直流疊加高頻交流方波電場下乳化液電脫水試驗(yàn)研究

陳慶國 張宇琦 宋春輝 王新宇 劉增 趙忠山

摘 要：為了提高原油乳化液破乳效果和電脫水效率，提出采用直流疊加高頻方波電場進(jìn)行原油電脫水的方法。在實(shí)驗(yàn)室中開展了直流疊加高頻方波電場下乳化液電脫水試驗(yàn)研究，分析該方法下乳化液中水滴的聚并機(jī)理，并借助于高速相機(jī)觀察了乳化液中水滴的運(yùn)動(dòng)及水鏈的消散過程。理論與試驗(yàn)結(jié)果表明：采用直流疊加高頻方波電場可充分發(fā)揮直流和方波電場下的各自脫水優(yōu)點(diǎn)，使水鏈易于消散，保證脫水電場的穩(wěn)定，提高乳化液的電脫水速度和脫水率，且疊加高頻交流方波含量在10%～20%范圍內(nèi)，脫水效果最佳，研究結(jié)果可為原油生產(chǎn)現(xiàn)場的脫水工藝改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：直流疊加高頻方波;電脫水;脫水效率;水滴聚并;原油

中圖分類號(hào)：TM 930.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）04-0098-07

0 引 言

電破乳技術(shù)被廣泛應(yīng)用于液膜分離、乳化液破乳和不同液相分離等工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域[1]，因?yàn)槠涓咝А⒕G色、處理量大等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為原油脫水過程中的熱門核心技術(shù)。原油電脫水原理是水滴在電場力的作用發(fā)生形變、運(yùn)動(dòng)、相互碰撞聚結(jié)成大水滴，利用油水兩相間存在的密度差，實(shí)現(xiàn)油水分離[2]。隨著對(duì)石油產(chǎn)品需求量的持續(xù)增加，原油開采量逐年增大，電脫水過程中問題日益凸顯，給傳統(tǒng)電脫水技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前原油電脫水過程中的問題主要集中在兩方面：一是高含水采出液粘度高、電導(dǎo)率大、脫水電流劇增，脫水電極間頻繁短路給電脫水設(shè)備帶來巨大沖擊[3]，脫水電場倒塌后再次送電困難、電場建立時(shí)間長[4];二是電脫水效率低、速度慢。為了滿足石油外輸時(shí)對(duì)含水率的指標(biāo)要求，需要油田生產(chǎn)現(xiàn)場的聯(lián)合站提高原油乳化液的溫度并提高脫水電壓來實(shí)現(xiàn)[5]，這不僅增加了電脫水器的運(yùn)行成本，而且增加了脫水設(shè)備的安全隱患。因此穩(wěn)定、高效、節(jié)能的電脫水技術(shù)一直是國內(nèi)外學(xué)者和油田現(xiàn)場的關(guān)注焦點(diǎn)。

目前，油田生產(chǎn)現(xiàn)場常用的脫水電場為高壓交流電場、直流電場和脈沖電場。交流電場脫水優(yōu)點(diǎn)是水滴不易成鏈、電解反應(yīng)可逆、對(duì)電極的腐蝕較輕[6]、脫水速度快，適合處理高含水原油，但是對(duì)低含水原油處理效果不理想;直流電場脫水具有能耗低、脫水率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于在直流電場作用下水滴易于成鏈造成極板間放電，因此不適合處理高含水原油;脈沖電場脫水由于在脈沖休止期間給水滴提供了形變恢復(fù)時(shí)間，不僅降低了能耗，而且有效地避免了極板間放電和電分散現(xiàn)象，因此相同電場強(qiáng)度下可以處理更高含水率的原油。根據(jù)不同類型電場下的脫水特點(diǎn)，F(xiàn) L Prestridge等人提出了交直流復(fù)合電場脫水的方法[7]，但該方法中交流電場對(duì)原油的有效作用時(shí)間短，脫水效果并沒有達(dá)到理想狀態(tài)。國內(nèi)原油生產(chǎn)現(xiàn)場的脫水電極大多采用多層布置方式，上層極板施加直流電場、底層極板施加交流電場，以提高對(duì)原油乳化液的處理效率[8]，但該方法需要在脫水容器內(nèi)布置成多層電極，且底層電極也經(jīng)常出現(xiàn)電場倒塌的現(xiàn)象。為了提高原油電脫水效率和脫水電場的穩(wěn)定性，本文在已有的研究工作基礎(chǔ)上提出采用直流疊加高頻方波電場進(jìn)行原油電脫水方法，并開展相關(guān)電脫水試驗(yàn)研究，以期為現(xiàn)有電脫水困境提供更佳的解決方案。

