一种利用水力空化对重油进行改质的方法和系统

摘要

本发明提供一种利用水力空化对重油进行改质的方法和系统。所述方法利用水力空化装置进行，水力空化装置包括依次设置的重油入口段、喉管段和稳定段，喉管段的流通面积均小于重油入口段入口端和稳定段入口端的流通面积，喉管段分别与重油入口段和稳定段连接并且轴向连通，在喉管段上径向设置有与喉管段连通的助剂入口段；对重油进行改质的方法包括：将重油加压后送入水力空化装置的重油入口段，并使重油流经喉管段时将助空化剂从助剂入口段吸入，使重油与助空化剂在稳定段经历水力空化；将该水力空化产物送入气液分离装置实施气液分离。本发明的方法和系统可实现在较低温度下使重油发生水力空化来对重油进行改质，并且可获得良好的改质和降粘效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对重油进行改质的方法，特别是涉及一种利用水力空化 对重油进行改质的方法和系统。

背景技术

重油是密度大于0.93g/cm³，常压下沸点高于350℃的原油。由于含有较 多的长链大分子、胶质和沥青质，重油的粘度较大，流动性差，对原油运输 存在不利影响，因此需要对重油进行降粘等改质处理。目前，国内外常用的 重油降粘方法可以分为物理法和化学法两大类。

物理降粘方法主要包括加热降粘法、掺稀油降粘法、低粘度液环降粘法 等。加热减粘法主要是通过加热使重油体系获得足够的能量以破坏重油中胶 质、沥青质等大分子的π键和氢键，从而使重油的粘度降低，然而其能耗高、 停输再启动时容易发生凝管事故；掺稀油减粘法主要是将轻质油与稠油进行 掺混，以使掺稀后稠油的粘度降低达到管输要求，尽管其基本可以实现不加 热输送，然而成本高、稀油的来源有限；低粘度液环降粘法是向稠油中掺入 低粘度不相溶液体(例如水)，通过控制稠油流速使其被低粘液体包围，从 而降低流动阻力，然而该方法流体流型稳定性很差，很容易遭到破坏形成油 水混向。

化学降粘方法主要包括化学添加剂降粘法、微生物降粘法、水热催化裂 解法、减粘裂化法等。化学添加剂降粘法是在表面活性剂作用下使稠油的油 包水型乳状液转变成水包油型的乳状液，从而降低油水混合物的粘度，然而 该方法采出液污水难处理，各种破乳脱水方法尚存在一些问题；微生物降粘 法是利用微生物降解技术对原油中的胶质、沥青质等重质组份进行生物降解， 然而微生物在一些严苛条件下不易存活，并且筛选合适的微生物菌群也相对 困难；水热催化裂解法主要是使稠油中含硫化合物中的硫键裂解从而使粘度 降低，然而其也需要在高温下进行，能耗较高；减粘裂化法是将重油通过浅 度热裂化降低其凝点、粘度以满足某些特定的改质要求，然而其工艺复杂、 反应温度和压力高。

水力空化是指液体在流动过程中由于流通截面积减小、流动线速度上升、 压力减小而导致部分液体发生汽化，在随后流动中通过恢复截面积，液体流 动速度减慢，压力上升，气泡溃灭，从而在局部产生高温、高压、微射流等 极端环境。尽管该极端环境可使大分子裂化，然而重油的饱和蒸汽压较低， 要使重油发生汽化，所需的流动速度大，而重油的粘度非常大，因此实现空 化相当困难。目前，还没有在较低温度(70℃以下)下使重油发生水力空化 来对重油进行改质的相关报道。

发明内容

本发明提供一种利用水力空化对重油进行改质的方法和系统，可实现在 较低温度和常规流速下使重油发生水力空化来对重油进行改质，并且可获得 良好的改质和降粘效果。

本发明提供一种利用水力空化对重油进行改质的方法，利用水力空化装 置进行，所述水力空化装置包括依次设置的重油入口段、喉管段和稳定段， 所述喉管段的流通面积均小于所述重油入口段入口端和所述稳定段入口端的 流通面积，所述喉管段分别与所述重油入口段和所述稳定段连接并且轴向连 通，在所述喉管段上径向设置有与所述喉管段连通的助剂入口段；

所述对重油进行改质的方法包括：

将重油加压后送入所述水力空化装置的重油入口段，并使重油流经喉管 段时将助空化剂从助剂入口段吸入，使重油与助空化剂在稳定段经历水力空 化；将该水力空化产物送入气液分离装置实施气液分离。

