直流疊加高頻交流方波電場下乳化液電脫水試驗研究

陳慶國 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進行原油電脫水的方法。在實驗室中開展了直流疊加高頻方波電場下乳化液電脫水試驗研究，分析該方法下乳化液中水滴的聚并機理，并借助于高速相機觀察了乳化液中水滴的運動及水鏈的消散過程。理論與試驗結果表明：采用直流疊加高頻方波電場可充分發揮直流和方波電場下的各自脫水優點，使水鏈易于消散，保證脫水電場的穩定，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，脫水效果最佳，研究結果可為原油生產現場的脫水工藝改進提供參考。

關鍵詞：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：TM 930.2

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）04-0098-07

0 引 言

電破乳技術被廣泛應用于液膜分離、乳化液破乳和不同液相分離等工業生產加工領域[1]，因為其高效、綠色、處理量大等諸多優點而成為原油脫水過程中的熱門核心技術。原油電脫水原理是水滴在電場力的作用發生形變、運動、相互碰撞聚結成大水滴，利用油水兩相間存在的密度差，實現油水分離[2]。隨著對石油產品需求量的持續增加，原油開采量逐年增大，電脫水過程中問題日益凸顯，給傳統電脫水技術帶來了巨大的挑戰。目前原油電脫水過程中的問題主要集中在兩方面：一是高含水采出液粘度高、電導率大、脫水電流劇增，脫水電極間頻繁短路給電脫水設備帶來巨大沖擊[3]，脫水電場倒塌后再次送電困難、電場建立時間長[4];二是電脫水效率低、速度慢。為了滿足石油外輸時對含水率的指標要求，需要油田生產現場的聯合站提高原油乳化液的溫度并提高脫水電壓來實現[5]，這不僅增加了電脫水器的運行成本，而且增加了脫水設備的安全隱患。因此穩定、高效、節能的電脫水技術一直是國內外學者和油田現場的關注焦點。

目前，油田生產現場常用的脫水電場為高壓交流電場、直流電場和脈沖電場。交流電場脫水優點是水滴不易成鏈、電解反應可逆、對電極的腐蝕較輕[6]、脫水速度快，適合處理高含水原油，但是對低含水原油處理效果不理想;直流電場脫水具有能耗低、脫水率高等優點，但由于在直流電場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;脈沖電場脫水由于在脈沖休止期間給水滴提供了形變恢復時間，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象，因此相同電場強度下可以處理更高含水率的原油。根據不同類型電場下的脫水特點，F L Prestridge等人提出了交直流復合電場脫水的方法[7]，但該方法中交流電場對原油的有效作用時間短，脫水效果并沒有達到理想狀態。國內原油生產現場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、底層極板施加交流電場，以提高對原油乳化液的處理效率[8]，但該方法需要在脫水容器內布置成多層電極，且底層電極也經常出現電場倒塌的現象。為了提高原油電脫水效率和脫水電場的穩定性，本文在已有的研究工作基礎上提出采用直流疊加高頻方波電場進行原油電脫水方法，并開展相關電脫水試驗研究，以期為現有電脫水困境提供更佳的解決方案。

1 電脫水試驗系統與脫水流程

1.1 電脫水試驗系統

本文在實驗室所搭建的試驗系統如圖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、微水測量儀、計算機、高速攝像機及光源等組成，其中電脫水器下部設有排液口，方便將沉降到底部的水排出。

脫水電極采用豎掛平板電極，其中一個極板接高壓、另一極板接地，在電極間建立均勻的脫水電場。

1.2 脫水試驗電壓

本文采用直流疊加高頻方波電壓進行原油電脫水的研究。其目的是充分發揮直流電場作用下原油乳化液中水滴電泳聚結和偶極聚結的作用，以及在高頻方波電場下振蕩聚結和偶極聚結的綜合作用，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點是在整體周期內都能形成有效脫水電場，而正弦波電場只能在電壓的峰值附近形成有效脫水電場（如圖2所示），有效脫水電場對原油乳化液的作用時間短[8-9]。

試驗所用的直流疊加高頻方波高壓電源產生原理如圖3所示。

圖2中，R1為保護電阻、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波形如圖4所示。

上圖中，Em為疊加電場的幅值，En為最低作用場強，EAC為交流分量幅值，EDC為直流分量幅值，T1和T2分別為一個周期內最高場強和最低場強的作用時間。根據圖示關系，交流含量比λ可以表示為：