1 電脫水試驗(yàn)系統(tǒng)與脫水流程

1.1 電脫水試驗(yàn)系統(tǒng)

本文在實(shí)驗(yàn)室所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由高壓脫水電源、脫水容器、脫水電極、示波器及高壓探頭、微水測(cè)量儀、計(jì)算機(jī)、高速攝像機(jī)及光源等組成，其中電脫水器下部設(shè)有排液口，方便將沉降到底部的水排出。

脫水電極采用豎掛平板電極，其中一個(gè)極板接高壓、另一極板接地，在電極間建立均勻的脫水電場。

1.2 脫水試驗(yàn)電壓

本文采用直流疊加高頻方波電壓進(jìn)行原油電脫水的研究。其目的是充分發(fā)揮直流電場作用下原油乳化液中水滴電泳聚結(jié)和偶極聚結(jié)的作用，以及在高頻方波電場下振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)的綜合作用，提高原油的電脫水效率。與交流正弦波相比交流方波脫水的優(yōu)點(diǎn)是在整體周期內(nèi)都能形成有效脫水電場，而正弦波電場只能在電壓的峰值附近形成有效脫水電場（如圖2所示），有效脫水電場對(duì)原油乳化液的作用時(shí)間短[8-9]。

試驗(yàn)所用的直流疊加高頻方波高壓電源產(chǎn)生原理如圖3所示。

圖2中，R1為保護(hù)電阻、C1為隔直電容、D為硅堆;R與C分別為原油乳化液的等效電阻和等效電容。

直流疊加高頻方波電源在原油乳化液中建立的電場波形如圖4所示。

上圖中，Em為疊加電場的幅值，En為最低作用場強(qiáng)，EAC為交流分量幅值，EDC為直流分量幅值，T1和T2分別為一個(gè)周期內(nèi)最高場強(qiáng)和最低場強(qiáng)的作用時(shí)間。根據(jù)圖示關(guān)系，交流含量比λ可以表示為：

為了獲得較好的破乳效果，應(yīng)使En不小于臨界破乳場強(qiáng)Ee。

1.3 電脫水流程

試驗(yàn)所用介質(zhì)為工業(yè)白油，白油粘度較高，與原油十分接近，與水相和乳化劑可以形成穩(wěn)定的乳化液，且其顏色清晰，便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行電脫水機(jī)理的分析。試驗(yàn)用水選擇蒸餾水，乳化劑選擇山梨糖醇酐油酸酯（Span-80），用其配置出的乳化液穩(wěn)定性好，可以在靜置2小時(shí)左右不出現(xiàn)分層，電脫水試驗(yàn)流程如圖5所示。

試驗(yàn)時(shí)將白油與蒸餾水按9∶1的比例混合，在油水混合物中加入體積分?jǐn)?shù)為1%的乳化劑Span-80，配制成含水率為10%的乳化液試樣。將試樣用高速剪切機(jī)以10 000 rad/min的速度剪切15分鐘，使水滴均勻的分散在油相中，形成均勻穩(wěn)定的乳化液。乳化剪切完成之后測(cè)量其含水率，如果含水率不滿足要求則按照上述方法重新配置乳化液;若滿足要求，則將乳化液試樣注入脫水器中，進(jìn)行電脫水試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中時(shí)刻觀察脫水罐中的現(xiàn)象，每隔一定時(shí)間從脫水器中取樣，將采出試樣用微量進(jìn)樣器注入含水率測(cè)量儀中，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)采用脫水率作為衡量脫水效果的指標(biāo)，脫水率p[10-12]按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：A1表示初始原油乳化液的含水率;A2為每次采樣液的含水率。試驗(yàn)過程中測(cè)出每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的含水率，計(jì)算出相應(yīng)的脫水率，通過分析脫水率的變化來反應(yīng)脫水性能的好壞。

2 電脫水試驗(yàn)

2.1 疊加電場幅值及頻率的選擇

外施電場強(qiáng)度達(dá)到一定值，水滴從電場中吸收的能量足夠多時(shí)，水滴表面才足以克服表面張力的束縛成為自由界面，乳化液才能實(shí)現(xiàn)有效破乳，這一場強(qiáng)值為臨界有效電破乳場強(qiáng)。但如果所施電場強(qiáng)度過大水滴會(huì)分裂成小水滴，發(fā)生電分散現(xiàn)象，影響破乳效果。因此脫水電場不應(yīng)該設(shè)置過低或者過高，為了獲得較好的脫水效果應(yīng)將其設(shè)定在臨界有效破乳場強(qiáng)和電分散場強(qiáng)之間，即：