本发明方法在温和条件下实现对重油的改质，尤其针对常压沸点高于 350℃，密度大于0.93g/cm³的重油；助空化剂可以为饱和蒸汽压较高的溶剂。 本发明对送入水力空化装置重油入口段的重油的温度和流速没有严格要求， 该温度和流速满足重油可以在水力空化装置的重油入口段稳定流动即可，例 如温度可以为40～70℃，流速可以为1～10m/s。重油经加压后送入重油入口 段，当到达喉管段时，重油的流速急剧增大，压力显著降低，此时助空化剂 被吸入到喉管段中并与重油形成混合，由于喉管段处于低压，因此有利于助 空化剂发生汽化而在重油中形成气泡；当到达稳定段时，由于流通面积增大， 重油的流速降低、压力增大，气泡发生溃灭从而局部产生高温、高压和微射 流，重油中的大分子实现断裂和重组，从而达到减粘和改质效果；此外，助 空化剂在水力空化作用下能够与断裂的重油大分子形成重组，从而避免断裂 的重油大分子重新组合，因此进一步强化了水力空化效果，保证了重油粘度 降低。

在本发明具体方案中，所述助空化剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、三甲胺 和二甲基二硫中的一种或多种。这些助空化剂具有较大的饱和蒸汽压，因此 无需重油汽化即可较为容易地实现水力空化，并且在其汽化的同时也会促进 部分重油汽化，水力空化效果好。

进一步地，将所述重油加压至1.5～5.1MPa后送入所述水力空化装置的 重油入口段。该压力范围内的重油在水力空化装置中可实现较佳的水力空化 效果，过低或过高的压力可能因存在因汽化不完全、气泡分布不均匀等问题 而降低水力空化的效果。该压力的控制可以通过例如加压泵等实现。

在本发明具体方案中，使所述重油与助空化剂的重量配比为100：(1～ 10)。过低的助空化剂用量(添加量)不利于形成有效的气泡量，从而无法 达到较佳的水力空化效果；过高的助空化剂用量因无法全部实现汽化而消耗 较多的能量，并且降低水力空化的效果。在本发明中，助空化剂的添加量可 以通过例如与助剂入口段连接的泵、阀等方便地进行调节。

进一步地，将所述重油加热至40～70℃后送入所述水力空化装置的重油 入口段。该温度范围可以增加重油的流动性，并且本发明无需将重油加热至 过高温度(＞70℃)从而浪费能耗。

本发明可以对流出水力空化装置的重油的质量进行检测，在未达到改质 要求时，进一步地，经所述气液分离后，可以将分离得到的液体并入所述重 油，将分离得到的助空化剂气体冷却后并入所述助空化剂。本发明通过使重 油经历多次水力空化而实现重油的改质要求。

可以理解的是，本发明所述的水力空化装置中，重油入口段、喉管段和 稳定段均具有轴向的通孔，各段通孔轴向连通，并且喉管段通孔的横截面积 应当显著小于重油入口段通孔(入口端)和稳定段通孔(入口端)的横截面 积，从而有利于使经该水力空化装置的重油发生水力空化。在本发明具体方 案中，所述重油入口段的入口端的内径为15～50mm。

进一步地，所述重油入口段的入口端的内径与所述喉管段的内径之间的 比值为1：(0.1～0.5)，所述稳定段的入口端的内径与所述喉管段的内径之 间的比值为1：(0.1～0.5)。在本发明中，入口端指的是各段中重油流入的 一端，出口端指的是各段中重油流出的一端；并且，稳定段入口端的内径可 与重油入口段入口端的内径相同或相近。在各段通孔横截面为圆形时，所述 内径指的是相应段通孔的直径。本领域技术人员可以根据所选择的助空化剂 类型在上述范围内选择合适的比值，从而达到更好的汽化效果和水力空化效 果。例如，助空化剂饱和蒸汽压相对较小时，可以选择相对较大的比值。

进一步地，所述喉管段的内径与所述助剂入口段的内径之间的比值为1： (0.2～0.5)。该范围既可以实现助空化剂的吸入，同时不会对喉管段的压力 降低造成不利影响。

进一步地，所述重油入口段的长度与其入口端的内径之间的比值为(1～ 3)：1，所述喉管段的长度与其内径之间的比值为(1～2.5)：1。并且，所 述稳定段的长度与所述重油入口段的入口端的内径之间的比值为(3～5)：1。 具有该参数的水力空化装置有利于实现较佳的水力空化效果，并达到良好的 改质和降粘效果。

