物理法原油破乳研究進展

陸　洋

（中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京重點實驗室，北京 102249）

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物理法原油破乳研究進展

陸洋

（中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京重點實驗室，北京 102249）

介紹了超聲波破乳法、微波破乳法、電破乳法、研磨破乳法、膜破乳法等近幾年較熱門的油水乳狀液物理破乳方法，綜述了各方法的破乳機理和國內外研究進展，著重分析了超聲波破乳法和微波破乳法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，表明兩者是最具前景的物理破乳法，指出未來原油破乳的發(fā)展趨勢是高效、節(jié)能、環(huán)保。

油水乳狀液；物理破乳法；超聲波破乳；微波破乳

目前實驗室和工業(yè)生產所采用的破乳方法分為化學法、物理法、生物法以及各方法的聯(lián)用［1］?；瘜W法應用廣泛，但對環(huán)境污染大；生物法效率低、適應性弱；物理法簡單高效、環(huán)保，是今后破乳方法的主要發(fā)展方向。

物理破乳法，即采用物理的方法破壞油水界面膜而實現(xiàn)破乳，包括超聲破乳法、微波破乳法［2］、電破乳法、膜破乳法、加熱破乳法、離心破乳法、研磨破乳法等。隨著乳狀液的類型、結構越來越復雜，傳統(tǒng)物理破乳法如加熱法、離心法等難以滿足破乳要求。本文對近幾年較熱門，前景較好的幾種物理破乳方法進行分析和闡述。

1　超聲波破乳法

1.1超聲破乳機理

超聲波在介質中傳播，會產生力學、熱學、光學和電學等一系列效應［3］，簡單來說，可分為熱效應和非熱效應，其中非熱效應包括空化作用和位移效應。理論推導與可視化實驗證明超聲波破乳的聲強必須控制在空化閾之下，否則超聲波會起致乳作用［4］。因此，超聲波破乳主要利用超聲波的熱效應及非熱效應中的位移效應。

（1）熱效應可以減小油水界面膜的強度，使其更易破裂［5］；還能降低油的粘度，減小了水滴下降的阻力，利于油水分離。

（2）超聲波的機械振動作用可使水滴產生位移效應，能量輻射到油水乳狀液中，水滴不斷地向波節(jié)或波腹移動，碰撞聚結成較大的水滴，在重力作用下沉降分離［6］。

1.2超聲破乳研究現(xiàn)狀

Antes F G［7］等在不添加化學破乳劑的情況下，探討低頻超聲原油破乳的可行性。實驗所用油水乳狀液的含水率為12%、35%、50%，不同含水率的乳狀液均有3種不同的液滴粒徑分布5、10、25μ m。在頻率35 kHz的超聲波作用下，評估溫度、超聲時間、超聲功率對破乳效果的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，含水50%、液滴粒徑10μm的油水乳狀液，在溫度45℃，超聲功率160 W，超聲時間15 min的條件下，達到最大破乳效率65%。

孫寶江［4］等針對O/W型乳化原油，進行了超聲波破乳研究，發(fā)現(xiàn)處理后的污水含油率明顯下降，除油率最大可達 98%，污水中的絕對含油量降至40 mg/L；而在相同條件下，自然沉降分離后污水中的含油量約為200 mg/L?？梢?，超聲波破乳分離O/W型乳狀液是可行的，且效果非常明顯。

1.3超聲破乳影響因素

油水乳狀液超聲波破乳效果的影響因素有很多，如超聲波頻率、聲強、輻射時間、溫度、沉降時間、原油粘度等［8］，其中最主要的研究對象是頻率和聲強。

聲強必須控制在空化閾以下，過大反而會致乳，即油水兩相形成更加穩(wěn)定的乳狀液。由于不同原油乳狀液的性質差異較大，破乳時所對應的最優(yōu)聲強也就不同。超聲波的頻率在一定量級的范圍內只影響“粒子”向波腹或波節(jié)運動所走的距離，對破乳效果的影響在一定范圍內不明顯［4］。Kotyusov從理論上推算出“粒子”發(fā)生凝聚所對應的最佳超聲波頻率范圍為21～25 kHz［9］。

2　微波破乳法

2.1微波破乳機理

微波是頻率范圍約為300 MHz～300 GHz（波長1 mm～1 m）的電磁波。微波破乳法同傳統(tǒng)破乳法的機理有較大的區(qū)別，是微波熱效應和非熱效應的共同作用［10］。

（1）熱效應：微波加熱相較于傳統(tǒng)加熱方式無滯后效應，加熱更快、更均勻。因為水分子吸收微波的能力比油分子強，水滴膨脹使得油水界面膜受壓變?。煌瑫r油的溶解度因受熱而增大，使得界面膜強度減弱而更容易破裂［11］。

