平掛電極式電脫水器靜電聚結(jié)特性的實(shí)驗(yàn)研究

吳宗強(qiáng) 呂宇玲 何利民 田成坤

1中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院2中國(guó)石油規(guī)劃總院

平掛電極式電脫水器靜電聚結(jié)特性的實(shí)驗(yàn)研究

吳宗強(qiáng)1 呂宇玲1 何利民1 田成坤2

1中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院2中國(guó)石油規(guī)劃總院

電脫水器由于能耗低、效率高，是目前應(yīng)用范圍最廣的油水分離設(shè)備。設(shè)計(jì)并制作了一種平掛電極式電脫水器的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置，主要針對(duì)電脫水器的靜電聚結(jié)特性進(jìn)行研究。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)頻率、含水率、溫度4個(gè)因素對(duì)聚結(jié)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電場(chǎng)強(qiáng)度是影響靜電聚結(jié)的主要因素，增加電場(chǎng)強(qiáng)度有利于油水分離；高于水滴破裂場(chǎng)強(qiáng)后，發(fā)生電分散現(xiàn)象，水滴破裂場(chǎng)強(qiáng)隨溫度及含水率的升高而變小；水滴聚結(jié)存在最優(yōu)的頻率，最優(yōu)頻率會(huì)因油品性質(zhì)的不同而變化。

原油；平掛電極；電脫水器；靜電聚結(jié)；電場(chǎng)強(qiáng)度

目前，我國(guó)絕大部分油田采用注水開發(fā)方式開采石油，世界原油產(chǎn)量90%以上需要進(jìn)行脫水處理。與重力法、離心法、化學(xué)處理法、熱處理法等相比，靜電脫水能在較低溫度下破乳且處理量大，凈化后的原油含水率低，設(shè)備結(jié)垢、腐蝕的傾向小[1-2]，電脫水器因其能耗低、效率高、適用范圍廣而成為油田中應(yīng)用最普遍的油水分離設(shè)備[3]。因此，研究電脫水器中水滴的聚結(jié)特性，篩選出針對(duì)不同性質(zhì)油水乳狀液的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，提高電脫水器的聚結(jié)效率、分離效率和穩(wěn)定性，降低能耗，能夠?yàn)橛吞镫娒撍O(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。

1 原理分析

油、水的電導(dǎo)率差別很大，當(dāng)油水乳狀液置于高壓電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)力削弱了水滴的界面膜強(qiáng)度，促進(jìn)水滴有效碰撞，使微水滴聚結(jié)成大水滴。Waterman[4]等給出了交流電場(chǎng)下兩個(gè)水滴偶極-偶極力大小的公式

式中FE為電場(chǎng)力（N）；E為電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）；R為水滴半徑（m）；β為電場(chǎng)線與水滴中心連線的夾角（°）；D為水滴中心間距（m）；k為常數(shù)。

由公式（1）可知，外加電場(chǎng)強(qiáng)度越高，兩水滴的半徑越大，水滴之間距離越小，水滴所受的電場(chǎng)力越大。經(jīng)驗(yàn)證明，水滴間距在2～3倍水滴直徑時(shí)趨于聚結(jié)，且多數(shù)情況下，當(dāng)E≥480 k V/m時(shí)，容易發(fā)生電分散[4]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

我國(guó)各大油田普遍采用臥式圓筒形電脫水器，為此，研究設(shè)計(jì)了一種平掛電極式電脫水器的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置，平掛式電極位于評(píng)價(jià)裝置中上部，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。油水乳狀液經(jīng)過(guò)防爆電加熱器加熱到指定溫度后，經(jīng)過(guò)雙螺桿泵、在線乳化儀的剪切作用，實(shí)現(xiàn)乳狀液的制備。通過(guò)改變雙螺桿泵的轉(zhuǎn)速（達(dá)到目標(biāo)流量后），使油水乳狀液進(jìn)入實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置。在實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置內(nèi)，乳狀液自下而上流動(dòng)，在外加電場(chǎng)作用下，微水滴有效聚結(jié)成大水滴，大水滴從乳狀液中沉降出，低含水的油水乳狀液經(jīng)過(guò)上部匯集管匯集后流回保溫罐，沉降出的水經(jīng)過(guò)下端出水口流回保溫罐。油水乳狀液重新混合乳化均勻后，進(jìn)行下一工況實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

采用2種不同性質(zhì)的A原油和B原油，與自來(lái)水混合后制成不同含水率的油水乳狀液作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)油品的物性參數(shù)見表1。

表1 油品物性參數(shù)（50℃）

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

使用單反相機(jī)、顯微鏡拍攝不同工況下水滴粒徑照片，然后使用Image-Pro Plus圖像處理軟件，對(duì)水滴粒徑照片進(jìn)行處理并分析。本文采用Sauter平均直徑D32[5]來(lái)描述不同工況下的水滴粒徑變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

主要從電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)頻率、溫度、含水率4個(gè)因素來(lái)研究平掛電極式電脫水器的聚結(jié)特性。

