呂宇玲, 何利民, 羅小明, 何兆洋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島266555)

油包水乳狀液在圓柱電極聚結(jié)器中的分離特性研究

呂宇玲, 何利民, 羅小明, 何兆洋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島266555)

設(shè)計(jì)制作了一種帶有絕緣層的圓柱電極靜電聚結(jié)器,油包水乳狀液流過(guò)電極,在電場(chǎng)力的作用下水滴聚結(jié),經(jīng)重力沉降達(dá)到油水分離的目的。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),分析了油包水乳狀液在這種電極作用下的油水分離特性,研究了圓柱電極的直徑、長(zhǎng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度、含水率等因素對(duì)分離效率的影響。研究表明,在不發(fā)生電分散情況下,電場(chǎng)強(qiáng)度越大,油水乳狀液在聚結(jié)器中的分離效率也越高;分離效率受電極作用時(shí)間和液滴間靜電力的共同影響,在含水較低時(shí),油包水乳狀液中液滴間靜電力小,電極作用時(shí)間的影響起主導(dǎo)作用,電極停留時(shí)間越長(zhǎng),分離效率越高;含水率升高,油包水乳狀液中液滴間靜電力增大,電極作用時(shí)間的影響作用減小,液滴間的靜電力影響作用增大,液滴間靜電力越大,分離效率越高。利用高速微觀攝像系統(tǒng)拍攝并觀察到聚結(jié)器出口液滴粒徑比進(jìn)口粒徑明顯增大,即圓柱電極靜電聚結(jié)器對(duì)柴油-水乳狀液具有良好的聚結(jié)效果。

油水乳狀液; 聚結(jié)器; 圓柱電極; 分離效率

油水乳狀液是十分復(fù)雜的分散體系,以W/O型乳狀液為主,原油破乳對(duì)原油開(kāi)采、運(yùn)輸及加工十分重要[1],油包水乳狀液在電場(chǎng)作用下破乳分離的方法已在石油工業(yè)中應(yīng)用多年,把高強(qiáng)電場(chǎng)施加于流動(dòng)的乳狀液,增加分散水滴的碰撞和聚結(jié),可促使油包水乳狀液分離[2]。目前我國(guó)使用的都是傳統(tǒng)的電脫水器,這種電脫水器使用的是裸電極,當(dāng)油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期,隨著含水率的增加以及各種采油添加劑的加入,這種裸電極很容易擊穿,而造成脫水器無(wú)法正常工作,導(dǎo)致油中含水率太高不能滿足原油外輸?shù)囊蟆１疚难芯苛艘环N帶有絕緣層的圓柱電極,這種電極避免了傳統(tǒng)電極的擊穿等問(wèn)題,油水乳狀液流過(guò)電極,在電場(chǎng)力作用下水滴發(fā)生碰撞聚結(jié)[3],聚結(jié)成為大液滴后沉降[4],從而達(dá)到油水分離的目的。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

油水乳狀液聚結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置由離心泵、流量計(jì)、圓柱電極靜電聚結(jié)器、乳狀液攪拌罐、高壓電源、變壓器等設(shè)備組成,整個(gè)裝置流程如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

實(shí)驗(yàn)用柴油和水在乳狀液攪拌罐1中進(jìn)行高速攪拌,制備成油水乳狀液。乳狀液經(jīng)過(guò)離心泵2和出口閥后,一路經(jīng)渦輪流量計(jì)流向圓柱電極聚結(jié)器5,另一路回流到乳狀液攪拌罐。聚結(jié)器圓柱電極接高壓電源10,乳狀液在電極環(huán)道中流過(guò),受到電場(chǎng)的作用,乳狀液中的水滴發(fā)生聚結(jié)。聚結(jié)后的乳狀液流回沉降罐6,沉降后油水分離。在聚結(jié)器的進(jìn)口處和出口處,分別設(shè)有取樣閥9,取樣分析油水分離效率。絕緣電極與聚結(jié)器外殼之間組成流道,外殼內(nèi)嵌靜電聚結(jié)器的接地電極。電極構(gòu)造如圖2所示。

