原油電脫鹽稀釋水摻混用油水混合技術研究進展

陳家慶，劉文津，姬宜朋，劉美麗

（1 北京石油化工學院機械工程學院，北京102617；2 深水油氣管線關鍵技術與裝備北京市重點實驗室，北京102617；3 北京化工大學機電工程學院，北京100029）

從地層里開采出來的原油中都含有一定量的水和鹽類物質，因此油田一般會對原油進行脫水（鹽）處理，使外輸原油滿足一定的含水含鹽標準（我國要求含鹽50mg/L）；另一方面，出于避免催化劑中毒、減輕設備和管線腐蝕結垢等方面的考慮，煉油企業加工原油的首要工序就是進行脫鹽處理，以進一步控制含水含鹽量（我國要求含鹽≤5.0mg/L）。電脫鹽是當前被普遍接受且應用最為廣泛的原油凈化處理技術，首先通過摻入稀釋水（dilution water）使原油中的鹽類物質發生轉移，再通過電場聚結作用將攜帶著鹽類物質的水相脫除而達到預期指標[1]。隨著世界范圍內原油重質化、劣質化趨勢的日益嚴重，同時高含酸、高含硫以及機會原油（opportunity crude）的煉制，不僅進一步增加了電脫鹽達標的難度，而且使運行能耗和運行成本居高不下?？v觀國內外長期以來圍繞原油電脫鹽系統所開展的技術研發工作不難發現，在稀釋水摻混、電場聚結原油脫水、切水除油這三個關鍵環節中，稀釋水摻混因相應設備投資成本較低、所需空間較小而較少受到關注。但大量的實際運行案例表明，若能有效改善稀釋水摻混效果，就會對提升原油電脫鹽系統效率有“四兩拔千斤”之功效。鑒于此，本文首先對稀釋水摻混涉及的油水混合評價方法進行簡述，然后系統總結歸納稀釋水摻混所用油水混合機理、稀釋水摻混技術與設備。通過梳理油水混合機理與稀釋水摻混設備之間的對應關系，展示設備結構設計創新的著力點并比較各自優劣，進而闡明今后技術研發工作的努力方向。

1 稀釋水摻混涉及的油水混合評價方法

1.1 工程實際對原油電脫鹽稀釋水摻混效果的評價方法

原油電脫鹽工藝的稀釋水摻混過程可以準確描述為：含鹽量極低的稀釋水注入原油后，通過混合設備促使其與原油接觸，連續的稀釋水相變為分散的稀釋水顆粒而散布在連續油相中，原油中的鹽類物質得以與稀釋水顆粒充分接觸發生萃取轉移。顯然，稀釋水與原油的混合均勻程度直接決定了原油中鹽類物質的萃取轉移程度。在工程實際中，常用脫后原油含鹽量、底部沉積物與水含量（BS&W）來間接評價稀釋水摻混效果，而且將這兩個指標與混合壓降（摻混過程所消耗的能量）予以簡單關聯。從對稀釋水最終摻混效果進行評價的角度來看，可以分為不良混合、最優混合、過度混合三種，其概念性示意圖如圖1 所示。需要指出的是，鑒于油、水兩相互不相溶，雖然有學者從學術角度認為將“油水混合”描述為“油水分散”更為準確，但考慮到工程界長期以來的習慣，本文仍以“油水混合”來表述。

1.2 油水混合的多尺度分類評價方法

圖1 原油電脫鹽稀釋水摻混問題的概念性示意圖

廣義而言，可以將原油電脫鹽工藝涉及的稀釋水摻混問題視為一種特定連續流狀態下的油水混合問題。從所涉及到的流體尺度來看，這種特定的油水混合過程在宏觀混合尺度（大于最大湍流渦長度尺度L）、介觀混合尺度（介于最大湍流渦長度尺度L與Komogorov尺度η之間）、微觀混合尺度（小于Komogorov 尺度η）下同時進行，目標是在宏觀與介觀混合尺度下盡可能達到混合均勻狀態，而在微觀尺度下僅進行適度混合[2]。下面結合三種尺度下的油水混合過程進一步分析相應的量化評價方法。

（1）宏觀混合尺度 宏觀混合尺度下的油水混合過程可視為分布混合（distributive mixing），主要依賴主體對流（bulk convection） 和湍流擴散（turbulent diffusion）等機理，關注點為分散相在連續相中的相分布均勻程度。可用離析強度（IOS，intensity of segregation）對宏觀尺度混合效果進行量化評價，IOS取值為0～1，IOS取值越接近0，代表分散相濃度在連續相中分布越均勻[3]。

（2）介觀混合尺度 介觀混合尺度下的油水混合過程可視為分散混合（dispersive mixing），主要依賴湍流慣性破碎（turbulent inertial break-up）、湍流耗散（turbulent dissipation）、湍流旋渦拉伸（turbulent eddy stretching）等機理，關注點為分散相液滴在連續相中的破碎與均勻細化?？捎秒x析尺度（SOS，scale of segregation）對其進行量化評價，SOS由分散相液滴粒徑大小和分散相液滴粒徑分布兩部分組成，分散相液滴粒徑在介觀混合尺度下越小，以及分散相粒徑分布越集中，代表油水在介觀尺度下混合越均勻[4]。

（3）微觀混合尺度 微觀混合尺度下的油水混合過程可視為乳化過程，主要依賴黏性剪切破碎（viscous shear break-up）、湍 流 耗 散（turbulent dissipation）、黏性伸長破碎（viscous elongation break-up）等機理。如果在微觀尺度下油水混合過于均勻，使得分散相液滴粒徑過小，就會出現過度混合狀態，形成難以分離的油水乳化液，所以原油電脫鹽稀釋水摻混在微觀混合尺度下僅需進行適度混合即可[5]。

