W/O型油水乳化液物理破乳技術及裝置研究進展

顧國疆，劉閣，陳彬，田敏，武宏陽

（重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

隨著石油資源的匱乏以及石油采油技術的不斷進步，油液的乳化問題越來越被重視。油水乳化液的形成主要是由于油液中的水分在外加能量的作用下，水滴以乳化態的形式分散在油液中，形成相對穩定的體系。油水乳化液中連續相為油、分散相為水時即為W/O 型乳化液。目前W/O 型油水乳化液的破乳技術主要有物理破乳技術、化學破乳技術和生物破乳技術等。化學破乳技術以及生物破乳技術的研究重點都不在于破乳裝置，化學破乳技術研究的核心是發現及合成更高效的化學破乳劑，如Li等[1]通過研究發現一系列含氟聚合物作為破乳劑效果較好，同時發現含有中等長度疏水鏈的含氟聚合物破乳性能最好。而生物破乳技術研究的核心是發現微生物或微生物的代謝物作為破乳劑，如Huang等[2]發現Alcaligenes sp. S-XJ-1 微生物的表面物質具有很好的破乳性能， 并將其運用到water-in-kerosene 乳化液中，破乳效率達到67.5%。化學破乳技術和生物破乳技術大都只需要簡單的機械設備的輔助即能完成，但是化學破乳技術存在成本高、產生二次污染等缺點，生物破乳技術也存在成本高、周期長等缺點[3]，所以現有的一些破乳裝置大都運用物理破乳技術，并運用這些技術研制相應的破乳裝置以實現油水乳化液的破乳。因此物理破乳技術及裝置應用較廣，容易受到人們的青 睞[4-5]。

本文綜述了現有的一些物理破乳技術及裝置，為未來破乳裝置的設計及應用提供思路，提出破乳技術及裝置的發展方向。

1 現有W/O型乳化液破乳技術及裝置

現有的物理破乳技術及裝置大致可以分為兩類：一類是破乳裝置對乳化液施加一定的外力從而進行破乳；另一類是利用破乳裝置對乳化液施加一定的場能進行破乳。

1.1 對W/O 型乳化液施加外力進行破乳的技術及裝置

這類裝置主要是對W/O 型乳化液施加一定的外力從而進行破乳。W/O 型乳化液在外力的作用下，內部的能量膜被破壞從而使分散的水滴聚結沉降，最終達到破乳的效果。如對乳化液施加離心力的旋流分離裝置、對乳化液施加聚結力的聚結板式破乳裝置、對乳化液施加一定壓力的膜破乳裝置等。

1.1.1 施加離心力的旋流分離裝置

旋流分離裝置是根據油液和水分的密度差異，通過旋轉產生的離心力將油液與水分分離的設備。油水乳化液在一定的壓力下從進口以切向進入旋流分離裝置，在旋流分離裝置中油水乳化液高速旋轉，產生強大的離心力，使密度不相同的油和水實現分離。目前主要研究熱點是提高旋流分離裝置破乳效率，主要有對裝置結構（包括入口型線、入口直徑、分離段錐度等）、乳化液流速、乳化液流量、回流率、含油濃度等各因素進行優化研究。李衛東等[6]利用切向旋流技術[7]研制了低密度差油水兩相旋流分離 器（如圖1 所示）。此分離裝置采用雙漸開線入口和小錐度分離段，并增加了過渡段和平緩段，可以實現低密度差的油水分離。其分離效率隨流量的增大而增大；分離裝置不能依靠提高回流率來增大分離效率，在較低的回流率下（2%），即能保持較高的分離效率；分離效率隨濃度的增大而升高。

圖1 旋流分離裝置結構簡圖

對旋流分離器的結構及操作條件進行優化，對其各種影響因素進行模擬研究等也取得了一定的成果[8-12]。各種相關因素的影響如在其他條件一定的情況下，旋流分離器分離效率隨進口流速的增加而增大；分離效率與旋流分離器的瞬態流速無關；旋流分離器的分離效率受乳化液中分散相的粒徑及濃度的影響，但是影響十分復雜，需要進一步探討等。由于影響旋流分離器工作效率的影響因素太多，實驗研究工作量太大，制造工藝復雜且成本較高，所以旋流分離裝置還需要更多的改進以適應市場的 需求。