Fig.2 Electrode structure schematic drawing of cylindrical electrode electrostatic coalescer圖2 圓柱電極靜電聚結(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用了4種自制電極:φ75-60、φ63-60、φ50-60、φ50-40(注:φ75-60中 φ75表示內(nèi)電極的外直徑為75 mm,60表示電極的長(zhǎng)度為60 cm,依此類推)。實(shí)驗(yàn)中分別配制含水率為10%、2 0%、30%柴油-水乳狀液,實(shí)驗(yàn)電壓為2 000～8 000 V,實(shí)驗(yàn)流量分別為2～10 L/min,實(shí)驗(yàn)溫度為25℃,實(shí)驗(yàn)管路的壓力為0.3 MPa。

通過(guò)調(diào)壓器和升壓器調(diào)節(jié)電壓,采用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量,分別在不同流量、不同電壓下取樣,利用高速微觀攝像系統(tǒng)觀察并拍攝進(jìn)出口液滴的大小。同時(shí)在沉降罐油出口取樣,用蒸餾法測(cè)得脫水后的油中含水率,以確定靜電聚結(jié)器對(duì)油水乳狀液的分離效果,實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生電分散現(xiàn)象。

2 油水乳狀液聚結(jié)分離理論

2.1 液滴的聚結(jié)

交流電場(chǎng)是原油電脫水中最為常用的電場(chǎng)形式[5-6],在交流電場(chǎng)作用下,液滴的聚結(jié)以偶極聚結(jié)為主,兩個(gè)相似球形微粒(液滴)間偶極聚結(jié)而產(chǎn)生的靜電力 F的表達(dá)式為[7]:

式中:ε為原油乳化液的介電常數(shù);E為外加電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;d為兩液滴間距離,m;r為液滴半徑,m。

由公式(1)可知,液滴間的靜電力受以上因素的影響,外加電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)、兩液滴間距離越小、液滴粒徑越大,液滴間靜電力越大。

2.2 液滴的沉降

液滴在乳狀液中的沉降速度遵循Stokes公式:

式中:v為水滴的沉降速度,m/s;d為水滴直徑,m; ρw為水的密度,kg/m3;ρo油相的密度,kg/m3;g重力加速度,m/s2;μ油相的動(dòng)力粘度,Pa·s。

由公式(2)可知,沉降速度與液滴大小的平方成比例,在相分離之前使較小液滴聚結(jié)為大液滴是很重要的[8-9]。液滴粒徑越大,水、油相的密度差越大,油相粘度越小,沉降速度越快。

2.3 油水分離特性

用分離效率η表示:

式中:η為分離效率,%;V1為乳狀液中水相總體積,mL;V2為沉降出的水體積,mL。

分離效率與液滴的聚結(jié)靜電力和沉降速度等因素有關(guān),液滴間靜電力越大、沉降速度越快,分離效率越高。而電極形式、尺寸、乳狀液在電極中的作用時(shí)間等因素影響分離效率,主要通過(guò)實(shí)驗(yàn),研究圓柱電極結(jié)構(gòu)的分離特性。

3 油水乳狀液聚結(jié)分離特性

3.1 電極直徑、電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)分離效率的影響

實(shí)驗(yàn)中電壓范圍2 000～8 000 V,即電場(chǎng)強(qiáng)度的范圍為333.3～2 285.7 V/cm,油水乳狀液流量為2 L/min,研究不同直徑的電極在不同含水率的情況下電場(chǎng)強(qiáng)度與分離效率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3(a、b、c)分別是含水率10%、20%和30%不同直徑電極的分離效率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。從圖3中可以看出,不同含水率、不同電極直徑和不同電場(chǎng)強(qiáng)度情況下,分離效率的變化,具體分析如下。

3.1.1 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)分離效率的影響 從圖3中可以看出,在任何含水率和電極尺寸情況下,隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,分離效率增大。原因在于隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,兩液滴間的靜電力增大,水滴聚結(jié)增強(qiáng),沉降速度增大,油水乳狀液的分離效率也提高。

Fig.3 Separation efficiency and electric field intensity relational graph圖3 電極的分離效率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