2 稀釋水摻混用油水混合機理

從所涉及油水混合機理的角度總體來看，原油電脫鹽工藝中的稀釋水摻混可以通過機械攪拌、管道節流、管內固定內構件切割、射流撞擊以及電分散五大類形式來實現。

縱向溯源，Kolmogorov 和Hinze[6]分別于1949年和1955年先后獨立開展了液滴破碎理論的研究，提出了后來統稱的Kolmogorov-Hinze 理論，并認為液滴破碎后最大液滴粒徑與湍流能量耗散率成一定比例關系。此外，Hinze 還提出了湍流作用下最大液滴粒徑與湍流耗散率以-2/5指數形式變化的經典模型（Hinze 模型）。1982 年，前美國杜邦公司高級研究員Grace 博士[7]結合不同流型下的高黏度連續相液體，研究了分散相液滴在黏性力作用下的破碎機理，并建立了經典的液滴黏性破碎模型（Grace 模型）。這兩個經典模型為后續不同稀釋水摻混用油水混合機理的研究奠定了理論基礎。

2.1 機械攪拌

機械攪拌油水混合是指通過帶動特定容器空間內的攪拌槳或定轉子高速轉動而產生湍流剪切力，使油水混合液中的分散相快速破碎，同時小部分液滴也會因撞擊到高速攪拌槳或定轉子剪切頭而破碎[8-9]。但在實際工程應用中，由于定轉子剪切頭高速剪切時很容易形成后續難以分離的油水乳化液，所以多采用如圖2所示的葉片圓盤渦輪式或折葉式機械攪拌槳進行油水混合。

圖2 常見的稀釋水摻混所用機械攪拌槳類型

2013 年，Aichele 等[10]采用核磁共振在線粒徑測量技術，定性研究了混合雷諾數、攪拌能量輸入、混合時間對利用葉片圓盤渦輪式攪拌槳進行油水混合后粒徑分布的影響。Wang 等[11]采用群體平衡模型（PBM）模擬了利用折葉式攪拌槳進行油水混合的過程，通過將攪拌槳周圍區域劃分為高湍流耗散率與低湍流耗散率兩個區域，預測了油水混合后的粒徑分布，發現攪拌槳周圍湍流耗散率越高時數值模擬與實驗結果越貼合。Wang 等[12]還研究了油水界面特性對利用折葉式攪拌槳進行油水混合后粒徑分布的影響，研究結果表明，減小油水表面張力可以增大液滴的破碎頻率以及抑制液滴的聚結效率，進而促進液滴破碎。

采用機械攪拌進行油水混合的優勢在于能夠得到足夠均勻的粒徑分布和期望的平均粒徑大小，缺點在于作用時間較長、能耗過高，而且實現連續進料、連續穩定出料的難度較大。

2.2 管道節流

在管道中流動的流體經過通道截面突然縮小區域后，產生壓力突然降低的現象稱為管道節流[13]。雖然工程上利用管道節流的目的主要是為了控制流體的壓力和流量，但也常常利用如圖3所示的小孔節流、閥門節流、文丘里管節流這三種機理來破碎分散相，促進油水在介觀和微觀混合尺度下混合均勻。

（1）小孔節流 1983年，Sleicher等[14]率先開展了小孔節流下油水混合的研究，基于液滴湍流慣性破碎機理，認為液滴破碎主要由小孔處流體加速而產生的壓力梯度引起，提出并根據實驗結果驗證了液滴破碎概率與臨界韋伯數有關的假設，同時還提出了預測不同破碎概率液滴粒徑的經驗模型（Percy & Sleicher 模型）。Davies[15]基于湍流液滴黏性剪切破碎機理，結合對液膜吸附作用的討論并借鑒Hinze模型的-2/5指數形式，提出了油水混合液經小孔節流后分散相最大粒徑的預測模型。Van der Zande等[16-17]圍繞高含水油水混合物經小孔節流后液滴破碎開展了實驗研究，通過分析實驗結果認為，液滴破碎主要由小孔下游區域的湍流擾動引起，并提出了與Hinze 關系式非常相似的最大液滴粒徑預測公式（van der Zande 模型）。No?k 等[18]的實驗研究表明，使用高黏度油進行油水混合時，更適合采用黏性破碎模型解釋小孔節流后分散相液滴粒徑大??；使用低黏度油進行油水混合時，更適合采用湍流慣性破碎模型來解釋。Galinat等[19]進行了單油滴小孔破碎實驗，發現液滴破碎程度與小孔下游的湍流強度有關，液滴運動軌跡不是直線，而是沿管壁方向變形直至破碎。同時Galinat 提出的最大液滴粒徑模型與Percy&Sleicher 模型基本一樣。本文作者課題組采用粒子動態分析儀（PDA）進行實驗研究的結果表明，小孔節流后切向速度梯度變化是造成油水混合液中分散相液滴破碎的主要原因，而軸向速度梯度和均方根速度梯度對小孔后液滴破碎影響不大，僅造成液滴的變形[20]；通過引入液滴當量直徑，提出了更為準確的小孔節流后液滴粒徑估值模型[21]。