1.1.2 施加聚結力的聚結板式破乳裝置

聚結板式破乳裝置運用的是重力分離技術結合聚結分離技術，在重力和聚結元件的作用下加快分散相的聚結。聚結板破乳技術是利用多孔曲折流道增加液滴聚結的機會，有效提高分離效率，將其組合使用于分離器，可大幅提高其性能[13-14]。20 世紀70年代，英國Fram 公司開發出了聚結板分離器（coalescing plate separator），其中的聚結元件采用一疊由玻璃纖維制作的V 形板，每塊板上均設有散液孔，板組流道寬度不等，使得油滴碰撞聚結的概率增大，最后聚結的油滴從波峰處的散液孔溢出，實現油水分離[15]。圖2 為典型的波紋聚結板。

聚結板式破乳裝置經過四十多年的改進和發展已經被運用得越來越廣泛，國內外對這種破乳裝置的研究也一直在進行。提高聚結板破乳效率的方式主要有改變聚結板表面結構和提高聚結板材料的表面性能。張鵬飛等[16]研制了一種新型高效復合聚結板，其兩表面分別具有良好的親水和親油性能，迎合了油水分離過程要求，從而使聚結板式油水分離器的分離效率提高25%，處理能力增加40%。張黎明等[17]對聚結板的結構以及材質進行了研究，發現交錯搭接波紋板機構的聚結板和聚四氟乙烯材質的聚結板性能要好于其他結構或材質的聚結板。親水性聚結材料可以經過特殊工藝加工形成聚結濾芯，不僅能夠對W/O 型乳化液進行破乳，還能過濾設備中的機械雜質。熊至宜等[18]利用聚結型濾芯氣液過濾性能的檢測裝置對聚結濾芯過濾性能的影響因素進行了研究，發現當濾芯的有效厚度與填充密度較大時有利于減少大粒徑液滴濾除的比例，即能夠使W/O 型液滴破乳、分散。

聚結板式破乳裝置單獨使用破乳效率低，而且體積大且笨重，現有的聚結板式破乳裝置大都與重力破乳裝置、真空濾油裝置等其他破乳裝置聯合使用來提高破乳效率，因此聚結板式破乳裝置還需要更多的發展與改進。

1.1.3 施加一定壓力的膜破乳裝置

膜破乳裝置中的核心部件是膜，膜可以在分子范圍內進行分離，并且這個過程是一種物理過程。利用膜分離技術對乳化液進行破乳這一想法早在20 世紀70年代末就被提出，但直到90年代末膜破乳才得到廣泛的研究[19]。

目前膜分離裝置中常用的為固體膜，如陶瓷膜、金屬膜、有機膜等。不同的膜有不同的結構及性能，因此提高膜破乳裝置破乳效率的主要途徑就是根據不同的乳化液及外界條件選擇不同的膜進行破乳。Tirmizi 等[20]選擇了4 種不同材料的親水膜和親油膜，進行了油水分離和破乳實驗，實驗發現同時利用親水膜和親油膜對W/O 型乳化液破乳時效率更高。Sun 等[21]利用親水性多孔玻璃膜對W/O 型乳化液破乳，并研究了膜孔徑的大小、跨膜壓力以及油相水相的體積比對階段破乳效率的影響，實驗發現膜孔徑的大小以及跨膜壓力對破乳效果的影響較大。Kocherginsky 等[22]指出疏水微濾膜也能夠用于W/O 型乳化液的破乳，并對破乳現象液滴的聚結機理進行了討論，得出油水分離過程取決于液滴與膜表面的相互作用。膜破乳裝置結合其他設備可以更好的控制機油的乳化。Kamalesh 等[23]利用膜破乳技術發明了一種能夠不斷凈化機油的循環系統，在石油流經的通道中安裝膜過濾單元，對使用中的機油進行過濾凈化。

膜破乳裝置中膜的材料成本過高以及膜的易損耗性等問題還不能很好地被解決，所以膜破乳裝置還需要更深入的研究才能夠進行廣泛的工程化 應用。

總的來說，對乳化液施加外力進行破乳是目前運用較多的方法，這些裝置破乳效果較好，但是也存在著很多缺點，如裝置體積大、制造工藝復雜、能耗較高、濾渣不易處理、易產生二次污染等。

1.2 對W/O 型乳化液施加場能進行破乳的技術及裝置

這類裝置主要是對W/O 型乳化液施加一定的外界場能從而進行破乳，W/O 型乳化液內部的能量膜在場能的作用下被破壞，分散的水滴從而聚結沉降，最終達到破乳的目的。如利用微波場破乳的微波破乳裝置、利用超聲場破乳的超聲波破乳裝置、利用電場破乳的電破乳裝置等。

