超聲霧化破乳技術研究

韓 冰，陸胤君，劉海麗，于惠娟，劉東杰，陸詩建

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

當前國內油水分離一般采用三相分離器，并使用填料讓碰撞聚結。波紋板填料容易堵塞，更換填料不經濟且會耽誤生產。如果乳化油黏度大，油溫低，則會削弱碰撞聚結作用，使傳統的三相分離器幾乎不起作用。

超聲的加入使油水分離作用有了新的能量場，超聲作用下短期分離效率為傳統三相分離器的百倍以上。且能耗低，結構簡單易維護，可靠性高，安全環保。

1 工程參數

來液性質：來液含水：93%；處理溫度：42℃；密度：0.967 kg/m3；工況黏度：2900 mm2/s；破乳劑：1%稀釋量低溫破乳劑溶液。

超聲波發生器產生的超聲波參數：初始頻率f=25000 MHz，初始振幅(生波金屬頭的機械振幅)A=5 μm。

2 理論基礎

首先需要測定超聲波在采出液中某作用點的真實強度，然后根據作用時間長短和處理后的出水量(或含水量)，綜合對比得出超聲的作用效果。

(1)因超聲波在采出液中存在衰減，要測定任意一點的真實強度，需要通過測量和計算間接得出。考慮到超聲波為縱波，縱波在油水中的傳播及削弱符合波的傳播符合準駐波效應：

A=A0(1+R)e-ax……(1)

其中，R為反射系數，α為介質的衰減系數。

建立超聲波在液體中傳播數學模型，假設超聲波源處于坐標系原點，入射超聲波沿X軸正方向傳播，那么波動方程為：

A0exp[i(wt-yx)]……(2)

其反射波的波動方程為：

y=RA0exp{i[wt+y(x-2x)]}……(3)

其中，R為反射系數，y=k-iα為波的傳播系數，α是介質的衰減系數，k=2π/λ是波矢。入射波和反射波在0～x0區間疊加，合成波的波動方程為：

y=A0exp[i(wt-yx) ]+RA0exp{i[wt+y(x-2x)]}……(4)

合成波個點均做簡諧運動，振幅分布為：

A=[e-2ax+R2e2a(x-x0)+2Re-2ax0cos 2k(x-x0) ]0.5……(5)

因超聲波發生器和接收器是同一材料制成，所以有：

其中U0是信號發生器輸出電壓數值，U為示波器顯示電壓數值。

將多次試驗的測量值記入表格，得出強度Ax(或電壓Ux)、時間t、含水量Wx之間的對應關系表并擬合成Ax(Ux)-t-Wx曲線，得出連續的超聲波強度分布圖，表格和曲線用于在得出強度/時間/含水量關系時備查用。

(2)實驗分為6組，因為有了Ax-t-Wx表格及曲線，只需要控制每組的作用時間t，并測量作用后的采出液含水量Wx，即可得出在任何強度區間下的時間-含水量關系。

3 設計優化

為了盡量使超聲波能最大的作用在采出液，根據聲場優化流場，是其中的一個重點。使用基于NX Nastranthermal/flow的CAE技術，用hyper-opt對流場進行結構優化，使流動效率提升86%，并使用流體帶走由超聲尖端效應產成的熱量，同時對NVH(Noise/Vibration/Harshness)設計了減震結構，降低了超聲設備運行時的噪音和振動約75%。

NVH分析之后得出的實驗數據更加符合無外場干擾和無衰減的理想情況，可以當做理論模型進行標準化使用。

4 實驗結果及結論

實驗結果如表1。

表1 實驗結果

結論如下：

(1)使用超聲可使采出液快速脫水，30 min前為超聲主導，60 min后為藥劑主導。超聲和藥劑同時使用時需注意超聲作用時間，60 s的作用時間后期脫水率比30 s作用時間脫水率更低，原因是超聲作用時間太長容易造成反向乳化，從而降低脫水效率。

(2)由于超聲波在采出液中有衰減，所以同一個容器內含水量并不是一致的，有一定分布規律，基本符合上述Ax-t-Wx曲線。實際使用中，建議增大流動性，使流場內各處的超聲作用時間及作用強度都能保持一致，避免某些區域因超聲作用時間太長而反向乳化。

(3)傳統方式中只使用藥劑進行油水分離，需要時間過長，會嚴重降低脫水效率。故將高效低溫破乳劑與超聲破乳技術有機結合，形成物化耦合強化破乳技術，室內沉降2 h的脫水率較單一藥劑作用提高約20個百分點，同時優化超聲作用時間，從工業應用角度將作用時間進行轉化，功率為1 kW的超聲發生器處理1 m3原油所需的時間約為4000 s。

(4)只使用重力法進行油水分離，實際生產中幾乎不可行。

(5)超聲的加入可以明顯提高前120 min的脫水速度和脫水率。但在整個工藝流程中，破乳劑依然無法被完全替代。總的來看，超聲的加入使脫水速度超過傳統重力法油水分離約67倍，脫水率超過重力法約8倍，性能優異。