[科普中国]-热沉降

热沉降（thermal precipitation）在温度梯度场内，颗粒受到热致迁移力作用，从高温侧移向低温侧的过程。当含尘空气流经两个具有温度差的物体之间时，微粒会向较冷的物体移动，并沉降在较冷的物体上，作用于微粒上的力正比于温度梯度，反比于它的绝对温度。例如锅炉水管外壁上的积灰。

热沉降脱水原油热沉降脱水法是使用最早、应用最广泛的脱水方法。 目前，它多被用作其它脱水方法的辅助手段。特别在处理“三高原油”时，更是如此。

热沉降脱水的原理原油乳状液虽因乳化剂的存在而趋于稳定，但它仍是热力学不稳定体系。只要设法降低或削弱油水界面膜的强度，增加水滴的碰撞机会，增大油水比重差，降低外相的粘度等，即可破坏其稳定性。加热是破坏原油乳状液稳定的方法之一。其作用是：

1． 削弱油水界面膜的强度

原油中的主要乳化剂是沥青、胶质、石蜡等。随着温度的升高，这些物质在油中的溶解度增大，使其亲油性能大大增加，几乎全部溶解于油中，从而脱离油水界面，达到降低水滴保护膜机械强度的目的。

温度低时，高分子的石蜡要发生结晶，结晶的石蜡晶体吸附在油水界面膜上，增加了界面膜的机械强度、原油温度的提高，避免了石蜡的结晶，消除了这一脱水过程的不利因素。

随着温度的升高，水滴的体积将发生膨胀，使油水界面膜受到胀力的作用，这将降低界面膜的机械强度。在水滴膨胀时，界面膜容易破裂，有利于水滴的合并。

温度的提高，向系统输入了能量，使分子的布朗运动加剧，增加了水滴间的碰撞次数和碰撞力，从而加速了油水界面膜的破坏。

2． 增大油水比重差

实践证明，在温度为0～50。C℃的范围内，原油和水的膨胀系数是不同的，原油的比重随温度的变化要比水变化的快。因而，加热增大了油水的比重差。计算表明，在同样温升的情况下，油水比重差的变化可增加20%。

在液滴的沉降过程中，液滴的沉降速度与油水的比重差成正比。加热增加了油水比重差，也就加快了水滴的沉降速度。

3． 降低原油的粘度

原油粘度随温度的升高而降低，特别是乳化原油的粘度随温度的变化更明显，其变化规律可由下图的曲线上看出：原油含水量越高，粘度随温度的变化越大，在较低的温度范围内，曲线变化较陡，粘度变化较快；而温度较高时，曲线变化则较为平缓，粘度变化的幅度下降。

原油粘度的降低，减少了水滴在沉降过程中的摩擦阻力，加快了水滴在原油中的沉降速度。

4． 有利于破乳剂分散到油水界面上去，进一步提高化学破乳剂的作用效果。

由上所述，加热有利于原油乳状液的油水分离。单从破乳角度来说，加热温度越高，越有利于原油破乳脱水。但温度太高，不仅要耗费大量的燃料，而且会造成原油轻质馏分的蒸发损耗。同时，从比重差和粘度的变化规律来看，温度过高，效果并不明显。因此，原油脱水温度一般控制在80～160℃范围内，而油田生产实践中大多控制在60～110℃。

加热的方法很多，但归纳起来可分为直接加热和间接加热两大类。

直接加热的加热设备，可用加热炉，火筒炉等。这种加热方法的优点是效率高、热流密度大、温升幅度大，但易产生局部过热，在局部过热处会发生结焦，从而降低传热效果，缩短设备寿命。加热炉不宜用于间歇操作及液体流量变化较大的场合。

闻接加热的加热设备，可用换热器、水套炉等·这种加热力。这种加热方式的优点是温度分布均匀，不会产生局部过热、结焦。但由于中间介质的存在，使得效率较低，加热量不能太大。1

热沉降分离的规律热沉降分离是原油脱水最基础的过程。原油脱水所有工艺参数的制定，都以有利于热沉降分离为标准沉降分离是指脱除以游离状态存在的水和破乳后的水。

在热沉降分离的分析中，都引用斯托克斯定律。这不仅是因为该定律深刻地描述了热沉降分离的基本规律，而且在生产上也有重要的指导意义。该定律的数学表达式为

ω=d2（ρw-ρl）g/18νlρl

式中 ω——水滴的沉降速度，m/s；
d——水滴的直径，m；
νl——操作温度下外相油的粘度，m2/s
ρw——操作温度下水的密度，kg/m3；
ρl——操作温度下油的密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2。

由上式可见，热沉降速度与原油中水滴直径的平方成正比，与油，水的密度差成正比，与外相原油的粘度成反比。根据斯托克斯公式，定性分析我国各油田原油脱水的难易程度以及与生产的实际情况相比较是基本相符的。例如，从斯托克斯公式分析原油的加热沉降脱水原理是十分明显的。又如一些粘度小、密度小的原油脱水就比重质、高粘原油脱水容易得多。但是直接定量地利用斯托克斯公式计算水滴的沉降速度会产生较大的偏差。因为该公式并没有包含乳状液稳定的因素，更没有体现乳化剂的影响。1

热沉降设备加热沉降脱水的主要设备是沉降罐，沉降罐的形式有许多种，但归纳起来可分为立式和卧式两种。下面介绍卧式的。

目前各油田所用的沉降罐，大多采用具有水封装置的沉降罐，这种沉降罐可自动调节油水界面，以保持沉降脱水的平衡和稳定。卧式沉降罐在油田被广泛采用。其结构如图所示。

卧式沉降罐的工艺设计，一般只设计其工艺尺寸——直径与长度。对于粘性流体，在沉降罐内一般要求保持层流状态。取其极限状态，即雷诺教Re=2300，则可由下式计算卧式沉降罐的直径：

式中 D——卧式沉降罐直径，m；
q——通过沉降罐的含水油流量，m3/s；
v——操作温度下乳状液的粘度，m2/s；
K——安全系数，取K=1.2。

卧式沉降罐的长度可由下式确定：

式中 ω——水滴的沉降速度，m/s：
K*——安全系数，取K*=1.25。

对原油乳状液加热，只是为原油破乳脱水创造了良好的条件，但是，单靠加热，并不能达到安全破乳的目的。即使是稳定性较差的原油乳状液，热沉降脱水的效果和效率都不会很高，而且能源消耗大。处理时间长，故目前这种脱水方法很少单独使用。1

热沉降计数器这种方法主要用来检测大气中的冻结冰核。该装置的热看板是一片导电玻璃片，冷板是一片贴在导电玻璃上的镀铑铜片，置于用干冰冷却的铜块上。热板与冷板间隙很小，只有0.2 毫米左右。检测时，先使热板保持约100℃的温度，冷板维持比样气露点稍高一点的温度。用抽气的方法使约一升的样气通过小间附，由于两板之间极大的温度梯度，使样气板维持比样气露点稍高一点的温度。用抽气的方法使约一升的样气通过小间隙，由于两板之间极大的温度梯度，使样气中的全部质点留在冷板上。然后关断热板电源，使冷板逐渐降温，达到样气露点时，再补充凝结微滴，继续降温至冰晶出现为止，然后用显微镜或糖液法计数（见图）

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学