油水乳狀液流量對電脫水效率的影響

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

該過程是一個連續(xù)性過程，因為要保持整個系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)還是一個密閉系統(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、電場強度以及乳狀液流態(tài)等。其中溫度、電場強度等對效率影響較大。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間，而且間接作用于乳狀液運動的流態(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)理是一項十分復(fù)雜的工作，但也是一項不可或缺的工作。

乳狀液流量對電脫水器效率影響有多個方面的影響：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，乳狀液停留時間，可用下式進(jìn)行計算。

式中Vol為容積，Q為乳狀液流量。

1 油水乳狀液流量影響乳狀液流態(tài)

即使沒有外加電場，湍流混合也會導(dǎo)致水滴凝聚[1]。乳液流動時，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)。在沒有外加電場的情況下，整個電脫水系統(tǒng)中存在兩個誘導(dǎo)水滴聚結(jié)的因素，分別是速度梯度以及紊流波動。

當(dāng)流動系統(tǒng)處于層流狀態(tài)時，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)生相對運動。在油流剛進(jìn)入電場時，因為不同流層之間的速度存在差異，所以在層流剪切力場及電場作用下，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)而促使周圍連續(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，受到的切應(yīng)力方向相反，因此會在電脫水器中部產(chǎn)生環(huán)流。因為這種環(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)流動系統(tǒng)處于紊流狀態(tài)時，流體的隨機(jī)波動將會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，二者都對電脫水器中水滴聚結(jié)和分離具有積極作用。紊流加強聚結(jié)根據(jù)流動理論研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電脫水系統(tǒng)中存在恰當(dāng)?shù)奈闪鲿r，在該湍流強度作用下，液滴發(fā)生隨機(jī)波動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，湍動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。

2 油水乳狀液流量影響乳狀液流變性

在控制其他影響電脫水器效率因子為固定值時，分散相水滴在連續(xù)相中受到的黏性阻力可以用（2）式計算，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。由于相間運動所提供的聚結(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)力和剪切速率線性相關(guān)[2]。乳狀液性質(zhì)類似于原油，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，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，乳狀液黏度開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，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，液滴實際帶電量也隨半徑增大。又因為剪切速率大于某一范圍使，其值越大，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，即流量太大會降低液滴偶極聚結(jié)及脫水效率。相應(yīng)地，其受到的電場力、液滴間碰撞概率及脫水效率都減小。然而，流量較高時，外加電場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，再進(jìn)行減小對電脫水器脫水效率幾無影響。

3 油水乳狀液流量影響停留時間

恒定聚結(jié)參數(shù)下，停留時間隨流量增加線性減小，而聚結(jié)的有效電極面積與停留時間成正比[4]。在電場作用下，一定范圍內(nèi)分散相聚結(jié)效率隨電場強度和停留時間的增加而增大。

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間。假設(shè)乳狀液由N個平均半徑為r的液滴轉(zhuǎn)化為1/2N個平均半徑為 的液滴，也就是數(shù)目縮小一半，所需要的時間可以利用Stokes公式和同場線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)油水界面后不會自發(fā)地與水體結(jié)合，而是會在該界面停留一段時間，停留時間可能在0～30 s，甚至更長，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]。電場在該時期的作用是通過建立波動來促進(jìn)水滴進(jìn)入水體。

4 結(jié)論

乳狀液流量對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)、及停留時間以適應(yīng)實際生產(chǎn)。