陳家慶，劉文津，姬宜朋，劉美麗

（1 北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617；2 深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102617；3 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(zhì)，因此油田一般會對原油進(jìn)行脫水（鹽）處理，使外輸原油滿足一定的含水含鹽標(biāo)準(zhǔn)（我國要求含鹽50mg/L）；另一方面，出于避免催化劑中毒、減輕設(shè)備和管線腐蝕結(jié)垢等方面的考慮，煉油企業(yè)加工原油的首要工序就是進(jìn)行脫鹽處理，以進(jìn)一步控制含水含鹽量（我國要求含鹽≤5.0mg/L）。電脫鹽是當(dāng)前被普遍接受且應(yīng)用最為廣泛的原油凈化處理技術(shù)，首先通過摻入稀釋水（dilution water）使原油中的鹽類物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，再通過電場聚結(jié)作用將攜帶著鹽類物質(zhì)的水相脫除而達(dá)到預(yù)期指標(biāo)[1]。隨著世界范圍內(nèi)原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢的日益嚴(yán)重，同時(shí)高含酸、高含硫以及機(jī)會原油（opportunity crude）的煉制，不僅進(jìn)一步增加了電脫鹽達(dá)標(biāo)的難度，而且使運(yùn)行能耗和運(yùn)行成本居高不下?？v觀國內(nèi)外長期以來圍繞原油電脫鹽系統(tǒng)所開展的技術(shù)研發(fā)工作不難發(fā)現(xiàn)，在稀釋水摻混、電場聚結(jié)原油脫水、切水除油這三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，稀釋水摻混因相應(yīng)設(shè)備投資成本較低、所需空間較小而較少受到關(guān)注。但大量的實(shí)際運(yùn)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(tǒng)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(jià)方法進(jìn)行簡述，然后系統(tǒng)總結(jié)歸納稀釋水摻混所用油水混合機(jī)理、稀釋水摻混技術(shù)與設(shè)備。通過梳理油水混合機(jī)理與稀釋水摻混設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系，展示設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的著力點(diǎn)并比較各自優(yōu)劣，進(jìn)而闡明今后技術(shù)研發(fā)工作的努力方向。

1 稀釋水摻混涉及的油水混合評價(jià)方法

1.1 工程實(shí)際對原油電脫鹽稀釋水摻混效果的評價(jià)方法

原油電脫鹽工藝的稀釋水摻混過程可以準(zhǔn)確描述為：含鹽量極低的稀釋水注入原油后，通過混合設(shè)備促使其與原油接觸，連續(xù)的稀釋水相變?yōu)榉稚⒌南♂屗w粒而散布在連續(xù)油相中，原油中的鹽類物質(zhì)得以與稀釋水顆粒充分接觸發(fā)生萃取轉(zhuǎn)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(zhì)的萃取轉(zhuǎn)移程度。在工程實(shí)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(jià)稀釋水摻混效果，而且將這兩個(gè)指標(biāo)與混合壓降（摻混過程所消耗的能量）予以簡單關(guān)聯(lián)。從對稀釋水最終摻混效果進(jìn)行評價(jià)的角度來看，可以分為不良混合、最優(yōu)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(xué)者從學(xué)術(shù)角度認(rèn)為將“油水混合”描述為“油水分散”更為準(zhǔn)確，但考慮到工程界長期以來的習(xí)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(jià)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(xù)流狀態(tài)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(shí)進(jìn)行，目標(biāo)是在宏觀與介觀混合尺度下盡可能達(dá)到混合均勻狀態(tài)，而在微觀尺度下僅進(jìn)行適度混合[2]。下面結(jié)合三種尺度下的油水混合過程進(jìn)一步分析相應(yīng)的量化評價(jià)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(kuò)散（turbulent diffusion）等機(jī)理，關(guān)注點(diǎn)為分散相在連續(xù)相中的相分布均勻程度?？捎秒x析強(qiáng)度（IOS，intensity of segregation）對宏觀尺度混合效果進(jìn)行量化評價(jià)，IOS取值為0～1，IOS取值越接近0，代表分散相濃度在連續(xù)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(jī)理，關(guān)注點(diǎn)為分散相液滴在連續(xù)相中的破碎與均勻細(xì)化?？捎秒x析尺度（SOS，scale of segregation）對其進(jìn)行量化評價(jià)，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(jī)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(xiàn)過度混合狀態(tài)，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(jìn)行適度混合即可[5]。

2 稀釋水摻混用油水混合機(jī)理

從所涉及油水混合機(jī)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(jī)械攪拌、管道節(jié)流、管內(nèi)固定內(nèi)構(gòu)件切割、射流撞擊以及電分散五大類形式來實(shí)現(xiàn)。

縱向溯源，Kolmogorov 和Hinze[6]分別于1949年和1955年先后獨(dú)立開展了液滴破碎理論的研究，提出了后來統(tǒng)稱的Kolmogorov-Hinze 理論，并認(rèn)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(guān)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(shù)形式變化的經(jīng)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(jié)合不同流型下的高黏度連續(xù)相液體，研究了分散相液滴在黏性力作用下的破碎機(jī)理，并建立了經(jīng)典的液滴黏性破碎模型（Grace 模型）。這兩個(gè)經(jīng)典模型為后續(xù)不同稀釋水摻混用油水混合機(jī)理的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2.1 機(jī)械攪拌