（2）非熱效應：極性水分子和帶電液珠隨電場變化而迅速轉動或產生電荷位移，打亂了液—液界面間電荷的有序排列，破壞了雙電層結構，導致ζ電位急劇減小。當ζ電位對水分子的作用減弱后，小水滴相互碰撞、聚結，從而與油分離。此外，微波形成的高頻磁場將非極性的油分子磁化，并形成與油分子軸線成一定角度的渦旋電場，該電場能減小分子間的引力，降低油相粘度，利于油水分離［12］。

2.2微波破乳研究進展

原油微波破乳是一種新型、高效的破乳方法，目前國內外研究人員的工作重點主要針對兩方面開展：一是微波破乳的機理，二是破乳效率的影響因素。

Nour A H［13］利用響應面分析確定微波破乳的最佳條件。實驗結果表明，膠質/瀝青質的比例越大，乳狀液越容易破乳；微波作用后乳狀液粘度明顯降低，顆粒直徑增大；微波加熱乳狀液時的升溫速率在低溫時基本保持不變，在高于50 ℃后逐漸減小。Ferreira B M S［14］在微波破乳實驗中發(fā)現(xiàn)試樣是否包裹聚四氟乙烯對加熱后的溫度無影響，但乳狀液老化會降低常規(guī)加熱和微波加熱破乳的效率。實驗結果顯示，含水40%的100 mL乳狀液，經800 W的微波加熱40 s后，溫度升至60 ℃，沉降5 min后脫水率為100%。Binner E R［15］等研究了連續(xù)流微波系統(tǒng)對O/W型乳狀液沉降性能的影響，沉降時間取決于功率、流速和輸入的能量。實驗結果表明，含水20%的乳狀液在功率12 kW，流速6 L/min，沉降時間100 min的處理條件下，達到最大分離效率20%，此時所需的能量要低于將水加熱至100 ℃的熱量；相較于低流速的處理效果，高流速時紊流現(xiàn)象較為嚴重，脫水率更低，沉降時間更長；還發(fā)現(xiàn)當輸入能量相同時，功率越大，脫水率越高。

國內對原油微波破乳的研究始于上世紀 90年代，傅大放［16］等初步探討了原油微波破乳的機理。分別測試了微波輻射和電爐加熱后樣品的ζ電位，發(fā)現(xiàn)微波作用后樣品的ζ電位降幅更大，而ζ電位隨溫度的變化呈無規(guī)則狀態(tài)。實驗結果證明了微波加熱具有電中和作用，進一步揭示了非熱效應的存在，ζ電位的降低，加速了分散相顆粒的聚結，提高了破乳效率。王海鵬等［17］采用均勻設計試驗方法，研究了微波處理低含油乳化液的脫油率與微波功率、脫油溫度、油的質量分數之間的關系。結果表明，脫油率隨微波功率的增大呈負指數規(guī)律增加，隨脫油溫度的升高呈線性增加，隨油的質量分數的增加呈2次關系減小；脫油溫度與油的質量分數存在交互效應，含油率的升高會減小脫油溫度對脫油率的影響，而脫油溫度的升高會增大油的質量分數對脫油率的影響；當微波功率為247 W/（60 mL）、脫油溫度為90 ℃、油的質量分數為5%時，根據擬合公式得到靜置30 min乳化液的脫油率達到最大22.2%。

3　其他破乳法

超聲波破乳法和微波破乳法都是利用波的能量破壞油水乳狀液，雖然兩者破乳效率高、綠色環(huán)保、節(jié)能，但要應用于工業(yè)還有很多技術難題要解決?，F(xiàn)階段，物理破乳法中技術較為成熟，相比傳統(tǒng)破乳法又更高效的有電破乳法、研磨破乳法和膜破乳法等。

3.1電破乳法

電破乳法是通過電場作用，促進油水乳狀液分散液滴碰撞、聚結，實現(xiàn)油水分離［18］。

葛衛(wèi)學等［19］對不同物性參數下油水乳狀液電破乳效率的聯(lián)合作用規(guī)律進行了研究。歸納含水率、溫度、無機鹽、酸堿等參數對電破乳的作用，得到優(yōu)化油水乳狀液電破乳分離的物性參數：含水率過大易造成乳狀液的電導率發(fā)生劇增，統(tǒng)籌考慮油水分離的電能耗，一般將含水率控制在 25%為宜；避免分散液滴產生電分散，破乳劑達到濁點，以及熱負荷增加，溫度控制在70 ℃為佳；無機鹽能降低油水乳狀液的穩(wěn)定性，但過高的含鹽濃度，使得乳狀液的電導率增加，能耗也有所上升；控制乳狀液中固體微粒的粒徑不小于幾十微米，避免摻混與油濕潤角小、具有親油特性的固體微粒，易于電破乳的進程。