3.1.2 圓柱電極直徑對(duì)分離效率的影響 含水率為10%時(shí),φ50-60的電極的分離效率較φ63-60、φ75-60的分離效率高,即在較低含水率時(shí),電極直徑越小分離效率越高;但是隨著含水率的增加,電極直徑與分離效率的關(guān)系比較復(fù)雜,直徑較大電極的分離效率有增高的趨勢(shì)。比如含水率為30%的乳狀液,3個(gè)不同直徑的電極中,φ75-60的電極分離效率最高。其原因是分離效率與微滴間的靜電力(與介電常數(shù)、場(chǎng)強(qiáng)、液滴間距、液滴直徑等有關(guān))和電極作用時(shí)間等因素有關(guān)。電極作用時(shí)間(即油水乳狀液在電極中的停留時(shí)間)越長(zhǎng),分離效率越高。實(shí)驗(yàn)中外電極(即外殼)直徑不變,內(nèi)電極直徑越小,電極間距越大,環(huán)形流通面積越大,電極長(zhǎng)度相同時(shí),內(nèi)電極直徑越小,乳狀液停留時(shí)間越長(zhǎng),因此φ50-60、φ63-60、φ75-60的電極作用時(shí)間依次減小;φ50-60、φ63-60、φ75-60的電極極板間距依次減小,靜電力依次增大。含水較低時(shí),液滴粒徑小,液滴間距大,液滴間靜電力小,電極作用時(shí)間起主導(dǎo)作用,所以φ50-60的電極的分離效率高;而含水率較高時(shí),液滴間靜電力大,靜電力起主導(dǎo)作用,因此含水率30%時(shí),φ75-60的分離效率高。而對(duì)于含水率20%的情況,電極作用時(shí)間和靜電力等因素的影響幅度介于兩種電極之間,各電極的分離效率都不高。因此,對(duì)于處理含水率較低的乳狀液采用增大電極停留時(shí)間,對(duì)于處理含水率較高的乳狀液采用增大液滴間的靜電力,可以更顯著的提高分離效率。

3.2 圓柱電極長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響

對(duì)應(yīng)于不同的電極長(zhǎng)度,電場(chǎng)對(duì)乳狀液的作用時(shí)間不同。在相同的電壓下,電場(chǎng)對(duì)乳狀液的作用時(shí)間不同,分離效率也有很大的變化,如圖4所示。

圖4是10%、20%、30%含水率的乳狀液在φ50 -40和φ50-60兩個(gè)電極作用下,在相同流量6 L/ min,電壓不同的情況下的分離效率的對(duì)比圖。從圖4中可以看出,對(duì)于單個(gè)電極,隨著電壓的增大,其分離效率呈遞增的趨勢(shì),并且在相同條件下,φ50 -60電極的分離效率比 φ50-40電極的分離效率高。即電極直徑相同,電極長(zhǎng)度越長(zhǎng)分離效率越高;含水率越低電極長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響越大,隨著含水率的增大,電極長(zhǎng)度(電極停留時(shí)間)的影響減小。因此,對(duì)于處理低含水的乳狀液,可以采用增大電極作用時(shí)間來(lái)提高分離效率,分離效果更顯著。

4 液滴粒徑分析

液滴粒徑的大小是分離效率的直觀反映,通過(guò)在聚結(jié)器出、入口取樣,利用高速微觀攝像系統(tǒng)觀察并拍攝進(jìn)出口液滴的大小,可估算液滴的平均粒徑。圖5是不同含水率的柴油-水乳狀液,在流量為4 L/min、電壓為6 000 V的情況下,通過(guò)電極為 φ63 -60的聚結(jié)器在出、入口取樣粒徑對(duì)比圖。各圖放大倍數(shù)都是40倍。表1是根據(jù)高速攝像儀拍攝的圖片,并利用ImageJ軟件,算出的聚結(jié)器出、入口的水滴的粒徑。

Fig.4 Separation efficiency in different response time ofφ50 electrode圖4 φ50電極不同電場(chǎng)作用時(shí)間下的分離效率

Fig.5 Particle size contrast chart of coalescer export and entrance under different w ater content圖5 不同含水率聚結(jié)器出、入口粒徑對(duì)比

從圖5中看出乳狀液經(jīng)過(guò)聚結(jié)器后的水滴平均粒徑明顯增大,水滴顆粒的數(shù)目減少。這是因?yàn)槿闋钜褐械男∷卧陔妶?chǎng)的作用下發(fā)生了聚結(jié),形成大水滴,液滴顆粒越大,沉降速度越快。聚結(jié)器入口、出口取樣的粒徑的增長(zhǎng)幅度越大,聚結(jié)器的聚結(jié)效果越好。