機(jī)械攪拌油水混合是指通過帶動特定容器空間內(nèi)的攪拌槳或定轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生湍流剪切力，使油水混合液中的分散相快速破碎，同時(shí)小部分液滴也會因撞擊到高速攪拌槳或定轉(zhuǎn)子剪切頭而破碎[8-9]。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于定轉(zhuǎn)子剪切頭高速剪切時(shí)很容易形成后續(xù)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(jī)械攪拌槳進(jìn)行油水混合。

圖2 常見的稀釋水摻混所用機(jī)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(shù)，定性研究了混合雷諾數(shù)、攪拌能量輸入、混合時(shí)間對利用葉片圓盤渦輪式攪拌槳進(jìn)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(jìn)行油水混合的過程，通過將攪拌槳周圍區(qū)域劃分為高湍流耗散率與低湍流耗散率兩個(gè)區(qū)域，預(yù)測了油水混合后的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)攪拌槳周圍湍流耗散率越高時(shí)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行油水混合后粒徑分布的影響，研究結(jié)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(jié)效率，進(jìn)而促進(jìn)液滴破碎。

采用機(jī)械攪拌進(jìn)行油水混合的優(yōu)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(diǎn)在于作用時(shí)間較長、能耗過高，而且實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)穩(wěn)定出料的難度較大。

2.2 管道節(jié)流

在管道中流動的流體經(jīng)過通道截面突然縮小區(qū)域后，產(chǎn)生壓力突然降低的現(xiàn)象稱為管道節(jié)流[13]。雖然工程上利用管道節(jié)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(jié)流、閥門節(jié)流、文丘里管節(jié)流這三種機(jī)理來破碎分散相，促進(jìn)油水在介觀和微觀混合尺度下混合均勻。

（1）小孔節(jié)流 1983年，Sleicher等[14]率先開展了小孔節(jié)流下油水混合的研究，基于液滴湍流慣性破碎機(jī)理，認(rèn)為液滴破碎主要由小孔處流體加速而產(chǎn)生的壓力梯度引起，提出并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了液滴破碎概率與臨界韋伯?dāng)?shù)有關(guān)的假設(shè)，同時(shí)還提出了預(yù)測不同破碎概率液滴粒徑的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停≒ercy & Sleicher 模型）。Davies[15]基于湍流液滴黏性剪切破碎機(jī)理，結(jié)合對液膜吸附作用的討論并借鑒Hinze模型的-2/5指數(shù)形式，提出了油水混合液經(jīng)小孔節(jié)流后分散相最大粒徑的預(yù)測模型。Van der Zande等[16-17]圍繞高含水油水混合物經(jīng)小孔節(jié)流后液滴破碎開展了實(shí)驗(yàn)研究，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，液滴破碎主要由小孔下游區(qū)域的湍流擾動引起，并提出了與Hinze 關(guān)系式非常相似的最大液滴粒徑預(yù)測公式（van der Zande 模型）。No?k 等[18]的實(shí)驗(yàn)研究表明，使用高黏度油進(jìn)行油水混合時(shí)，更適合采用黏性破碎模型解釋小孔節(jié)流后分散相液滴粒徑大小；使用低黏度油進(jìn)行油水混合時(shí)，更適合采用湍流慣性破碎模型來解釋。Galinat等[19]進(jìn)行了單油滴小孔破碎實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液滴破碎程度與小孔下游的湍流強(qiáng)度有關(guān)，液滴運(yùn)動軌跡不是直線，而是沿管壁方向變形直至破碎。同時(shí)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(tài)分析儀（PDA）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，小孔節(jié)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(dāng)量直徑，提出了更為準(zhǔn)確的小孔節(jié)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(jié)流油水混合機(jī)理

（2）閥門節(jié)流 基于對小孔節(jié)流下油水混合的研究，一些學(xué)者近些年來對閥門節(jié)流下的油水混合也開展了一系列研究。Fossen等[22]實(shí)驗(yàn)研究了蝶式油水混合閥內(nèi)分散相液滴的破碎情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)，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(nèi)液滴破碎主要由湍流區(qū)域內(nèi)湍流耗散引起，而非由流體加速引起。Paolinelli 等[23]利用實(shí)時(shí)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?jǐn)?shù)對工業(yè)級油水混合截止閥后水滴粒徑大小和分布的影響。研究結(jié)果表明，平均湍流耗散率增大會導(dǎo)致閥后水滴最大粒徑和Sauter平均粒徑減小，小粒徑水滴數(shù)量增多，粒徑分布曲線變寬；水相體積分?jǐn)?shù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基于湍流耗散機(jī)理的Hinze 模型和基于湍流慣性破碎機(jī)理的Percy&Sleicher模型能較好預(yù)測不同平均湍流耗散率時(shí)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(yù)測偏差則較大，這主要是因?yàn)镻aolinelli 等進(jìn)行的油水混合實(shí)驗(yàn)基本處于介觀混合尺度。Silva 等[24]以水為分散相、油為連續(xù)相，進(jìn)行了截止閥內(nèi)水滴破碎的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用Hinze模型與Percy&Sleicher模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)偏差很大，但將Van der Zande 模型中的常數(shù)項(xiàng)應(yīng)用在Percy&Sleicher 模型中時(shí)能較好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Silva 等由此認(rèn)為，盡管實(shí)驗(yàn)測得水滴粒徑處于本該由湍流慣性力主導(dǎo)的介觀混合尺度范圍內(nèi)，但也應(yīng)適當(dāng)考慮黏性力對水滴破碎的影響。