圖3 稀釋水摻混所用的三種管道節流油水混合機理

（2）閥門節流 基于對小孔節流下油水混合的研究，一些學者近些年來對閥門節流下的油水混合也開展了一系列研究。Fossen等[22]實驗研究了蝶式油水混合閥內分散相液滴的破碎情況，結果發現壓降是影響分散相液滴破碎的主要因素，而流量對分散相液滴破碎影響較小。Fossen等通過擬合實驗數據還發現，Van der Zande 模型相較于Percy &Sleicher 模型能更好擬合分散相粒徑最大值，這說明蝶式油水混合閥內液滴破碎主要由湍流區域內湍流耗散引起，而非由流體加速引起。Paolinelli 等[23]利用實時顆粒圖像測量儀（PVM）在線觀測研究了平均湍流耗散率和水相體積分數對工業級油水混合截止閥后水滴粒徑大小和分布的影響。研究結果表明，平均湍流耗散率增大會導致閥后水滴最大粒徑和Sauter平均粒徑減小，小粒徑水滴數量增多，粒徑分布曲線變寬；水相體積分數增大會使得閥后水滴最大粒徑和Sauter平均粒徑增大，但對粒徑分布曲線影響不明顯。Paolinelli等通過擬合實驗數據發現，基于湍流耗散機理的Hinze 模型和基于湍流慣性破碎機理的Percy&Sleicher模型能較好預測不同平均湍流耗散率時閥后水滴最大粒徑，而基于黏性剪切破碎或黏性伸長破碎的模型（如Grace 模型）對閥后水滴最大粒徑預測偏差則較大，這主要是因為Paolinelli 等進行的油水混合實驗基本處于介觀混合尺度。Silva 等[24]以水為分散相、油為連續相，進行了截止閥內水滴破碎的實驗，發現采用Hinze模型與Percy&Sleicher模型擬合實驗數據時偏差很大，但將Van der Zande 模型中的常數項應用在Percy&Sleicher 模型中時能較好地擬合實驗數據。Silva 等由此認為，盡管實驗測得水滴粒徑處于本該由湍流慣性力主導的介觀混合尺度范圍內，但也應適當考慮黏性力對水滴破碎的影響。

近些年來，計算流體動力學（CFD）數值模擬為研究閥門節流下的油水混合問題提供了有力支撐。Mitre 等[25]對節流閥作用下油水混合液中的水滴破碎和聚結機理進行了實驗和理論研究，基于群體平衡模型（PBM）建立了水滴破碎的數值模擬模型，并進行了實驗驗證。研究結果表明，通過PBM 模型模擬得到的水滴粒徑分布僅在湍流流動中與實驗結果相吻合，故根據實驗結果對水滴聚結破碎模型進行了修正。2015 年，與Mitre 等同一課題組的Favero等[26]進一步考慮了因外部變量引起的粒子數量分布結果，將PBM 模型通過DQMOM-FC（完全保守形式的直接正交矩方法）方法擴展到多相多元流體。Aryafard 等[27]通過采用PBM 模型模擬混合閥和AC 交流電脫鹽罐中水滴的破碎和聚并，進而預測水滴粒徑分布，并通過現場試驗數據驗證了數值模擬模型的有效性。

（3）文丘里管節流 有關文丘里節流下油水混合方面的研究工作相對較少。Abiev 等[28-29]重點針對多級串聯文丘里管節流作用下的油水混合性能開展了系列實驗研究。結果表明，當Re≤8000時，油水混合均勻程度隨文丘里管串聯個數增多而降低；當Re≥10000 時，油水混合均勻程度隨文丘管串聯個數增多而增大。Abiev 等還得出了串聯文丘里管出口分散相液滴Sauter 平均粒徑與Weber 數、分散相黏度以及文丘里管串聯個數之間關系的預測公式，以及一個通用文丘里管后分散相液滴Sauter平均粒徑的預測公式。Abiev 分析認為，文丘里管依靠湍流破碎、縮頸處黏性剪切力以及Kelvin-Helmholtz不穩定性三種機理對液滴進行破碎分散。值得一提的是，Abiev[30]在2012 年還提出了混合過程中能量耗散的最優分布理論，即在設計文丘里管或其他油水混合器時，要盡可能使能量耗散最大程度地發生在破碎液滴上，從而減小無用的能量耗散，這樣才能提升油水混合效率。

2.3 管內固定內構件切割

管式靜態混合器在國外于20 世紀70 年代率先發展起來，主要依靠混合管道內部的特殊固定內構件使兩種或兩種以上的流體產生切割、剪切、旋轉，達到流體間的良好分散和充分混合。根據管內特殊固定內構件的類型，相應可劃分為如圖4所示的螺旋型、交錯型、波紋型、孔板型四種油水混合機理。相關學者的研究主要集中在前三種油水混合機理上，對孔板型油水混合機理的研究還未見文獻公開報道。

（1）螺旋型固定內構件 Middleman[31]在1974年最早開展了螺旋型固定內構件作用下油水混合機理的實驗研究，采用六種油類介質（黏度為0.6～26mPa·s，表面張力為5×10-7～46×10-7N/s）作為分散相、水為連續主相，探究了油相黏度、油相體積分數、切割元件個數對油水混合后油滴粒徑分布的影響，并以Kolmogorov均勻各向同性湍流破碎理論為基礎來解釋實驗結果。Haas[32]以水為分散相、油類物質為主相，實驗探究了螺旋型固定內構件對油水混合效果的影響，依托Kolmogorov-Hinze 理論得出了最大水滴粒徑與湍流耗散率的關系式。Berkman與Calabrese[33]采用螺旋型固定內構件，進行油水湍流混合實驗研究，考察了以油為分散相時油相黏度對混合后油滴粒徑分布和平均粒徑大小的影響，提出了基于Weber數的Sauter平均粒徑預測關系式。

