稠油开发需要大量软化水做为注汽锅炉的给水, 这些软化水通常由离子交换系统提供。但树脂使用一段时间后其交换容量降低, 软化水的硬度上升, 这时需要对离子交换树脂进行再生, 恢复其交换能力。树脂的再生是离子交换水处理工艺过程中最重要的环节, 再生效果的好坏不仅对其工作交换容量和出水水质有直接的影响, 而且在很大的程度上决定运行的经济性。常采用的再生液为浓度10%左右的氯化钠。生产实践表明再生过程不仅消耗大量的氯化钠和清水, 而且外排的高硬度、高含盐再生废水对周边环境产生不良影响, 还增加污水拉运成本[1,2,3,4,5]。
辽河油田小洼油区某注汽锅炉软化设备分一、二两组轮换运行及再生, 每一组又分为一、二级软化罐, 软化罐内装有阳离子交换树脂, 用氯化钠再生, 再生流程切换采用气动薄膜自动阀, 现场树脂的再生过程又分反洗、进盐、置换、一级正洗和二级正洗5个步骤。
1 树脂交换能力下降影响因素
软化水处理过程中离子交换反应是一个可逆和定量的化学反应。例如, 当含有Ca2+的水通过树脂层时, 发生如下反应:
由于上述反应不断消耗Na R型树脂, 最后树脂层失效。为了恢复该树脂的交换能力, 可以用含Na+盐水再生失效的树脂层。由于离子交换反应是可逆的, 树脂又可以恢复到Na R型状态。其反应如下:
根据上面两个公式可以得出, 树脂中钠离子含量直接关系到树脂的交换能力, 而交换能力的下降与处理水量及水中所含离子的含量有关。
1.1 进水硬度
辽河油田小洼油区油藏埋深一般在500m-2000m, 地层水以Na HCO3为主, 随埋深加大Ca Cl2及Mg Cl2含量加大;锅炉用水一般采用经联合站处理的地层回采水, 其硬度一般在150ppm。
1.2 周期制水量
以SF—19.1—17.9—YQ型号锅炉为例, 根据生产需要及目前生产方式, 周期制水量一般在1000m3左右。
1.3 树脂处理能力
树脂处理能力取决于其中的钠离子含量即树脂量, 目前添加树脂量均为一级、二级树脂罐的二分之一。
1.4 其他因素
水源吸口附近油污染, 以及来水中的悬浮物、有机物和铁等均会降低树脂交换能力。同时树脂罐中的交换树脂在运行中有破碎, 堵塞集水器, 增加压力降。另外树脂罐本身为铁质, 长时间使用防腐层破损也是致使树脂失效的原因之一。
2 数学模型建立
根据上式, 软化水处理和树脂再生是钠离子与钙离子互相替换的可逆过程, 2个摩尔的钠离子替换1个摩尔的钙离子, 即2Na+→Ca2+
分别用x和y代替钠离子和钙离子摩尔质量, 即
式中:T-制水周期, h;
V-进水速度, L/h;
P-进水单位硬度, mg/L.
根据公式 (3) 和公式 (4) , 当树脂交换量和进水速度一定时, 制水周期即水处理运行周期与进水单位硬度成反比, 即若阶段进水单位硬度较小时则可延长水处理运行周期。
3 采取控制措施
根据上述分析, 通过增加树脂量, 由原来的二分之一增加至树脂罐容积的三分之二;选用大颗粒树脂, 减少压力损失;定期对树脂进行补充、筛选、清洗;树脂罐进行及时检修四个途径来提高树脂交换能力, 延长水处理树脂运行周期。
4 实际应用效果
通过对小洼油区某注汽锅炉半年内软水处理及再生过程各项指标的跟踪化验、分析得出, 可将原来再生周期150小时延长至200小时, 按每次再生用水23m3, 用氯化钠0.3吨, 一年约减少再生次数15次节水345m3, 少消耗氯化钠4.5吨。按氯化钠每吨800元, 污水拉运费80元/m3, 一年可节约成本31200元。达到环保、降本增效的目的。
摘要：通过对树脂交换能力影响因素的分析, 建立树脂再生周期数学模型, 采用辽河油田小洼油区实际水处理资料进行统计, 发现水处理运行周期较短, 根据模型计算可将运行周期由150小时延长至200小时, 据此每台锅炉一年可节省用水345m3。
关键词：树脂再生,离子交换,节水
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