近些年來，計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬為研究閥門節(jié)流下的油水混合問題提供了有力支撐。Mitre 等[25]對節(jié)流閥作用下油水混合液中的水滴破碎和聚結(jié)機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，基于群體平衡模型（PBM）建立了水滴破碎的數(shù)值模擬模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，故根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對水滴聚結(jié)破碎模型進(jìn)行了修正。2015 年，與Mitre 等同一課題組的Favero等[26]進(jìn)一步考慮了因外部變量引起的粒子數(shù)量分布結(jié)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(kuò)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(jìn)而預(yù)測水滴粒徑分布，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的有效性。

（3）文丘里管節(jié)流 有關(guān)文丘里節(jié)流下油水混合方面的研究工作相對較少。Abiev 等[28-29]重點(diǎn)針對多級串聯(lián)文丘里管節(jié)流作用下的油水混合性能開展了系列實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)Re≤8000時(shí)，油水混合均勻程度隨文丘里管串聯(lián)個(gè)數(shù)增多而降低；當(dāng)Re≥10000 時(shí)，油水混合均勻程度隨文丘管串聯(lián)個(gè)數(shù)增多而增大。Abiev 等還得出了串聯(lián)文丘里管出口分散相液滴Sauter 平均粒徑與Weber 數(shù)、分散相黏度以及文丘里管串聯(lián)個(gè)數(shù)之間關(guān)系的預(yù)測公式，以及一個(gè)通用文丘里管后分散相液滴Sauter平均粒徑的預(yù)測公式。Abiev 分析認(rèn)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(wěn)定性三種機(jī)理對液滴進(jìn)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(yōu)分布理論，即在設(shè)計(jì)文丘里管或其他油水混合器時(shí)，要盡可能使能量耗散最大程度地發(fā)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(nèi)固定內(nèi)構(gòu)件切割

管式靜態(tài)混合器在國外于20 世紀(jì)70 年代率先發(fā)展起來，主要依靠混合管道內(nèi)部的特殊固定內(nèi)構(gòu)件使兩種或兩種以上的流體產(chǎn)生切割、剪切、旋轉(zhuǎn)，達(dá)到流體間的良好分散和充分混合。根據(jù)管內(nèi)特殊固定內(nèi)構(gòu)件的類型，相應(yīng)可劃分為如圖4所示的螺旋型、交錯(cuò)型、波紋型、孔板型四種油水混合機(jī)理。相關(guān)學(xué)者的研究主要集中在前三種油水混合機(jī)理上，對孔板型油水混合機(jī)理的研究還未見文獻(xiàn)公開報(bào)道。

（1）螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件 Middleman[31]在1974年最早開展了螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件作用下油水混合機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，采用六種油類介質(zhì)（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(xù)主相，探究了油相黏度、油相體積分?jǐn)?shù)、切割元件個(gè)數(shù)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(chǔ)來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Haas[32]以水為分散相、油類物質(zhì)為主相，實(shí)驗(yàn)探究了螺旋型固定內(nèi)構(gòu)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(guān)系式。Berkman與Calabrese[33]采用螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件，進(jìn)行油水湍流混合實(shí)驗(yàn)研究，考察了以油為分散相時(shí)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(shù)的Sauter平均粒徑預(yù)測關(guān)系式。

圖4 稀釋水摻混所用的四種管式固定內(nèi)構(gòu)件切割油水混合機(jī)理

Jaworski 等[34]基于CFD 數(shù)值模擬開展了螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件作用下油水混合機(jī)理的系列研究。2002年，采用代數(shù)滑移混合物模型（algebraic slip mixture model，ASMM） 和Euler-Lagrangian 模 型 預(yù) 測 了Reynolds 數(shù)為100、200、400 時(shí)，螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件產(chǎn)生的壓降以及油滴的運(yùn)動軌跡。2007 年，采用PBM 模型研究了Reynolds 數(shù)為12000、15000、18000、21000 時(shí)油滴在螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件作用下的破碎，并預(yù)測了油滴的Sauter平均粒徑大小和液滴粒徑分布，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好（誤差在10%以內(nèi)）[35]。2010 年，采用大渦模擬（large eddy simulation，LES）模型和非穩(wěn)態(tài)雷諾平均方程（unsteady reynolds averaged Navier-Stokes，URANS）模型模擬了Reynolds 數(shù)為10000、油相體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，螺旋型固定內(nèi)構(gòu)件附近的流場分布，并重點(diǎn)關(guān)注湍流耗散率和切應(yīng)力的分布，以此間接研究油滴在何處容易發(fā)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(shù)（coefficient of variation, CoV）值[37]。2019 年，伊朗伊拉姆（Ilam）大學(xué)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(nèi)構(gòu)件進(jìn)行油水混合時(shí)油滴的聚結(jié)和破碎與油滴停留時(shí)間，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

