新型靜電聚結器中水滴粒徑的分布特性

楊東海，何利民，羅小明，呂宇玲

（中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島266555）

新型靜電聚結器中水滴粒徑的分布特性

楊東海，何利民，羅小明，呂宇玲

（中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島266555）

傳統電脫水器采用裸電極、乳化液含水率較高時，高強電場作用下容易發生擊穿現象。設計了包覆絕緣層的高壓電極并加工了新型靜電聚結器，采用水/原油乳狀液為實驗介質，并利用顯微高速攝像系統結合圖像處理技術，考察了電場強度，乳化液流量、含水率對液滴粒徑分布特性的影響。結果表明，液滴粒徑分布與Rosin-Rammler分布均吻合較好；包覆絕緣層的高壓電極可有效防止電擊穿現象的發生；增加電場強度有助于油、水分離，但高于臨界電場強度后，容易導致液滴破碎，并且含水率越高，最優電場強度越低；隨著乳化液流量的增加，電場作用降低，但高強電場在高流量下依然使液滴粒徑明顯增大。

液滴；電聚結器；分布；電場強度；含水率

原油采出液中含有大量乳化水，經過一次沉降后，原油中仍然含有大量的微水滴。采用高強電場促進油包水乳化物中的水滴聚結是一種常用的物理分離方法，其優點是能耗低、分離效率高［1］。但目前傳統電脫水器大多采用裸電極，如果原油中的含水率高于20%（體積分數，下同），則可能引起電極間短路［2］。采用具有合適介電常數的絕緣電極可有效地防止擊穿，減小電流，提高集輸系統的安全性，并降低能耗。

研究者大多采用沉降及蒸餾的方法評價聚結效果［3-4］。實際上，液滴粒徑的大小及分布可以最直觀地反映靜電聚結器對水滴的聚結效果，因此，對油包水乳化物中水滴的粒徑及分布進行研究，不僅可以從微觀上評價油包水乳化物分散相的組成特點，而且可以從宏觀上評價靜電聚結器的聚結效果，為設計和生產提供指導。目前，研究者常用的液滴粒徑的測量方法有激光粒度儀法［5］、圖像處理法［6］、電阻法［7］、靜止浮升法［8］等。由于原油的透光性差，并且絕緣，因此筆者采用圖像處理法測量油包水乳化物中液滴粒徑分布。

1 乳化液中液滴的粒徑分布

描述乳化液中液滴粒徑的參數主要有算術平均直徑D、比表面積平均直徑D32和體積平均直徑單位均為μm。它們的表達式如式（1）所示。

式（1）中，di表示第i個液滴的直徑，μm；n表示液滴總數。為了充分評價液滴聚結效果，采用D、D32和D43來描述不同工況條件下的液滴平均粒徑變化。

由于乳化液中液滴的粒徑是不均勻的，無法用單一的平均直徑來描述其分散特性，即使2種分散體系具有相同的平均粒徑，其粒徑分布也不一定相同。為了更好地描述液滴粒徑的變化，需要采用合適的概率密度函數（PDF）來描述液滴群的分布規律。通常采用正太（Normal）分布［10］、對數正太（Log-Normal）分布［10］和羅森-拉姆勒（Rosin-Rammler）分布［10］來分析顆粒粒徑分布，分別如式（2）～（4）所示。

Normal分布：

Log-Normal分布：

Rosin-Rammler分布［11］：

式（2）～（4）中，d為顆粒的直徑，μm；σ為標準差；F（d）表示液滴粒徑小于d的液滴數占總液滴的百分數；α和δ表示液滴群分散特性的分布參數。

Karabelas［12］發現 Rosin-Rammler和 Log-Normal分布與液滴粒徑分布吻合較好。Simmons等［13］發現Log-Normal分布比別的分布模型更有代表性。Angeli［9］認 為 Rosin-Rammler分 布 和 Log-Normal分布與實驗結果都吻合較好。