本发明的方法可以在上述范围内选取适宜的改质工艺参数(如重油压 力)、助空化剂的类型和添加量以及水力空化装置的参数来实现最佳的改质和 降粘效果。其操作方便、可控性强、适用性好。

在本发明一实施方式中，水力空化装置包括依次设置的重油入口段、喉 管段和稳定段，所述重油入口段、喉管段和稳定段均呈圆筒状。在另一实施 方式中，水力空化装置包括依次设置的重油入口段、喉管段、扩大段和稳定 段，其中所述重油入口段和所述扩大段均具有喇叭状通孔，并且所述喇叭状 通孔的小端均朝向所述喉管段设置，所述喉管段和稳定段均呈圆筒状，所述 喇叭状通孔的小端的直径均与所述喉管段的内径相同。进一步地，所述扩大 段的长度与所述重油入口段的入口端的内径之间的比值为(1～2)：1。并且 可以理解的是，所述水力空化装置的各段可以一体成型，此外各段之间也可 以通过固定件(例如螺栓螺母等)实现固定连接。

本发明还提供一种利用水力空化对重油进行改质的系统，包括高压泵、 水力空化装置和气液分离装置，

所述水力空化装置包括依次设置的重油入口段、喉管段和稳定段，所述 喉管段的流通面积均小于所述重油入口段入口端和所述稳定段入口端的流通 面积，所述喉管段分别与所述重油入口段和所述稳定段连接并且轴向连通， 在所述喉管段上径向设置有与所述喉管段连通的助剂入口段，

所述高压泵与所述重油入口段连接，所述气液分离装置与所述稳定段连 接。

进一步地，在所述喉管段和稳定段之间还可以设置所述扩大段。

进一步地，所述系统还包括助空化剂储罐和重油储罐，所述助空化剂储 罐通过管道与所述助剂入口段连接，所述重油储罐通过管道与所述高压泵连 接。并且，可以视需要而在助空化剂储罐与助剂入口段之间的管道上设置泵。

进一步地，在所述气液分离装置上设有改质重油出口和气体出口，所述 气体出口通过管道与所述助空化剂储罐连接。并且，在所述气液分离装置上 还可以设置循环重油出口，其通过管道与所述重油储罐连接，在所述管道上 可以设置控制阀。

进一步地，在所述气体出口与所述助空化剂储罐之间的管道上可以设置 冷却装置。并且，在所述高压泵与水力空化装置之间的管道上可以设置冷却 装置。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明提供的方法，通过采用助空化剂和具有特定结构的水力空化装 置使重油能够在较低的温度和常规的流速下实现水力空化，并获得良好的改 质和降粘效果；此外，该助空化剂可以通过吸入以及循环使用的方式进入水 力空化装置，从而节约了能耗、更重要的是提高了空化效果。

2、本发明提供的方法操作简单、条件温度、可控性强，其可以根据实际 情况和改质要求方便地改变助空化剂的类型和加入量，从而达到较佳的改质 效果；此外，该方法可以通过实施多次水力空化而使重油达到改质要求，适 用性好。

3、本发明提供的方法，通过对水力空化装置的尺寸参数进行优化，从而 能够使重油更加易于在该装置中实现水力空化，同时达到较佳的改质和降粘 效果，改质的重油能够较好地满足改质要求。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的水力空化装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的水力空化装置的结构示意图；

图3为本发明提供的利用水力空化对重油进行改质的系统的结构示意 图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附 图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的水力空化装置1包括依次设置的重油入口段11、 喉管段12和稳定段13，喉管段12的流通面积均小于重油入口段11入口端 和稳定段13入口端的流通面积，喉管段12分别与重油入口段11和稳定段 13连接并且轴向连通，在喉管段12上径向设置有与喉管段12连通的助剂入 口段14。具体地，重油入口段11、喉管段12和稳定段13均呈圆筒状并具有 轴向的通孔，并且在重油入口段11和稳定段13的两端均设有法兰，在喉管 段12上可设置螺纹孔，重油入口段11、喉管段12和稳定段13可通过法兰 螺纹连接而固定，各段的通孔轴向连通，各通孔同轴设置；助剂入口段14径 向设置在喉管段12轴向方向的中部位置上。