（2）交錯(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)件 Legrand 等[39]研究了采用交錯(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行油水混合時(shí)，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(yù)測油滴平均粒徑的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。Legrand 與Das 等[40]還研究了在中低雷諾數(shù)條件下，交錯(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)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(zhì)，同時(shí)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(gè)預(yù)測交錯(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)件混合器出口最大粒徑的理論模型。Baumann 等[41]研究了交錯(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)件油水靜態(tài)混合器內(nèi)的液液分散混合特性。研究結(jié)果表明，基于Kolmogorov-Hinze 理論以及帶有Weber 數(shù)和Newton 數(shù)的理論模型，可以有效預(yù)測各向同性湍流-慣性流態(tài)下帶有交錯(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)件油水靜態(tài)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(cuò)型固定內(nèi)構(gòu)件作用下分散相液滴中位粒徑的修正預(yù)測模型。

（3）波紋型固定內(nèi)構(gòu)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?jǐn)?shù)對波紋型靜態(tài)元件切割油水混合后油滴平均粒徑大小的影響，發(fā)現(xiàn)上述四個(gè)因素中油相體積分?jǐn)?shù)需增至60%才會開始對油滴平均粒徑大小產(chǎn)生影響，進(jìn)而建立了油滴Sauter平均粒徑關(guān)于水力雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的預(yù)測模型。Theron等[44]在這一時(shí)期也建立了關(guān)于這兩個(gè)無量綱數(shù)的油滴Sauter平均粒徑預(yù)測模型。

2.4 射流撞擊

射流撞擊是化工領(lǐng)域一種常見的液液混合機(jī)理，對原油電脫鹽稀釋水摻混而言，可以應(yīng)用如圖5所示的錯(cuò)流射流撞擊、并流射流撞擊、對心射流撞擊三種油水混合機(jī)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(fā)表的文獻(xiàn)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(guān)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(shí)液滴的湍流慣性破碎特性。結(jié)果表明：①當(dāng)油水界面張力一定時(shí)，油相黏度越高，油水撞擊混合后分散相液滴粒徑越大；②當(dāng)油相黏度一定時(shí)，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(shè)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(shí)驗(yàn)研究。結(jié)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(xù)相黏度之比影響較小。

2.5 電分散

圖5 稀釋水摻混可以應(yīng)用的三種射流撞擊油水混合機(jī)理

眾所周知，在以油為連續(xù)相、水為分散相的油水混合液中，當(dāng)外加電場強(qiáng)度超過某一“門檻值”時(shí)，分散相水顆粒會在電場力作用下發(fā)生碰撞聚結(jié)甚至形成“水鏈”。但當(dāng)外加電場強(qiáng)度繼續(xù)增大而超過某一“臨界值”時(shí)，分散相水顆粒會出現(xiàn)一種“失穩(wěn)現(xiàn)象”，不僅水顆粒之間難以繼續(xù)碰撞聚結(jié)長大，單個(gè)水顆粒反而會在電場力作用下發(fā)生變形并破碎成更小的顆粒[47]。

Lee 等[48]通過實(shí)驗(yàn)研究了單個(gè)水滴在AC（交流）電場中下落時(shí)，在電分散作用下發(fā)生破碎的過程。結(jié)果表明，水滴的破碎過程分為兩步：①水滴受電場力作用發(fā)生振動和變形，形成一個(gè)液橋；②液橋斷裂，水滴破碎成兩個(gè)小液滴。Lee 等指出，水滴在特定AC 電場頻率下發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)更容易破碎。Adamiak等[49]基于邊界單元法（BEM），數(shù)值模擬研究了DC（直流）電場下導(dǎo)電液滴的電分散現(xiàn)象。結(jié)果表明，只有當(dāng)DC 電場強(qiáng)度高于一“臨界值”時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)電液滴只會發(fā)生振動和變形，且小液滴脫離時(shí)間比原始液滴伸長時(shí)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(jìn)一步細(xì)分。根據(jù)油水黏度比和臨界電動毛細(xì)數(shù)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?fàn)睿╨obes）、尖頭狀（pointed ends）、非尖頭狀（non-pointed ends），與之分別對應(yīng)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(nèi)關(guān)于電分散機(jī)理研究最具代表性的是中國石油大學(xué)（華東）何利民教授課題組。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)AC電場強(qiáng)度不變時(shí)，增大AC電場頻率，可以促進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(gè)階段，并提出了解釋水滴振動變形動力學(xué)機(jī)理的理論模型[52]。此后，他們基于電動毛細(xì)數(shù)和量綱為1表面活性劑濃度兩個(gè)參數(shù)，定性研究了DC 電場下油中水滴的變形與破碎過程[53]。