2 實驗部分

2.1 實驗系統及方法

實驗系統由靜電聚結器、變壓器等組成［14］，圖1為靜電聚結器結構。實驗時靜電聚結器豎直放置，入口在上部，乳化物在接地電極與絕緣層之間形成的流道內流動，發生靜電聚結作用，通過出口排出聚結器。靜電聚結器中的高壓電極由金屬電極和內外均包覆的絕緣層組成，可保證極板不被擊穿。

圖1 靜電聚結器的結構Fig.1 The structure of electrostatic coalescer

利用顯微高速攝像系統結合圖像處理軟件確定液滴粒徑大小及分布［14］。

2.2 實驗介質

將原油與自來水配制成含水率φ（體積分數）分別為10%、20%、30%的油包水（W/O）乳化物作為實驗介質。根據相關公式，計算得到20℃、0.1MPa時該乳化物的物性參數列于表1。物性參數包括相對介電常數εr、密度ρ和黏度μ。流量不同時，乳化物在電場中的停留時間與流量的關系列于表2。表3為不同電壓下乳化物中電場強度。

表1 3個油包水乳化物樣品的物性參數Table 1 The physical properties of three W/Oemulsion samples

表2 不同流量（Q）的乳化物在電場中的停留時間（t）Table 2 The residence time（t）of emulsion with different flow rate（Q）in electric field

表3 不同電壓下乳化物中電場強度Table 3 The electric field strength in different voltage

3 結果與討論

3.1 電場中W/O乳化液的液滴粒徑分布

圖2為含水率30%的 W/O乳化液以0.8m3/h流量通過不同電場強度電場時的液滴粒徑及其分布。由圖2可知，隨著電場強度增加，液滴平均粒徑D明顯增加，電場強度為204kV/m時，D達到最大值，但D32和D43的最大值卻在電場強度136kV/m時出現。這是由于當電場強度為136kV/m時，液滴粒徑分布不均，小液滴所占比例較高，雖然整體平均粒徑偏小，但大液滴的存在可能導致D32和D43較大。

圖3為不同電場強度（E）下W/O乳化液的液滴粒徑分布與經典分布模型的比較。由圖3可知，在不同電場強度作用下，W/O乳化液的液滴粒徑分布與Log-Normal和Rosin-Rammler分布模型均吻合較好，特別是與Rosin-Rammler分布模型吻合更好。Normal分布模型適用于粒徑分布范圍較窄且對稱的情況，而W/O乳化物中小水滴所占比例較高，且粒度分布范圍較廣，因此二者不相符合。電場強度較小時（見圖3（a）、（b）），液滴粒徑分布與Rosin-Rammler分布吻合較好。隨著電場強度增大，小粒徑液滴所占比例逐漸減小，大粒徑液滴所占比例明顯增加，而且大液滴（高于20μm）的粒徑分布與Normal分布也吻合較好，說明大液滴粒徑分布比較窄，比較緊湊。對其他工況分析也有類似的分布規律，也表明在電場作用下，液滴頻繁碰撞，發生聚結，導致大液滴所占百分數明顯增加，平均粒徑顯著增大，有利于油、水分離。

3.2 W/O乳化液液滴聚結的影響因素

3.2.1 電場強度

在交流電場中，液滴聚結主要以偶極聚結的形式發生。Waterman［15］給出了2個液滴偶極-偶極吸引力的公式，如式（5）所示。

圖2 不同電場強度（E）電場中W/O乳化液的液滴粒徑（d）及其分布Fig.2 Droplet diameter（d）and its distribution of W/O emulsion in the electric field with different intensity（E）

圖3 不同電場強度（E）下W/O乳化液的液滴粒徑分布與經典分布模型的比較Fig.3 Comparison of droplet diameter distribution at different electric field intensity（E）with normal distribution models