為了獲得較好的破乳效果，應使En不小于臨界破乳場強Ee。

1.3 電脫水流程

試驗所用介質為工業白油，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定的乳化液，且其顏色清晰，便于觀察試驗現象進行電脫水機理的分析。試驗用水選擇蒸餾水，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定性好，可以在靜置2小時左右不出現分層，電脫水試驗流程如圖5所示。

試驗時將白油與蒸餾水按9∶1的比例混合，在油水混合物中加入體積分數為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，形成均勻穩定的乳化液。乳化剪切完成之后測量其含水率，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，進行電脫水試驗。試驗過程中時刻觀察脫水罐中的現象，每隔一定時間從脫水器中取樣，將采出試樣用微量進樣器注入含水率測量儀中，記錄試驗數據。

試驗采用脫水率作為衡量脫水效果的指標，脫水率p[10-12]按下式進行計算：

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。試驗過程中測出每個時間點的含水率，計算出相應的脫水率，通過分析脫水率的變化來反應脫水性能的好壞。

2 電脫水試驗

2.1 疊加電場幅值及頻率的選擇

外施電場強度達到一定值，水滴從電場中吸收的能量足夠多時，水滴表面才足以克服表面張力的束縛成為自由界面，乳化液才能實現有效破乳，這一場強值為臨界有效電破乳場強。但如果所施電場強度過大水滴會分裂成小水滴，發生電分散現象，影響破乳效果。因此脫水電場不應該設置過低或者過高，為了獲得較好的脫水效果應將其設定在臨界有效破乳場強和電分散場強之間，即：

有效電破乳場強和電分散場強可以表示為[13-14]：

式中：σ為表面張力;α為橢球體長半軸;εr為水的相對介電常數;k為修正系數。場強處于有效破乳電場區內時α可取3.5r，k可取40[14]。以試驗設定的剪切速度剪切后，水滴的平均粒徑r在20 μm左右，試驗中測得水的相對介電常數為80，表面張力σ約為31 mN/m，根據式（4）和式（5）計算出有效破乳電場范圍為1.2 kV/cm～11.2 kV/cm。由于試驗時乳化液含水率較高，電脫水過程中小水滴逐漸聚結成大水滴，電分散場強逐漸減小，并且為了保證電脫水試驗穩定安全的進行，將電脫水場強設定為4 kV/cm。

理論上外施電場頻率越高水滴振蕩越快，越有利于水滴聚結，但乳化液屬于容性試品，其導納值隨著頻率的增加而升高，如果電源頻率過高，將使電極板間泄漏電流增加，不僅導致乳化液的絕緣性能下降，而且電場不穩定容易出現波動，不利于乳化液電脫水，因此頻率不易設置過高。

圖6給出了不同場強下乳化液的最終脫水率與高頻交流方波電場頻率的關系曲線。

對比不同電場強度、不同頻率下的乳化液最終脫水率可以發現當頻率為2 kHz時最終脫水效果最好，且頻率在2 kHz時，試驗過程并沒有出現明顯的放電現象，脫水電場穩定。因此根據試驗結果將疊加的高頻交流方波的頻率設定為2 kHz。

2.2 試驗結果

每次試驗保證直流電場、高頻交流方波電場、疊加后的電場幅值為4 kV/cm和頻率為2 kHz固定不變。直流電場、純高頻交流方波電場、直流上疊加不同含量高頻交流方波電場中直流分量和高頻交流方波電場分量的電場幅值如表1所示，不同電場類型下的電脫水試驗結果如圖7所示。

從試驗結果可知，純高頻交流方波電場在電脫水前期脫水速度快，脫水效果好，但在脫水后期，脫水率基本穩定不變，脫水效果不理想;直流電場前期脫水速度慢，但后期具有深度脫水能力，脫水效果好，這說明純高頻交流方波電場適合處理高含水乳化液，直流電場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高時，脫水前期和后期的脫水效果都有所下降。在前90 min之內，疊加含量為30%時脫水速度最快，但在后40 min內其脫水速度下降，最終脫水效果不如直流電場。疊加含量為10%和20%時整體脫水效果最好，不僅前期脫水速度快，而且最終脫水率高于直流電場，與直流電場和純高頻交流電場相比最終脫水效率分別提高了1%和6%。可見疊加電場可以充分發揮直流和交流方波電場各自的脫水優點，改善了直流電場前期脫水速度慢，交流電場后期脫水效果不理想的問題。

