高含水乳狀液靜電聚結脫水研究

余秀娟，彭松梓，崔新安，許志明

(1.中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249;2.中國石化集團洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

高含水乳狀液靜電聚結脫水研究

余秀娟1，彭松梓2，崔新安2，許志明1

(1.中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249;2.中國石化集團洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

隨著原油重質化、劣質化、高含水時期的到來，原油靜電聚結脫水出現(xiàn)了電弧及短路現(xiàn)象，造成靜電聚結脫水電流增大，甚至造成變壓器跳閘、燒損，致使常規(guī)電脫水器的穩(wěn)定運行出現(xiàn)問題。為了解決這些問題，采用改性Teflon絕緣材料，通過熱縮工藝制備復合電極。使用制備的復合電極進行了高含水乳狀液靜電聚結脫水研究，首先制備不同乳化狀態(tài)乳狀液并考察其脫水效果，然后采用不同含水量乳狀液考察了靜電聚結溫度、停留時間、電壓等因素對脫水效果的影響。結果表明，該復合電極對高含水乳狀液靜電聚結脫水不會產生電弧、短路等問題，并且有很好的脫水效果.對于40%含水量乳狀液，當電壓為1800 V，溫度為80℃，停留時間10 min時，脫水效率可達85.8%。

乳狀液 靜電聚結 復合電極 脫水效率

隨著原油開采進入中后期，原油重質化、劣質化趨勢越來越明顯，產生了復雜的脫水問題，包括高含量的懸浮物和導電有機物，高含水含鹽等［1］。這些問題使常規(guī)電脫水器的極板間產生電弧及短路現(xiàn)象，造成電脫水電流增大，甚至造成變壓器跳閘、燒損，致使常規(guī)電脫水器的穩(wěn)定運行出現(xiàn)問題［2］。為解決這些問題，各國學者都努力在化學處理和脫水設備設計上進行創(chuàng)新。其中脫水器設計方面的改進主要集中在兩個方面，一是靜電場控制技術，主要是減少重質原油電導率和電弧放電趨勢［3］;二是特殊的電極系統(tǒng)，主要采用復合絕緣材料，例如 fiberglass絕緣材料［4］、fiber-epoxy絕緣材料、含氟聚合物絕緣涂層［5］、Teflon材料［6-7］等。本文采用改性Teflon復合電極考察了不同乳化狀態(tài)乳狀液的靜電聚結脫水情況，以及聚結溫度、停留時間和電壓等因素對靜電聚結脫水效果的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設備

實驗用油為魯寧管輸原油，其性質:ρ20=0.9110 g/cm3，υ40℃=137.5 mm2/s，υ50℃=81.99 mm2/s，υ80℃=25.70 mm2/s，API 度 =23.5，水的質量分數(shù)為0.25，酸值1.36 mgKOH/g。

實驗用水為自來水。

實驗設備:電脫鹽脫水試驗儀(洛陽高新開發(fā)區(qū)雙陽儀器有限公司)，石油產品水分試驗器(上海昌吉地質儀器有限公司)，F(xiàn)M200乳化機(Fluko Equipment Shanghai co.ltd)，電熱鼓風干燥箱(天津市中環(huán)實驗電爐有限公司)，顯微系統(tǒng)(Nikon公司)，電子計價秤(航空航天部太行儀表廠)。

1.2 實驗準備

乳狀液配制:將原油和自來水按一定質量比混合，在室溫、轉速11 000 r/min條件下，用乳化機將其制備成不同含水量的乳狀液。

復合電極制備:絕緣材料為改性Teflon絕緣管，規(guī)格Ф6.0 mm。將合適長度的Teflon絕緣管套在不銹鋼裸電極上(裸電極規(guī)格Ф4.0 mm×110 mm)，底部用玻璃珠密封，在190～230℃下熱縮30～60 min，即可得到實驗用復合電極。熱縮后的絕緣層厚度0.2 mm。

1.3 實驗方法

靜電聚結脫水方法:首先制備所需含水量的穩(wěn)定乳狀液，然后取該乳狀液60 g至電脫水罐內，安裝好復合電極，將電脫水罐放入電脫水實驗儀內，在試驗溫度下預熱10 min，當乳狀液溫度達到實驗溫度后，連接高壓電源開始脫水實驗，停留時間為5～30 min，實驗結束后將電脫水罐取出，在室溫下自然沉降冷卻20 min，最后用移液管移取適量脫水后原油進行水含量分析(蒸餾法)。

顯微分析方法:用顯微系統(tǒng)拍攝原油乳狀液100倍放大照片，利用形態(tài)學圖像分析系統(tǒng)，分析分散相水滴的大小及分布。

1.4 效果評價

靜電聚結脫水效率η用下式表示:

式中C1和C2分別為靜電聚結脫水前后原油含水率，%。

2 實驗結果及分析

2.1 乳化狀態(tài)對靜電聚結脫水效果的影響

乳狀液制備研究時發(fā)現(xiàn)，當油水沒有形成穩(wěn)定的乳狀液時，黏度比較低，隨著剪切時間的延長，存在一個時間點，在該時間點黏度突然增大，形成穩(wěn)定乳狀液。

圖1～3是30%含水率原油乳狀液在該黏度轉折時間點前后的顯微照片(100倍)。其中圖1是該黏度轉折時間點前10 s停止乳化時的照片(以下稱為乳狀液1)，形成W/O型乳狀液，水滴粒徑基本處于0～40 μm。圖2和3分別為該黏度轉折時間點后30 s和90 s停止乳化時乳狀液照片(以下稱為乳狀液2和3)，從圖中可知基本形成了油包水、水包油復雜乳狀液，水滴粒徑基本在0～30 μm。

圖1 乳狀液1Fig.1 emulsion 1

圖2 乳狀液2Fig.2 Emulsion 2

圖3 乳狀液3Fig.3 Emulsion 3

在電場停留時間10 min，脫水溫度80℃的條件下，考察了乳狀液1，2和3分別在1 400 V，2 200 V和3 000 V下的靜電聚結脫水效果，試驗結果見圖4。

圖4乳化狀態(tài)對脫水效率的影響Fig.4.The effect of dehydration efficiency by emulsified state

由上圖可以看出，三種乳狀液的脫水效率均隨電壓的增大而提高。當電壓為1 400 V時，三種乳狀液的脫水效率隨乳化強度的增加而降低。當電壓為2 200 V和3 000 V時，乳狀液1的脫水效率明顯高于乳狀液2和3的脫水效率，而乳狀液2和3的脫水效率差別不大。因為當電場強度較低時，水滴直徑對水滴聚結力起著決定性影響，乳狀液1的水滴粒徑最大，因此脫水效果最好。隨著電場強度增大，電場強度對聚結力的影響逐漸增大，乳狀液2和3在水滴粒徑方面的微小差別起不到?jīng)Q定作用，因此二者的聚結力基本相同，因此脫水效果也基本相同。這說明當電場強度足夠時，過度乳化也不會導致脫水效果變差。

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，以下實驗任意含水量乳狀液的制備均采用乳狀液3的方法。

2.2 溫度對靜電聚結脫水效果的影響

采用20%，30%和40%三種不同含水量乳狀液，在電壓1 800 V，停留時間10 min的條件下，考察溫度對原油乳狀液脫水效率的影響，結果見圖5。

圖5 溫度對脫水效率的影響Fig.5 The effect of dehydration efficiency by temperature

由圖可知，三種不同含水量乳狀液的脫水率均隨著溫度的升高而提高。這是由于溫度增加，油水乳狀液的黏度降低，分子熱運動加快，乳狀液中水滴碰撞聚結機會增多，使水滴聚結沉降加快。在相同溫度下，高含水乳狀液的脫水率比低含水乳狀液高，因為兩水滴之間的聚結力與水滴之間的間距成反比，高含水乳狀液的水滴間距離比較大，所以脫水率也高。在低溫時(40～50℃)，三種不同含水量乳狀液脫水率差別比較大，但隨著溫度的增加，區(qū)別減小。溫度從50℃升高到60℃，乳狀液的黏度明顯減小，水滴沉降速度加快，而60℃以上乳狀液黏度減小程度緩和，隨之水滴沉降速度增加平緩。

2.3 電場停留時間對靜電聚結脫水效果的影響

采用20%，30%和40%三種不同含水量乳狀液，在電壓1 800 V，脫水溫度為80℃的條件下，考察了停留時間對原油乳狀液脫水效率的影響，如圖6所示。

圖6 停留時間對脫水效率的影響Fig.6 The effect of dehydration efficiency by resident time

由圖可知，三種不同含水量乳狀液的脫水效率均隨停留時間的延長而提高。電場停留時間10 min后，三種不同含水量乳狀液的脫水率已到達75%以上。相同停留時間下，30%和40%乳狀液的脫水率區(qū)別不大，但都比20%含水量的高，當停留時間為30 min時，高含水乳狀液的脫水率區(qū)別不大，因為含水量高的乳狀液的水滴沉降需要一定的時間，所以時間足夠長，脫水率差別就不明顯。