式（5）中E為電場強度，V/m；k為與連續相介電常數有關的常數，F/m；FE為電場力，N；β為液滴中心連線與電場線夾角，°；R1和R2分別為2個液滴半徑，m；S為液滴中心間距，m。

由式（5）可知，E越高，液滴所受電場力越大，液滴變形率越大，伸縮幅度越大，液膜也更容易破裂，促進液滴聚結。圖4為含水率10%的W/O乳化液以0.6m3/h流量通過不同電場強度電場時的液滴粒徑及其分布。

圖4 W/O乳化液液滴粒徑及其分布隨電場強度（E）的變化Fig.4 Droplet diameter and its distribution of W/O emulsion vs electric field intensity（E）

由圖4可知，隨著電場強度增加，W/O乳化液液滴平均直徑逐漸增加，D32和D43與平均直徑D的變化趨勢基本一致，與張黎明等［3-4］的實驗結果相似。由圖4還可知，隨著電場強度增大，液滴粒徑一直有增大的趨勢，電場強度為372kV/m時，液滴粒徑最大。而從圖2可知，電場強度為204kV/m時，小液滴所占比例雖然高于272kV/m時的，但由于大液滴（大于60μm）所占比例明顯增加，因此平均液滴粒徑也相應增加。這是由于當含水率為30%時，未加電場時液滴粒徑較大，在272kV/m時，電場強度較高，超過部分大液滴的臨界場強，導致大液滴發生破裂而成更小的液滴，從而引起大液滴所占分數下降，結果平均粒徑也相應變小。因此對不同含水率的乳化物需要施加不同的電場強度，對高含水率的情況可以適當地降低電壓，以免發生“電分散”現象，不利于液滴聚結。

隨著電場強度增加，圖2顯示的是小液滴（小于10μm）分布呈下降趨勢，而大液滴所占比例也明顯增加，而圖4顯示大液滴隨場強增加而變化不明顯，二者有所差異。這是由于當 W/O乳化液含水率為30%時，其液滴平均粒徑較大，液滴間距較小，所受電場力較大，因此大液滴更容易發生聚結，大液滴所占比例隨電場強度增加比較明顯；含水率為10%時，液滴粒徑較小，雖然電場強度較高，但液滴間距較大，所受電場力較小，根據式（4）需要更高的電場強度才能達到同樣的電場力，克服黏滯阻力的影響，使液滴互相靠近，促使液滴發生有效聚結，因此大液滴的聚結不那么明顯。

3.2.2 乳化液流量

當含水率20%的W/O乳化液以不同流量通過電場時其液滴粒徑分布如圖5所示。由圖5可知，當流量較大時，對液滴的剪切更加強烈，因此小液滴所占比例較高。當流量較低時，隨電場強度增加，小液滴所占比例明顯減小，但在流量較高時，小液滴所占比例隨電場強度增加而減小的變化沒有低流量時的明顯。同時，流量較小時，隨電場強度增加，大液滴明顯增加。

在較低流量下，液滴混合不太激烈，并且碰撞不太頻繁，更有助于電場力對液滴施加作用，因此將促進液滴的靠近與聚結，提高液滴聚結效果，液滴粒徑增加比較明顯。流量較大時，乳化物在電場中的停留時間變短，使得鄰近液滴發生碰撞和聚結的時間很短，液滴粒徑增加沒有低流量時那么明顯，但是電場強度較高時，液滴粒徑依然增大比較明顯。當流量為0.8m3/h時，電場強度為320kV/m時小液滴仍明顯減少。因此在流量較大時采用高強電場仍有助于液滴粒徑增大，促進水滴聚結。

圖5 W/O乳化液以不同流量（Q）通過電場時其液滴的粒徑分布Fig.5 Droplet diameter distribution of W/O emulsion through a electric field at different flow rates（Q）

