離心-脈沖電場耦合破乳試驗研究

潘子彤，李 青，王奎升，陳家慶

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）①

離心-脈沖電場耦合破乳試驗研究

潘子彤1，李 青1，王奎升1，陳家慶2

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.北京石油化工學院機械工程學院，北京102617）①

通過油包水（W／O）型乳狀液破乳分離的試驗研究，分析電場以及離心場對于破乳分離效果的影響規律，獲得破乳分離試驗的最佳參數，為連續性試驗研究提供依據。采用自行設計的離心-脈沖電場聯合破乳試驗裝置，以5＃白油與超純水配制的含水率為10%的W／O型油水乳化液為研究對象，進行高頻／高壓與離心場耦合作用下的電脫水試驗。確定出了最佳破乳參數：電場電壓4 500 V，電場頻率2 000 H z，離心轉鼓轉速300 r／min。

乳狀液；聯合破乳；電場參數；試驗研究

近年來，電破乳法作為油水乳狀液破乳的有效和常用方法被廣泛關注和研究［1-2］，代表性的研究有：黃萬撫［3］等學者針對脈沖高壓靜電電場和乳狀液旋流對連續破乳的影響進行研究，其研究結果顯示靜電場和離心場共同作用下可以使得乳狀液的破乳過程加速，提升破乳率，電壓和頻率對乳狀液破乳有重要影響，通過破乳試驗的研究分析可以得出破乳試驗的臨界（最佳）電壓和臨界（最佳）頻率。對于脈沖電場對乳狀液破乳方面的研究，Bailes［4］認為在外加電場的作用下，存在最佳頻率使得液滴被完全極化，致使液滴間的力最大，液滴的碰撞程度最大，從而產生顯著的聚結效果。但是，對于脈沖電場與離心耦合場聯合作用下的乳狀液破乳機理研究尚少，開展該領域的研究將對油水高效分離有重要意義和工程應用價值。

本文采用以5＃白油與超純水配制的含水率為10%的油包水（W／O）型油水乳化液作為研究對象，結合采用自行設計的離心-脈沖電場聯合破乳試驗裝置以及北京石油化工學院研制的全數字控制高頻／高壓脈沖方波交流電源，考察不同脈沖頻率、電壓以及不同轉速條件下，含水率10%的W／O型油水乳化液在離心場與脈沖電場耦合作用下的破乳情況，確定了適合乳化液聚結的較優運行參數，為油包水乳化液的高效分離試驗提供了參考依據。

1 油包水乳化液分離試驗

1.1 試驗試劑

為了貼近原油的物理性質，試驗選擇5＃工業白油作為制備乳化液的試驗用油，其密度820 kg／m3（室溫）；表面活性劑為Span80（山梨糖醇單油酸酯），其密度為995 kg／m3（室溫）；分散相選擇超純水，其密度為998 kg／m3（室溫）。

1.2 高頻脈沖電場和離心場耦合破乳試驗裝置

該試驗系統主要由供液裝置、耦合破乳裝置、儲液裝置、數據采集裝置組成，并配有相應的電機、變頻器、壓力表、溫度儀、流量計等（如圖1）。乳液經過耦合破乳裝置分為重液相和輕液相，重液相和輕液相的分離由耦合破乳裝置的轉鼓實現，轉鼓最高轉速為3 000 r／min。該破乳裝置在功能上可以實現“一機多用”的效果，能夠根據不同的破乳原理進行試驗研究。

1） 離心破乳試驗 僅讓電機帶動轉鼓旋轉而不接通脈沖電源。

2） 脈沖電場破乳試驗 停止運行電機，單獨接通脈沖電源。

3） 離心-脈沖電場耦合破乳試驗 接通脈沖電源，同時運行電機帶動轉鼓旋轉［5］。

圖1 離心-脈沖電場破乳試驗系統工藝流程

本試驗裝置使用電源為北京石油化工學院多相流高效分離技術與設備研究所研發的全數字控制高頻／高壓脈沖方波交流電源，電壓有效值最高可達20 k V，頻率調節范圍200H z～20 k H z，脈寬比50%。

1.3 W／O白油乳化液配制

W／O型白油乳化液的制備方法以配置含水率為10%的W／O型乳化液為例。試驗單次配置乳化液體積為4 L，取3.6 L白油倒入容量為5 L的燒杯中，稱量20 g的span80型表面活性劑滴入燒杯，使用美國弗魯克公司生產的F A25型試驗室高剪切分散乳化機以22 000 r／min的速度攪拌，在攪拌的同時將400 m L水緩緩倒入燒杯中，攪拌20 min后配置成具有較高穩定性的W／O型乳化液。乳化液配置完成后，使用馬爾文激光粒度儀每隔一段時間測量乳化液中水顆粒粒徑，確保粒徑大小處于要求范圍之內。