3.1 電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

從含水率20%的A油品乳狀液水滴粒徑隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化可知，未加電場(chǎng)時(shí)，油水乳狀液中水滴粒徑較小，分布均勻，且微水滴數(shù)量多。電場(chǎng)強(qiáng)度為84 kV/m時(shí)，水滴開始呈現(xiàn)明顯變化，微水滴數(shù)量減小，水滴粒徑明顯增大。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，大水滴數(shù)量逐漸增加，粒徑逐漸增大，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到335 k V/m時(shí)，開始出現(xiàn)粒徑超過(guò)250μm的大水滴。電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大，水滴粒徑超過(guò)250μm的大水滴數(shù)量不再變化，而微水滴數(shù)量繼續(xù)減小。這是因?yàn)榇藭r(shí)油水乳狀液中大水滴受到的電場(chǎng)力已不能克服水滴的黏滯阻力與界面張力，不再發(fā)生有效碰撞，但對(duì)于微水滴，電場(chǎng)力依然起作用，因此微水滴數(shù)量繼續(xù)減少[6]。

圖2 不同含水率時(shí)水滴粒徑隨電場(chǎng)頻率的變化

從不同含水率下水滴粒徑隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化可知，含水率10%、20%時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，水滴粒徑呈增大的趨勢(shì)。這是由于含水率較低時(shí)，水滴粒徑小且水滴間距相對(duì)較大，根據(jù)公式（1），水滴需要更高的電場(chǎng)強(qiáng)度才能克服黏滯阻力與界面張力的影響，發(fā)生有效聚結(jié)[7]。含水率30%時(shí)，水滴粒徑隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大迅速增大，電場(chǎng)強(qiáng)度高于427 k V/m后，電場(chǎng)力使得水滴的扭曲變形過(guò)大，界面張力無(wú)法使變形恢復(fù)，導(dǎo)致部分水滴破裂成小水滴，出現(xiàn)電分散現(xiàn)象，降低了分離效率，使原油脫水效果惡化。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不足以使液膜破裂時(shí)，水滴會(huì)沿電場(chǎng)力方向排列成鏈，引起電流過(guò)大從而擊穿電極板。因此，電脫水器運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將電場(chǎng)強(qiáng)度嚴(yán)格控制在液膜破裂電場(chǎng)強(qiáng)度與水滴破裂電場(chǎng)強(qiáng)度之間。相同含水率下，B油品乳狀液的聚結(jié)效果優(yōu)于A油品乳狀液。這是因?yàn)锳油品的電導(dǎo)率高于B油品，相同條件下，作用于A油品乳狀液的有效電場(chǎng)強(qiáng)度??；且相同溫度下A油品的黏度更大，流動(dòng)性比B油品差，水滴在A油品乳狀液中所受的黏滯阻力大，不利于有效聚結(jié)。

3.2 頻率的影響

圖2為電場(chǎng)強(qiáng)度為335 k V/m，含水率為5%、10%、20%的A油品、B油品乳狀液中水滴粒徑隨電場(chǎng)頻率的變化曲線。目前，交流電場(chǎng)中頻率對(duì)水滴聚結(jié)特性影響的研究較少，本研究通過(guò)加密實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的方法來(lái)考察頻率的影響。從圖2可知，含水率5%、10%時(shí)，隨著電場(chǎng)頻率的增加，低頻下水滴粒徑先增大后減小，高頻下基本不再變化。含水率20%時(shí)，低頻下水滴粒徑隨電場(chǎng)頻率的增大而增大，高頻下基本保持不變。油水乳狀液存在最優(yōu)聚結(jié)頻率，且最優(yōu)頻率隨油品性質(zhì)不同而變化。含水率5%、10%時(shí)，A油品、B油品乳狀液的最優(yōu)聚結(jié)頻率在50 Hz附近；含水率20%時(shí)，A油品乳狀液的最優(yōu)聚結(jié)頻率在75 Hz附近，B油品乳狀液的最優(yōu)聚結(jié)頻率在100 Hz附近。這是由于水滴的極化作用隨電場(chǎng)頻率的增加而增強(qiáng)，極化作用力增大，水滴的靠近時(shí)間相應(yīng)減小。此外，當(dāng)電場(chǎng)頻率逐漸接近水滴的固有頻率時(shí)，水滴發(fā)生共振，此時(shí)水滴振幅增大，界面膜強(qiáng)度減弱，微水滴更容易破裂和聚并，從而發(fā)生有效的沉降，分離效率增大；超過(guò)這個(gè)頻率后，水滴共振作用減弱，聚結(jié)效果相應(yīng)變差。