電破乳技術相對成熟，工業(yè)中已有不少應用，但若原油乳狀液的含水率過高，兩電極間容易產生導通電流，無法建立穩(wěn)定的電場。因此，電破乳常作為脫水的最后一個環(huán)節(jié)。

3.2研磨破乳法

研磨破乳分兩步：過濾和研磨。油水乳狀液的內相分散液滴與研磨劑互相摩擦、潤濕，并在研磨劑表面形成一層液膜，當液膜達到一定厚度時，小液滴會自動聚結，該過程稱為過濾破乳［20］；液滴受到來自研磨劑粒子間碰撞產生的摩擦力和剪切力，產生變形、碰撞，再與研磨劑表面的液膜層聚結，該過程稱為研磨破乳［21］。

吳子生［22］、褚瑩等［23］對吉林油田扶余采油三廠新采出的原油乳狀液進行了研磨破乳試驗。實驗結果表明，高含水原油經研磨器5～10 min的處理后，能使原油含水率降至10%～15%，可直接供給下一步電脫水制得合格原油；系統(tǒng)考察了研磨破乳率的影響因素，合并成一項內在因素，即研磨劑粒子間的碰撞次數N，通過增加單位體積內粒子間的碰撞次數N來提高研磨破乳率，并歸納實驗數據建立了適用于確定體系的研磨破乳率的計算式。

研磨破乳法普適性強、操作簡單、成本低廉，但破乳效率不高，需要與電破乳技術相結合，才能得到較好的破乳效果，若將研磨破乳法作為單獨的技術來用于原油破乳，尚需在破乳深度上進行更深入的研究。

3.3膜破乳法

膜破乳法是油水乳狀液通過微孔膜，使得分散液滴聚結，實現(xiàn)破乳。

A.Zaidi等［24］調研了使用微濾和超濾技術分離油田污水中的油滴和懸浮顆粒的研究現(xiàn)狀，分別采用納米級到微米級孔徑的無機膜和有機膜處理油田含油污水。實驗結果發(fā)現(xiàn)，所有膜都具有一定的分離效果，但通量都較小，有一些膜的初始通量較高，之后隨著膜的使用次數增多會快速下降，而且在采用膜破乳法之前需對含油污水進行預處理。呂文峰等［25］對膜孔徑、透膜壓力等影響微孔膜破乳效果的因素進行了研究。實驗結果表明，膜孔徑與乳狀液液滴粒徑相近時，分散相液滴通過微孔膜不發(fā)生聚結或只有部分聚結。因此，膜孔徑應盡量小；液體流速隨透膜壓力增大而加快，使得液滴在通過微孔膜時無法有效聚結。因此，透膜壓力不宜太大。

膜破乳法是一種效率高、能量消耗低和適用范圍廣的新型破乳技術。但是膜成本過高，導致很多應用過程從技術上是完全可行的，而經濟性稍差；單位膜面積的處理能力有限，膜破乳污染較為嚴重。

4　結束語

超聲波破乳法適應性好、效率高，且能在較低溫度甚至在室溫下實現(xiàn)破乳，但缺乏成熟穩(wěn)定的工業(yè)化設備；微波破乳法在國內仍處于實驗室研究階段，向實際工業(yè)生產轉化，是微波技術進一步發(fā)展的方向；電破乳法的優(yōu)點是破乳效率高、技術成熟，但難以處理高含水的原油乳狀液，且能耗較大；研磨破乳法操作簡單，易實現(xiàn)，但破乳效率不高；膜破乳法高效、節(jié)能，但有限的膜品種與復雜應用情況的匹配問題亟待進一步解決。

上述幾種物理破乳方法各有優(yōu)勢，同時也均存在待解決的問題。綜合比較，超聲波破乳法和微波破乳法是最有前景的兩種物理破乳方法，進一步深入認識破乳機理，開發(fā)穩(wěn)定有效的工業(yè)化破乳設備是今后的研究重點?？梢姡锢矸ㄔ推迫閼{借其低能耗、低成本、環(huán)保、高效的優(yōu)勢將成為未來原油破乳的發(fā)展趨勢。

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Research Progress in Physical Demulsification of Crude Oil

LU Yang
（Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China）

Physical demulsification methods for emulsion including ultrasonic demulsification method, microwave demulsification method, electric demulsification method, grinding demulsification method, membrane demulsification method were introduced. The demulsification mechanism and research progress of each method were reviewed respectively. Recent advances and research directions of ultrasonic demulsification method and microwave demulsification method were analyzed. It’s pointed out that the development trend of the demulsification of crude oil is high efficiency, energy saving, environmental protection.

emulsion;physical demulsification;ultrasonic demulsification;microwave demulsification

陸洋（1992-），男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：油氣長距離管輸技術。E-mail：land_ocean@163.com。

TE 866

A

1671-0460（2016）05-0946-04

2016-01-24