3 討論與分析

在交流電場作用下臨近水滴主要發生振蕩聚結和偶極聚結[15-17]。振蕩聚結是指水滴形狀伸縮振蕩過程中所發生的聚結行為。偶極聚結是指由于水滴間偶極吸引力而產生的聚結行為。偶極吸引力與水滴間距，水滴半徑有關，水滴半徑越大，間距越小，偶極吸引力越強。在脫水前期乳化液含水率高，單位體積內水滴的數量多、粒徑大、間距小，有利于水滴發生偶極聚結和振蕩聚結，因此脫水前期交流電場起主導作用，交流含量越高脫水效果越好。

在直流電場作用下原油乳化液中的水滴除發生偶極聚結還會發生電泳聚結[18-20]。電泳聚結是指由于水滴帶電在電極板之間反復泳動過程中所發生的聚結行為。電泳會使水滴相互靠近，增強水滴間偶極吸引力，增加水滴間碰撞聚結和偶極聚結的幾率。在脫水后期，乳化液含水率低，單位體積內水滴數量少、粒徑小、間距大，單靠振蕩水滴很難聚結，水滴間只有通過電泳相互靠近，才能進一步發生聚結，因此脫水后期直流分量起主導作用，交流含量越低脫水效果越好。但是當交流含量過大時，會使最低作用場強En減小至無效作用場強區，使此場強作用時間段內乳化液不能有效破乳，因此交流含量過大時，脫水效率有所下降。

直流疊加交流方波電場由直流分量和交流分量兩部分組成，使得水滴在疊加電場中發生電泳聚結、偶極聚結的同時還存在振蕩聚結，如圖7所示。

從圖8中可知，在疊加電場中電泳會增加水滴之間的碰撞幾率，振蕩會削弱油水界面膜的強度，水滴更容易發生聚結。

由于水滴在直流電場中易于形成水鏈，且水鏈的持續時間較長，使得直流電場易倒塌，在疊加電場中由于振蕩作用，破壞了水鏈中水滴之間的平衡狀態，使水鏈容易斷裂成小水鏈，降低了長水鏈的形成幾率，保證了脫水電場的穩定，如圖9所示。

由上述分析可知，疊加電場可以充分發揮直流電場和交流電場各自的脫水優點，具有脫水速度快、脫水效果好的特點。

為了分析水滴在直流疊加交流方波電場下的運動及聚結特性，利用高速攝像機觀察了水滴電泳和振蕩聚結行為，同時又對比分析了水滴在直流電場及其疊加交流方波電場下的成鏈情況。

水滴在疊加電場作用下的振蕩及電泳聚結行為如圖10和圖11所示。

從圖10中可知，在疊加電場下兩個水滴在各自位置附近發生振蕩，振蕩過程中依靠偶極力聚結成大水滴。

從圖11中可知，在疊加電場下水滴發生位移，且在位移過程中沿電場方向發生伸縮振蕩，水滴間通過電泳相互靠近，最終聚結成大水滴。

水滴在直流電場作用下的成鏈及放電過程如圖12所示。

在上圖中，在直流電場下水鏈形成之后，水鏈沒有逐漸消散而是進一步發展，當水鏈貫通極板時出現電弧，隨著水鏈持續時間的增大，電弧逐漸變長使極板間發生貫穿性的劇烈放電，造成電極短路、脫水電場倒塌。

水滴在疊加電場作用下的成鏈情況如圖13所示。

從圖13中可知，水鏈在疊加電場的振蕩作用下斷裂成小水鏈，使得水鏈的持續時間變短，無法長時間形成放電通道，降低了電極短路的發生幾率，保證了脫水電場的穩定性。

通過觀測水滴在直流及其疊加交流方波電場下的運動聚結及水鏈變化情況可知，水滴在疊加電場作用下位移的同時還發生振蕩，這促進了水滴的聚結，有利于水鏈的消散，保證了脫水電場的穩定。觀測結果與試驗結果一致，說明疊加電場可以提高乳化液的電脫水速度和電脫水效率。

4 結 論

1）疊加電場作用下，在乳化液高含水率的脫水前期交流電場分量起主要作用，而在乳化液低含水率的脫水后期直流電場分量起主要作用。因此，疊加電場同時具備交流電場和直流電場的脫水優點，可以提高電脫水速度和最終脫水效率。

2）疊加電場作用下，水滴電泳的同時發生振蕩，可以促進水滴聚結，使水鏈長度減小，保證脫水電場穩定。

3）疊加高頻交流方波含量不宜過高，疊加含量在10%～20%脫水效果最佳，與直流電場和純高頻交流電場相比最終脫水效率分別提高了1%和6%。

參 考 文 獻：

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（編輯：劉素菊）