劉博

(海洋石油工程股份有限公司設計院，天津 300461)

油田產出物在聯(lián)合站經過油氣水分離器分離出原油、天然氣和污水，分離出的污水內仍含有少量原油，在進行污水回注或者排放之前應采取進一步油水分離措施。含油污水處理的方法主要有微氣泡氣浮、超聲波、重力沉降、粗粒化、膜分離、過濾等[1-4]，其中，超聲波處理含油污水對破乳分離油水具有良好的效果[5-6]。超聲波可促使含油污水內部的氣泡發(fā)生振動，氣泡積聚一定能量后爆破發(fā)生空化作用，高強度的沖擊能量破壞油滴和水滴之間的分子鍵，從而實現(xiàn)油水破乳分離[7-9]。張鵬[10]研究了超聲波對含油污水的處理效果，認為超聲波的作用原理是其對水分子和油分子產生的位移效應不同，從而完成油水分離。羅輝輝等[11]對江蘇油田產出污水進行了超聲波處理試驗，得到了在添加絮凝劑的條件下超聲波對污水的除油效果。孫寶江等[12]進行了超聲波對聚合物驅采油污水的除油試驗，通過正交試驗得到了超聲波的最佳參數(shù)。

筆者采用超聲波油水分離試驗裝置，分析了超聲頻率、輻射時間、聲強、油品黏度等參數(shù)對污水油水分離效果的影響，探究了超聲處理的作用機理，對超聲處理裝置的合理設計和提高油水分離效果具有一定意義。

1 超聲處理油水分離原理

1.1 空化作用

超聲波對含油污水進行持續(xù)輻射時，在聲壓負周期內，超聲波產生的機械振動促使含油污水內溶解的微氣泡體積不斷膨脹變大，而在聲壓正周期內，超聲波對含油污水產生的機械振動促使微氣泡被壓縮發(fā)生破滅。在微氣泡膨脹變大后突然破滅的瞬間，氣泡周邊的一定區(qū)域內會形成高溫高壓的物理條件，稱為“熱點”，而破滅導致儲存在氣泡內的超聲能量瞬間釋放，對周圍的油滴分子、水分子產生射流和沖擊波，即超聲空化作用，實現(xiàn)油水分離。

1.2 化學作用

超聲處理含油污水時，在氣泡破滅的瞬間，可將水分子裂解為氫離子和氫氧離子的自由基，自由基具有較強的氧化作用，可與污水中的油水乳狀物發(fā)生反應，促使水滴和油滴斷鏈降解。降解后的油滴分子重新自由組合，形成大分子油滴單質，有利于油滴的聚并分離。

1.3 機械作用

分離聚并出的大分子油滴在超聲波的作用下不斷振動，向超聲波的波谷處聚集。油滴密度小于水的密度，在浮力的作用下，油滴上浮至水表面形成一層穩(wěn)定漂浮的油膜。

2 超聲處理油水分離試驗

超聲波油水分離試驗裝置如圖1所示。系統(tǒng)主要由溫度計、水浴、換能器、信號發(fā)生器和功率放大器構成，信號發(fā)生器可產生超聲波信號，功率放大器將超聲信號放大后傳輸至換能器，換能器發(fā)射超聲波輻射含油污水。

圖1 超聲波油水分離試驗裝置

采用乳化儀對勝利油田原油與水進行充分乳化制備含油污水，在測試容器內放入300 mL的含油污水，打開水浴控制環(huán)境溫度至30 ℃，待溫度穩(wěn)定后打開信號發(fā)生器、功率放大器進行超聲處理，改變超聲頻率、輻射時間、聲強、油品黏度等參數(shù)分別進行試驗。超聲處理后，保持溫度恒定自然沉降4 h，測定污水的含油率。為研究不同性質油品對超聲處理油水分離的影響，采用兩種不同黏度的油品配制含油污水，試驗油品的相關參數(shù)如表1所示。

表1 試驗油品黏度參數(shù)

3 超聲處理油水分離特性

3.1 超聲頻率對油水分離的影響

以油品II為試驗介質，改變輻射聲強的大小，得到不同超聲頻率下除油率隨聲強的變化，結果如圖2所示。

由圖2可見：在同一頻率下，存在最優(yōu)聲強和最大除油率。20，28，40，60 kHz頻率下最優(yōu)聲強分別為8.05，7.09，6.06，5.11 W/cm2，最大除油率分別為82.3%，69.5%，63.2%，59.4%。隨著超聲頻率增加，最優(yōu)聲強和最大除油率均有所降低。主要原因是超聲頻率的升高導致衰減系數(shù)增大，形成一定強度的聲流，聲流對油滴產生剪切作用，擾亂了液體內的流場，阻礙了油滴的聚集和位移。