有效電破乳場強(qiáng)和電分散場強(qiáng)可以表示為[13-14]：

式中：σ為表面張力;α為橢球體長半軸;εr為水的相對(duì)介電常數(shù);k為修正系數(shù)。場強(qiáng)處于有效破乳電場區(qū)內(nèi)時(shí)α可取3.5r，k可取40[14]。以試驗(yàn)設(shè)定的剪切速度剪切后，水滴的平均粒徑r在20 μm左右，試驗(yàn)中測(cè)得水的相對(duì)介電常數(shù)為80，表面張力σ約為31 mN/m，根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算出有效破乳電場范圍為1.2 kV/cm～11.2 kV/cm。由于試驗(yàn)時(shí)乳化液含水率較高，電脫水過程中小水滴逐漸聚結(jié)成大水滴，電分散場強(qiáng)逐漸減小，并且為了保證電脫水試驗(yàn)穩(wěn)定安全的進(jìn)行，將電脫水場強(qiáng)設(shè)定為4 kV/cm。

理論上外施電場頻率越高水滴振蕩越快，越有利于水滴聚結(jié)，但乳化液屬于容性試品，其導(dǎo)納值隨著頻率的增加而升高，如果電源頻率過高，將使電極板間泄漏電流增加，不僅導(dǎo)致乳化液的絕緣性能下降，而且電場不穩(wěn)定容易出現(xiàn)波動(dòng)，不利于乳化液電脫水，因此頻率不易設(shè)置過高。

圖6給出了不同場強(qiáng)下乳化液的最終脫水率與高頻交流方波電場頻率的關(guān)系曲線。

對(duì)比不同電場強(qiáng)度、不同頻率下的乳化液最終脫水率可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率為2 kHz時(shí)最終脫水效果最好，且頻率在2 kHz時(shí)，試驗(yàn)過程并沒有出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象，脫水電場穩(wěn)定。因此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將疊加的高頻交流方波的頻率設(shè)定為2 kHz。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

每次試驗(yàn)保證直流電場、高頻交流方波電場、疊加后的電場幅值為4 kV/cm和頻率為2 kHz固定不變。直流電場、純高頻交流方波電場、直流上疊加不同含量高頻交流方波電場中直流分量和高頻交流方波電場分量的電場幅值如表1所示，不同電場類型下的電脫水試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，純高頻交流方波電場在電脫水前期脫水速度快，脫水效果好，但在脫水后期，脫水率基本穩(wěn)定不變，脫水效果不理想;直流電場前期脫水速度慢，但后期具有深度脫水能力，脫水效果好，這說明純高頻交流方波電場適合處理高含水乳化液，直流電場適合處理低含水乳化液。

在脫水前期，交流含量越高，脫水效果越好，在脫水后期，交流含量越低，脫水效果越好，但疊加的交流含量過高時(shí)，脫水前期和后期的脫水效果都有所下降。在前90 min之內(nèi)，疊加含量為30%時(shí)脫水速度最快，但在后40 min內(nèi)其脫水速度下降，最終脫水效果不如直流電場。疊加含量為10%和20%時(shí)整體脫水效果最好，不僅前期脫水速度快，而且最終脫水率高于直流電場，與直流電場和純高頻交流電場相比最終脫水效率分別提高了1%和6%。可見疊加電場可以充分發(fā)揮直流和交流方波電場各自的脫水優(yōu)點(diǎn)，改善了直流電場前期脫水速度慢，交流電場后期脫水效果不理想的問題。

3 討論與分析

在交流電場作用下臨近水滴主要發(fā)生振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)[15-17]。振蕩聚結(jié)是指水滴形狀伸縮振蕩過程中所發(fā)生的聚結(jié)行為。偶極聚結(jié)是指由于水滴間偶極吸引力而產(chǎn)生的聚結(jié)行為。偶極吸引力與水滴間距，水滴半徑有關(guān)，水滴半徑越大，間距越小，偶極吸引力越強(qiáng)。在脫水前期乳化液含水率高，單位體積內(nèi)水滴的數(shù)量多、粒徑大、間距小，有利于水滴發(fā)生偶極聚結(jié)和振蕩聚結(jié)，因此脫水前期交流電場起主導(dǎo)作用，交流含量越高脫水效果越好。

