油滴粒徑分布及其影響因素的研究

母鈴燕，廖 芮，朱澤城，葉 杰

(重慶科技學院，重慶 401331)

目前，我國大多數的油田進入了高含水期，油相常常以油滴的形式分散在水相中，形成穩定的水包油型乳狀液。油滴在連續相中的分散狀態，會影響混合相的粘度，進而影響多相管流中的流體運動狀態，因此，明確油水分散流體中粒徑的分布有利于多相管流的設計與管理。同時，油滴粒徑的分布，對后續油水的分離處理也有直接影響[1]。隨著環保要求的提高，對油水分離等相關技術有了新的需求，目前國內研究主要有重力沉降罐、水力旋流分離器、新型管道式油水分離技術等，有了一定成果，如何提高設備的分離效率依然面臨巨大挑戰[2]。

截止目前，國內外研究者對油水兩相分散流的液滴粒徑分布規律進行了實驗和理論研究，基于研究成果，形成了用于分析油滴破裂與聚并的模型，例如Coulaloglou-Tavlarides模型、Luo模型等。然后，通過將油滴破裂與聚并模型與流場模型相結合，從而實現對油滴粒徑分布的預測。但是，這些模型只在一定范圍內有較高的精度，其應用范圍有限，通用性較差。因此，有必要結合最新的實驗測試手段和方法，從微觀角度對油滴粒徑的大小和分布進行研究。這樣系統研究分散油滴粒徑特征、分布規律和影響因素，可以加深對水包油型分散流的相分布結構及其變化的認識，提高對兩相流動現象及過程的預測能力具有重要的意義。同時，對石油化工等工業過程中多相混輸管線的設計及其安全運行，提高油水分離、污水處理效率也具有重要的現實意義[3]。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所采用的油品性質如下：密度為0.86 g/cm3，其石蠟含量為2.35%(m/m)，膠質含量為10.13%(m/m)，瀝青質含量為1.23%(m/m)，硫含量為0.04%(m/m)。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由IKA RW20攪拌器、恒溫水浴、激光粒度儀等儀器組成。

1.3 乳狀液的配置

量取100 mg/kg的乳化劑Tween 80溶于水中，并利用IKA RW20攪拌器進行配置，攪拌轉速為1200 r/min，通過恒溫水浴控制油水混合溫度為40 ℃，攪拌時長為15 min，形成穩定水包油乳狀液。利用激光粒度儀觀測油滴分布形式，通過統計計算獲得油滴粒徑大小及其分布規律。

2 影響因素

2.1 含油率的影響

將含油量分別為5%、10%、15%的油水混合物，在溫度為40 ℃，攪拌槳以1200 r/min的轉速攪拌15 min，形成三種水包油型乳狀液，通過激光粒度儀觀測油滴分布，得到粒徑大小與粒徑分布的關系規律，如圖1所示。

圖1 含油率與粒徑大小及分布的關系

由圖1可知，水包油乳狀液中油滴粒徑分布在一定范圍內呈單峰分布，且峰值隨含油率增高呈增大的變化趨勢。當含油率5%時，油滴平均粒徑29.91 μm；含油率10%時，油滴平均粒徑31.74 μm；當含油率15%時，油滴平均粒徑33.81 μm。這是因為當含油率增加時，油相體積分數增加，乳狀液中油滴數目也增多，油滴發生碰撞的概率提高，使得乳狀液中的油滴更容易發生聚并[4]。因此，隨著含油率的提高，油滴平均粒徑呈現出增大的趨勢。

2.2 攪拌轉速的影響

在溫度為40 ℃時，含油率為5%時，攪拌槳以1200 r/min旋轉15 min后，形成了初始液滴分布狀態，再改變攪拌轉速(1400 r/min，1600 r/min，1800 r/min)，攪拌10 min形成三種水包油乳狀液，由此獲得的不同攪拌速度下的油滴粒徑分布情況如圖2所示。

圖2 攪拌轉速與粒徑大小及分布的關系

由圖2可知，當攪拌轉速1400 r/min油滴平均粒徑大小26.8 μm，當攪拌轉速1600 r/min油滴平均粒徑大小23.8 μm，當攪拌轉速1800 r/min油滴平均粒徑大小22.1 μm。由此可知，攪拌轉速越大，所得乳狀液油滴平均直徑越小。這是因為攪拌轉速的大小關系到攪拌器輸入能量的多少，從而影響乳狀液中液滴的破碎。依據Weber數的定義可知，在剪切場中，液滴穩定狀態下的最大直徑與攪拌剪切呈反比關系[5]。換言之，當攪拌轉速越高，液滴所受剪切應力越大，得到的油滴平均直徑越小。

2.3 溫度的影響

在溫度為40 ℃時，含油率為5%時，攪拌槳以1200 r/min旋轉15 min后，形成了初始液滴分布狀態，再改變攪拌溫度分別為45 ℃、55 ℃、60 ℃，攪拌10 min后得到三種水包油型乳狀液，通過觀察統計獲得由于乳狀液在不同溫度下的油滴粒徑分布情況。

圖3 溫度與粒徑分布及大小的關系

由圖3可知，當攪拌溫度為45 ℃時，油滴平均粒徑大小27.74 μm，當攪拌溫度為55 ℃時，油滴平均粒徑大小26.2 μm，當攪拌溫度為60 ℃時，油滴平均粒徑大小25.06 μm。由此可以發現：攪拌溫度越高，油滴平均直徑減小。這是因為改變溫度，會引起原油物性的改變，包括油水界面張力、油品粘度等。當溫度升高時，油水兩相之間的界面張力升高，油品粘度逐漸減小。粘性力會阻礙液滴的變形，進而影響攪拌時乳狀液中液滴的破碎過程[6]。當原油粘度較大時，油滴不容易變形，這就會增大油滴分散到連續相中的難度。因而當原油粘度減小時，在一定轉速下，油滴能更容易被剪切形成穩定乳狀液。

3 結 論

本文利用激光粒度儀觀測了不同條件下制備的原油水包油型乳狀液的微觀結構，研究了含油率、攪拌轉速、溫度對油滴粒徑大小及分布的影響，通過處理統計得到了不同條件下油滴粒徑分布的規律。具體結論如下：

(1)一定轉速與溫度下，水包油型乳狀液粒徑在一定范圍內呈單峰分布。隨著含油率增加粒徑直徑呈增大趨勢。

(2)一定溫度與含油率下，隨著攪拌轉速的增加粒徑直徑呈減小的趨勢。

(3)一定轉速與含油率下，油滴平均直徑隨溫度升高減小。

因此，基于含油率、轉速、溫度等對油滴粒徑分布的影響的分析，為后續建立新的液滴粒徑分布預測模型、優化油水兩相分散流動模型奠定了基礎。并且，研究結果可以用于預測在實際油田開采中水包油型分散體系的分布規律，為原油分離、凈化等工序提供參考及幫助，能有效提高原油的脫水率，同時能夠保障長輸過程的安全性等。