高含水乳状液静电聚结脱水研究

余秀娟，彭松梓，崔新安，许志明

(1.中国石油大学(北京)化学工程学院，北京 102249;2.中国石化集团洛阳石油化工工程公司，河南洛阳 471003)

高含水乳状液静电聚结脱水研究

余秀娟1，彭松梓2，崔新安2，许志明1

(1.中国石油大学(北京)化学工程学院，北京 102249;2.中国石化集团洛阳石油化工工程公司，河南洛阳 471003)

随着原油重质化、劣质化、高含水时期的到来，原油静电聚结脱水出现了电弧及短路现象，造成静电聚结脱水电流增大，甚至造成变压器跳闸、烧损，致使常规电脱水器的稳定运行出现问题。为了解决这些问题，采用改性Teflon绝缘材料，通过热缩工艺制备复合电极。使用制备的复合电极进行了高含水乳状液静电聚结脱水研究，首先制备不同乳化状态乳状液并考察其脱水效果，然后采用不同含水量乳状液考察了静电聚结温度、停留时间、电压等因素对脱水效果的影响。结果表明，该复合电极对高含水乳状液静电聚结脱水不会产生电弧、短路等问题，并且有很好的脱水效果.对于40%含水量乳状液，当电压为1800 V，温度为80℃，停留时间10 min时，脱水效率可达85.8%。

乳状液 静电聚结 复合电极 脱水效率

随着原油开采进入中后期，原油重质化、劣质化趋势越来越明显，产生了复杂的脱水问题，包括高含量的悬浮物和导电有机物，高含水含盐等［1］。这些问题使常规电脱水器的极板间产生电弧及短路现象，造成电脱水电流增大，甚至造成变压器跳闸、烧损，致使常规电脱水器的稳定运行出现问题［2］。为解决这些问题，各国学者都努力在化学处理和脱水设备设计上进行创新。其中脱水器设计方面的改进主要集中在两个方面，一是静电场控制技术，主要是减少重质原油电导率和电弧放电趋势［3］;二是特殊的电极系统，主要采用复合绝缘材料，例如 fiberglass绝缘材料［4］、fiber-epoxy绝缘材料、含氟聚合物绝缘涂层［5］、Teflon材料［6-7］等。本文采用改性Teflon复合电极考察了不同乳化状态乳状液的静电聚结脱水情况，以及聚结温度、停留时间和电压等因素对静电聚结脱水效果的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料及设备

实验用油为鲁宁管输原油，其性质:ρ20=0.9110 g/cm3，υ40℃=137.5 mm2/s，υ50℃=81.99 mm2/s，υ80℃=25.70 mm2/s，API 度 =23.5，水的质量分数为0.25，酸值1.36 mgKOH/g。

实验用水为自来水。

实验设备:电脱盐脱水试验仪(洛阳高新开发区双阳仪器有限公司)，石油产品水分试验器(上海昌吉地质仪器有限公司)，FM200乳化机(Fluko Equipment Shanghai co.ltd)，电热鼓风干燥箱(天津市中环实验电炉有限公司)，显微系统(Nikon公司)，电子计价秤(航空航天部太行仪表厂)。

1.2 实验准备

乳状液配制:将原油和自来水按一定质量比混合，在室温、转速11 000 r/min条件下，用乳化机将其制备成不同含水量的乳状液。

复合电极制备:绝缘材料为改性Teflon绝缘管，规格Ф6.0 mm。将合适长度的Teflon绝缘管套在不锈钢裸电极上(裸电极规格Ф4.0 mm×110 mm)，底部用玻璃珠密封，在190～230℃下热缩30～60 min，即可得到实验用复合电极。热缩后的绝缘层厚度0.2 mm。

1.3 实验方法

静电聚结脱水方法:首先制备所需含水量的稳定乳状液，然后取该乳状液60 g至电脱水罐内，安装好复合电极，将电脱水罐放入电脱水实验仪内，在试验温度下预热10 min，当乳状液温度达到实验温度后，连接高压电源开始脱水实验，停留时间为5～30 min，实验结束后将电脱水罐取出，在室温下自然沉降冷却20 min，最后用移液管移取适量脱水后原油进行水含量分析(蒸馏法)。

显微分析方法:用显微系统拍摄原油乳状液100倍放大照片，利用形态学图像分析系统，分析分散相水滴的大小及分布。

1.4 效果评价

静电聚结脱水效率η用下式表示:

式中C1和C2分别为静电聚结脱水前后原油含水率，%。

2 实验结果及分析

2.1 乳化状态对静电聚结脱水效果的影响

乳状液制备研究时发现，当油水没有形成稳定的乳状液时，黏度比较低，随着剪切时间的延长，存在一个时间点，在该时间点黏度突然增大，形成稳定乳状液。

图1～3是30%含水率原油乳状液在该黏度转折时间点前后的显微照片(100倍)。其中图1是该黏度转折时间点前10 s停止乳化时的照片(以下称为乳状液1)，形成W/O型乳状液，水滴粒径基本处于0～40 μm。图2和3分别为该黏度转折时间点后30 s和90 s停止乳化时乳状液照片(以下称为乳状液2和3)，从图中可知基本形成了油包水、水包油复杂乳状液，水滴粒径基本在0～30 μm。

图1 乳状液1Fig.1 emulsion 1

图2 乳状液2Fig.2 Emulsion 2

图3 乳状液3Fig.3 Emulsion 3

在电场停留时间10 min，脱水温度80℃的条件下，考察了乳状液1，2和3分别在1 400 V，2 200 V和3 000 V下的静电聚结脱水效果，试验结果见图4。

图4乳化状态对脱水效率的影响Fig.4.The effect of dehydration efficiency by emulsified state

由上图可以看出，三种乳状液的脱水效率均随电压的增大而提高。当电压为1 400 V时，三种乳状液的脱水效率随乳化强度的增加而降低。当电压为2 200 V和3 000 V时，乳状液1的脱水效率明显高于乳状液2和3的脱水效率，而乳状液2和3的脱水效率差别不大。因为当电场强度较低时，水滴直径对水滴聚结力起着决定性影响，乳状液1的水滴粒径最大，因此脱水效果最好。随着电场强度增大，电场强度对聚结力的影响逐渐增大，乳状液2和3在水滴粒径方面的微小差别起不到决定作用，因此二者的聚结力基本相同，因此脱水效果也基本相同。这说明当电场强度足够时，过度乳化也不会导致脱水效果变差。

根据上述实验数据，以下实验任意含水量乳状液的制备均采用乳状液3的方法。

2.2 温度对静电聚结脱水效果的影响

采用20%，30%和40%三种不同含水量乳状液，在电压1 800 V，停留时间10 min的条件下，考察温度对原油乳状液脱水效率的影响，结果见图5。

图5 温度对脱水效率的影响Fig.5 The effect of dehydration efficiency by temperature

由图可知，三种不同含水量乳状液的脱水率均随着温度的升高而提高。这是由于温度增加，油水乳状液的黏度降低，分子热运动加快，乳状液中水滴碰撞聚结机会增多，使水滴聚结沉降加快。在相同温度下，高含水乳状液的脱水率比低含水乳状液高，因为两水滴之间的聚结力与水滴之间的间距成反比，高含水乳状液的水滴间距离比较大，所以脱水率也高。在低温时(40～50℃)，三种不同含水量乳状液脱水率差别比较大，但随着温度的增加，区别减小。温度从50℃升高到60℃，乳状液的黏度明显减小，水滴沉降速度加快，而60℃以上乳状液黏度减小程度缓和，随之水滴沉降速度增加平缓。

2.3 电场停留时间对静电聚结脱水效果的影响

采用20%，30%和40%三种不同含水量乳状液，在电压1 800 V，脱水温度为80℃的条件下，考察了停留时间对原油乳状液脱水效率的影响，如图6所示。

图6 停留时间对脱水效率的影响Fig.6 The effect of dehydration efficiency by resident time

由图可知，三种不同含水量乳状液的脱水效率均随停留时间的延长而提高。电场停留时间10 min后，三种不同含水量乳状液的脱水率已到达75%以上。相同停留时间下，30%和40%乳状液的脱水率区别不大，但都比20%含水量的高，当停留时间为30 min时，高含水乳状液的脱水率区别不大，因为含水量高的乳状液的水滴沉降需要一定的时间，所以时间足够长，脱水率差别就不明显。