圖2 超聲頻率對油水分離效果的影響

3.2 聲強對油水分離的影響

以油品II為試驗介質，改變輻射聲強的大小，得到不同輻射時間下除油率隨聲強的變化，結果如圖3所示。

圖3 聲強對油水分離的影響

由圖3可見：當輻射時間為10，20 min時，隨著聲強的升高，污水除油率先緩慢升高，然后快速上升至較高水平。其主要原因是當聲強升高時，微氣泡儲存的能量增大，超聲空化導致氣泡破滅時所釋放的能量變大，油滴更易被裂解形成大油滴。同時，油滴所儲存的能量增大，自身的機械振動變強，位移速度變高，可較快地到達聚集區(qū)域。當輻射時間提高至30，40，50 min時，污水除油率先隨著聲強的升高而緩慢升高，然后快速升高至最高點，最后緩慢下降，存在最優(yōu)聲強和最大除油率。輻射時間30，40，50 min時最優(yōu)聲強分別為9.01，9.01，8.05 W/cm2，最大除油率分別為71.5%，78.3%，83.2%。其主要原因是隨著輻射時間的延長，當聲強升高至最佳聲強后繼續(xù)升高時，由于能量過大，易導致較大的氣泡破碎成小氣泡，從而降低了空化作用效果，導致最大除油率反而隨輻射時間的增加而下降。

3.3 輻射時間對油水分離的影響

以油品Ⅱ為試驗介質，改變輻射時間的長短，得到不同聲強下除油率隨輻射時間的變化，結果如圖4所示。

圖4 輻射時間對油水分離的影響

由圖4可見：在聲強一定的情況下，隨著輻射時間的延長，除油率先快速升高至較高水平后略有下降，存在最佳輻射時間。因為輻射時間較短時，油滴受到空化作用的影響與水滴裂解分離，并形成大分子油滴，在機械振動的作用下，大分子油滴可快速位移至聚集區(qū)域進一步合并并浮升。當輻射時間進一步增加時，空化作用受到微氣泡數(shù)量的限制不再顯著增強，油滴被裂解的數(shù)量受到限制，除油率不再顯著升高。而機械振動作用受到被裂解的油滴數(shù)量限制，雖然油滴振動增強快速到達聚集區(qū)，但是裂解油滴的數(shù)量有限，同樣無法顯著提高除油效果。

3.4 油品黏度對油水分離的影響

以油品Ⅰ和油品Ⅱ為試驗介質，改變輻射聲強的大小，得到不同油品黏度下除油率隨聲強的變化，結果如圖5所示。

圖5 油品黏度對油水分離的影響

在50 ℃下，油品Ⅰ黏度為862 mPa·s，油品Ⅱ黏度為633 mPa·s，油品Ⅰ黏度大于油品Ⅱ黏度。由圖5可見：隨著聲強的升高，試驗介質的除油率均先升高至最高點后下降。對于油品Ⅰ，聲強為9.01 W/cm2時除油率達到最大；對于油品Ⅱ，聲強為8.05 W/cm2時除油率達到最大。隨著聲強的增加，油品Ⅱ的除油率始終高于油品Ⅰ。其主要原因是油品Ⅰ黏度大于油品Ⅱ黏度，而油品黏度越大，越不利于油滴在水中的移動聚集，黏度小的油品Ⅱ更容易聚集合并，移動所受到的阻力小，可快速到達聚集區(qū)并浮升至水的表面。

4 結論

采用超聲波油水分離試驗裝置，分析超聲頻率、輻射時間、聲強、油品黏度對污水油水分離效果的影響，探究超聲處理的作用機理，得到如下結論。

1)超聲處理油水分離是空化作用、化學作用和機械作用共同作用的結果。

2)隨著超聲頻率增加，衰減系數(shù)增大，形成一定強度的聲流，聲流對油滴產生剪切作用，擾亂了液體內的流場阻礙了油滴的聚集和位移，最優(yōu)聲強和最大除油率均降低。

3)輻射時間較短時，污水除油率隨著聲強的增大而升高。輻射時間較長時，存在最優(yōu)的聲強和最大除油率。其主要原因是當聲強升高至最佳聲強后繼續(xù)升高時，由于能量過大，易導致氣泡破碎成數(shù)個小氣泡，降低空化作用效果。

4)在聲強不變的條件下，隨著輻射時間的提高，除油率先快速升高至較高水平后略有下降，存在最佳輻射時間。主要原因是輻射時間過長，空化作用受到微氣泡數(shù)量的限制，機械振動作用受到被裂解的油滴數(shù)量限制，均無法顯著提高除油效果。

5)隨著聲強的增加，黏度低的油品除油率更高。其主要原因是黏度小的油品更容易聚集合并，移動所受到的阻力小，可快速到達聚集區(qū)并浮升至水的表面。