張 帥
(西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065)
工業(yè)靜電脫水的工藝流程如圖1所示。
圖1 電脫水工藝流程圖
該過(guò)程是一個(gè)連續(xù)性過(guò)程,因?yàn)橐3终麄€(gè)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定,所以該系統(tǒng)還是一個(gè)密閉系統(tǒng)。決定電脫水工藝效率的因素有很多,主要有溫度、黏度、操作壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度以及乳狀液流態(tài)等。其中溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度等對(duì)效率影響較大。乳狀液流量大小,不僅直接決定了乳狀液液在電脫水器中的停留時(shí)間,而且間接作用于乳狀液運(yùn)動(dòng)的流態(tài),進(jìn)一步影響電脫水器效率。所以,探究流量與乳狀液分散相聚結(jié)及脫水器效率的作用機(jī)理是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作,但也是一項(xiàng)不可或缺的工作。
乳狀液流量對(duì)電脫水器效率影響有多個(gè)方面的影響:首先,流量的變化直接影響乳狀液流態(tài),流態(tài)與電脫水器聚結(jié)效率相關(guān);其次,流量不同意味著流速和剪切速率發(fā)生變化,進(jìn)而影響乳狀液流變性;再者,在電脫水器容積不變的情況下,乳狀液停留時(shí)間,可用下式進(jìn)行計(jì)算。
式中Vol為容積,Q為乳狀液流量。
即使沒(méi)有外加電場(chǎng),湍流混合也會(huì)導(dǎo)致水滴凝聚[1]。乳液流動(dòng)時(shí),決定電脫水系統(tǒng)沿程和局部阻力大小的關(guān)鍵因素是流態(tài)。除此之外,流態(tài)還與水相體積分?jǐn)?shù)以及粒徑分布密切相關(guān)。在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下,整個(gè)電脫水系統(tǒng)中存在兩個(gè)誘導(dǎo)水滴聚結(jié)的因素,分別是速度梯度以及紊流波動(dòng)。
當(dāng)流動(dòng)系統(tǒng)處于層流狀態(tài)時(shí),根據(jù)層流性質(zhì),乳狀液中存在明顯速度梯度,進(jìn)而導(dǎo)致分散相間隨著各層發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在油流剛進(jìn)入電場(chǎng)時(shí),因?yàn)椴煌鲗又g的速度存在差異,所以在層流剪切力場(chǎng)及電場(chǎng)作用下,分散相水滴頂部和底部剪切應(yīng)力不同,水滴在合力的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn),進(jìn)而促使周?chē)B續(xù)相(油相)共同旋轉(zhuǎn)。當(dāng)流體流入電脫水器下半反應(yīng)區(qū)域時(shí),受到的切應(yīng)力方向相反,因此會(huì)在電脫水器中部產(chǎn)生環(huán)流。因?yàn)檫@種環(huán)流能夠在局部延緩乳狀液流出電脫水器,從而增大了電脫水器聚結(jié)概率及脫水效率。
而當(dāng)流動(dòng)系統(tǒng)處于紊流狀態(tài)時(shí),流體的隨機(jī)波動(dòng)將會(huì)增大分散相之間靠近和碰撞的概率,加上紊流中依然存在速度梯度,二者都對(duì)電脫水器中水滴聚結(jié)和分離具有積極作用。紊流加強(qiáng)聚結(jié)根據(jù)流動(dòng)理論研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)電脫水系統(tǒng)中存在恰當(dāng)?shù)奈闪鲿r(shí),在該湍流強(qiáng)度作用下,液滴發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)反而增加了碰撞概率,從而提高了電脫水器脫水效率。相反,當(dāng)流量較小時(shí),湍動(dòng)造成的液滴之間加劇碰撞、聚結(jié),以及電脫水器脫水效率相應(yīng)減小。
在控制其他影響電脫水器效率因子為固定值時(shí),分散相水滴在連續(xù)相中受到的黏性阻力可以用(2)式計(jì)算,另結(jié)合(1)式,可以看出粘度是影響油水分離的重要因素,即影響脫水相率的重要因素:
式中,a分散相粒徑;Δv分散相與油相速度差。由式(2) 可知,油相黏度與與流動(dòng)阻力成正比關(guān)系,因而研究乳狀液連續(xù)相流變特性也是提高脫水器脫水效率不可或缺的步驟。
乳狀液黏度大,系統(tǒng)流態(tài)為層流。由于相間運(yùn)動(dòng)所提供的聚結(jié)力很小,聚結(jié)和脫水效率較低,其黏度及剪切應(yīng)力都和剪切速率有關(guān)。不同含水率乳狀液剪切應(yīng)力和剪切速率線(xiàn)性相關(guān)[2]。乳狀液性質(zhì)類(lèi)似于原油,具有剪切稀釋性,即剪切速率越大乳狀液黏度越小。而且隨著剪切持續(xù)速率增加,乳狀液連續(xù)相黏度減小速度越來(lái)越緩慢,直到幾乎不隨剪切速率變化,即在高剪切下降黏效果甚微。
根據(jù)Stokes公式(式3),乳狀液油水分離速度與黏度大小成反比。流量大小直接影響剪切速率,進(jìn)而影響乳狀液的流變性,也就是與連續(xù)相黏度相關(guān),并最終作用于脫水器脫水效率。
當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟葧r(shí),乳狀液中瀝青質(zhì)和蠟在低剪切速率下,構(gòu)成性質(zhì)比較穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),乳狀液黏度較高。當(dāng)乳狀液剪切速率持續(xù)增加,這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就會(huì)被剪切力破壞,進(jìn)一步導(dǎo)致乳狀液黏度降低。當(dāng)高于這一溫度時(shí),乳狀液黏度開(kāi)始幾乎不隨剪切速率變化。隨著剪切速率增大,乳狀液黏度趨于不變所需溫度越高。
另一方面,當(dāng)流量變化時(shí),也就意味著乳狀液受到進(jìn)料泵的剪切速率不同,進(jìn)而影響液滴的粒徑大小。國(guó)外研究者發(fā)現(xiàn)液滴最大充電量和粒徑有直接關(guān)系,單位質(zhì)量液滴最大充電量可由式(4) 計(jì)算[3]。
由(4) 式可得,單位質(zhì)量液滴最大帶電量隨半徑的增大而增大,顯然可推知,液滴實(shí)際帶電量也隨半徑增大。又因?yàn)榧羟兴俾蚀笥谀骋环秶梗渲翟酱?,粒徑越小。所以,流量越大,單位質(zhì)量分散相水滴帶電量減小,即流量太大會(huì)降低液滴偶極聚結(jié)及脫水效率。相應(yīng)地,其受到的電場(chǎng)力、液滴間碰撞概率及脫水效率都減小。然而,流量較高時(shí),外加電場(chǎng)作用下電脫水器中的油水乳狀液仍能進(jìn)行一定有效的聚結(jié)。相反地,當(dāng)流量值持續(xù)減小,直至低于某一范圍時(shí),再進(jìn)行減小對(duì)電脫水器脫水效率幾無(wú)影響。
恒定聚結(jié)參數(shù)下,停留時(shí)間隨流量增加線(xiàn)性減小,而聚結(jié)的有效電極面積與停留時(shí)間成正比[4]。在電場(chǎng)作用下,一定范圍內(nèi)分散相聚結(jié)效率隨電場(chǎng)強(qiáng)度和停留時(shí)間的增加而增大。
液滴的穩(wěn)定性取決于其半衰期,即一半液滴消失所需的時(shí)間。假設(shè)乳狀液由N個(gè)平均半徑為r的液滴轉(zhuǎn)化為1/2N個(gè)平均半徑為 的液滴,也就是數(shù)目縮小一半,所需要的時(shí)間可以利用Stokes公式和同場(chǎng)線(xiàn)上兩液滴偶極力表達(dá)式大致推算,得到(5) 式
求解式(5) 得式(6)
其中,d0/r=(4π/3?)1/3,?為水相體積分?jǐn)?shù),進(jìn)一步可得式(7)。
水滴到達(dá)油水界面后不會(huì)自發(fā)地與水體結(jié)合,而是會(huì)在該界面停留一段時(shí)間,停留時(shí)間可能在0~30 s,甚至更長(zhǎng),這取決于溫度、水滴大小、界面形狀以及是否存在雜質(zhì)等諸多因素[5]。電場(chǎng)在該時(shí)期的作用是通過(guò)建立波動(dòng)來(lái)促進(jìn)水滴進(jìn)入水體。
乳狀液流量對(duì)電脫水器效率的影響分多方面。首先,紊態(tài)下更容易聚結(jié),且紊流強(qiáng)度適中效果更好。其次,不同流量下剪切速率的不同產(chǎn)生了乳狀液黏度變化,剪切速率越高降黏越不明顯,且剪切降黏和溫度作用相互影響。最后,流量變化最直接影響的就是乳狀液停留時(shí)間,進(jìn)而作用于聚結(jié)和分離效率。因此,應(yīng)該靈活地調(diào)整電脫水器油水乳狀液流量,控制系統(tǒng)處于合理流態(tài)、及停留時(shí)間以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)。