1.4 試驗步驟

1） 將配好的乳狀液注入裝置，關閉入口閥、出口閥。

2） 啟動電機，待轉鼓轉速穩定后，啟動高頻脈沖電源。

3） 裝置運行3 min后，關閉高頻脈沖電源以及電機。

4） 于轉鼓底部取出經過離心-脈沖電場耦合作用后的液體280 m L，靜置后記錄280 m L液體中含水量數值。

2 試驗結果分析

2.1 脈沖頻率對于離心-脈沖耦合油水破乳分離效果的影響

通過試驗，記錄了乳化液分離的試驗數據，并整理。圖2所示為利用多項式擬合得到的出口含水量的變化規律曲線，由圖可見，10%含水率W／O乳化液在電壓4 000 V、轉速300 r／min情況下，破乳后液體含水量與頻率的關系。當電場的頻率增加時，破乳后分離水量先增加，而后又下降。說明頻率的增加有利于水滴的極化和碰撞，促進凝聚破乳，但是當超過一定頻率時，凝聚效果反而變弱，說明破乳過程中存在最佳頻率值。由圖2可以看出，在頻率取值800～4 000 H z時，選擇2 000 H z條件下，破乳效果最佳。

圖2 頻率-含水量變化曲線

2.2 電壓對于離心-脈沖耦合油水破乳分離效果的影響

圖3所示是利用多項式擬合得到的出口含水量的變化規律曲線，展示了10%含水率W／O乳化液在頻率2 000 H z、轉速300 r／min情況下，破乳后液體含水量與電壓的關系。試驗結果顯示，所加脈沖電壓升高時，破乳后液體分離水量增加，當電壓達到4 500 V時，破乳效果最佳。但如果電壓繼續升高，破乳效果減弱，這是由于電壓過高，導致電散作用，大液滴破裂為小液滴，使破乳效果減弱。由圖3可以看出，在電壓取值1 000～5 500 V時，電壓選擇約4 500 V條件時，破乳效果最佳。

圖3 電壓-含水量變化曲線

2.3 轉鼓轉速對于離心-脈沖耦合油水破乳分離效果的影響

圖4所示是利用多項式擬合得到的出口含水量的變化規律曲線，展示了10%含水率W／O乳化液在頻率2 000 H z、電壓4 500 V情況下，破乳后液體含水量與離心轉鼓轉速的關系。試驗結果顯示，當電場參數固定的情況下，離心場的參數設置對于破乳效果有一定影響，存在最佳轉速。由圖4可以看出，在轉速取值240～480 r／min時，轉速選擇約300 r／min時破乳效果最好。

圖4 轉速-含水量變化曲線

3 結論

1） 高頻／高壓脈沖交流電場以及離心場耦合作用下，W／O乳化液中水滴的聚結效果與電壓幅值、脈沖頻率等電場參數以及離心轉鼓轉速等參數有關，要獲得好的聚結效果，必須對這些參數進行調試。

2） W／O乳化液電脫水試驗表明，存在最優頻率、最優電壓以及最優轉速范圍。以10%含水量的油水乳化液破乳分離為例，最佳的破乳分離試驗參數：電場電壓4 500 V，電場頻率2 000 H z，運行時間為3 min，離心轉鼓轉速300 r／min。為進行連續試驗提供了數據支持，也為該裝置的工業應用提供了依據。

［1］ 劉科，李青，王奎升，等.油水乳狀液在電場作用下的力學計算［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：12-16.

［2］ 聶建波，黃萬撫.乳狀液破乳機理研究進展［J］.江西有色金屬，2004，18（2）：38-40.

［3］ 沈江南，黃萬撫.乳狀液膜旋流靜電綜合力場連續破乳器研究［J］.水處理技術，2005，31（4）：35-37.

［4］ Bailes P J，Larkai S K L.Liquid phase separation in pulsed d.c.fields［J］.Trans.IChem E，1982，60（2）：115-121.

［5］ 王永偉，張揚，王奎升，等.新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置的設計［J］.流體機械，2009，37（11）：15-18.

Experimental Study on Dem ulsification of E m ulsion under Pulse Electric Field Com bined with Centrifugal Field

P A N Zi-tong1，LI Qing1，W A N G K ui-sheng1，C H E N Jia-qing2
（1．School of M echanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing100029，China；2．School of M echanical Engineering，Beijing Institute of Petro-Chemical Technology，Beijing102617，China）

Experimental study on the separation of the water in oil（W／O）em ulsion to analyze the effect of electric field and centrifugalfield for defining the optimal experimental para meters，w hich will provide a basis for the subsequent continuity experiments.By adopting the self-designed centrifugal-pulse electric field associating with dem ulsification experimental device，regarding the water-in-oil em ulsion with a m oisture content of 10%，w hich is made up with the 5＃w hite oil and ultra pure water，as the research object，the study is to undertake the electric dehydration experiment on the case of high frequency／high pressure and centrifugal field coupling.The optimal experimental parameters are defined as：voltage 4 500 V，frequency 2 000 Hz，rotation rate 300 r／min.

em ulsion；joint dem ulsification；electric field para meters；experimental study

T E933.101

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.009

1001-3482（2014）08-0043-04

2014-02-16

國家自然科學基金資助項目“脈沖電場和離心力場耦合作用下的油水乳狀液破乳界面現象及動力學描述”

（51076007／E060203）

潘子彤（1987-），女，天津人，碩士研究生，主要研究方向為流體機械和油水分離，E-mail：panzt＠mail.buct.edu. cn。