同時(shí)需指出的是，為了使外加電場強(qiáng)度能在短時(shí)間內(nèi)從一個(gè)較低的門檻值達(dá)到甚至超過臨界值，對電源有效輸出電壓控制軟硬件技術(shù)的要求相應(yīng)較高。此外，與石油石化等傳統(tǒng)大工業(yè)相比，電分散油水混合機(jī)理研究近些年在生物醫(yī)學(xué)或生命科學(xué)領(lǐng)域結(jié)合微流體混合技術(shù)開展得更多一些[54-56]。

3 稀釋水摻混設(shè)備

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者或工程技術(shù)人員以上述五大類油水混合機(jī)理為基本出發(fā)點(diǎn)，沿著多級變速攪拌、混合閥、管式靜態(tài)混合器、稀釋水射流、靜電分散五種主要技術(shù)路線，相應(yīng)研制出了多種稀釋水摻混設(shè)備，具體總結(jié)展示如圖7所示。

3.1 管道多級機(jī)械攪拌稀釋水摻混設(shè)備

圖6 DC與AC電場下油水電分散機(jī)理圖［50，52］

管道多級機(jī)械攪拌稀釋水摻混技術(shù)起源于傳統(tǒng)的容器內(nèi)機(jī)械攪拌技術(shù)，也是利用電動機(jī)帶動攪拌槳按特定速度轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油水兩相的剪切混合。當(dāng)這種油水混合方式應(yīng)用到原油電脫鹽系統(tǒng)的稀釋水摻混中時(shí)，為了能夠連續(xù)運(yùn)行而需要將攪拌槳從容器內(nèi)置式變?yōu)楣艿纼?nèi)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(zhuǎn)速，從而適應(yīng)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(jī)械攪拌技術(shù)為此類設(shè)備的典型代表，圖8為前者的實(shí)體剖面圖。由于該類設(shè)備耗能較大且運(yùn)行魯棒性不強(qiáng)，因此近些年來在各大油田或煉油廠鮮有應(yīng)用。

圖7 不同稀釋水摻混技術(shù)所用到的油水混合方式

圖8 美國SPX FLOW公司的管道多級機(jī)械攪拌設(shè)備

3.2 混合閥類稀釋水摻混設(shè)備

原油電脫鹽稀釋水摻混用混合閥大多基于小孔節(jié)流與閥門節(jié)流的油水混合方式，具體結(jié)構(gòu)類型主要有截止閥（單孔或雙孔）、球閥。常規(guī)混合閥稀釋水摻混率低的癥結(jié)在于，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了控制流體而不是混合流體，因此存在三大固有缺點(diǎn)：①過多與混合功能無關(guān)的元件產(chǎn)生多余剪切力，增大了進(jìn)出口的壓力損失（壓降）；②剪切流體的窄流道占閥內(nèi)空間比例過小且構(gòu)形單一，導(dǎo)致流經(jīng)高剪切區(qū)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(shí)際運(yùn)行中為了控制稀釋水液滴平均粒徑達(dá)到期望值，增大進(jìn)入高剪切區(qū)域稀釋水液滴的比例，往往需要減小閥門開度，進(jìn)而導(dǎo)致壓降增大。針對這三大缺點(diǎn)，國內(nèi)外一些公司企業(yè)嘗試對常規(guī)混合閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

美國Baker Huges 公司2000 年發(fā)明了一種基于傳統(tǒng)截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)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(gè)可隨閥桿平動的空心圓筒、兩個(gè)位于空心圓筒外壁的動剪切圓環(huán)、兩個(gè)位于閥體內(nèi)壁的靜剪切圓環(huán)。原油和稀釋水流入后分為兩股，分別被靜剪切圓環(huán)1和動剪切圓環(huán)1、靜剪切圓環(huán)2 和動剪切圓環(huán)2 組成的兩個(gè)環(huán)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(nèi)所產(chǎn)生流動阻力幾乎全用做剪切流體。國內(nèi)方面，江蘇三星化工有限公司基于傳統(tǒng)球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)球面結(jié)構(gòu)切割閥內(nèi)空間，進(jìn)而形成三個(gè)油水混合區(qū)，增加了油水混合次數(shù)。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(fā)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(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制混合壓降，進(jìn)而適應(yīng)不同工況。

雖然改進(jìn)型油水混合閥在一定程度上克服了常規(guī)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(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了并聯(lián)兩個(gè)傳統(tǒng)混合閥的稀釋水摻混工藝，希望通過調(diào)節(jié)兩個(gè)混合閥的壓降比來得到更優(yōu)的稀釋水液滴粒徑分布[60]。

總的來看，從不同角度對常規(guī)混合閥進(jìn)行改進(jìn)，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(tài)混合器的摻混設(shè)備