3.2.3 乳化液含水率

圖6為含水率不同、流量均為0.8m3/h的W/O乳化液通過電場時，其液滴粒徑隨電場強度的變化。由圖6可見，隨著電場強度增加，含水率10%和30%的小液滴所占比例明顯減小，而含水率為20%時變化則相對不明顯。考察未加電壓（E＝0）時，發現含水率10%和20%的液滴粒徑分布基本相同，而含水率30%時小液滴所占比例減小，大液滴所占比例增加，因此平均粒徑也高于含水率10%和20%的。含水率10%時液滴粒徑雖然較小，且液滴中心間距較大，但相同電壓下電場強度是最高的，因此電場力也足以促進液滴聚結，液滴粒徑增大明顯。含水率30%時，液滴粒徑較大，中心間距較小，雖然黏度較大，但是根據式（4）可知，電場力也相應較大，也促進了液滴聚結。而含水率20%的液滴粒徑較小，黏度和電場強度均處于二者之間，因此在液滴粒徑、黏度和電場強度的共同作用下，液滴粒徑增大情況略差于含水率10%和30%的。

圖6 不同含水率（φ）W/O乳化液液滴粒徑（d）分布隨電場強度（E）的變化Fig.6 Droplet diameter distributions of W/O emulsions with different water content（φ）vs electric field intensity（E）

4 結 論

（1）制造了含有絕緣電極的新型靜電聚結器，實驗結果表明，能適應不同含水率 W/O乳化液液滴聚結的工況；對高含水率W/O乳化液，可以防止擊穿現象的發生，并且在高強電場作用下液滴聚結效果明顯。

（2）不同工況下，W/O乳化液液滴粒徑分布與Log-Normal分布和 Rosin-Rammler分布均吻合較好，場強較高時，大液滴粒徑分布與Normal分布吻合也較好。

（3）對不同含水率W/O乳化液，聚結效果最優的電場強度不同；含水率為10%、20%、30%時最優電場強度分別是372、320和204kV/m，含水率越高，最優電場強度越低。

（4）施加高強電場后，含水率10%和30%的W/O乳化物液滴粒徑分布情況要優于含水率20%的。乳化物的含水率、油品物性、流量等因素會共同影響液滴粒徑分布。

［1］馮叔初，郭揆常.油氣集輸與礦場加工［M］.第二版.東營：中國石油大學，2006.

［2］SAMS G W，PRESTRIDGE F L，INMAN MB.Apparatus for augmenting the coalescence of water in a water-in-oil emulsion：US，5565078［P］.1996-10-15.

［3］張黎明，何利民，呂宇玲，等.高壓靜電聚結破乳技術［J］.高電壓技術，2008，34（4）：687-690.（ZHANG Liming，HE Limin，Lü Yuling，et al.Emulsion separation in high voltage electrostatic coalescer ［J］.High Voltage Engineering，2008，34（4）：687-690.）

［4］張黎明，何利民，馬華偉，等.絕緣緊湊型電破乳器中液滴聚結特性研究［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2007，31（6）：82-86.（ZHANG Liming，HE Limin，MA Huawei，et al.Coalescence characteristics of droplets in insulated compact electric demulsifier［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2007，31（6）：82-86.）

［5］王國棟，何利民，呂宇玲，等.重力式油水分離器的分離特性研究［J］.石油學報，2006，27（6）：112-115.（WANG Guodong，HE Limin，Lü Yuling，et al.Study on oil-water separating behavior of gravity separator［J］.Acta Petrolei Sinica，2006，27（6）：112-115.）

［6］周云龍，李洪偉，宋均琪，等.垂直上升管中油-氣-水三相流動態圖像灰度波動信號的混沌特性分析［J］.石油學報（石油加工），2009，25（4）：600-606.（ZHOU Yunlong，LI Hongwei，SONG Junqi，et al.Chaotic characteristic analysis of image gray signals of oil-airwater three-phase flow in vertical upward pipe［J］.Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2009，25（4）：600-606.）