2.4 电压对静电聚结脱水效果的影响

采用20%，30%和40%三种不同含水量乳状液，在电场停留时间10 min，脱水温度80℃的条件下，考察了电压对原油乳状液脱水效率的影响，如图7所示。

由图可知，三种不同含水量乳状液的脱水率均随电压的增加而增大。这是由于水是极性分子，当其处在电场中时，电场能驱动水分子有序运动，发生偶极聚结、电泳聚结和震荡聚结，使小水滴聚结成大水滴，然后沉降出来。水滴之间的聚结力与电场强度的平方成正比，所以随着电压的提高，电场的作用越来越大，水分子的运动也随之剧烈，脱水效率明显增大。相同电压下，高含水乳状液比低含水乳状液的脱水效率高。电压1000 V以下时，对20%、30%和40%含水量的乳状液脱水率增幅较大，但电压1000 V以上时，脱水率的增幅趋于减小。因为电压低时，电场对大水滴的聚结效果比较明显，而10 μm以下的水滴较难聚结。随着电压升高，对10 μm以下水滴聚结，电场开始明显发生作用。

图7 电压对脱水效率的影响Fig.7 The effect of dehydration efficiency by voltage

3 结论

(1)乳状液制备研究表明，在黏度转折时间点已经形成均匀稳定的乳状液，延长乳化剪切时间对乳状液状态没有影响。静电聚结脱水实验结果也表明不同乳化状态的稳定乳状液，在实验条件下，其脱水率均可达80%以上。

(2)改性Teflon复合电极对高含水乳状液具有很好的静电聚结脱水效果。对不同含水量的稳定乳状液，其静电聚结脱水效率随温度的升高而提高;随电压的升高而提高;随停留时间的延长而提高。对于40%含水量乳状液，当电压为1800 V，温度为80℃，停留时间10 min时，脱水效率可达85.8%。

［1］贾鹏林，娄世松，楚喜丽.原油电脱盐脱水技术{M}.北京:中国石化出版社，2010:41-46.

［2］徐培瑜，彭建萍.电脱过程电能损耗及金属极板绝缘改造［J］.油气田地面工程，2000，19(4):30-31.

［3］Kenneth W.Warren，New tools for heavy oil dehydration.SPE 78944，2002.

［4］Prestridge F L.Johnson B C.Distributed charge composition electrodes and desalting system. United States Patent No.4702815，Oct.27，1987.

［5］UrdahlO，Nordstad K，Berry P，et al·Development of a New，Compact Electrostatic Coalescer Concept·SPE 69196，SPE Production ＆ Facilities，February 2001:4-8.

［6］Wolff E A，Knutsen T L·Advanced electrostatic internals in the 1st stage separator enhance oil/water separation and reduce chemical consumption on the Troll Cplatform［C］·OTC 16321，presentation at the 2004 Offshore Technology Conference held in Houston，Texas，2004(5):3-6.

［7］张黎明，何利民.静电聚结器破乳机理分析与试验研究［J］. 石油天然气学报，2008，30(2):157-160.

Study on Dehydration of High－water Oil Emulsions by Electrostatic Coalescence

Yu Xiujuan1，Peng Songzi2，Cui Xin’an2，Xu Zhiming1
(1.College of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249;2.SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Luoyang，Henan 471003)

With crude oil becoming heavier，poorer and higher in water，the spark discharge，current shortcut etc occurred in the process of electrostatic coalescence dehydration of crude oil.These would cause the increase of dehydration current and trip of transformer，which would affect the stable normal running of electrostatic coalescence apparatus.To solve these problems，complex electrodes made from modified insulation Teflon materials by hot shrinkage method was applied.Dehydration of high－water oil emulsion by electrostatic coalescence using Teflon complex electrode was studied.Emulsions of different emulsification states were prepared and the dehydration efficiency was studied.The impacts of different factors such as electrostatic coalescence temperature，resident time and voltage on dehydration efficiency were studied by using oil emulsions with different water contents.The results show that the complex electrode will generate no spark discharge and cause no short circuit in electrostatic coalescence dehydration，and offered a good dehydration efficiency for high－water oil emulsion.When the temperature is 80 degree centigrade，the resident time is 10 minutes and the voltage is 1800 volt，the dehydration efficiency can reach 85.8%for oil emulsion with 40%water.

emulsion，electrostatic coalescence，complex electrode，dehydration efficiency

TP202

A

1007－015X(2012)03－0001－04

2012－02－ 14;修改稿收到日期:2012－04－28。

余秀娟，女，中国石油大学(北京)化学工程学院在读硕士研究生。E-mail:t-yuxj.lpec@sinopec.com

(编辑 王菁辉)