油包水乳状液在圆柱电极聚结器中的分离特性研究

吕宇玲, 何利民, 罗小明, 何兆洋

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266555)

油包水乳状液在圆柱电极聚结器中的分离特性研究

吕宇玲, 何利民, 罗小明, 何兆洋

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266555)

设计制作了一种带有绝缘层的圆柱电极静电聚结器,油包水乳状液流过电极,在电场力的作用下水滴聚结,经重力沉降达到油水分离的目的。通过室内实验,分析了油包水乳状液在这种电极作用下的油水分离特性,研究了圆柱电极的直径、长度和电场强度、含水率等因素对分离效率的影响。研究表明,在不发生电分散情况下,电场强度越大,油水乳状液在聚结器中的分离效率也越高;分离效率受电极作用时间和液滴间静电力的共同影响,在含水较低时,油包水乳状液中液滴间静电力小,电极作用时间的影响起主导作用,电极停留时间越长,分离效率越高;含水率升高,油包水乳状液中液滴间静电力增大,电极作用时间的影响作用减小,液滴间的静电力影响作用增大,液滴间静电力越大,分离效率越高。利用高速微观摄像系统拍摄并观察到聚结器出口液滴粒径比进口粒径明显增大,即圆柱电极静电聚结器对柴油-水乳状液具有良好的聚结效果。

油水乳状液; 聚结器; 圆柱电极; 分离效率

油水乳状液是十分复杂的分散体系,以W/O型乳状液为主,原油破乳对原油开采、运输及加工十分重要[1],油包水乳状液在电场作用下破乳分离的方法已在石油工业中应用多年,把高强电场施加于流动的乳状液,增加分散水滴的碰撞和聚结,可促使油包水乳状液分离[2]。目前我国使用的都是传统的电脱水器,这种电脱水器使用的是裸电极,当油田开发进入中后期,随着含水率的增加以及各种采油添加剂的加入,这种裸电极很容易击穿,而造成脱水器无法正常工作,导致油中含水率太高不能满足原油外输的要求。本文研究了一种带有绝缘层的圆柱电极,这种电极避免了传统电极的击穿等问题,油水乳状液流过电极,在电场力作用下水滴发生碰撞聚结[3],聚结成为大液滴后沉降[4],从而达到油水分离的目的。

1 试验系统及方法

油水乳状液聚结实验装置由离心泵、流量计、圆柱电极静电聚结器、乳状液搅拌罐、高压电源、变压器等设备组成,整个装置流程如图1所示。

Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup图1 实验装置流程图

实验用柴油和水在乳状液搅拌罐1中进行高速搅拌,制备成油水乳状液。乳状液经过离心泵2和出口阀后,一路经涡轮流量计流向圆柱电极聚结器5,另一路回流到乳状液搅拌罐。聚结器圆柱电极接高压电源10,乳状液在电极环道中流过,受到电场的作用,乳状液中的水滴发生聚结。聚结后的乳状液流回沉降罐6,沉降后油水分离。在聚结器的进口处和出口处,分别设有取样阀9,取样分析油水分离效率。绝缘电极与聚结器外壳之间组成流道,外壳内嵌静电聚结器的接地电极。电极构造如图2所示。

Fig.2 Electrode structure schematic drawing of cylindrical electrode electrostatic coalescer图2 圆柱电极静电聚结器结构示意图

实验过程采用了4种自制电极:φ75-60、φ63-60、φ50-60、φ50-40(注:φ75-60中 φ75表示内电极的外直径为75 mm,60表示电极的长度为60 cm,依此类推)。实验中分别配制含水率为10%、2 0%、30%柴油-水乳状液,实验电压为2 000～8 000 V,实验流量分别为2～10 L/min,实验温度为25℃,实验管路的压力为0.3 MPa。

通过调压器和升压器调节电压,采用调节阀调节流量,分别在不同流量、不同电压下取样,利用高速微观摄像系统观察并拍摄进出口液滴的大小。同时在沉降罐油出口取样,用蒸馏法测得脱水后的油中含水率,以确定静电聚结器对油水乳状液的分离效果,实验中没有发生电分散现象。

2 油水乳状液聚结分离理论

2.1 液滴的聚结

交流电场是原油电脱水中最为常用的电场形式[5-6],在交流电场作用下,液滴的聚结以偶极聚结为主,两个相似球形微粒(液滴)间偶极聚结而产生的静电力 F的表达式为[7]:

式中:ε为原油乳化液的介电常数;E为外加电场的电场强度,V/m;d为两液滴间距离,m;r为液滴半径,m。

由公式(1)可知,液滴间的静电力受以上因素的影响,外加电场的电场强度越强、两液滴间距离越小、液滴粒径越大,液滴间静电力越大。

2.2 液滴的沉降

液滴在乳状液中的沉降速度遵循Stokes公式:

式中:v为水滴的沉降速度,m/s;d为水滴直径,m; ρw为水的密度,kg/m3;ρo油相的密度,kg/m3;g重力加速度,m/s2;μ油相的动力粘度,Pa·s。

由公式(2)可知,沉降速度与液滴大小的平方成比例,在相分离之前使较小液滴聚结为大液滴是很重要的[8-9]。液滴粒径越大,水、油相的密度差越大,油相粘度越小,沉降速度越快。

2.3 油水分离特性

用分离效率η表示:

式中:η为分离效率,%;V1为乳状液中水相总体积,mL;V2为沉降出的水体积,mL。

分离效率与液滴的聚结静电力和沉降速度等因素有关,液滴间静电力越大、沉降速度越快,分离效率越高。而电极形式、尺寸、乳状液在电极中的作用时间等因素影响分离效率,主要通过实验,研究圆柱电极结构的分离特性。

3 油水乳状液聚结分离特性

3.1 电极直径、电场强度对分离效率的影响

实验中电压范围2 000～8 000 V,即电场强度的范围为333.3～2 285.7 V/cm,油水乳状液流量为2 L/min,研究不同直径的电极在不同含水率的情况下电场强度与分离效率的关系。实验结果如图3所示。

图3(a、b、c)分别是含水率10%、20%和30%不同直径电极的分离效率与电场强度的关系。从图3中可以看出,不同含水率、不同电极直径和不同电场强度情况下,分离效率的变化,具体分析如下。

3.1.1 电场强度对分离效率的影响 从图3中可以看出,在任何含水率和电极尺寸情况下,随着电场强度的增大,分离效率增大。原因在于随着电场强度的增大,两液滴间的静电力增大,水滴聚结增强,沉降速度增大,油水乳状液的分离效率也提高。

Fig.3 Separation efficiency and electric field intensity relational graph图3 电极的分离效率与电场强度的关系

3.1.2 圆柱电极直径对分离效率的影响 含水率为10%时,φ50-60的电极的分离效率较φ63-60、φ75-60的分离效率高,即在较低含水率时,电极直径越小分离效率越高;但是随着含水率的增加,电极直径与分离效率的关系比较复杂,直径较大电极的分离效率有增高的趋势。比如含水率为30%的乳状液,3个不同直径的电极中,φ75-60的电极分离效率最高。其原因是分离效率与微滴间的静电力(与介电常数、场强、液滴间距、液滴直径等有关)和电极作用时间等因素有关。电极作用时间(即油水乳状液在电极中的停留时间)越长,分离效率越高。实验中外电极(即外壳)直径不变,内电极直径越小,电极间距越大,环形流通面积越大,电极长度相同时,内电极直径越小,乳状液停留时间越长,因此φ50-60、φ63-60、φ75-60的电极作用时间依次减小;φ50-60、φ63-60、φ75-60的电极极板间距依次减小,静电力依次增大。含水较低时,液滴粒径小,液滴间距大,液滴间静电力小,电极作用时间起主导作用,所以φ50-60的电极的分离效率高;而含水率较高时,液滴间静电力大,静电力起主导作用,因此含水率30%时,φ75-60的分离效率高。而对于含水率20%的情况,电极作用时间和静电力等因素的影响幅度介于两种电极之间,各电极的分离效率都不高。因此,对于处理含水率较低的乳状液采用增大电极停留时间,对于处理含水率较高的乳状液采用增大液滴间的静电力,可以更显著的提高分离效率。

3.2 圆柱电极长度对分离效率的影响

对应于不同的电极长度,电场对乳状液的作用时间不同。在相同的电压下,电场对乳状液的作用时间不同,分离效率也有很大的变化,如图4所示。

图4是10%、20%、30%含水率的乳状液在φ50 -40和φ50-60两个电极作用下,在相同流量6 L/ min,电压不同的情况下的分离效率的对比图。从图4中可以看出,对于单个电极,随着电压的增大,其分离效率呈递增的趋势,并且在相同条件下,φ50 -60电极的分离效率比 φ50-40电极的分离效率高。即电极直径相同,电极长度越长分离效率越高;含水率越低电极长度对分离效率的影响越大,随着含水率的增大,电极长度(电极停留时间)的影响减小。因此,对于处理低含水的乳状液,可以采用增大电极作用时间来提高分离效率,分离效果更显著。

4 液滴粒径分析

液滴粒径的大小是分离效率的直观反映,通过在聚结器出、入口取样,利用高速微观摄像系统观察并拍摄进出口液滴的大小,可估算液滴的平均粒径。图5是不同含水率的柴油-水乳状液,在流量为4 L/min、电压为6 000 V的情况下,通过电极为 φ63 -60的聚结器在出、入口取样粒径对比图。各图放大倍数都是40倍。表1是根据高速摄像仪拍摄的图片,并利用ImageJ软件,算出的聚结器出、入口的水滴的粒径。