圖4 稀釋水摻混所用的四種管式固定內構件切割油水混合機理

Jaworski 等[34]基于CFD 數值模擬開展了螺旋型固定內構件作用下油水混合機理的系列研究。2002年，采用代數滑移混合物模型（algebraic slip mixture model，ASMM） 和Euler-Lagrangian 模 型 預 測 了Reynolds 數為100、200、400 時，螺旋型固定內構件產生的壓降以及油滴的運動軌跡。2007 年，采用PBM 模型研究了Reynolds 數為12000、15000、18000、21000 時油滴在螺旋型固定內構件作用下的破碎，并預測了油滴的Sauter平均粒徑大小和液滴粒徑分布，數值模擬結果與實驗結果吻合良好（誤差在10%以內）[35]。2010 年，采用大渦模擬（large eddy simulation，LES）模型和非穩態雷諾平均方程（unsteady reynolds averaged Navier-Stokes，URANS）模型模擬了Reynolds 數為10000、油相體積分數為1%時，螺旋型固定內構件附近的流場分布，并重點關注湍流耗散率和切應力的分布，以此間接研究油滴在何處容易發生破碎[36]。2012年，還利用LES模型模擬了油水混合液的相分布變化系數（coefficient of variation, CoV）值[37]。2019 年，伊朗伊拉姆（Ilam）大學的Haddadi 等[38]利用PBM 模型和離散相模型（discreted phase model，DPM）模型，研究了利用螺旋型固定內構件進行油水混合時油滴的聚結和破碎與油滴停留時間，數值模擬結果與實驗結果吻合良好。

（2）交錯型固定內構件 Legrand 等[39]研究了采用交錯型固定內構件進行油水混合時，黏性阻力以及油水表面張力對混合后油滴粒徑大小和分布的影響，提出了預測油滴平均粒徑的半經驗模型。Legrand 與Das 等[40]還研究了在中低雷諾數條件下，交錯型固定內構件對具有不同黏度比油水混合液中分散相液滴的破碎作用，通過將流道類比成多孔介質，同時考慮邊界層剪切力和慣性作用力對液滴破碎的影響，提出了兩個預測交錯型固定內構件混合器出口最大粒徑的理論模型。Baumann 等[41]研究了交錯型固定內構件油水靜態混合器內的液液分散混合特性。研究結果表明，基于Kolmogorov-Hinze 理論以及帶有Weber 數和Newton 數的理論模型，可以有效預測各向同性湍流-慣性流態下帶有交錯型固定內構件油水靜態混合器出口處分散相液滴的中位粒徑。Chabanon等[42]建立了一種適用于油水混合液在交錯型固定內構件作用下分散相液滴中位粒徑的修正預測模型。

（3）波紋型固定內構件 Lobry等[43]研究了油水界面張力、油相密度、油水黏度比、油相體積分數對波紋型靜態元件切割油水混合后油滴平均粒徑大小的影響，發現上述四個因素中油相體積分數需增至60%才會開始對油滴平均粒徑大小產生影響，進而建立了油滴Sauter平均粒徑關于水力雷諾數和韋伯數的預測模型。Theron等[44]在這一時期也建立了關于這兩個無量綱數的油滴Sauter平均粒徑預測模型。

2.4 射流撞擊

射流撞擊是化工領域一種常見的液液混合機理，對原油電脫鹽稀釋水摻混而言，可以應用如圖5所示的錯流射流撞擊、并流射流撞擊、對心射流撞擊三種油水混合機理。需要指出的是，圖5中A與B不一定是組分完全不同的兩種液體，也可以是未混合均勻的同種混合液。從發表的文獻來看，迄今圍繞油水射流撞擊混合開展的研究相對較少，下文僅簡要介紹有關油水對心射流撞擊混合的研究。

Siddiqui 等[45]研究了油水對心撞擊混合時液滴的湍流慣性破碎特性。結果表明：①當油水界面張力一定時，油相黏度越高，油水撞擊混合后分散相液滴粒徑越大；②當油相黏度一定時，油水界面張力越小，油水撞擊混合后分散相液滴粒徑越小。Tsaoulidis 等[46]利用小型CIPJ（封閉式射流撞擊流）設備（射流流道直徑0.25mm 或0.5mm，主流道直徑2mm 或3mm）開展了油水混合的實驗研究。結果表明，油水對心撞擊混合后液滴平均粒徑和兩相接觸面積主要受兩股射流總速度的影響，而受分散相與連續相黏度之比影響較小。

2.5 電分散

圖5 稀釋水摻混可以應用的三種射流撞擊油水混合機理

眾所周知，在以油為連續相、水為分散相的油水混合液中，當外加電場強度超過某一“門檻值”時，分散相水顆粒會在電場力作用下發生碰撞聚結甚至形成“水鏈”。但當外加電場強度繼續增大而超過某一“臨界值”時，分散相水顆粒會出現一種“失穩現象”，不僅水顆粒之間難以繼續碰撞聚結長大，單個水顆粒反而會在電場力作用下發生變形并破碎成更小的顆粒[47]。

Lee 等[48]通過實驗研究了單個水滴在AC（交流）電場中下落時，在電分散作用下發生破碎的過程。結果表明，水滴的破碎過程分為兩步：①水滴受電場力作用發生振動和變形，形成一個液橋；②液橋斷裂，水滴破碎成兩個小液滴。Lee 等指出，水滴在特定AC 電場頻率下發生共振現象時更容易破碎。Adamiak等[49]基于邊界單元法（BEM），數值模擬研究了DC（直流）電場下導電液滴的電分散現象。結果表明，只有當DC 電場強度高于一“臨界值”時，導電液滴才會受電場力作用在尾部脫離出新的小液滴，否則導電液滴只會發生振動和變形，且小液滴脫離時間比原始液滴伸長時間大約快20 倍。Karyappa 等[50]對DC 電場下油中水滴的電分散模式做了進一步細分。根據油水黏度比和臨界電動毛細數的不同，水滴在破碎前可分為如圖6(a)所示的三種軸對稱變形模式：耳垂狀（lobes）、尖頭狀（pointed ends）、非尖頭狀（non-pointed ends），與之分別對應著帶電耳垂式（charged lobe disintegration）、開放射流式（open jets）、一般射流式（jets）三種非軸對稱破碎模式。

