平掛電極式電脫水器靜電聚結特性的實驗研究

吳宗強 呂宇玲 何利民 田成坤

1中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院2中國石油規劃總院

平掛電極式電脫水器靜電聚結特性的實驗研究

吳宗強1 呂宇玲1 何利民1 田成坤2

1中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院2中國石油規劃總院

電脫水器由于能耗低、效率高，是目前應用范圍最廣的油水分離設備。設計并制作了一種平掛電極式電脫水器的實驗評價裝置，主要針對電脫水器的靜電聚結特性進行研究。通過室內實驗，分析電場強度、電場頻率、含水率、溫度4個因素對聚結特性的影響。實驗結果表明：電場強度是影響靜電聚結的主要因素，增加電場強度有利于油水分離；高于水滴破裂場強后，發生電分散現象，水滴破裂場強隨溫度及含水率的升高而變小；水滴聚結存在最優的頻率，最優頻率會因油品性質的不同而變化。

原油；平掛電極；電脫水器；靜電聚結；電場強度

目前，我國絕大部分油田采用注水開發方式開采石油，世界原油產量90%以上需要進行脫水處理。與重力法、離心法、化學處理法、熱處理法等相比，靜電脫水能在較低溫度下破乳且處理量大，凈化后的原油含水率低，設備結垢、腐蝕的傾向小[1-2]，電脫水器因其能耗低、效率高、適用范圍廣而成為油田中應用最普遍的油水分離設備[3]。因此，研究電脫水器中水滴的聚結特性，篩選出針對不同性質油水乳狀液的最優運行參數，提高電脫水器的聚結效率、分離效率和穩定性，降低能耗，能夠為油田電脫水設備的生產運行提供參考。

1 原理分析

油、水的電導率差別很大，當油水乳狀液置于高壓電場時，電場力削弱了水滴的界面膜強度，促進水滴有效碰撞，使微水滴聚結成大水滴。Waterman[4]等給出了交流電場下兩個水滴偶極-偶極力大小的公式

式中FE為電場力（N）；E為電場強度（V/m）；R為水滴半徑（m）；β為電場線與水滴中心連線的夾角（°）；D為水滴中心間距（m）；k為常數。

由公式（1）可知，外加電場強度越高，兩水滴的半徑越大，水滴之間距離越小，水滴所受的電場力越大。經驗證明，水滴間距在2～3倍水滴直徑時趨于聚結，且多數情況下，當E≥480 k V/m時，容易發生電分散[4]。

2 實驗系統和實驗介質

2.1 實驗系統

我國各大油田普遍采用臥式圓筒形電脫水器，為此，研究設計了一種平掛電極式電脫水器的實驗評價裝置，平掛式電極位于評價裝置中上部，實驗系統如圖1所示。油水乳狀液經過防爆電加熱器加熱到指定溫度后，經過雙螺桿泵、在線乳化儀的剪切作用，實現乳狀液的制備。通過改變雙螺桿泵的轉速（達到目標流量后），使油水乳狀液進入實驗評價裝置。在實驗評價裝置內，乳狀液自下而上流動，在外加電場作用下，微水滴有效聚結成大水滴，大水滴從乳狀液中沉降出，低含水的油水乳狀液經過上部匯集管匯集后流回保溫罐，沉降出的水經過下端出水口流回保溫罐。油水乳狀液重新混合乳化均勻后，進行下一工況實驗。

圖1 實驗系統

2.2 實驗介質

采用2種不同性質的A原油和B原油，與自來水混合后制成不同含水率的油水乳狀液作為實驗介質。實驗油品的物性參數見表1。

表1 油品物性參數（50℃）

2.3 數據處理方法

使用單反相機、顯微鏡拍攝不同工況下水滴粒徑照片，然后使用Image-Pro Plus圖像處理軟件，對水滴粒徑照片進行處理并分析。本文采用Sauter平均直徑D32[5]來描述不同工況下的水滴粒徑變化。

3 實驗結果及分析

主要從電場強度、電場頻率、溫度、含水率4個因素來研究平掛電極式電脫水器的聚結特性。

3.1 電場強度的影響

從含水率20%的A油品乳狀液水滴粒徑隨電場強度的變化可知，未加電場時，油水乳狀液中水滴粒徑較小，分布均勻，且微水滴數量多。電場強度為84 kV/m時，水滴開始呈現明顯變化，微水滴數量減小，水滴粒徑明顯增大。隨著電場強度的增加，大水滴數量逐漸增加，粒徑逐漸增大，當電場強度達到335 k V/m時，開始出現粒徑超過250μm的大水滴。電場強度繼續增大，水滴粒徑超過250μm的大水滴數量不再變化，而微水滴數量繼續減小。這是因為此時油水乳狀液中大水滴受到的電場力已不能克服水滴的黏滯阻力與界面張力，不再發生有效碰撞，但對于微水滴，電場力依然起作用，因此微水滴數量繼續減少[6]。