在直流電場作用下原油乳化液中的水滴除發(fā)生偶極聚結(jié)還會(huì)發(fā)生電泳聚結(jié)[18-20]。電泳聚結(jié)是指由于水滴帶電在電極板之間反復(fù)泳動(dòng)過程中所發(fā)生的聚結(jié)行為。電泳會(huì)使水滴相互靠近，增強(qiáng)水滴間偶極吸引力，增加水滴間碰撞聚結(jié)和偶極聚結(jié)的幾率。在脫水后期，乳化液含水率低，單位體積內(nèi)水滴數(shù)量少、粒徑小、間距大，單靠振蕩水滴很難聚結(jié)，水滴間只有通過電泳相互靠近，才能進(jìn)一步發(fā)生聚結(jié)，因此脫水后期直流分量起主導(dǎo)作用，交流含量越低脫水效果越好。但是當(dāng)交流含量過大時(shí)，會(huì)使最低作用場強(qiáng)En減小至無效作用場強(qiáng)區(qū)，使此場強(qiáng)作用時(shí)間段內(nèi)乳化液不能有效破乳，因此交流含量過大時(shí)，脫水效率有所下降。

直流疊加交流方波電場由直流分量和交流分量兩部分組成，使得水滴在疊加電場中發(fā)生電泳聚結(jié)、偶極聚結(jié)的同時(shí)還存在振蕩聚結(jié)，如圖7所示。

從圖8中可知，在疊加電場中電泳會(huì)增加水滴之間的碰撞幾率，振蕩會(huì)削弱油水界面膜的強(qiáng)度，水滴更容易發(fā)生聚結(jié)。

由于水滴在直流電場中易于形成水鏈，且水鏈的持續(xù)時(shí)間較長，使得直流電場易倒塌，在疊加電場中由于振蕩作用，破壞了水鏈中水滴之間的平衡狀態(tài)，使水鏈容易斷裂成小水鏈，降低了長水鏈的形成幾率，保證了脫水電場的穩(wěn)定，如圖9所示。

由上述分析可知，疊加電場可以充分發(fā)揮直流電場和交流電場各自的脫水優(yōu)點(diǎn)，具有脫水速度快、脫水效果好的特點(diǎn)。

為了分析水滴在直流疊加交流方波電場下的運(yùn)動(dòng)及聚結(jié)特性，利用高速攝像機(jī)觀察了水滴電泳和振蕩聚結(jié)行為，同時(shí)又對(duì)比分析了水滴在直流電場及其疊加交流方波電場下的成鏈情況。

水滴在疊加電場作用下的振蕩及電泳聚結(jié)行為如圖10和圖11所示。

從圖10中可知，在疊加電場下兩個(gè)水滴在各自位置附近發(fā)生振蕩，振蕩過程中依靠偶極力聚結(jié)成大水滴。

從圖11中可知，在疊加電場下水滴發(fā)生位移，且在位移過程中沿電場方向發(fā)生伸縮振蕩，水滴間通過電泳相互靠近，最終聚結(jié)成大水滴。

水滴在直流電場作用下的成鏈及放電過程如圖12所示。

在上圖中，在直流電場下水鏈形成之后，水鏈沒有逐漸消散而是進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)水鏈貫通極板時(shí)出現(xiàn)電弧，隨著水鏈持續(xù)時(shí)間的增大，電弧逐漸變長使極板間發(fā)生貫穿性的劇烈放電，造成電極短路、脫水電場倒塌。

水滴在疊加電場作用下的成鏈情況如圖13所示。

從圖13中可知，水鏈在疊加電場的振蕩作用下斷裂成小水鏈，使得水鏈的持續(xù)時(shí)間變短，無法長時(shí)間形成放電通道，降低了電極短路的發(fā)生幾率，保證了脫水電場的穩(wěn)定性。

通過觀測(cè)水滴在直流及其疊加交流方波電場下的運(yùn)動(dòng)聚結(jié)及水鏈變化情況可知，水滴在疊加電場作用下位移的同時(shí)還發(fā)生振蕩，這促進(jìn)了水滴的聚結(jié)，有利于水鏈的消散，保證了脫水電場的穩(wěn)定。觀測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，說明疊加電場可以提高乳化液的電脫水速度和電脫水效率。

4 結(jié) 論

1）疊加電場作用下，在乳化液高含水率的脫水前期交流電場分量起主要作用，而在乳化液低含水率的脫水后期直流電場分量起主要作用。因此，疊加電場同時(shí)具備交流電場和直流電場的脫水優(yōu)點(diǎn)，可以提高電脫水速度和最終脫水效率。

2）疊加電場作用下，水滴電泳的同時(shí)發(fā)生振蕩，可以促進(jìn)水滴聚結(jié)，使水鏈長度減小，保證脫水電場穩(wěn)定。

3）疊加高頻交流方波含量不宜過高，疊加含量在10%～20%脫水效果最佳，與直流電場和純高頻交流電場相比最終脫水效率分別提高了1%和6%。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：劉素菊）