3.3 含水率的影響

圖3為電場(chǎng)頻率為50 Hz，含水率為10%、20%、30%時(shí)A油品乳狀液水滴粒徑隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線。從圖3可以看出，油水乳狀液的水滴粒徑隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大先快速增長(zhǎng)，達(dá)到一定電場(chǎng)強(qiáng)度后增速放緩。含水率10%、20%時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到335 k V/m后水滴粒徑基本不再變化。含水率30%時(shí)水滴粒徑增速明顯高于低含水率時(shí)水滴粒徑增速，增速放緩時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度為248 k V/m，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于335 k V/m時(shí)，發(fā)生電分散現(xiàn)象。含水率提高時(shí)，水滴初始粒徑變大，水滴間距變小，水滴之間的碰撞概率增大，根據(jù)公式（1），相同條件下水滴所需的聚結(jié)場(chǎng)強(qiáng)變小，因此增速放緩電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著含水率升高而變小。但含水率升高使得油水乳狀液黏度增大[8]，同時(shí)增大了電導(dǎo)率，導(dǎo)致作用于油水乳狀液上的有效電場(chǎng)強(qiáng)度變小；水滴的擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)隨著含水率的升高而減小，導(dǎo)致聚結(jié)速度與碰撞頻率降低，使得分離效率降低。

圖3 含水率對(duì)水滴聚結(jié)特性的影響

3.4 溫度的影響

從溫度對(duì)水滴聚結(jié)特性的影響曲線可知，隨著溫度的升高，水滴粒徑呈增大的趨勢(shì)，且發(fā)生電分散的電場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度的升高而變小。50、60、70℃下水滴破裂電場(chǎng)強(qiáng)度分別為427、335和248 k V/m。溫度升高，油水乳狀液的穩(wěn)定性降低[9]。首先，溫度升高使原油中的主要乳化劑（膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等）在原油中的溶解度增大，削弱水滴界面膜強(qiáng)度，有助于破乳劑的彌散，提高破乳劑的反應(yīng)能力[10]。其次，溫度升高會(huì)使油水乳狀液中水滴體積膨脹，使水滴界面膜變薄，機(jī)械強(qiáng)度降低，而且由于油水的體積膨脹系數(shù)不同，溫度升高后油水的密度差增大，水滴更容易沉降出來(lái)。此外，溫度升高會(huì)降低油水乳狀液的黏度，沉降過(guò)程中水滴所受的黏滯阻力變小，沉降速度加快。但過(guò)高的溫度除使能耗增高外還會(huì)使原油的電導(dǎo)率增大，運(yùn)行過(guò)程中的電流增大，造成電脫水器運(yùn)行不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）電場(chǎng)強(qiáng)度是影響靜電聚結(jié)的主要因素。在水滴破裂之前，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，聚結(jié)效果越好；聚結(jié)過(guò)程存在水滴粒徑增速變緩電場(chǎng)強(qiáng)度，含水率為10%、20%時(shí)，A油品乳狀液增速變緩電場(chǎng)強(qiáng)度為335 k V/m；含水率為30%時(shí)，增速變緩電場(chǎng)強(qiáng)度為248 k V/m。

（2）聚結(jié)過(guò)程存在最優(yōu)聚結(jié)頻率。含水率為5%、10%時(shí)，A油品、B油品乳狀液的最優(yōu)聚結(jié)頻率在50 Hz附近；含水率為20%時(shí)，A油品的最優(yōu)聚結(jié)頻率在75 Hz附近，B油品乳狀液的最優(yōu)頻率在100 Hz附近。

（3）溫度和含水率越高，越容易發(fā)生電分散現(xiàn)象。50、60和70℃下，A油品乳狀液水滴破裂電場(chǎng)強(qiáng)度分別為427、335和248 k V/m，電脫水器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將場(chǎng)強(qiáng)嚴(yán)格控制在水滴破裂電場(chǎng)強(qiáng)度以下。

[1]白志山，汪華林，唐良瑞．原油脫鹽脫水技術(shù)評(píng)述[J]．化工機(jī)械，2004，31（6）：384-387.

[2]JOHN S E，GHADIRI M，SHARIF A O，et al．Electrostatic enhancement ofcoalescence of water droplets in oil：a review of the current understanding[J]．Chemical Engineering Journal，2001（84）：173-192.

[3]馮叔初，郭挨常．油氣集輸與礦場(chǎng)加工[M]．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東）出版社，2006：309-319.

[4]WATERMAN L C．Electrical coalescers[J]．Chemical Engineering Progress，1965，61（10）：51-57.

[5]ANUELIP，HEWITTG F．Drop size distrihntionsin horizontal oilwater dispersed flows[J]．Chem Eng Sci，2000，55（16）：3 133-3 143.

[6]于春健，于才淵．液滴在高壓靜電場(chǎng)中分散現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究[J]．高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2005，19（2）：278-281.

[7]楊東海，何利民，羅小明，等．新型靜電聚結(jié)器中水滴聚結(jié)特性研究[J]．高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，26（2）：222-227.

[8]何兆洋．緊湊型靜電聚結(jié)器結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究[D]．青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，2009.

[9]張帆，王福賓，張石興．油水乳狀液性質(zhì)及影響因素[J]．油氣田地面工程，2005，24（12）：2-3.

[10]劉娟，趙亞溥，胡斌，等．油水乳狀液的穩(wěn)定機(jī)理及其化學(xué)破乳技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．化工進(jìn)展，2013，32（4）：891-897.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.006

吳宗強(qiáng)：在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌馑嘞嗔髋c多相分離。

2015-09-16

基金論文：國(guó)家自然基金（51274233）資助。

15689131529、sd07122314@163.com。