從公開的文獻(xiàn)資料來看，國外自20 世紀(jì)70 年代中后期開始采用管式靜態(tài)混合器進(jìn)行原油電脫鹽稀釋水的摻混，國內(nèi)各大油田及煉油廠自20 世紀(jì)80 年代起陸續(xù)采用管式靜態(tài)混合器替代常規(guī)混合閥[61-62]。由于單級管式靜態(tài)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(guī)混合閥+管式靜態(tài)混合器”串聯(lián)組合式摻混設(shè)備的案例日益增多。除了采用一級或多級管式靜態(tài)混合器直接串聯(lián)外，還在管式靜態(tài)混合器固定內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)、前端稀釋水注入方式等方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展[63-66]。

（1）常規(guī)混合閥+螺旋型靜態(tài)混合器單體串聯(lián)型 針對常規(guī)混合閥產(chǎn)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(guī)混合閥后串聯(lián)一個(gè)或者多個(gè)可加電場的螺旋型靜態(tài)混合器的稀釋水摻混技術(shù)[67-68]。工作過程中，油水混合物從常規(guī)混合閥出口開始，隨著靜態(tài)混合器的偏轉(zhuǎn)角度逐級減小，其對稀釋水液滴的剪切混合強(qiáng)度逐級降低，粒徑過小的稀釋水液滴會逐級旋流聚結(jié)長大。如果在靜態(tài)混合器內(nèi)加上電場，會進(jìn)一步增強(qiáng)對粒徑過小稀釋水液滴的聚結(jié)長大作用。

（2）常規(guī)混合閥+管式靜態(tài)混合器一體化復(fù)合型 俄羅斯VDK 公司推出了將雙孔截止閥與新型靜態(tài)混合器一體化的緊湊型油水混合設(shè)備，如圖10 所示。根據(jù)現(xiàn)場具體工況和原油性質(zhì)，可以選擇波紋型、交錯(cuò)型、螺旋型固定內(nèi)構(gòu)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(xiàn)。

圖10 俄羅斯VDK公司的“常規(guī)混合閥+管式靜態(tài)混合器”一體化復(fù)合型油水混合器

（3）孔板型靜態(tài)混合器+常規(guī)混合閥 孔板型靜態(tài)混合器由美國Westfall Manufacturing 公司于1998年率先研發(fā)，經(jīng)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(tài)混合器，目前有2800 型、2850 型、2900 型三種產(chǎn)品?？装逍挽o態(tài)混合器以前主要用于水質(zhì)工程領(lǐng)域，2017 年左右首次應(yīng)用到稀釋水摻混中。兩個(gè)對稱耳狀曲面孔板后會形成高剪切湍流區(qū)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(tài)混合器相比，其最大優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，將2800 型孔板型靜態(tài)混合器串聯(lián)在某電脫鹽系統(tǒng)原有的截止閥前，可以在保證電脫鹽罐脫鹽達(dá)標(biāo)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(zhì)上也都屬于孔板型靜態(tài)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(shè)備

（1）罐內(nèi)射流摻混設(shè)備 蘇聯(lián)石油工程設(shè)計(jì)研究院1983 年研發(fā)了一種電脫鹽罐內(nèi)稀釋水射流摻混設(shè)備，其工作原理如圖11 所示[71]。原油與預(yù)先混合的稀釋水由進(jìn)料管進(jìn)入噴嘴，基于文丘里效應(yīng)而將噴嘴附近的稀釋水吸入混合管內(nèi)，電脫鹽罐的水面由調(diào)節(jié)器控制在噴嘴液面之上。油水在混合管內(nèi)充分湍流混合，隨后在反射板作用下沿罐體橫截面均勻擴(kuò)散。在噴嘴和反射板液面之間的區(qū)域，混合管內(nèi)部油水向上運(yùn)動而管外原油和稀釋水向下運(yùn)動，從而形成內(nèi)循環(huán)流；在反射板上部區(qū)域，原油向上流動，在電極板空間內(nèi)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(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用該技術(shù)可將原油電脫鹽系統(tǒng)處理效率提高了近一倍，如處理量為96m3/h時(shí)，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(shè)備一個(gè)較大缺點(diǎn)是很難精確控制電脫鹽罐內(nèi)水面高度。

