超聲處理對(duì)污水油水分離的影響*

劉博

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院，天津 300461)

油田產(chǎn)出物在聯(lián)合站經(jīng)過(guò)油氣水分離器分離出原油、天然氣和污水，分離出的污水內(nèi)仍含有少量原油，在進(jìn)行污水回注或者排放之前應(yīng)采取進(jìn)一步油水分離措施。含油污水處理的方法主要有微氣泡氣浮、超聲波、重力沉降、粗?；?、膜分離、過(guò)濾等[1-4]，其中，超聲波處理含油污水對(duì)破乳分離油水具有良好的效果[5-6]。超聲波可促使含油污水內(nèi)部的氣泡發(fā)生振動(dòng)，氣泡積聚一定能量后爆破發(fā)生空化作用，高強(qiáng)度的沖擊能量破壞油滴和水滴之間的分子鍵，從而實(shí)現(xiàn)油水破乳分離[7-9]。張鵬[10]研究了超聲波對(duì)含油污水的處理效果，認(rèn)為超聲波的作用原理是其對(duì)水分子和油分子產(chǎn)生的位移效應(yīng)不同，從而完成油水分離。羅輝輝等[11]對(duì)江蘇油田產(chǎn)出污水進(jìn)行了超聲波處理試驗(yàn)，得到了在添加絮凝劑的條件下超聲波對(duì)污水的除油效果。孫寶江等[12]進(jìn)行了超聲波對(duì)聚合物驅(qū)采油污水的除油試驗(yàn)，通過(guò)正交試驗(yàn)得到了超聲波的最佳參數(shù)。

筆者采用超聲波油水分離試驗(yàn)裝置，分析了超聲頻率、輻射時(shí)間、聲強(qiáng)、油品黏度等參數(shù)對(duì)污水油水分離效果的影響，探究了超聲處理的作用機(jī)理，對(duì)超聲處理裝置的合理設(shè)計(jì)和提高油水分離效果具有一定意義。

1 超聲處理油水分離原理

1.1 空化作用

超聲波對(duì)含油污水進(jìn)行持續(xù)輻射時(shí)，在聲壓負(fù)周期內(nèi)，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)促使含油污水內(nèi)溶解的微氣泡體積不斷膨脹變大，而在聲壓正周期內(nèi)，超聲波對(duì)含油污水產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)促使微氣泡被壓縮發(fā)生破滅。在微氣泡膨脹變大后突然破滅的瞬間，氣泡周邊的一定區(qū)域內(nèi)會(huì)形成高溫高壓的物理?xiàng)l件，稱為“熱點(diǎn)”，而破滅導(dǎo)致儲(chǔ)存在氣泡內(nèi)的超聲能量瞬間釋放，對(duì)周?chē)挠偷畏肿?、水分子產(chǎn)生射流和沖擊波，即超聲空化作用，實(shí)現(xiàn)油水分離。

1.2 化學(xué)作用

超聲處理含油污水時(shí)，在氣泡破滅的瞬間，可將水分子裂解為氫離子和氫氧離子的自由基，自由基具有較強(qiáng)的氧化作用，可與污水中的油水乳狀物發(fā)生反應(yīng)，促使水滴和油滴斷鏈降解。降解后的油滴分子重新自由組合，形成大分子油滴單質(zhì)，有利于油滴的聚并分離。

1.3 機(jī)械作用

分離聚并出的大分子油滴在超聲波的作用下不斷振動(dòng)，向超聲波的波谷處聚集。油滴密度小于水的密度，在浮力的作用下，油滴上浮至水表面形成一層穩(wěn)定漂浮的油膜。

2 超聲處理油水分離試驗(yàn)

超聲波油水分離試驗(yàn)裝置如圖1所示。系統(tǒng)主要由溫度計(jì)、水浴、換能器、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器構(gòu)成，信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生超聲波信號(hào)，功率放大器將超聲信號(hào)放大后傳輸至換能器，換能器發(fā)射超聲波輻射含油污水。

