织比例1.1:1～10:1，优选2:1～5:1。

在上聚结分离区和下聚结分离区致密凹凸结构和亲水亲油作用下，物料中的小液滴在纤维编织层表面的凸起结构处发生密集接触碰撞而聚结为大水滴，依靠密度差进行分离。

在上述油水分离系统中，进一步的，所述轻重相分离区优选为若干层波纹多孔板排列填充而成。相对于液体流动方向，所述波纹多孔板水平或倾斜排列均可。利用波纹板的曲折通道和表面多孔结构，来增大液滴间的碰撞，促使液滴聚结，重相沿波纹板表面的孔更快地下降，到达底部的重相出口而分离。作为优选，所述波纹板上下相邻两层间距为3～6mm，各层板的波谷处设有若干孔。

在上述油水分离系统中，作为进一步的优选，根据对物料精制程度的要求，所述轻相分离系统中还包括轻相深度破乳区，其连接于上聚结分离区的上方，包括若干根中空滤芯，所述中空滤芯的表面为由亲轻相材料编织成的具有致密凹凸结构的纤维层；其表面具有致密的孔结构，优选为蜂窝六边形孔状。轻相深度破乳区可实现轻相中更小液滴的深度破乳，实现精制。

本发明第二方面的技术目的是提供一种利用上述油水分离系统进行油水分离的工艺方法，包括以下步骤：首先将待分离物料由膜组件进料口进入膜管中，在膜管的过滤作用下，液体渗透至壳体中，膜管内剩余的浓缩物料由膜组件出料口排出，外排或进入循环泵并继续进入膜组件进行多次过滤和破乳；壳体内的渗透液由壳体出口进入预分离系统，先由进料管的进料口进入中空滤芯的中间腔体或中空滤芯与进料管之间的腔体中，在中空滤芯的作用下，物料中较大的水滴或油滴被分离，同时进入稳流区，进入稳流区的物料出现分层，轻相进入上方的轻相分离系统，重相进入下方的重相分离系统；稳流区的轻相先通过物料均布器ⅰ进入上聚结分离区，在填料的亲水亲油作用下，轻相中夹带的少量重相被破乳并聚结，在重力作用下向下回流至稳流区，被分离出的轻相则通过轻相出料口收集；稳流区的重相先通过物料均布器ⅱ进入下聚结分离区，在填料的亲水亲油作用下，重相中夹带的少量轻相被破乳并聚结，漂浮在下聚结分离区上层，少部分随同被分离出的重相进入轻重相分离区，重相从底部分离，由重相出料口收集。

在上述工艺方法中，物料的进料温度为常温～90℃，压力为0.1mpag～1.0mpag。

在上述工艺方法中，进一步的，所述膜组件中膜管的物料流速为0.5～3.5m/s，优选1.0～2.0m/s。物料过滤后的浓缩液含有较高浓度的颗粒和胶质等杂质，通过多次循环实现物料的反复过滤和多次破乳，此过程中会连续或间歇外排一定量浓缩液，外排浓缩液的量可根据膜管的硬度保持膜管和壳体间的压差在一定范围内，作为优选，控制此压差为0.1～0.5mpa，对整个工艺来说，一般保持外排浓缩液的量占总进料质量的0.1%～10wt%，优选2%～5%。

在膜组件的过滤过程中，膜管内的浓缩液物料由上至下流动，而渗透液由膜管内向膜管外流动，与浓缩液物料形成错流，渗透液可对膜管内表面进行多次冲刷，防止浓缩液中的颗粒附着在表面，减少膜组件的堵塞问题。

在上述工艺方法中，进一步的，物料在预分离系统的中空滤芯内的停留时间（按空容积计）为0.1～5分钟，优选0.5～1.5分钟；在轻相分离系统或重相分离系统内的停留时间（按空容积计）为0.5～6分钟，优选1.0～3.0分钟。

本发明的装置可以进行原油、汽油、煤油、柴油、重质污油、煤焦油以及乳化严重油品的深度脱水，也可以进行各种含硫污水、含油污水、含油含固污水如焦化污水等的深度破乳除油。