进一步地，重油入口段11的入口端的内径D1为25mm，喉管段12的内 径D2与重油入口段11的入口端的内径D1之间的比值D2/D1为0.2，助剂入 口段14的内径D3与喉管段12的内径D2之间的比值D3/D2为0.3，重油入 口段11的长度L1与其入口端的内径D1之间的比值L1/D1为1.5，喉管段12 的长度L2与其内径D2之间的比值L2/D2为2，稳定段13的长度L3与重油 入口段11的入口端的内径D1之间的比值L3/D1为4，稳定段13的内径为 25mm。

利用该水力空化装置1进行重油(常压沸点高于350℃，密度大于 0.93g/cm³)改质的方法具体包括：

在将重油升温至50℃左右后，通过高压泵进行加压，在压力升高至 2.1MPa左右时，送入水力空化装置1的重油入口段11，重油到达喉管段12 时，由于流通面积的变化导致在喉管段12处产生低压(甚至负压)，从而将 甲醇(助空化剂)经助剂入口段14吸入水力空化装置1中，其中控制甲醇的 加入量，使重油与甲醇的重量配比为100：3；在喉管段12处甲醇汽化，并 随重油一起进入稳定段13，由于流通面积增大，气泡发生溃灭从而局部产生 高温、高压和微射流，重油与甲醇在稳定段13经历水力空化，重油中的大分 子实现断裂和重组，从而达到减粘和改质效果。

水力空化产物送入气液分离装置实施气液分离后，将分离得到的气体冷 凝后作为助空化剂而循环使用，将分离得到的液体再次升温至50℃左右并加 压至2.1MPa左右送入水力空化装置1实施水力空化，循环处理直至达到改质 要求。经过多次水力空化的重油的粘度变化见表1，馏程变化见表2。

实施例2

采用实施例1的水力空化装置进行重油改质，不同的是：D1为40mm， D2/D1为0.2，D3/D2为0.3，L1/D1为1，L2/D2为1.5，L3/D1为5，稳定段的内 径为40mm，重油入口段、喉管段和稳定段一体成型。

在将重油升温至60℃左右后，通过高压泵加压至5.1MPa左右后，送入 水力空化装置的重油入口段，重油到达喉管段时将三甲胺(助空化剂)经助 剂入口段吸入水力空化装置中，三甲胺汽化，重油与三甲胺在稳定段经历水 力空化，其中，控制三甲胺的加入量，使重油与三甲胺的重量配比为100：5； 水力空化产物送入气液分离装置实施气液分离后，将分离得到的气体冷凝后 作为助空化剂而循环使用，将分离得到的液体再次升温至60℃左右并加压至 5.1MPa左右送入水力空化装置实施水力空化，循环处理直至达到改质要求。 经过多次水力空化的重油的粘度变化见表1，馏程变化见表2。

实施例3

如图2所示，本实施例的水力空化装置1包括依次设置的重油入口段11、 喉管段12、扩大段15和稳定段13，重油入口段11、喉管段12、扩大段15 一体成型，并且重油入口段11和扩大段15均具有喇叭状通孔，并且喇叭状 通孔的小端均朝向喉管段12设置，喉管段12和扩大段15均呈圆筒状并具有 通孔，喇叭状通孔的小端的直径均与喉管段12的内径相同，重油入口段11、 喉管段12、扩大段15的通孔同轴设置；扩大段15与稳定段13连接并且轴 向连通，在喉管段12上径向设置有与喉管段12连通的助剂入口段14。在重 油入口段11和扩大段15的端部设有法兰，并且在稳定段13的两端均设有法 兰，扩大段15与稳定段13通过法兰螺纹连接而固定，并且其通孔同轴设置； 助剂入口段14径向设置在喉管段12轴向方向的中部位置上。

进一步地，D1为20mm，D2/D1为0.5，D3/D2为0.5，L1/D1为3，L2/D2 为2.5，L3/D1为3，扩大段15的长度L4与D1之间的比值L4/D1为1，稳 定段13入口端的内径和扩大段15出口端内径均为20mm，重油入口段11出 口端内径和扩大段15入口端内径均与喉管段12的内径D2相同。