1.2.1 施加微波場的微波破乳裝置

微波破乳裝置的核心部件是微波發生器，通過微波發生器產生的微波可以造成極性分子的劇烈運動，將微波的電磁能直接轉化為分子的熱能，實現內部加熱。水分子具有極性很強的分子結構，在油包水乳化液中通過微波的內部加熱能夠使乳化液破乳，同時內部加熱快速、均勻，能夠比傳統的加熱方法更快速地分離油水乳化液[24-25]。Binner 等[26]利用微波破乳裝置對原油乳狀液破乳，發現在微波加熱階段液滴聚集明顯，相對于傳統的加熱破乳，微波加熱破乳的時間更短，效率更高。

微波破乳裝置中通常會加入化學破乳劑，在微波與破乳劑的共同作用下，能夠更高效地實現破乳。Tan 等[27]通過微波破乳裝置并利用微波加熱法和微波化學法分別對含水量在30%以下、70%以上以及30%～70%之間的乳化液進行破乳，結果發現微波化學法對含水量較高的乳化液破乳效果更好。同時利用微波化學法對原油進行破乳實驗時，在50mg/L的破乳劑含量、10s 的微波輻射時間和1min 的沉淀時間條件下，破乳效率達到95%（體積分數）。

國際上對微波破乳的共同認識點是微波加熱破乳技術要優于傳統的加熱破乳技術，效率要比傳統加熱破乳技術高很多[28-30]。但是微波加熱耗能很高，特制的微波發生器價格也不菲，而且微波的加熱時間對于不同的乳化液是不同的，加熱時間難以控制，過多的加熱可能引起反效果，因此微波破乳裝置還不能廣泛地應用于工程，仍處于研究階段。

1.2.2 施加超聲場的超聲波破乳裝置

超聲波由一系列的疏密相間的縱波構成，并通過其他介質向四周傳播。通過超聲波的作用，油水混合液會發生空化現象，每個空化氣泡爆炸時會使局部環境產生高溫高壓，從而產生相當大的能量，這些能量會在油水界面之間形成強烈的機械攪拌效應從而突破界面限制使分散相聚集。超聲波是利用超聲波自身的振動及熱作用對乳化液保護膜進行破壞，從而達到破乳的效果[31]。

超聲波的物理參數中聲強的大小對破乳效果的影響比較明顯，超聲波聲強過大可能會使W/O 型乳化液乳化程度加重。韓萍芳等[32]重點研究了超聲波聲強的大小對破乳效果的影響，在混響聲場中，聲強對超聲波原油破乳的影響比較大。原油破乳脫水后的水的質量分數先隨聲強的增大而減小，但達到空化閾值（臨界聲強）之后，超聲波起了乳化作用。

與微波破乳裝置相同，超聲波破乳裝置中同樣可以加入化學破乳劑來提高破乳效率。Yang 等[33]利用超聲波對原油進行了破乳實驗（如圖3 所示），實驗裝置中包括超聲波發生裝置、傳感器、超聲波接收器以及待處理的原油乳化液。在超聲波輻射功率為 100W、輻射時間為 10min、破乳劑量為50mg/L、水浴溫度為75℃的條件下，脫水率達到97.7%。

超聲波破乳裝置是運用超聲波破乳技術研制而出的破乳設備，國內外研究表明，在混響聲場或駐波聲場中進行超聲波破乳是一種很有發展前景的新型輔助物理破乳方法[34-35]。但是超聲波的聲強難以 控制，超過臨界聲強會加重乳化液的乳化程度，而且超聲波發生裝置價格不菲且乳化液的處理量較小，所以很難在工程中廣泛應用。

圖3 超聲波破乳實驗裝置

1.2.3 施加電場的電破乳裝置

電破乳裝置主要是利用電極兩端形成的電場能量來破壞油水界面的乳化液保護膜，從而使分散相聚集，達到破乳效果，電破乳裝置的破乳過程主要發生在兩個電極之間。

與石油產業相關的最早的電破乳裝置是靜電聚集器，是由美國專利最先提出的[36]。為了提高破乳效率，電破乳技術及裝置經過了多年的發展與改進，現如今電場的類型及作用時間、電極的設計及材料等成為科學家們研究的重點內容。Eow 等[37]認為電破乳可以分為3 個過程，即液滴的相互接近、油水隔膜變薄、聚結沉降；同時認為電場的類型包括直流電場、交流電場、脈沖電場等，對于破乳效果的影響很重要，不過這需要取決于裝置的設計與安裝；電極的設計以及涂層材料會影響到電場的最佳頻率，從而影響電破乳裝置的工作效率；液滴的大小以及在電場中的停留時間是影響液滴聚結效率的最主要因素。