圖11 蘇聯(lián)的電脫鹽罐內(nèi)稀釋水射流摻混設(shè)備

（2）多點(diǎn)射流均配器 中石油工程設(shè)計(jì)公司的紀(jì)永波等[5]介紹了一種基于錯(cuò)流射流撞擊機(jī)理的稀釋水多點(diǎn)射流均配器，內(nèi)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(gè)小噴嘴，稀釋水以多角度錯(cuò)流射流模式注射進(jìn)原油來流中，并得到充分?jǐn)U散。該多點(diǎn)射流均配器安裝在常規(guī)混合閥之前，應(yīng)用于兩伊地區(qū)高含鹽重質(zhì)原油脫鹽并優(yōu)化原有電脫鹽工藝后，不但脫水率達(dá)標(biāo)，而且脫鹽量也滿足小于28.5mg/L的指標(biāo)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(diǎn)均配注射設(shè)備。第一種布置于單根豎直原油管道內(nèi)，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(gè)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(shí)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(yù)混合設(shè)計(jì)的罐體內(nèi)，如圖12(b)所示，稀釋水通過三個(gè)垂直管道進(jìn)入位于預(yù)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(gè)噴嘴頭，且自最上層到最下層噴嘴頭個(gè)數(shù)依次減少，每個(gè)噴嘴頭上又分布著多個(gè)并流射流噴嘴，稀釋水通過多層噴嘴管線在一個(gè)很大的空間范圍內(nèi)均勻注入原油中。第二種與第一種相比，在一個(gè)更大的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)均勻注入稀釋水，可進(jìn)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(shù)所得到的小粒徑稀釋水液滴以高壓力損失為代價(jià)（每個(gè)噴嘴產(chǎn)生壓降為350～2000kPa，遠(yuǎn)高于一般的稀釋水注射設(shè)備），且多層噴嘴管線結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，占用空間也較大，只能在垂直管道進(jìn)行安裝。

圖12 美國Cameron公司的并流注射稀釋水多點(diǎn)摻混設(shè)備

（3）多點(diǎn)射流均配注射+對心射流撞擊一體化設(shè)備 美國ProSep 公司在其1999 年和2001 年申請的兩個(gè)專利中，分別提出了帶有多個(gè)入射/出射小孔管道的對心射流撞擊混合器以及帶有多個(gè)沿圓周方向均勻分布注水孔的環(huán)形多點(diǎn)射流均配注射器結(jié)構(gòu)方案，并相應(yīng)研發(fā)了ProPure M100 和ProPure C100產(chǎn)品[74-75]。隨后將這兩者有機(jī)結(jié)合，研發(fā)了主要應(yīng)用于原油電脫鹽系統(tǒng)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(huán)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(kuò)散，且稀釋水液滴在湍流剪切力下發(fā)生初次破碎。在油水精細(xì)混合階段，多個(gè)均勻分布、對心入射的圓柱狀小孔流道所產(chǎn)生的均勻剪切力使稀釋水液滴進(jìn)一步破碎；圓筒形混合腔內(nèi)形成的交叉射流撞擊和返混循環(huán)流使水相分布更加均勻；多個(gè)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(shí)，使稀釋水液滴進(jìn)一步破碎。當(dāng)原油物性參數(shù)和處理量等操作參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可以通過轉(zhuǎn)動圓筒型混合腔調(diào)節(jié)壓降，從而得到最優(yōu)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(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，在電脫鹽設(shè)備出口原油含鹽量及BS&W 均達(dá)標(biāo)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(jié)省了運(yùn)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(gè)沿Y型管道長度方向分布的注水小孔向原油內(nèi)注射稀釋水，注水小孔截面積沿原油管道內(nèi)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，F(xiàn)oruMIX混合器的球型混合腔兩側(cè)都均勻地分布著多個(gè)等徑小孔流道，但兩側(cè)小孔的中心線均指向球心處，從而增強(qiáng)了交叉射流的撞擊收斂度。當(dāng)原油物性參數(shù)和處理量等發(fā)生變化時(shí)，可以沿著任意方向轉(zhuǎn)動球型混合腔來調(diào)節(jié)混合強(qiáng)度；同時(shí)還可以轉(zhuǎn)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(dá)到并流、逆流、錯(cuò)流等注射效果，然后配以球型混合腔的轉(zhuǎn)動而獲得最優(yōu)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(huán)形注射器，但實(shí)現(xiàn)了注射預(yù)混合與精細(xì)混合兩個(gè)階段的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并將對“中心線”的射流撞擊改成對“中心點(diǎn)”的射流撞擊，理應(yīng)進(jìn)一步提升稀釋水摻混效率，但目前沒有公開的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)布。

3.5 靜電摻混設(shè)備

圖15 蘇聯(lián)喀山勞動國立教育學(xué)院的稀釋水靜電摻混設(shè)備

以電分散機(jī)理為核心的稀釋水摻混設(shè)備被稱為稀釋水靜電摻混（electrodynamic mixing）設(shè)備。蘇聯(lián)喀山勞動國立教育學(xué)院1983 年提出了如圖15 所示的稀釋水靜電摻混設(shè)備[79]。稀釋水由噴嘴注入原油中，油水混合液通過多個(gè)等徑混合噴嘴并流射入多個(gè)位于中空圓筒電極內(nèi)部的等徑金屬混合管內(nèi)，稀釋水顆粒在金屬混合管內(nèi)的強(qiáng)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(jìn)入接地外殼與圓筒電極間的環(huán)縫流道區(qū)域，水顆粒會在該區(qū)域電場力作用下逐漸聚結(jié)長大。油水混合液向下流到圓筒電極底部時(shí)分為兩部分：一部分在壓差作用下被吸入混合管，流經(jīng)金屬混合管與混合噴嘴之間的窄間隙時(shí)，因電場強(qiáng)度高到足以使水顆粒重新破碎分散而與新噴射進(jìn)入的油水混合液循環(huán)混合；另一部分順勢繼續(xù)向下從出口流出，進(jìn)入后續(xù)電脫鹽罐，該部分的流量不超過總流量的1/3。