圖1 超聲波油水分離試驗(yàn)裝置

采用乳化儀對(duì)勝利油田原油與水進(jìn)行充分乳化制備含油污水，在測(cè)試容器內(nèi)放入300 mL的含油污水，打開(kāi)水浴控制環(huán)境溫度至30 ℃，待溫度穩(wěn)定后打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器、功率放大器進(jìn)行超聲處理，改變超聲頻率、輻射時(shí)間、聲強(qiáng)、油品黏度等參數(shù)分別進(jìn)行試驗(yàn)。超聲處理后，保持溫度恒定自然沉降4 h，測(cè)定污水的含油率。為研究不同性質(zhì)油品對(duì)超聲處理油水分離的影響，采用兩種不同黏度的油品配制含油污水，試驗(yàn)油品的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)油品黏度參數(shù)

3 超聲處理油水分離特性

3.1 超聲頻率對(duì)油水分離的影響

以油品II為試驗(yàn)介質(zhì)，改變輻射聲強(qiáng)的大小，得到不同超聲頻率下除油率隨聲強(qiáng)的變化，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)：在同一頻率下，存在最優(yōu)聲強(qiáng)和最大除油率。20，28，40，60 kHz頻率下最優(yōu)聲強(qiáng)分別為8.05，7.09，6.06，5.11 W/cm2，最大除油率分別為82.3%，69.5%，63.2%，59.4%。隨著超聲頻率增加，最優(yōu)聲強(qiáng)和最大除油率均有所降低。主要原因是超聲頻率的升高導(dǎo)致衰減系數(shù)增大，形成一定強(qiáng)度的聲流，聲流對(duì)油滴產(chǎn)生剪切作用，擾亂了液體內(nèi)的流場(chǎng)，阻礙了油滴的聚集和位移。

圖2 超聲頻率對(duì)油水分離效果的影響

3.2 聲強(qiáng)對(duì)油水分離的影響

以油品II為試驗(yàn)介質(zhì)，改變輻射聲強(qiáng)的大小，得到不同輻射時(shí)間下除油率隨聲強(qiáng)的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 聲強(qiáng)對(duì)油水分離的影響

由圖3可見(jiàn)：當(dāng)輻射時(shí)間為10，20 min時(shí)，隨著聲強(qiáng)的升高，污水除油率先緩慢升高，然后快速上升至較高水平。其主要原因是當(dāng)聲強(qiáng)升高時(shí)，微氣泡儲(chǔ)存的能量增大，超聲空化導(dǎo)致氣泡破滅時(shí)所釋放的能量變大，油滴更易被裂解形成大油滴。同時(shí)，油滴所儲(chǔ)存的能量增大，自身的機(jī)械振動(dòng)變強(qiáng)，位移速度變高，可較快地到達(dá)聚集區(qū)域。當(dāng)輻射時(shí)間提高至30，40，50 min時(shí)，污水除油率先隨著聲強(qiáng)的升高而緩慢升高，然后快速升高至最高點(diǎn)，最后緩慢下降，存在最優(yōu)聲強(qiáng)和最大除油率。輻射時(shí)間30，40，50 min時(shí)最優(yōu)聲強(qiáng)分別為9.01，9.01，8.05 W/cm2，最大除油率分別為71.5%，78.3%，83.2%。其主要原因是隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)聲強(qiáng)升高至最佳聲強(qiáng)后繼續(xù)升高時(shí)，由于能量過(guò)大，易導(dǎo)致較大的氣泡破碎成小氣泡，從而降低了空化作用效果，導(dǎo)致最大除油率反而隨輻射時(shí)間的增加而下降。

3.3 輻射時(shí)間對(duì)油水分離的影響

以油品Ⅱ?yàn)樵囼?yàn)介質(zhì)，改變輻射時(shí)間的長(zhǎng)短，得到不同聲強(qiáng)下除油率隨輻射時(shí)間的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輻射時(shí)間對(duì)油水分離的影響