國內關于電分散機理研究最具代表性的是中國石油大學（華東）何利民教授課題組。他們發現當AC電場強度不變時，增大AC電場頻率，可以促進油中水滴的變形，但會減弱水滴的破碎程度[51]。還可以通過實驗觀測，將AC 電場下油中水滴的振動變形和圓錐破碎過程分成如圖6(b)所示的六個階段，并提出了解釋水滴振動變形動力學機理的理論模型[52]。此后，他們基于電動毛細數和量綱為1表面活性劑濃度兩個參數，定性研究了DC 電場下油中水滴的變形與破碎過程[53]。

同時需指出的是，為了使外加電場強度能在短時間內從一個較低的門檻值達到甚至超過臨界值，對電源有效輸出電壓控制軟硬件技術的要求相應較高。此外，與石油石化等傳統大工業相比，電分散油水混合機理研究近些年在生物醫學或生命科學領域結合微流體混合技術開展得更多一些[54-56]。

3 稀釋水摻混設備

近幾十年來，國內外學者或工程技術人員以上述五大類油水混合機理為基本出發點，沿著多級變速攪拌、混合閥、管式靜態混合器、稀釋水射流、靜電分散五種主要技術路線，相應研制出了多種稀釋水摻混設備，具體總結展示如圖7所示。

3.1 管道多級機械攪拌稀釋水摻混設備

圖6 DC與AC電場下油水電分散機理圖［50，52］

管道多級機械攪拌稀釋水摻混技術起源于傳統的容器內機械攪拌技術，也是利用電動機帶動攪拌槳按特定速度轉動，進而實現油水兩相的剪切混合。當這種油水混合方式應用到原油電脫鹽系統的稀釋水摻混中時，為了能夠連續運行而需要將攪拌槳從容器內置式變為管道內置式。此外，一般采取多級攪拌以使每一級攪拌槳處于特定轉速，從而適應不同工況。美國SPX FLOW公司葉片渦輪式與英國Howe-Baker 公司的折葉式管道式多級機械攪拌技術為此類設備的典型代表，圖8為前者的實體剖面圖。由于該類設備耗能較大且運行魯棒性不強，因此近些年來在各大油田或煉油廠鮮有應用。

圖7 不同稀釋水摻混技術所用到的油水混合方式

圖8 美國SPX FLOW公司的管道多級機械攪拌設備

3.2 混合閥類稀釋水摻混設備

原油電脫鹽稀釋水摻混用混合閥大多基于小孔節流與閥門節流的油水混合方式，具體結構類型主要有截止閥（單孔或雙孔）、球閥。常規混合閥稀釋水摻混率低的癥結在于，其結構設計目標是為了控制流體而不是混合流體，因此存在三大固有缺點：①過多與混合功能無關的元件產生多余剪切力，增大了進出口的壓力損失（壓降）；②剪切流體的窄流道占閥內空間比例過小且構形單一，導致流經高剪切區域（窄流道壁面附近）的稀釋水液滴不多，稀釋水液滴所受剪切力不均勻；③實際運行中為了控制稀釋水液滴平均粒徑達到期望值，增大進入高剪切區域稀釋水液滴的比例，往往需要減小閥門開度，進而導致壓降增大。針對這三大缺點，國內外一些公司企業嘗試對常規混合閥的結構設計進行改進。

美國Baker Huges 公司2000 年發明了一種基于傳統截止閥結構進行改進的新型油水混合閥[57]。如圖9所示，該混合閥核心元件包括一個可隨閥桿平動的空心圓筒、兩個位于空心圓筒外壁的動剪切圓環、兩個位于閥體內壁的靜剪切圓環。原油和稀釋水流入后分為兩股，分別被靜剪切圓環1和動剪切圓環1、靜剪切圓環2 和動剪切圓環2 組成的兩個環形窄流道剪切混合，然后流出閥門。該新型閥門增大了油水混合液被剪切面積與剪切力均勻程度，且使閥內所產生流動阻力幾乎全用做剪切流體。國內方面，江蘇三星化工有限公司基于傳統球閥結構設計了兩種新型油水混合閥[58-59]。第一種新型油水混合閥將原油與稀釋水來液分為三路，并通過幾個球面結構切割閥內空間，進而形成三個油水混合區，增加了油水混合次數。第二種新型油水混合閥將原油與稀釋水來液分流為上兩路和下兩路，上（下）兩路流體分別從3/5 凹球面上（下）方的間隙和凹球中心線上（下）部2/3處的長方形窄流道流出發生一次混合，然后上下路流體再匯成一路，完成二次混合。這兩種新型混合閥均可通過調節執行機構控制混合壓降，進而適應不同工況。

雖然改進型油水混合閥在一定程度上克服了常規混合閥壓降過大與稀釋水液滴受剪切不均勻的不足，但依然無法避免在微觀尺度上過度混合的問題，即閥門出口會存在大量過小粒徑的液滴。針對這一問題，美國Phillips 66公司2002年從系統工藝流程設計的角度出發，提出了并聯兩個傳統混合閥的稀釋水摻混工藝，希望通過調節兩個混合閥的壓降比來得到更優的稀釋水液滴粒徑分布[60]。