利用该水力空化装置1进行重油(常压沸点高于350℃，密度大于 0.93g/cm³)改质的方法具体包括：

在将重油升温至50℃左右后，通过高压泵进行加压，在压力升高至3MPa 左右时，送入水力空化装置1的重油入口段11，重油到达喉管段12时将乙 醇经助剂入口段14吸入水力空化装置1中，其中控制乙醇的加入量，使重油 与乙醇的重量配比为100：1；在喉管段12处乙醇汽化，并随重油一起进入 扩大段15，由于流通面积增大，气泡发生溃灭从而局部产生高温、高压和微 射流，重油与乙醇经历水力空化，重油中的大分子实现断裂和重组，从而达 到减粘和改质效果。

水力空化产物送入气液分离装置实施气液分离后，将分离得到的气体冷 凝后作为助空化剂而循环使用，将分离得到的液体再次升温至50℃左右并加 压至3MPa左右送入水力空化装置1实施水力空化，循环处理直至达到改质 要求。经过多次水力空化的重油的粘度变化见表1，馏程变化见表2。

实施例4

采用实施例3的水力空化装置进行重油改质，不同的是：D1为40mm， D2/D1为0.3，D3/D2为0.4，L1/D1为2，L2/D2为1，L3/D1为5，L4/D1为2，稳 定段入口端的内径和扩大段出口端内径均为40mm，重油入口段、喉管段、扩 大段和稳定段一体成型。

在将重油升温至50℃左右后，通过高压泵加压至4MPa左右后，送入水 力空化装置的重油入口段，重油到达喉管段时将二甲基二硫经助剂入口段吸 入水力空化装置中，二甲基二硫汽化，重油与二甲基二硫经历水力空化，其 中，控制二甲基二硫的加入量，使重油与二甲基二硫的重量配比为100：6； 水力空化产物送入气液分离装置实施气液分离后，将分离得到的气体冷凝后 作为助空化剂而循环使用，将分离得到的液体再次升温至50℃左右并加压至 4MPa左右送入水力空化装置实施水力空化，循环处理直至达到改质要求。经 过多次水力空化的重油的粘度变化见表1，馏程变化见表2。

表1经多次水力空化的重油的动力学粘度变化(50℃，Pa·s)

表2经多次水力空化的重油的馏程变化

由表1和表2可知：

本发明通过采用助空化剂和具有特定结构的水力空化装置，使重油中的 重质成分的含量显著降低，降粘和改质效果明显，改质后的重油能够达到改 质要求，并且具有良好的流动性，能够方便地进行输送。

实施例5

如图3所示，本实施例的利用水力空化对重油进行改质的系统，包括水 力空化装置1、高压泵2和气液分离装置3，水力空化装置1可以为实施例1～ 4任一的水力空化装置，高压泵2与水力空化装置1的重油入口段连接，气 液分离装置3与水力空化装置1的稳定段连接。

进一步地，该系统还包括助空化剂储罐4和重油储罐5，助空化剂储罐4 通过管道与水力空化装置1的助剂入口段连接，重油储罐5通过管道与高压 泵2连接。并且，可以视需要而在助空化剂储罐4与助剂入口段之间的管道 上设置泵6。

进一步地，在气液分离装置3上设有改质重油出口和气体出口，气体出 口通过管道与助空化剂储罐4连接。并且，在气液分离装置3上还可以设置 循环重油出口，其通过管道与重油储罐5连接，在该管道上可以设置控制阀 9。此外，在气体出口与助空化剂储罐4之间的管道上可以设置冷却装置7， 在高压泵2与水力空化装置1之间的管道上可以设置冷却装置8。

可以利用该系统进行实施例1～4任一的重油改质，其方法具体为：

将重油储罐5中贮存的重油升温至53℃左右后，通过高压泵2进行加压， 在压力升高至1.5～5.1MPa左右时，送入水力空化装置1，重油到达水力空化 装置1的喉管段时，由于流通面积的变化导致在喉管段处产生低压(甚至负 压)，从而将助空化剂储罐4中的助空化剂经助剂入口段吸入水力空化装置1 中，重油与助空化剂在水力空化装置1中经历水力空化，重油中的大分子实 现断裂和重组。

从水力空化装置1的稳定段流出的重油经气液分离装置3进行气液分离 后，气体从气体出口流出，经冷却装置7冷凝后送入助空化罐4中循环使用， 对分离的液体进行检测，若达到改质要求，则从重油出口流出并回收；若没 有达到改质要求，则打开控制阀9，使其回流至重油储罐5中循环处理，重 油储罐5中的重油经高压泵2加压至1.5～5.1MPa左右后，经冷却装置8降 温至53℃左右，再次送入水力空化装置1实施水力空化，如此重复实施多次 水力空化，直到重油达到改质要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。