由圖4可見(jiàn)：在聲強(qiáng)一定的情況下，隨著輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，除油率先快速升高至較高水平后略有下降，存在最佳輻射時(shí)間。因?yàn)檩椛鋾r(shí)間較短時(shí)，油滴受到空化作用的影響與水滴裂解分離，并形成大分子油滴，在機(jī)械振動(dòng)的作用下，大分子油滴可快速位移至聚集區(qū)域進(jìn)一步合并并浮升。當(dāng)輻射時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí)，空化作用受到微氣泡數(shù)量的限制不再顯著增強(qiáng)，油滴被裂解的數(shù)量受到限制，除油率不再顯著升高。而機(jī)械振動(dòng)作用受到被裂解的油滴數(shù)量限制，雖然油滴振動(dòng)增強(qiáng)快速到達(dá)聚集區(qū)，但是裂解油滴的數(shù)量有限，同樣無(wú)法顯著提高除油效果。

3.4 油品黏度對(duì)油水分離的影響

以油品Ⅰ和油品Ⅱ?yàn)樵囼?yàn)介質(zhì)，改變輻射聲強(qiáng)的大小，得到不同油品黏度下除油率隨聲強(qiáng)的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5 油品黏度對(duì)油水分離的影響

在50 ℃下，油品Ⅰ黏度為862 mPa·s，油品Ⅱ黏度為633 mPa·s，油品Ⅰ黏度大于油品Ⅱ黏度。由圖5可見(jiàn)：隨著聲強(qiáng)的升高，試驗(yàn)介質(zhì)的除油率均先升高至最高點(diǎn)后下降。對(duì)于油品Ⅰ，聲強(qiáng)為9.01 W/cm2時(shí)除油率達(dá)到最大；對(duì)于油品Ⅱ，聲強(qiáng)為8.05 W/cm2時(shí)除油率達(dá)到最大。隨著聲強(qiáng)的增加，油品Ⅱ的除油率始終高于油品Ⅰ。其主要原因是油品Ⅰ黏度大于油品Ⅱ黏度，而油品黏度越大，越不利于油滴在水中的移動(dòng)聚集，黏度小的油品Ⅱ更容易聚集合并，移動(dòng)所受到的阻力小，可快速到達(dá)聚集區(qū)并浮升至水的表面。

4 結(jié)論

采用超聲波油水分離試驗(yàn)裝置，分析超聲頻率、輻射時(shí)間、聲強(qiáng)、油品黏度對(duì)污水油水分離效果的影響，探究超聲處理的作用機(jī)理，得到如下結(jié)論。

1)超聲處理油水分離是空化作用、化學(xué)作用和機(jī)械作用共同作用的結(jié)果。

2)隨著超聲頻率增加，衰減系數(shù)增大，形成一定強(qiáng)度的聲流，聲流對(duì)油滴產(chǎn)生剪切作用，擾亂了液體內(nèi)的流場(chǎng)阻礙了油滴的聚集和位移，最優(yōu)聲強(qiáng)和最大除油率均降低。

3)輻射時(shí)間較短時(shí)，污水除油率隨著聲強(qiáng)的增大而升高。輻射時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，存在最優(yōu)的聲強(qiáng)和最大除油率。其主要原因是當(dāng)聲強(qiáng)升高至最佳聲強(qiáng)后繼續(xù)升高時(shí)，由于能量過(guò)大，易導(dǎo)致氣泡破碎成數(shù)個(gè)小氣泡，降低空化作用效果。

4)在聲強(qiáng)不變的條件下，隨著輻射時(shí)間的提高，除油率先快速升高至較高水平后略有下降，存在最佳輻射時(shí)間。主要原因是輻射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，空化作用受到微氣泡數(shù)量的限制，機(jī)械振動(dòng)作用受到被裂解的油滴數(shù)量限制，均無(wú)法顯著提高除油效果。

5)隨著聲強(qiáng)的增加，黏度低的油品除油率更高。其主要原因是黏度小的油品更容易聚集合并，移動(dòng)所受到的阻力小，可快速到達(dá)聚集區(qū)并浮升至水的表面。