總的來看，從不同角度對常規混合閥進行改進，可以減小閥門壓降、使稀釋水液滴粒徑分布更均勻，但依然無法在宏觀混合尺度上保證油水混合充分，即無法保證水相在油相中分布均勻。

3.3 基于管式靜態混合器的摻混設備

從公開的文獻資料來看，國外自20 世紀70 年代中后期開始采用管式靜態混合器進行原油電脫鹽稀釋水的摻混，國內各大油田及煉油廠自20 世紀80 年代起陸續采用管式靜態混合器替代常規混合閥[61-62]。由于單級管式靜態混合器逐漸暴露出無法通過改變壓降來控制稀釋水液滴平均粒徑的問題，因此近20年來，使用“常規混合閥+管式靜態混合器”串聯組合式摻混設備的案例日益增多。除了采用一級或多級管式靜態混合器直接串聯外，還在管式靜態混合器固定內構件結構設計研發、前端稀釋水注入方式等方面取得了實質性進展[63-66]。

（1）常規混合閥+螺旋型靜態混合器單體串聯型 針對常規混合閥產生粒徑過小液滴的問題，美國Phillips 66公司于2016年、2017年分別提出了在常規混合閥后串聯一個或者多個可加電場的螺旋型靜態混合器的稀釋水摻混技術[67-68]。工作過程中，油水混合物從常規混合閥出口開始，隨著靜態混合器的偏轉角度逐級減小，其對稀釋水液滴的剪切混合強度逐級降低，粒徑過小的稀釋水液滴會逐級旋流聚結長大。如果在靜態混合器內加上電場，會進一步增強對粒徑過小稀釋水液滴的聚結長大作用。

（2）常規混合閥+管式靜態混合器一體化復合型 俄羅斯VDK 公司推出了將雙孔截止閥與新型靜態混合器一體化的緊湊型油水混合設備，如圖10 所示。根據現場具體工況和原油性質，可以選擇波紋型、交錯型、螺旋型固定內構件搭配使用，以保證出口稀釋水液滴粒徑在10～55μm，盡量避免了過小粒徑液滴出現。

圖10 俄羅斯VDK公司的“常規混合閥+管式靜態混合器”一體化復合型油水混合器

（3）孔板型靜態混合器+常規混合閥 孔板型靜態混合器由美國Westfall Manufacturing 公司于1998年率先研發，經過了大量的CFD 分析測試，并被該公司歸類于高性能、高剪切靜態混合器，目前有2800 型、2850 型、2900 型三種產品。孔板型靜態混合器以前主要用于水質工程領域，2017 年左右首次應用到稀釋水摻混中。兩個對稱耳狀曲面孔板后會形成高剪切湍流區域以及交替脫落的湍流旋渦，使稀釋水相快速分布均勻并被剪切成較小粒徑的水滴[69-70]。與一般管式靜態混合器相比，其最大優點在于壓降比小很多，且占用空間很小，安裝靈活。沙特阿美石油公司在某油氣分離站進行的現場試驗結果表明，將2800 型孔板型靜態混合器串聯在某電脫鹽系統原有的截止閥前，可以在保證電脫鹽罐脫鹽達標的情況下，使稀釋水年用量減少39%。此外，瑞士Sulzer 公司的CompaX Mixer、美國Komax Systems 公司的Static Wafer Mixer、Koflo 公司的Wafer Style Static Mixer 本質上也都屬于孔板型靜態混合器，因未被用于原油電脫鹽稀釋水摻混而不再贅述。

3.4 稀釋水射流摻混設備

（1）罐內射流摻混設備 蘇聯石油工程設計研究院1983 年研發了一種電脫鹽罐內稀釋水射流摻混設備，其工作原理如圖11 所示[71]。原油與預先混合的稀釋水由進料管進入噴嘴，基于文丘里效應而將噴嘴附近的稀釋水吸入混合管內，電脫鹽罐的水面由調節器控制在噴嘴液面之上。油水在混合管內充分湍流混合，隨后在反射板作用下沿罐體橫截面均勻擴散。在噴嘴和反射板液面之間的區域，混合管內部油水向上運動而管外原油和稀釋水向下運動，從而形成內循環流；在反射板上部區域，原油向上流動，在電極板空間內受到電場作用后自頂部排出脫鹽罐，水從底部排出。在西伯利亞油田的試驗結果顯示，應用該技術可將原油電脫鹽系統處理效率提高了近一倍，如處理量為96m3/h時，可將原油含鹽量從100mg/L 降低至2mg/L，將原油含水量由0.15mg/L 降低至0.12mg/L[72]。但該設備一個較大缺點是很難精確控制電脫鹽罐內水面高度。

圖11 蘇聯的電脫鹽罐內稀釋水射流摻混設備

（2）多點射流均配器 中石油工程設計公司的紀永波等[5]介紹了一種基于錯流射流撞擊機理的稀釋水多點射流均配器，內部管式注射器位于原油來流管道中心線上而呈“管中管”布置形式。通過注射器上均勻分布的多個小噴嘴，稀釋水以多角度錯流射流模式注射進原油來流中，并得到充分擴散。該多點射流均配器安裝在常規混合閥之前，應用于兩伊地區高含鹽重質原油脫鹽并優化原有電脫鹽工藝后，不但脫水率達標，而且脫鹽量也滿足小于28.5mg/L的指標要求。