［7］陸耀軍，沈熊，周力行，等.液-液旋流分離管結構選型實驗研究［J］.清華大學學報（自然科學版），2001，41（11）：26-30.（LU Yaojun，SHEN Xiong，ZHOU Lixing，et al.A novel hydrocyclone geometry for liquidliquid separation［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2001，41（11）：26-30.）

［8］王車禮，裴峻峰，陳毅忠，等.江蘇油田原水油珠粒徑分布測定［J］.油氣田環境保護，2001，11（4）：21-23.（WANG Cheli，PEI Junfeng，CHEN Yizhong，et al.Measurement of the distribution of oil particle of produced water in Jiangsu oilfield［J］.Environmental Protection of Oil ＆ Gas Fields，2001，11（4）：21-23.）

［9］ANGELI P，HEWITT G F.Drop size distributions in horizontal oil-water dispersed flows［J］.Chem Eng Sci，2000，55（16）：3133-3143.

［10］劉建，姚海飛，金龍哲，等.基于羅森-拉姆勒分布函數的粉塵分散度分析［J］.北京科技大學學報，2010，32（9）：1101-1106.（LIU Jian， YAO Haifei，JIN Longzhe，et al.Dust dispersion analysis based on the Rosen-Rammler distribution function［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2010，32（9）：1101-1106.）

［11］MUGELE R A，EVANS H D.Droplet size distribution in sprays［J］.Industrial and Engineering Chemistry，1951，43（6）：1317-1324.

［12］KARABELAS A J.Droplet size spectra generated in turbulent pipe flow of dilute liquid/liquid dispersions［J］.AIChE J，1978，24（2）：170-180.

［13］SIMMONS MH，AZZOPARDI B J，ZAIDI S H.Measurement of drop sizes and flow patterns in liquidliquid pipe flow［C］//Proceedings of 3rd International Conference of Multiphase Flow.1998.

［14］何利民，楊東海，羅小明，等.新型電聚結器結構參數對液滴聚結特性的影響［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2011，35（6）：105-111.（HE Limin，YANG Donghai，LUO Xiaoming，et al.Effects of structural parameters of new electrostatic coalescer on coalescence characteristics of water droplet［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2011，35（6）：105-111.）

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

Characteristics of Water Droplet Diameter Distribution in New Electrostatic Coalescer

YANG Donghai，HE Limin，LUO Xiaoming，Lü Yuling
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Traditional electric dehydrator with bare electrodes is easily broken down by high voltage when the water content is high.The insulated electrode and new type of electrostatic coalescer were designed and made.The effects of electric field intensity，flow rate and water content of experiment medium on the water droplet diameter and its distribution under high AC electric field were investigated with water/crude oil emulsion as experiment medium.The micro high-speed camera system and image processing technology were used to analyze the droplet size in the entrance and outlet of electrostatic coalescer.The results indicated that the Rosin-Rammler distribution could satisfactorily predict the water droplet diameter distribution.The insulated high voltage electrode could effectively prevent electric breakdown.High electric field intensity was conductive to the coalescence of water droplets.If the electric field intensity is higher than the critical one，the water droplets will rupture.The optimal electric field intensities decreased with the increase of water content in experiment medium.With the increase of flow rate of experiment medium the effect of electric field intensity was weakened，and high electric field intensity could still effectively promote the coalescence of water droplets.

droplet；electrostatic coalecer；distribution；electric field intensity；water content

TE624.1

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.025

1001-8719（2012）03-0505-07

2011-04-11

國家自然科學基金（51006124，51106182）、中央高校基本科研業務費專項資金（09CX04032A）和研究生創新基金（CXZD11-13）資助

楊東海，男，博士，從事油水分離的實驗研究

何利民，男，教授，博士，從事油氣集輸及多相流分離方面的研究；Tel：0532-86981818；E-mail：helimin＠mail.upc.edu.cn