可以將其他破乳技術整合到電破乳裝置中，達到提高破乳效果的目的。王永偉等[38]將離心破乳技術和電場破乳技術結合到一個裝置中，設計制造了新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置（如圖4 所示），但只完成了裝置的設計與制造，破乳效果有待實驗研究。

圖4 新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置

由于電破乳裝置的影響因素太多，過程太復雜，因此需要更多的調查、實驗及模擬，從而設計出效率更高的的破乳裝置。

相對于施加外力破乳的裝置而言，施加場能進行破乳的裝置二次污染少，工作效率較高，但裝置笨重，構造相對更復雜，且自動化程度低，人為控制困難，能耗相對較高。

2 新型W/O型乳化液破乳技術及裝置

現有的各種破乳裝置都存在高能耗的缺點，從節約資源的角度來講是不可取的，因此尋求高效節能的破乳裝置迫在眉睫。

水擊理論的應用大都集中在減少水擊對管道的侵蝕以及改善輸油管道的設計方面，利用水擊解決其他問題的研究還很少。水擊諧波頻率高、波長短，同時還具有方向性好、功率大、穿透力強以及能引起空化作用等特性，可用于乳化油液的破乳[39-40]。水擊諧波破乳裝置實驗系統如圖5 所示。

在水擊諧波場中，分散相液滴受到熱、機械振動和空化的作用，使得乳化液滴在水擊諧波場中受到浮升力、拖曳力、重力和水擊諧波強迫振動力等以及乳化液分散相之間作用力的共同影響，促使分散相液滴相互接近，并在最近的波腹（或波節）處聚集。當液滴接近到一定程度時，水擊諧波強迫振動力使分散相液滴產生聚集并發生碰撞，生成直徑較大的液滴，然后在重力作用下與連續相分離[41]。

圖5 水擊諧波破乳裝置實驗系統圖

實驗管道的長度是乳化油液中傳播的水擊諧波1/4 波長的N 倍（可根據具體的工程實際確定N 值），分散相液滴在水擊諧波波長的1/4 處聚集。研究液滴向水擊駐波波腹運動和聚集的條件，分析分散相液滴積聚與連續相分離的機理，獲取分散相液滴的運動軌跡，以便獲得最佳破乳的條件。實驗管道中形成的水擊諧波場可以對各種類型的乳化液產生破乳效果，實驗過程中通過PIV 圖像采集裝置對試驗管道中油包水液滴的運動軌跡進行分析，找出其運動規律，驗證水擊諧波破乳的理論結果。

3 結語及展望

隨著資源的短缺以及人們環保意識的加強，高效、低耗、環保、智能的油水乳化液破乳裝置是破乳技術及裝置以后發展的方向。

3.1 新型破乳技術及裝置的研制

除了要將將現有的技術充分使用外，現在還必須創新出一些新型的破乳技術。比如將超臨界萃取技術或者亞臨界萃取技術運用到乳化液破乳中，因為水和油的分子極性不同，水分子是極性分子而油液是烴類的非極性分子，可以運用極性的超臨界流體或者亞臨界流體將乳化的水分萃取出來。只是現如今超臨界萃取裝置或亞臨界萃取裝置處理量小，效率較低，因此進行必要的設計及改進才能使這個想法得以實現。尋求新型的破乳技術及裝置的目的是運用這些新型的技術及裝置提高W/O 型乳化液的破乳效率。

3.2 破乳技術及裝置的節能環保化

隨著保護環境、節約資源的呼聲日益高漲，節能環保已經成為全世界極力追求的目標。如今的油水乳化液破乳技術及裝置不僅能耗較高，而且容易產生濾渣等二次污染物，與節能環保的要求相悖。所以破乳技術及裝置要以降低能耗、減少二次污染為主要目的，通過新型破乳技術及裝置的運用或不同的破乳技術及裝置優化組合使用，達到現有技術及裝置不能實現的效果，從而實現節能環保。

3.3 破乳裝置的智能化和輕量化

當代世界的工業設備都在往智能化方向發展，破乳裝置也不例外。現有的破乳裝置大都需要人為的控制（如旋流分離裝置、膜破乳裝置等），不僅工作量大，而且無法對裝置的運行實時控制和遠程監控，而破乳裝置的智能化可以很好地解決上述的問題，同時可以提高破乳效率。現有破乳裝置大都體積大而笨重，運輸、安裝等都很不方便（如聚結板式破乳裝置、電破乳裝置等），因此對破乳裝置運用輕量化技術勢在必行。破乳裝置輕量化可以降低制造成本，降低制造工藝的復雜性，同時可以降低裝置的耗能并提高裝置的安全性。

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