美國Cameron Solutions 公司（兼并了原美國Natco 公司）的Sams 等[73]2017 年提出了兩種并流注射的稀釋水多點均配注射設備。第一種布置于單根豎直原油管道內，如圖12(a)所示，單級或多級噴嘴管與原油管道中心線呈垂直插入，其上等間距分布著多個噴射方向與原油來流同向的噴嘴，使注入的稀釋水在原油管道橫截面上均勻分布，同時也盡可能減小稀釋水的液滴粒徑。第二種布置于專為油水預混合設計的罐體內，如圖12(b)所示，稀釋水通過三個垂直管道進入位于預混合罐上部的多層噴嘴管線，每一層噴嘴管線上分布著多個噴嘴頭，且自最上層到最下層噴嘴頭個數依次減少，每個噴嘴頭上又分布著多個并流射流噴嘴，稀釋水通過多層噴嘴管線在一個很大的空間范圍內均勻注入原油中。第二種與第一種相比，在一個更大的空間范圍內實現多點均勻注入稀釋水，可進一步提升原油與稀釋水的接觸效率。但需要指出的是，這兩種稀釋水注射技術所得到的小粒徑稀釋水液滴以高壓力損失為代價（每個噴嘴產生壓降為350～2000kPa，遠高于一般的稀釋水注射設備），且多層噴嘴管線結構過于復雜，占用空間也較大，只能在垂直管道進行安裝。

圖12 美國Cameron公司的并流注射稀釋水多點摻混設備

（3）多點射流均配注射+對心射流撞擊一體化設備 美國ProSep 公司在其1999 年和2001 年申請的兩個專利中，分別提出了帶有多個入射/出射小孔管道的對心射流撞擊混合器以及帶有多個沿圓周方向均勻分布注水孔的環形多點射流均配注射器結構方案，并相應研發了ProPure M100 和ProPure C100產品[74-75]。隨后將這兩者有機結合，研發了主要應用于原油電脫鹽系統稀釋水摻混的ProSalt 混合器。如圖13所示，ProSalt混合器的工作原理為，稀釋水由環形多孔注射器均勻注入原油來流中，在管道橫截面沿徑向逐漸向中心擴散，且稀釋水液滴在湍流剪切力下發生初次破碎。在油水精細混合階段，多個均勻分布、對心入射的圓柱狀小孔流道所產生的均勻剪切力使稀釋水液滴進一步破碎；圓筒形混合腔內形成的交叉射流撞擊和返混循環流使水相分布更加均勻；多個均勻分布、平行出射的圓柱狀小孔流道在盡量避免油水混合液短流流出的同時，使稀釋水液滴進一步破碎。當原油物性參數和處理量等操作參數發生變化時，可以通過轉動圓筒型混合腔調節壓降，從而得到最優稀釋水摻混效率。ProSep 公司2007—2008 年在沙特阿美石油公司Shedgum第四油氣分離廠對ProSalt混合器進行的現場試驗結果表明，在電脫鹽設備出口原油含鹽量及BS&W 均達標的情況下，稀釋水消耗量降低40%，壓降降低60%，切水含油濃度降低40%，大大提升了稀釋水摻混效率，并節省了運行成本[76-77]。

圖13 美國ProSep公司的ProSalt混合器

圖14 美國Forum公司的ForuMIX混合器

美國Forum 公司2019 年提出了ForuMIX 混合器，如圖14 所示，主要由Y 型多孔注射器、球型混合腔、法蘭等組成[78]。Y型多孔注射器通過多個沿Y型管道長度方向分布的注水小孔向原油內注射稀釋水，注水小孔截面積沿原油管道內壁向中心方向逐漸增大，保證不同位置處注水小孔的射流流量相同，從而使水相在橫截面上均勻分布。與ProSalt混合器的中心圓筒形混合腔類似，ForuMIX混合器的球型混合腔兩側都均勻地分布著多個等徑小孔流道，但兩側小孔的中心線均指向球心處，從而增強了交叉射流的撞擊收斂度。當原油物性參數和處理量等發生變化時，可以沿著任意方向轉動球型混合腔來調節混合強度；同時還可以轉動Y型多孔注射器，使稀釋水射流方向與原油流向呈特定角度而達到并流、逆流、錯流等注射效果，然后配以球型混合腔的轉動而獲得最優的稀釋水摻混效果?？陀^分析而言，雖然ForuMIX混合器通過Y型多孔注射器得到的稀釋水相分布均勻度不如ProSalt 混合器的環形注射器，但實現了注射預混合與精細混合兩個階段的聯動調節，并將對“中心線”的射流撞擊改成對“中心點”的射流撞擊，理應進一步提升稀釋水摻混效率，但目前沒有公開的現場試驗數據發布。

3.5 靜電摻混設備

圖15 蘇聯喀山勞動國立教育學院的稀釋水靜電摻混設備

以電分散機理為核心的稀釋水摻混設備被稱為稀釋水靜電摻混（electrodynamic mixing）設備。蘇聯喀山勞動國立教育學院1983 年提出了如圖15 所示的稀釋水靜電摻混設備[79]。稀釋水由噴嘴注入原油中，油水混合液通過多個等徑混合噴嘴并流射入多個位于中空圓筒電極內部的等徑金屬混合管內，稀釋水顆粒在金屬混合管內的強湍流作用下被破碎并分散在原油中。然后油水混合液從圓筒電極頂部流出，進入接地外殼與圓筒電極間的環縫流道區域，水顆粒會在該區域電場力作用下逐漸聚結長大。油水混合液向下流到圓筒電極底部時分為兩部分：一部分在壓差作用下被吸入混合管，流經金屬混合管與混合噴嘴之間的窄間隙時，因電場強度高到足以使水顆粒重新破碎分散而與新噴射進入的油水混合液循環混合；另一部分順勢繼續向下從出口流出，進入后續電脫鹽罐，該部分的流量不超過總流量的1/3。