Fig.4 Separation efficiency in different response time ofφ50 electrode图4 φ50电极不同电场作用时间下的分离效率

Fig.5 Particle size contrast chart of coalescer export and entrance under different w ater content图5 不同含水率聚结器出、入口粒径对比

从图5中看出乳状液经过聚结器后的水滴平均粒径明显增大,水滴颗粒的数目减少。这是因为乳状液中的小水滴在电场的作用下发生了聚结,形成大水滴,液滴颗粒越大,沉降速度越快。聚结器入口、出口取样的粒径的增长幅度越大,聚结器的聚结效果越好。

从表1中看出,油水乳状液在经过聚结器后,乳状液中水滴的粒径发生了明显的变化,含水率为10%乳状液经过聚结器后粒径增大约为进口粒径的2倍,而含水率30%的乳状液的粒径增大了约2.5倍。粒径的增大提高了水滴碰撞的机率、增大了水滴的沉降速率,更有利于水滴的聚结。实验表明圆柱电极静电聚结器对柴油-水乳状液具有良好的聚结效果。

表1 聚结器出、入口粒径对比Table 1 Coalescer export and entrance particle size reference table

[1]甘琴容,张建,董守平.高频脉冲电场下乳状液中液滴运动行为研究[J].油气田地面工程,2006,25(1):5-6.

[2]冯叔初,郭揆常,王学敏.油气集输[M].山东:中国石油大学出版社,2002.

[3]Molla S H,Masliyah JH,Bhattacharjee S.Simulations of dielectrophoretic membrane filtration process for removal of water droplets from water-in-oil emulsions[J].Journal of colloid and interfaces science,2005,287:338-350.

[4]Ichikawa Tsuneki,Keisuke Itoh,Yamamoto Shige-ki,et al.Rapid demulsification of dense oil-in-water emulsion by low external electric field I:experimental evidence[J].Colloids and surfaces A:physico—chem engineering aspects,2004, 242:21-26.

[5]John S E,Ghadiri M.Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil:a review of the technology[J].Chemical engineering journal,2002,85:357-368.

[6]Urdahl O,Williams T.Electrostatic destabilization of water-in—oil emulsions under conditions of turbulent flow[J].Transac—tions of the institution of chemical,1996,74:158-165.

[7]张黎明,何利民.绝缘紧凑型电破乳器中液滴聚结特性研究[J].中国石油大学学报:自然科学版,2007,31(6):82-86.

[8]John S E,Ghadiri M,Sharif A O,et al.Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil:a review of the current understanding[J].Chemical engineering journal,2001,84:173-192.

[9]李洪敏,娄世松.聚结—气浮法处理含油污水[J].辽宁石油化工大学学报,2009,29(4):1-3.

(Ed.:WYX,Z)

Investigation on the Separation Characteristics of W/O Emulsion in the Cylinder-Electrode Coalescer

LÜYu-ling,HE Li-min,LUO Xiao-ming,HE Zhao-yang
(School ofTransport&Storage and Civil Engineering,China University ofPetroleum, Qingdao S handong266555,P.R.China)

8April2010;revised27April2010;accepted5May2010

A new type of cylinder-electrode electrostatic coalescer with insulation was designed and developed.When the W/ O emulsion flowed through the electrodes,under the applied electrical field,the tiny water droplets coalesced into bigger droplets and then settled out to separate.With the laboratory experiments,W/O emulsion separation characteristics was investigated.The relationship among the electrode diameter and length,electrical field intensity and water cut was investigated.Also the influence of these parameters was analyzed.It is shown that,without the electrodispersion happening, the coalescer separation efficiency of water-in-oil emulsion increases as the electric field intensity increases.Also the separation efficiency is influenced by the affecting time of electric field and the electrostatic force between the droplets in the water-in-oil emulsion.When the water content is low,the influence of electric field affecting time plays an important role and it’s proved that the longer the electric field affecting time,the higher the separation efficiency.Under the condition of high water content,the influence of electric field affecting time decreases.When the electrostatic force between the droplets in the water-in-oil emulsion increases,the separation efficiency also turns higher.The high-speed camera was used to observe and record the droplets’size from the coalescer exit.It’s estimated that the droplets’size increased dramatically.Accordingly, the new cylinder-electrode electrostatic coalescer showed high efficiency in the separation of diesel oil/water emulsion.

W/O emulsion;Coalescer;Cylinder electrodes;Separation efficiency

.Tel.:+86-546-8390736;fax:+86+532-86981822;e-mail:lyl8391811@163.com

O359

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.015

2010-04-08

吕宇玲(1971-),女,山东东营市,副教授,博士研究生。

国家科技重大专项资助课题子课题(2008ZX05026-004-05)。

1006-396X(2010)02-0053-05