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

圖16 蘇聯(lián)石油工程設(shè)計(jì)研究院的稀釋水靜電摻混設(shè)備［80］

基于大量的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品研發(fā)，美國Natco公司上世紀(jì)80年代中后期成功推出了一種稀釋水逆流靜電摻混設(shè)備，即為美國Schlumberger 公司（兼并了Cameron Solutions 公司）目前擁有的電場動態(tài)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(gè)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(yùn)動而形成油水逆流接觸。隨后通過自動控制靜電場強(qiáng)度，形成如圖17(b)所示包括水顆粒破碎、混合、聚結(jié)、沉降四個(gè)階段的特定運(yùn)行周期：①破碎階段，電場強(qiáng)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(jìn)一步破碎成細(xì)小顆粒；②混合階段，電場強(qiáng)度維持最大值，稀釋水液滴被最大限度地進(jìn)一步破碎，與原油充分混合接觸；③聚結(jié)階段，電場強(qiáng)度降低至“臨界值”與“門檻值”之間時(shí)，稀釋水顆粒會在電場力作用下碰撞聚結(jié)長大；④沉降階段，電場強(qiáng)度維持在一個(gè)較低值，聚結(jié)后的大粒徑稀釋水顆粒沉降至脫鹽器下部的水層區(qū)，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(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行周期。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)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(fā)揮。Natco 公司的研發(fā)人員認(rèn)為，該技術(shù)理論上可使電場動態(tài)脫鹽器的脫鹽效率較常規(guī)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(zhàn)號”FPSO上投產(chǎn)時(shí)引進(jìn)的電場動態(tài)脫鹽器至今仍在運(yùn)行。

圖17 原美國Natco公司的稀釋水逆流靜電摻混設(shè)備［81-82］

相比較而言，上述三種稀釋水靜電摻混技術(shù)都存在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、自動控制難度較大等不足，致使相應(yīng)的摻混設(shè)備至今未能得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。俄羅斯奔薩州立大學(xué)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(shù)，具體結(jié)構(gòu)如圖18所示[83-85]。其工作原理為，稀釋水從注水管入口進(jìn)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(nèi)湍流剪切力、中心電極棒與直管段管壁間高壓電場所產(chǎn)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(shí)現(xiàn)油水高效混合。但是，該技術(shù)目前僅停留在設(shè)計(jì)理念和數(shù)值模擬階段。

圖18 Tarantsev提出的稀釋水靜電作用摻混設(shè)備結(jié)構(gòu)原理示意圖［83-85］

4 結(jié)語

國內(nèi)外石油石化工程領(lǐng)域幾十年來的應(yīng)用實(shí)踐證明，稀釋水摻混效果對原油電脫鹽系統(tǒng)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(jī)理的研究總體上未能與原油電脫鹽工藝稀釋水摻混設(shè)備的研發(fā)同步協(xié)調(diào)發(fā)展，更談不上相互促進(jìn)。

（1）在油水混合機(jī)理研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于介觀與微觀混合尺度下的機(jī)械攪拌、管道節(jié)流、管內(nèi)固定內(nèi)構(gòu)件切割油水混合機(jī)理，對宏觀混合尺度下稀釋水摻混用油水混合機(jī)理、介觀與微觀混合尺度下孔板構(gòu)件油水混合機(jī)理、射流撞擊與電分散油水混合機(jī)理研究相對不足。因此，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注射流撞擊、電分散油水混合機(jī)理，為新?lián)交旒夹g(shù)與設(shè)備的研發(fā)提供基礎(chǔ)支撐。

（2）在原油電脫鹽工藝稀釋水摻混設(shè)備方面，當(dāng)前工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的仍然是常規(guī)混合閥類和常規(guī)管式靜態(tài)混合器類，管道多級機(jī)械攪拌稀釋水摻混設(shè)備、稀釋水靜電摻混設(shè)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(shè)備以及Westfall 2800型高剪切薄板管式靜態(tài)混合器因其結(jié)構(gòu)緊湊高效、投資成本較低等優(yōu)點(diǎn)而有望在工程實(shí)際中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

（3）全面梳理歸納油水混合機(jī)理與稀釋水摻混設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系不難看出，多數(shù)稀釋水摻混設(shè)備都集成了兩種或多種機(jī)理作用，充分體現(xiàn)了單元過程設(shè)備向著高效化、復(fù)合化的發(fā)展趨勢。另一方面，除了應(yīng)該注重將油水混合機(jī)理的研究成果及時(shí)用于指導(dǎo)原油電脫鹽工藝稀釋水摻混技術(shù)與設(shè)備研發(fā)之外，相關(guān)研究結(jié)果還可以為反應(yīng)工程、生命科學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)混合技術(shù)與設(shè)備研發(fā)提供直接借鑒和有力支撐。