蘇聯石油工程設計研究院1984 年提出了如圖16所示的稀釋水靜電摻混技術[80]。圓盤電極周圍區域的高強度電場對稀釋水顆粒進行初步破碎，隨后油水混合液在多個絕緣內/外隔板、絕緣多孔壁面和中心電極棒組成的特殊流道內，呈S 型向下流動。當油水混合液流向中心電極棒時，電場強度的增大促進稀釋水顆粒分散破碎；當油水混合液流向金屬圓筒外殼內壁面時，電場強度的減小促進稀釋水顆粒碰撞聚結。重復多次的破碎、聚結、再破碎、再聚結過程，使得稀釋水顆粒在原油中與鹽類物質充分接觸而萃取轉移。

圖16 蘇聯石油工程設計研究院的稀釋水靜電摻混設備［80］

基于大量的應用基礎研究和產品研發，美國Natco公司上世紀80年代中后期成功推出了一種稀釋水逆流靜電摻混設備，即為美國Schlumberger 公司（兼并了Cameron Solutions 公司）目前擁有的電場動態脫鹽器（electro-dynamic desalter，EDD）[81-82]。工作原理如圖17(a)所示，稀釋水通過電脫鹽罐上部水平布置分配管匯上的多個小孔，將稀釋水向下噴射到向上流動的原油來液中，稀釋水顆粒因比重較大向下運動而形成油水逆流接觸。隨后通過自動控制靜電場強度，形成如圖17(b)所示包括水顆粒破碎、混合、聚結、沉降四個階段的特定運行周期：①破碎階段，電場強度先迅速上升至高于“臨界值”，使稀釋水顆粒在電分散力作用下進一步破碎成細小顆粒；②混合階段，電場強度維持最大值，稀釋水液滴被最大限度地進一步破碎，與原油充分混合接觸；③聚結階段，電場強度降低至“臨界值”與“門檻值”之間時，稀釋水顆粒會在電場力作用下碰撞聚結長大；④沉降階段，電場強度維持在一個較低值，聚結后的大粒徑稀釋水顆粒沉降至脫鹽器下部的水層區，裹挾著萃取出的鹽分一起排出電脫鹽罐，而部分殘余小粒徑稀釋水顆粒會進入下一個運行周期。該設備實現了稀釋水與原油多層次接觸混合，使稀釋水的“沖洗”作用充分發揮。Natco 公司的研發人員認為，該技術理論上可使電場動態脫鹽器的脫鹽效率較常規單級電脫鹽器提升90%以上，中海油南海流花(LH)11-1 油田“南海挑戰號”FPSO上投產時引進的電場動態脫鹽器至今仍在運行。

圖17 原美國Natco公司的稀釋水逆流靜電摻混設備［81-82］

相比較而言，上述三種稀釋水靜電摻混技術都存在結構較為復雜、自動控制難度較大等不足，致使相應的摻混設備至今未能得到大規模商業應用。俄羅斯奔薩州立大學的Tarantsev 于2013 年提出了一種更為緊湊高效的稀釋水靜電摻混技術，具體結構如圖18所示[83-85]。其工作原理為，稀釋水從注水管入口進入后，由噴嘴并流注射到原油來流中，隨后在文丘里混合管內湍流剪切力、中心電極棒與直管段管壁間高壓電場所產生電分散力的共同作用下，稀釋水顆粒被快速破碎并均勻分散在原油中，實現油水高效混合。但是，該技術目前僅停留在設計理念和數值模擬階段。

圖18 Tarantsev提出的稀釋水靜電作用摻混設備結構原理示意圖［83-85］

4 結語

國內外石油石化工程領域幾十年來的應用實踐證明，稀釋水摻混效果對原油電脫鹽系統整體脫鹽效率有著舉足輕重的作用。但客觀而言，迄今油水混合機理的研究總體上未能與原油電脫鹽工藝稀釋水摻混設備的研發同步協調發展，更談不上相互促進。

（1）在油水混合機理研究方面，國內外學者主要側重于介觀與微觀混合尺度下的機械攪拌、管道節流、管內固定內構件切割油水混合機理，對宏觀混合尺度下稀釋水摻混用油水混合機理、介觀與微觀混合尺度下孔板構件油水混合機理、射流撞擊與電分散油水混合機理研究相對不足。因此，后續研究應重點關注射流撞擊、電分散油水混合機理，為新摻混技術與設備的研發提供基礎支撐。

（2）在原油電脫鹽工藝稀釋水摻混設備方面，當前工程實際中應用最為廣泛的仍然是常規混合閥類和常規管式靜態混合器類，管道多級機械攪拌稀釋水摻混設備、稀釋水靜電摻混設備除了特定工況外基本不被使用，以ProSalt 混合器和ForuMix 混合器為代表的射流撞擊類新型稀釋水射流摻混設備以及Westfall 2800型高剪切薄板管式靜態混合器因其結構緊湊高效、投資成本較低等優點而有望在工程實際中得到越來越廣泛的應用。

（3）全面梳理歸納油水混合機理與稀釋水摻混設備之間的對應關系不難看出，多數稀釋水摻混設備都集成了兩種或多種機理作用，充分體現了單元過程設備向著高效化、復合化的發展趨勢。另一方面，除了應該注重將油水混合機理的研究成果及時用于指導原油電脫鹽工藝稀釋水摻混技術與設備研發之外，相關研究結果還可以為反應工程、生命科學等領域相關混合技術與設備研發提供直接借鑒和有力支撐。