本发明的油水分离系统及工艺方法，通过分析物料中的杂质及油水存在状态和分离要求，分别设置膜过滤/破乳系统，预分离系统、轻相分离系统和重相分离系统：

（1）膜过滤/破乳系统实现油水混合物中颗粒悬浮物的持续去除及初步破乳，去除其中的悬浮颗粒、胶质、沥青质等影响后续聚结分离的杂质，通过膜组件进行循环过滤，同时通过膜管上的微孔对大部分“油包水”或“水包油”型液滴进行初步破乳，为后续聚结分离过程提供优质进料；由于膜组件中渗透液和浓缩液形成错流，可以避免颗粒在膜表面的沉积，防止堵塞，实现膜组件的长期可持续运转。

（2）预分离系统实现游离水滴或油滴的快速去除，轻相分离系统和重相分离系统分别实现轻相中夹带的少量重相、重相中夹带的少量轻相的破乳、聚结，实现轻相和重相的精分离。

（3）采用本发明的油水分离系统及工艺方法进行脱水或除油过程中，物料停留时间短、脱水效率高、设备体积小、可以实现油品中水分尤其是乳化水的深度脱除以及污水中乳化油滴的脱除，尤其对于组成复杂、粘度大、含微小颗粒物、乳化严重物料的油水分离具有更加明显的优势，水分或油的脱除率达到≥99%。

附图说明

图1是实施例1中油水分离系统的结构示意图。

其中：100.膜过滤/破乳系统，101.膜组件，102.循环泵，1011.膜管，1012.壳体，1013.膜组件进料口，1014.膜组件出料口，1015.壳体出口，200.预分离系统，201.进料管，202.中空滤芯，203.稳流区，204.进料管进料口，300.轻相分离系统，301.物料均布器ⅰ，302.上聚结分离区，303.轻相出料口，400.重相分离系统，401.物料均布器ⅱ，402.下聚结分离区，403.轻重相分离区，404.重相出料口。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的装置。

一种油水分离系统，如图1所示，包括膜过滤/破乳系统100、预分离系统200、轻相分离系统300和重相分离系统400；

所述膜过滤/破乳系统100包括膜组件101和循环泵102，所述膜组件101由若干膜管1011和壳体1012组成，膜组件进料口1013和膜组件出料口1014与膜管1011相连通，膜组件的壳体出口1015与预分离系统200连接，循环泵102连接于膜组件进料口1013和膜组件出料口1014之间；所述膜组件101为立式，膜管1011中的膜为陶瓷膜，膜孔径为500nm。

所述预分离系统200包括进料管201、中空滤芯202和稳流区203，所述进料管201为卧式管，与膜组件的壳体1012连接，中空滤芯102设置于进料管101的中间腔体内，进料管进料口204与中空滤芯102的中心腔体连通，中空滤芯102的表面材料为聚酯纤维（亲油疏水材料），其表面为致密的蜂窝六边形孔状；中空滤芯102和进料管101连通稳流区103，稳流区103上方与轻相分离系统300连接，下方与重相分离系统400连接。

所述轻相分离系统300由下至上依次包括物料均布器ⅰ301、上聚结分离区302和轻相出料口303；所述上聚结分离区302为由聚酯纤维（亲油疏水）和丙纶纤维（亲水疏油）按1:4比例混合编织的具有致密凹凸结构的x型纤维层堆叠而成。

所述重相分离系统400由上至下依次包括物料均布器ⅱ401、下聚结分离区402、轻重相分离区403和重相出料口404；所述下聚结分离区402为由聚酯纤维（亲油疏水）和丙纶纤维（亲水疏油）按5:1比例混合编织的具有致密凹凸结构的x型纤维层堆叠而成；所述轻重相分离区403为若干层波纹多孔板排列填充而成，相对于液体流动方向，所述波纹多孔板水平排列，相邻波纹板的间距一般为4mm，波纹板的波谷处设置若干孔。

