平掛電極式電脫水器靜電聚結(jié)特性的實驗研究

吳宗強(qiáng) 呂宇玲 何利民 田成坤

1中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院2中國石油規(guī)劃總院

平掛電極式電脫水器靜電聚結(jié)特性的實驗研究

吳宗強(qiáng)1 呂宇玲1 何利民1 田成坤2

1中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院2中國石油規(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)計并制作了一種平掛電極式電脫水器的實驗評價裝置，主要針對電脫水器的靜電聚結(jié)特性進(jìn)行研究。通過室內(nèi)實驗，分析電場強(qiáng)度、電場頻率、含水率、溫度4個因素對聚結(jié)特性的影響。實驗結(jié)果表明：電場強(qiáng)度是影響靜電聚結(jié)的主要因素，增加電場強(qiáng)度有利于油水分離；高于水滴破裂場強(qiáng)后，發(fā)生電分散現(xiàn)象，水滴破裂場強(qiáng)隨溫度及含水率的升高而變??；水滴聚結(jié)存在最優(yōu)的頻率，最優(yōu)頻率會因油品性質(zhì)的不同而變化。

原油；平掛電極；電脫水器；靜電聚結(jié)；電場強(qiáng)度

目前，我國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，篩選出針對不同性質(zhì)油水乳狀液的最優(yōu)運行參數(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，能夠為油田電脫水設(shè)備的生產(chǎn)運行提供參考。

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時，電場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]等給出了交流電場下兩個水滴偶極-偶極力大小的公式

式中FE為電場力（N）；E為電場強(qiáng)度（V/m）；R為水滴半徑（m）；β為電場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，水滴所受的電場力越大。經(jīng)驗證明，水滴間距在2～3倍水滴直徑時趨于聚結(jié)，且多數(shù)情況下，當(dāng)E≥480 k V/m時，容易發(fā)生電分散[4]。

2 實驗系統(tǒng)和實驗介質(zhì)

2.1 實驗系統(tǒng)

我國各大油田普遍采用臥式圓筒形電脫水器，為此，研究設(shè)計了一種平掛電極式電脫水器的實驗評價裝置，平掛式電極位于評價裝置中上部，實驗系統(tǒng)如圖1所示。油水乳狀液經(jīng)過防爆電加熱器加熱到指定溫度后，經(jīng)過雙螺桿泵、在線乳化儀的剪切作用，實現(xiàn)乳狀液的制備。通過改變雙螺桿泵的轉(zhuǎn)速（達(dá)到目標(biāo)流量后），使油水乳狀液進(jìn)入實驗評價裝置。在實驗評價裝置內(nèi)，乳狀液自下而上流動，在外加電場作用下，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)過上部匯集管匯集后流回保溫罐，沉降出的水經(jīng)過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)行下一工況實驗。

圖1 實驗系統(tǒng)

2.2 實驗介質(zhì)

采用2種不同性質(zhì)的A原油和B原油，與自來水混合后制成不同含水率的油水乳狀液作為實驗介質(zhì)。實驗油品的物性參數(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]來描述不同工況下的水滴粒徑變化。

3 實驗結(jié)果及分析

主要從電場強(qiáng)度、電場頻率、溫度、含水率4個因素來研究平掛電極式電脫水器的聚結(jié)特性。

3.1 電場強(qiáng)度的影響

從含水率20%的A油品乳狀液水滴粒徑隨電場強(qiáng)度的變化可知，未加電場時，油水乳狀液中水滴粒徑較小，分布均勻，且微水滴數(shù)量多。電場強(qiáng)度為84 kV/m時，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)電場強(qiáng)度達(dá)到335 k V/m時，開始出現(xiàn)粒徑超過250μm的大水滴。電場強(qiáng)度繼續(xù)增大，水滴粒徑超過250μm的大水滴數(shù)量不再變化，而微水滴數(shù)量繼續(xù)減小。這是因為此時油水乳狀液中大水滴受到的電場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，但對于微水滴，電場力依然起作用，因此微水滴數(shù)量繼續(xù)減少[6]。

圖2 不同含水率時水滴粒徑隨電場頻率的變化

從不同含水率下水滴粒徑隨電場強(qiáng)度的變化可知，含水率10%、20%時，隨著電場強(qiáng)度的增大，水滴粒徑呈增大的趨勢。這是由于含水率較低時，水滴粒徑小且水滴間距相對較大，根據(jù)公式（1），水滴需要更高的電場強(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，水滴粒徑隨著電場強(qiáng)度的增大迅速增大，電場強(qiáng)度高于427 k V/m后，電場力使得水滴的扭曲變形過大，界面張力無法使變形恢復(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)電場強(qiáng)度不足以使液膜破裂時，水滴會沿電場力方向排列成鏈，引起電流過大從而擊穿電極板。因此，電脫水器運行時，應(yīng)將電場強(qiáng)度嚴(yán)格控制在液膜破裂電場強(qiáng)度與水滴破裂電場強(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。這是因為A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強(qiáng)度小；且相同溫度下A油品的黏度更大，流動性比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頻率的變化曲線。目前，交流電場中頻率對水滴聚結(jié)特性影響的研究較少，本研究通過加密實驗點的方法來考察頻率的影響。從圖2可知，含水率5%、10%時，隨著電場頻率的增加，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，低頻下水滴粒徑隨電場頻率的增大而增大，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，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，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頻率的增加而增強(qiáng)，極化作用力增大，水滴的靠近時間相應(yīng)減小。此外，當(dāng)電場頻率逐漸接近水滴的固有頻率時，水滴發(fā)生共振，此時水滴振幅增大，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；超過這個頻率后，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為電場頻率為50 Hz，含水率為10%、20%、30%時A油品乳狀液水滴粒徑隨電場強(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強(qiáng)度的增大先快速增長，達(dá)到一定電場強(qiáng)度后增速放緩。含水率10%、20%時增長趨勢基本相同，電場強(qiáng)度達(dá)到335 k V/m后水滴粒徑基本不再變化。含水率30%時水滴粒徑增速明顯高于低含水率時水滴粒徑增速，增速放緩時的電場強(qiáng)度為248 k V/m，當(dāng)電場強(qiáng)度大于335 k V/m時，發(fā)生電分散現(xiàn)象。含水率提高時，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)場強(qiáng)變小，因此增速放緩電場強(qiáng)度會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]，同時增大了電導(dǎo)率，導(dǎo)致作用于油水乳狀液上的有效電場強(qiáng)度變??；水滴的擴(kuò)散系數(shù)也會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 含水率對水滴聚結(jié)特性的影響

3.4 溫度的影響

從溫度對水滴聚結(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，且發(fā)生電分散的電場強(qiáng)度隨溫度的升高而變小。50、60、70℃下水滴破裂電場強(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。此外，溫度升高會降低油水乳狀液的黏度，沉降過程中水滴所受的黏滯阻力變小，沉降速度加快。但過高的溫度除使能耗增高外還會使原油的電導(dǎo)率增大，運行過程中的電流增大，造成電脫水器運行不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

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

（2）聚結(jié)過程存在最優(yōu)聚結(jié)頻率。含水率為5%、10%時，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，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強(qiáng)度分別為427、335和248 k V/m，電脫水器實際運行時，應(yīng)將場強(qiáng)嚴(yán)格控制在水滴破裂電場強(qiáng)度以下。

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（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，研究方向為油氣水多相流與多相分離。

2015-09-16

基金論文：國家自然基金（51274233）資助。

15689131529、sd07122314@163.com。