陳慶國(guó) 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(chǎng)進(jìn)行原油電脫水的方法。在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展了直流疊加高頻方波電場(chǎng)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(guò)程。理論與試驗(yàn)結(jié)果表明：采用直流疊加高頻方波電場(chǎng)可充分發(fā)揮直流和方波電場(chǎng)下的各自脫水優(yōu)點(diǎn)，使水鏈易于消散，保證脫水電場(chǎng)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(chǎng)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?、綠色、處理量大等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為原油脫水過(guò)程中的熱門(mén)核心技術(shù)。原油電脫水原理是水滴在電場(chǎng)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(kāi)采量逐年增大，電脫水過(guò)程中問(wèn)題日益凸顯，給傳統(tǒng)電脫水技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。目前原油電脫水過(guò)程中的問(wèn)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(lái)巨大沖擊[3]，脫水電場(chǎng)倒塌后再次送電困難、電場(chǎng)建立時(shí)間長(zhǎng)[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(chǎng)的聯(lián)合站提高原油乳化液的溫度并提高脫水電壓來(lái)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(guó)內(nèi)外學(xué)者和油田現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)注焦點(diǎn)。

目前，油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的脫水電場(chǎng)為高壓交流電場(chǎng)、直流電場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)。交流電場(chǎng)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(chǎng)脫水具有能耗低、脫水率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于在直流電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)下的脫水特點(diǎn)，F(xiàn) L Prestridge等人提出了交直流復(fù)合電場(chǎng)脫水的方法[7]，但該方法中交流電場(chǎng)對(duì)原油的有效作用時(shí)間短，脫水效果并沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)。國(guó)內(nèi)原油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)、底層極板施加交流電場(chǎng)，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(chǎng)倒塌的現(xiàn)象。為了提高原油電脫水效率和脫水電場(chǎng)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(chǎng)進(jìn)行原油電脫水方法，并開(kāi)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?jī)x、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(chǎng)。

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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，而正弦波電場(chǎng)只能在電壓的峰值附近形成有效脫水電場(chǎng)（如圖2所示），有效脫水電場(chǎng)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(chǎng)波形如圖4所示。

上圖中，Em為疊加電場(chǎng)的幅值，En為最低作用場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)和最低場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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?jī)x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(guò)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(guò)分析脫水率的變化來(lái)反應(yīng)脫水性能的好壞。

2 電脫水試驗(yàn)

2.1 疊加電場(chǎng)幅值及頻率的選擇

外施電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值，水滴從電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)值為臨界有效電破乳場(chǎng)強(qiáng)。但如果所施電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)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(chǎng)不應(yīng)該設(shè)置過(guò)低或者過(guò)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(chǎng)強(qiáng)和電分散場(chǎng)強(qiáng)之間，即：

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

式中：σ為表面張力;α為橢球體長(zhǎng)半軸;εr為水的相對(duì)介電常數(shù);k為修正系數(shù)。場(chǎng)強(qiáng)處于有效破乳電場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中小水滴逐漸聚結(jié)成大水滴，電分散場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)設(shè)定為4 kV/cm。

理論上外施電場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(guò)高。

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

對(duì)比不同電場(chǎng)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(guò)程并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的放電現(xiàn)象，脫水電場(chǎng)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(chǎng)、高頻交流方波電場(chǎng)、疊加后的電場(chǎng)幅值為4 kV/cm和頻率為2 kHz固定不變。直流電場(chǎng)、純高頻交流方波電場(chǎng)、直流上疊加不同含量高頻交流方波電場(chǎng)中直流分量和高頻交流方波電場(chǎng)分量的電場(chǎng)幅值如表1所示，不同電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(shuō)明純高頻交流方波電場(chǎng)適合處理高含水乳化液，直流電場(chǎng)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(guò)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(chǎng)。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(chǎng)，與直流電場(chǎng)和純高頻交流電場(chǎng)相比最終脫水效率分別提高了1%和6%。可見(jiàn)疊加電場(chǎng)可以充分發(fā)揮直流和交流方波電場(chǎng)各自的脫水優(yōu)點(diǎn)，改善了直流電場(chǎng)前期脫水速度慢，交流電場(chǎng)后期脫水效果不理想的問(wèn)題。

3 討論與分析

在交流電場(chǎng)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(guò)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(chǎng)起主導(dǎo)作用，交流含量越高脫水效果越好。

在直流電場(chǎng)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(guò)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(guò)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(guò)大時(shí)，會(huì)使最低作用場(chǎng)強(qiáng)En減小至無(wú)效作用場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，使此場(chǎng)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(guò)大時(shí)，脫水效率有所下降。

直流疊加交流方波電場(chǎng)由直流分量和交流分量?jī)刹糠纸M成，使得水滴在疊加電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中易于形成水鏈，且水鏈的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，使得直流電場(chǎng)易倒塌，在疊加電場(chǎng)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(zhǎng)水鏈的形成幾率，保證了脫水電場(chǎng)的穩(wěn)定，如圖9所示。

由上述分析可知，疊加電場(chǎng)可以充分發(fā)揮直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)及其疊加交流方波電場(chǎng)下的成鏈情況。

水滴在疊加電場(chǎng)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(chǎng)下兩個(gè)水滴在各自位置附近發(fā)生振蕩，振蕩過(guò)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(chǎng)下水滴發(fā)生位移，且在位移過(guò)程中沿電場(chǎng)方向發(fā)生伸縮振蕩，水滴間通過(guò)電泳相互靠近，最終聚結(jié)成大水滴。

水滴在直流電場(chǎng)作用下的成鏈及放電過(guò)程如圖12所示。

在上圖中，在直流電場(chǎng)下水鏈形成之后，水鏈沒(méi)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(zhǎng)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(chǎng)倒塌。

水滴在疊加電場(chǎng)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(chǎng)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(wú)法長(zhǎng)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(chǎng)的穩(wěn)定性。

通過(guò)觀測(cè)水滴在直流及其疊加交流方波電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的穩(wěn)定。觀測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明疊加電場(chǎng)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(chǎng)作用下，在乳化液高含水率的脫水前期交流電場(chǎng)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(chǎng)分量起主要作用。因此，疊加電場(chǎng)同時(shí)具備交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度減小，保證脫水電場(chǎng)穩(wěn)定。

3）疊加高頻交流方波含量不宜過(guò)高，疊加含量在10%～20%脫水效果最佳，與直流電場(chǎng)和純高頻交流電場(chǎng)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）