所述物料均布器ⅰ301和物料均布器ⅱ401为8层孔板布液板错列排布堆叠而成，孔板布液板上孔径为6mm，孔中心间距为25mm。

实施例2

利用实施例1的油水分离系统进行轻相油品的脱水分离，待分离油品由由膜组件进料口1013进入膜管1011中，在膜管1011的过滤作用下，液体渗透至壳体1012中，膜管1011内剩余的浓缩物料由膜组件出料口1014排出，进入循环泵102继续进入膜组件101进行多次过滤和破乳；壳体1012内的渗透液由壳体出口1015进入预分离系统200，先由进料管进料口204进入中空滤芯202的中间腔体中，在中空滤芯202的作用下，油品中较大的水滴被分离，留在滤芯中间，而其余物料过滤至中空滤芯202和进料管201的腔体中，二者同时进入稳流区203，进入稳流区203的物料出现分层，油相在上，水相在下，油相进入上方的轻相分离系统300，水相进入下方的重相分离系统400；稳流区203的轻油相先通过物料均布器ⅰ301进入上聚结分离区302，在填料的亲水亲油作用下，油相中夹带的少量水相被破乳并聚结，在重力作用下向下回流至稳流区203，被分离出的油相则通过轻相出料口303收集；稳流区203的水相先通过物料均布器ⅱ401进入下聚结分离区402，在填料的亲水亲油作用下，水相中夹带的少量油相被破乳并聚结，漂浮在下聚结分离区402上层，少部分随同被分离出的水相进入轻重相分离区403，在波纹板作用下，水相更快地从底部分离，由重相出料口404收集。

下面结合具体应用实施例对于本发明装置的效果进一步说明，但不受下述实施例的限制。

实施例3

采用实施例1的油水分离系统，对催化轻柴（油为轻相）进行脱水，原料油性质见表1，操作过程按照实施例2所述。具体操作条件为：操作温度：40～45℃；操作压力：0.3mpag；停留时间：3.2分钟。

经过油水分离后，催化轻柴油的含水量为42～88ppm。

对比例1

利用常规的电聚结脱水器，进料自安装在电极以下、油水界面以上的分配管中排出，电脱水器上安装的升压变压器将确保电极间保持高压电场。在电压力的作用下，大部分带电水滴在原有介质中向与水滴所带电荷电性相反的电极移动，即带正电的水滴向负极移动，带负电的水滴向正极移动，从而形成电泳聚结现象，相邻大小水滴破裂聚结成大水滴，大水滴又与周围的水滴聚结，由此不断长大，由于受到重力作用当水滴长大到一定程度就会开始沉降，实现油水分离过程。

采用上述上述常规电聚结器对与实施例3相同的催化轻柴进行脱水，具体操作条件为：操作温度：40～45℃；操作压力：0.3mpag；停留时间：5.5分钟。

经过电聚结脱水器脱水后，催化轻柴油的含水量为282～305ppm。

对比例2

采用现有技术的聚结器，内部填装颇尔聚结滤芯8根，滤芯后填装波纹板分离填料。利用该设备对催化轻柴进行脱水，原料油性质见表1，操作条件如下：操作温度：40～45℃；操作压力：0.3mpag；停留时间：4.8分钟。

经过颇尔聚结滤芯的聚结脱水后，催化轻柴油的含水量为268～285ppm。

表1催化轻柴油主要性质

实施例4

一种油水分离系统，与实施例1中的系统不同的是：其上聚结分离区302为由聚酯纤维（亲油疏水）和丙纶纤维（亲水疏油）按4:1比例混合编织的具有致密凹凸结构的x型纤维层堆叠而成；其下聚结分离区402为由聚酯纤维（亲油疏水）和丙纶纤维（亲水疏油）按1:5比例混合编织的具有致密凹凸结构的x型纤维层堆叠而成；其他结构设置同实施例1。

实施例5

采用实施例4的油水分离系统，对煤焦油进行脱水，原料油性质见表2，操作过程按照实施例2所述，不同的是，稳流区203中水为轻相，进入上聚结分离区302，油相为重相，进入下聚结分离区402。

操作条件如下：操作温度：70～75℃；操作压力：0.3mpag；停留时间：3.2分钟。

经过油水分离后，煤焦油中含水量为0.55%～1.06%，具有显著的脱水效果，长周期运行无堵塞现象发生。

对比例3

采用与对比例1相同的常规电聚结脱水器，对煤焦油进行脱水，原料油性质见表1，操作条件如下：操作温度：70～75℃；操作压力：0.3mpag；停留时间：5.5分钟。

经过电聚结脱水器脱水后，煤焦油的含水量为1.98～4.45%，几乎无变化。

对比例4

采用与对比例2相同的聚结器，对煤焦油进行脱水，原料油性质见表2，操作条件如下：操作温度：70～75℃；操作压力：0.3mpag；停留时间：4.8分钟。

经过颇尔聚结滤芯的聚结脱水后，首先在进料后滤芯立即发生严重的堵塞而无法连续操作，然后对其物料进行过滤后再次引入滤芯进行聚结脱水，脱水后的煤焦油中含水量为2.0%～4.5%，无变化，考虑可能是由于物料粘度大，在滤芯表面发生粘连而失去了脱水功能。

表2煤焦油原料主要性质