圖2 不同含水率時水滴粒徑隨電場頻率的變化

從不同含水率下水滴粒徑隨電場強度的變化可知，含水率10%、20%時，隨著電場強度的增大，水滴粒徑呈增大的趨勢。這是由于含水率較低時，水滴粒徑小且水滴間距相對較大，根據公式（1），水滴需要更高的電場強度才能克服黏滯阻力與界面張力的影響，發生有效聚結[7]。含水率30%時，水滴粒徑隨著電場強度的增大迅速增大，電場強度高于427 k V/m后，電場力使得水滴的扭曲變形過大，界面張力無法使變形恢復，導致部分水滴破裂成小水滴，出現電分散現象，降低了分離效率，使原油脫水效果惡化。當電場強度不足以使液膜破裂時，水滴會沿電場力方向排列成鏈，引起電流過大從而擊穿電極板。因此，電脫水器運行時，應將電場強度嚴格控制在液膜破裂電場強度與水滴破裂電場強度之間。相同含水率下，B油品乳狀液的聚結效果優于A油品乳狀液。這是因為A油品的電導率高于B油品，相同條件下，作用于A油品乳狀液的有效電場強度小；且相同溫度下A油品的黏度更大，流動性比B油品差，水滴在A油品乳狀液中所受的黏滯阻力大，不利于有效聚結。

3.2 頻率的影響

圖2為電場強度為335 k V/m，含水率為5%、10%、20%的A油品、B油品乳狀液中水滴粒徑隨電場頻率的變化曲線。目前，交流電場中頻率對水滴聚結特性影響的研究較少，本研究通過加密實驗點的方法來考察頻率的影響。從圖2可知，含水率5%、10%時，隨著電場頻率的增加，低頻下水滴粒徑先增大后減小，高頻下基本不再變化。含水率20%時，低頻下水滴粒徑隨電場頻率的增大而增大，高頻下基本保持不變。油水乳狀液存在最優聚結頻率，且最優頻率隨油品性質不同而變化。含水率5%、10%時，A油品、B油品乳狀液的最優聚結頻率在50 Hz附近；含水率20%時，A油品乳狀液的最優聚結頻率在75 Hz附近，B油品乳狀液的最優聚結頻率在100 Hz附近。這是由于水滴的極化作用隨電場頻率的增加而增強，極化作用力增大，水滴的靠近時間相應減小。此外，當電場頻率逐漸接近水滴的固有頻率時，水滴發生共振，此時水滴振幅增大，界面膜強度減弱，微水滴更容易破裂和聚并，從而發生有效的沉降，分離效率增大；超過這個頻率后，水滴共振作用減弱，聚結效果相應變差。

3.3 含水率的影響

圖3為電場頻率為50 Hz，含水率為10%、20%、30%時A油品乳狀液水滴粒徑隨電場強度的變化曲線。從圖3可以看出，油水乳狀液的水滴粒徑隨電場強度的增大先快速增長，達到一定電場強度后增速放緩。含水率10%、20%時增長趨勢基本相同，電場強度達到335 k V/m后水滴粒徑基本不再變化。含水率30%時水滴粒徑增速明顯高于低含水率時水滴粒徑增速，增速放緩時的電場強度為248 k V/m，當電場強度大于335 k V/m時，發生電分散現象。含水率提高時，水滴初始粒徑變大，水滴間距變小，水滴之間的碰撞概率增大，根據公式（1），相同條件下水滴所需的聚結場強變小，因此增速放緩電場強度會隨著含水率升高而變小。但含水率升高使得油水乳狀液黏度增大[8]，同時增大了電導率，導致作用于油水乳狀液上的有效電場強度變小；水滴的擴散系數也會隨著含水率的升高而減小，導致聚結速度與碰撞頻率降低，使得分離效率降低。

圖3 含水率對水滴聚結特性的影響

3.4 溫度的影響

從溫度對水滴聚結特性的影響曲線可知，隨著溫度的升高，水滴粒徑呈增大的趨勢，且發生電分散的電場強度隨溫度的升高而變小。50、60、70℃下水滴破裂電場強度分別為427、335和248 k V/m。溫度升高，油水乳狀液的穩定性降低[9]。首先，溫度升高使原油中的主要乳化劑（膠質、瀝青質等）在原油中的溶解度增大，削弱水滴界面膜強度，有助于破乳劑的彌散，提高破乳劑的反應能力[10]。其次，溫度升高會使油水乳狀液中水滴體積膨脹，使水滴界面膜變薄，機械強度降低，而且由于油水的體積膨脹系數不同，溫度升高后油水的密度差增大，水滴更容易沉降出來。此外，溫度升高會降低油水乳狀液的黏度，沉降過程中水滴所受的黏滯阻力變小，沉降速度加快。但過高的溫度除使能耗增高外還會使原油的電導率增大，運行過程中的電流增大，造成電脫水器運行不穩定。

4 結論

（1）電場強度是影響靜電聚結的主要因素。在水滴破裂之前，電場強度越高，聚結效果越好；聚結過程存在水滴粒徑增速變緩電場強度，含水率為10%、20%時，A油品乳狀液增速變緩電場強度為335 k V/m；含水率為30%時，增速變緩電場強度為248 k V/m。

（2）聚結過程存在最優聚結頻率。含水率為5%、10%時，A油品、B油品乳狀液的最優聚結頻率在50 Hz附近；含水率為20%時，A油品的最優聚結頻率在75 Hz附近，B油品乳狀液的最優頻率在100 Hz附近。

（3）溫度和含水率越高，越容易發生電分散現象。50、60和70℃下，A油品乳狀液水滴破裂電場強度分別為427、335和248 k V/m，電脫水器實際運行時，應將場強嚴格控制在水滴破裂電場強度以下。

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（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.006

吳宗強：在讀碩士研究生，研究方向為油氣水多相流與多相分離。

2015-09-16

基金論文：國家自然基金（51274233）資助。

15689131529、sd07122314@163.com。