2.4 電壓對靜電聚結脫水效果的影響

采用20%，30%和40%三種不同含水量乳狀液，在電場停留時間10 min，脫水溫度80℃的條件下，考察了電壓對原油乳狀液脫水效率的影響，如圖7所示。

由圖可知，三種不同含水量乳狀液的脫水率均隨電壓的增加而增大。這是由于水是極性分子，當其處在電場中時，電場能驅動水分子有序運動，發(fā)生偶極聚結、電泳聚結和震蕩聚結，使小水滴聚結成大水滴，然后沉降出來。水滴之間的聚結力與電場強度的平方成正比，所以隨著電壓的提高，電場的作用越來越大，水分子的運動也隨之劇烈，脫水效率明顯增大。相同電壓下，高含水乳狀液比低含水乳狀液的脫水效率高。電壓1000 V以下時，對20%、30%和40%含水量的乳狀液脫水率增幅較大，但電壓1000 V以上時，脫水率的增幅趨于減小。因為電壓低時，電場對大水滴的聚結效果比較明顯，而10 μm以下的水滴較難聚結。隨著電壓升高，對10 μm以下水滴聚結，電場開始明顯發(fā)生作用。

圖7 電壓對脫水效率的影響Fig.7 The effect of dehydration efficiency by voltage

3 結論

(1)乳狀液制備研究表明，在黏度轉折時間點已經(jīng)形成均勻穩(wěn)定的乳狀液，延長乳化剪切時間對乳狀液狀態(tài)沒有影響。靜電聚結脫水實驗結果也表明不同乳化狀態(tài)的穩(wěn)定乳狀液，在實驗條件下，其脫水率均可達80%以上。

(2)改性Teflon復合電極對高含水乳狀液具有很好的靜電聚結脫水效果。對不同含水量的穩(wěn)定乳狀液，其靜電聚結脫水效率隨溫度的升高而提高;隨電壓的升高而提高;隨停留時間的延長而提高。對于40%含水量乳狀液，當電壓為1800 V，溫度為80℃，停留時間10 min時，脫水效率可達85.8%。

［1］賈鵬林，婁世松，楚喜麗.原油電脫鹽脫水技術{M}.北京:中國石化出版社，2010:41-46.

［2］徐培瑜，彭建萍.電脫過程電能損耗及金屬極板絕緣改造［J］.油氣田地面工程，2000，19(4):30-31.

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［5］UrdahlO，Nordstad K，Berry P，et al·Development of a New，Compact Electrostatic Coalescer Concept·SPE 69196，SPE Production ＆ Facilities，F(xiàn)ebruary 2001:4-8.

［6］Wolff E A，Knutsen T L·Advanced electrostatic internals in the 1st stage separator enhance oil/water separation and reduce chemical consumption on the Troll Cplatform［C］·OTC 16321，presentation at the 2004 Offshore Technology Conference held in Houston，Texas，2004(5):3-6.

［7］張黎明，何利民.靜電聚結器破乳機理分析與試驗研究［J］. 石油天然氣學報，2008，30(2):157-160.

Study on Dehydration of High－water Oil Emulsions by Electrostatic Coalescence

Yu Xiujuan1，Peng Songzi2，Cui Xin’an2，Xu Zhiming1
(1.College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249;2.SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Luoyang，Henan 471003)

With crude oil becoming heavier，poorer and higher in water，the spark discharge，current shortcut etc occurred in the process of electrostatic coalescence dehydration of crude oil.These would cause the increase of dehydration current and trip of transformer，which would affect the stable normal running of electrostatic coalescence apparatus.To solve these problems，complex electrodes made from modified insulation Teflon materials by hot shrinkage method was applied.Dehydration of high－water oil emulsion by electrostatic coalescence using Teflon complex electrode was studied.Emulsions of different emulsification states were prepared and the dehydration efficiency was studied.The impacts of different factors such as electrostatic coalescence temperature，resident time and voltage on dehydration efficiency were studied by using oil emulsions with different water contents.The results show that the complex electrode will generate no spark discharge and cause no short circuit in electrostatic coalescence dehydration，and offered a good dehydration efficiency for high－water oil emulsion.When the temperature is 80 degree centigrade，the resident time is 10 minutes and the voltage is 1800 volt，the dehydration efficiency can reach 85.8%for oil emulsion with 40%water.

emulsion，electrostatic coalescence，complex electrode，dehydration efficiency

TP202

A

1007－015X(2012)03－0001－04

2012－02－ 14;修改稿收到日期:2012－04－28。

余秀娟，女，中國石油大學(北京)化學工程學院在讀碩士研究生。E-mail:t-yuxj.lpec@sinopec.com

(編輯 王菁輝)