從表1中看出,油水乳狀液在經(jīng)過(guò)聚結(jié)器后,乳狀液中水滴的粒徑發(fā)生了明顯的變化,含水率為10%乳狀液經(jīng)過(guò)聚結(jié)器后粒徑增大約為進(jìn)口粒徑的2倍,而含水率30%的乳狀液的粒徑增大了約2.5倍。粒徑的增大提高了水滴碰撞的機(jī)率、增大了水滴的沉降速率,更有利于水滴的聚結(jié)。實(shí)驗(yàn)表明圓柱電極靜電聚結(jié)器對(duì)柴油-水乳狀液具有良好的聚結(jié)效果。

表1 聚結(jié)器出、入口粒徑對(duì)比Table 1 Coalescer export and entrance particle size reference table

[1]甘琴容,張建,董守平.高頻脈沖電場(chǎng)下乳狀液中液滴運(yùn)動(dòng)行為研究[J].油氣田地面工程,2006,25(1):5-6.

[2]馮叔初,郭揆常,王學(xué)敏.油氣集輸[M].山東:中國(guó)石油大學(xué)出版社,2002.

[3]Molla S H,Masliyah JH,Bhattacharjee S.Simulations of dielectrophoretic membrane filtration process for removal of water droplets from water-in-oil emulsions[J].Journal of colloid and interfaces science,2005,287:338-350.

[4]Ichikawa Tsuneki,Keisuke Itoh,Yamamoto Shige-ki,et al.Rapid demulsification of dense oil-in-water emulsion by low external electric field I:experimental evidence[J].Colloids and surfaces A:physico—chem engineering aspects,2004, 242:21-26.

[5]John S E,Ghadiri M.Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil:a review of the technology[J].Chemical engineering journal,2002,85:357-368.

[6]Urdahl O,Williams T.Electrostatic destabilization of water-in—oil emulsions under conditions of turbulent flow[J].Transac—tions of the institution of chemical,1996,74:158-165.

[7]張黎明,何利民.絕緣緊湊型電破乳器中液滴聚結(jié)特性研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,31(6):82-86.

[8]John S E,Ghadiri M,Sharif A O,et al.Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil:a review of the current understanding[J].Chemical engineering journal,2001,84:173-192.

[9]李洪敏,婁世松.聚結(jié)—?dú)飧》ㄌ幚砗臀鬯甗J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(4):1-3.

(Ed.:WYX,Z)

Investigation on the Separation Characteristics of W/O Emulsion in the Cylinder-Electrode Coalescer

LüYu-ling,HE Li-min,LUO Xiao-ming,HE Zhao-yang
(School ofTransport&Storage and Civil Engineering,China University ofPetroleum, Qingdao S handong266555,P.R.China)

8April2010;revised27April2010;accepted5May2010

A new type of cylinder-electrode electrostatic coalescer with insulation was designed and developed.When the W/ O emulsion flowed through the electrodes,under the applied electrical field,the tiny water droplets coalesced into bigger droplets and then settled out to separate.With the laboratory experiments,W/O emulsion separation characteristics was investigated.The relationship among the electrode diameter and length,electrical field intensity and water cut was investigated.Also the influence of these parameters was analyzed.It is shown that,without the electrodispersion happening, the coalescer separation efficiency of water-in-oil emulsion increases as the electric field intensity increases.Also the separation efficiency is influenced by the affecting time of electric field and the electrostatic force between the droplets in the water-in-oil emulsion.When the water content is low,the influence of electric field affecting time plays an important role and it’s proved that the longer the electric field affecting time,the higher the separation efficiency.Under the condition of high water content,the influence of electric field affecting time decreases.When the electrostatic force between the droplets in the water-in-oil emulsion increases,the separation efficiency also turns higher.The high-speed camera was used to observe and record the droplets’size from the coalescer exit.It’s estimated that the droplets’size increased dramatically.Accordingly, the new cylinder-electrode electrostatic coalescer showed high efficiency in the separation of diesel oil/water emulsion.

W/O emulsion;Coalescer;Cylinder electrodes;Separation efficiency

.Tel.:+86-546-8390736;fax:+86+532-86981822;e-mail:lyl8391811@163.com

O359

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.015

2010-04-08

呂宇玲(1971-),女,山東東營(yíng)市,副教授,博士研究生。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助課題子課題(2008ZX05026-004-05)。

1006-396X(2010)02-0053-05