柱状旋流电脱水器分离性能实验研究

胡康，何利民，张鑫儒，王皓(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛266555)

柱状旋流电脱水器分离性能实验研究

胡康，何利民，张鑫儒，王皓
(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛266555)

三相分离器与电脱水器常见于原油处理环节，这类设备体积庞大、处理效率低。通常电脱水器还要求入口乳状液含水率不能超过30%。为了解决这些问题，设计并制作了一种柱状旋流电脱水器，该电脱水器结构紧凑，分离效果好，能处理含水率高于30%的乳状液。针对该电脱水器的聚结特性与分离特性进行了实验研究。结果表明，该电脱水器在处理含水率20%、40%的乳状液时，液滴增大倍数最高，分别可达5．6、4．5倍;场强为356．44 kV/m时，分离效率可以达到75%;适当增大乳状液在聚结段的停留时间，液滴平均粒径增大，分离效率大幅提高。

乳状液;柱状旋流电脱水器;聚结特性;分离特性

液-液旋流分离器［1-3］广泛应用于油田生产中。这类设备最大的优点是结构简单、没有活动部件、体积小、处理效率高，能够处理高含水率原油［4］。静电聚结技术［5］的基本原理是将流动的乳状液置于高压电场中，水滴在电场中受到电场力的作用而运动，运动过程中发生碰撞，界面膜融合，小水滴聚结成大水滴并沉降下来，从而加速了油水分离。但是，静电聚结技术通常只能处理含水率低于30%的原油，在处理高含水率原油时容易发生“垮电场”现象［6-7］，严重时会损坏电极，甚至破坏静电聚结设备［8］。本文设计了一套柱状旋流电脱水设备，结合了两种分离器的优点，有较好的处理效果。

1 柱状旋流电脱水器

柱状旋流电脱水器结构如图1所示。自下而上分别是水出口、旋流段、乳状液入口、静电聚结段、油出口。油包水乳状液从入口进入电脱水器，在旋流段内做绕轴旋转，密度较大的水相会被甩到近壁面附近，并从电脱水器底部的水出口排出电脱水器外;密度较小的油相聚集在电脱水器轴心位置，向上运动进入静电聚结段，并在电场的作用下油包水乳状液中的水滴聚结成大液滴，加速了水滴的沉降。

图1 柱状旋流电脱水器结构图Fig．1 Structure of cylindrical cyclone electric dehydrator

2 实验系统与实验方法

图2为柱状旋流电脱水实验系统。

图2 柱状旋流电脱水实验系统Fig．2 The experimental system of cylindrical cyclone electric dehydrator

2．1油品物性参数

40℃时，油品的物性参数见表1。

表1 油品物性参数Table 1 Oil physical property parameter table

2．2数据分析方法

2．2．1算术平均粒径通过图像分析法［9］，计算每组样品的算术平均粒径，作为不同样品的特征尺寸，用算术平均粒径进行粒径分析。算术平均粒径的计算方法:

式中，di是第i个液滴的直径，μm;n是液滴总数，n＞1 000。

2．2．2平均粒径增大倍数通过计算粒径放大倍数，来描述液滴粒径的增大情况:

式中，d1是未通电时液滴的平均粒径，μm;d2是通电时液滴的平均粒径，μm。

2．2．3采用分离效率η研究电脱水器分离性能:

式中，η是旋流段分离效率;ωin是电脱水器入口处油样含水率;ωout是电脱水器油出口处油样含水率。3个量均是无量纲量。

2．3实验步骤

(1)通过双螺杆泵，在线式乳化仪以及罐内搅拌器的共同作用下，制备性能稳定的乳状液。乳状液自入口管路进入电脱水器，并充满整个电脱水器。

(2)调节电脱水器油出口管路上的G2阀门，以及水出口管路上的G1、F3阀门，观察主管路与水出口管路上的质量流量计示数，调节溢油比为0．3［10］。

(3)调节泵上的变频器，使流量大致满足要求，再通过调节F1、F2阀门，使进入到电脱水器的流量达到实验要求。

(4)开启电源设备，调节电参数，并稳定运行2 min后取油出口乳状液拍摄照片，用于分析平均粒径。

(5)根据含水率的不同，适量取油出口处的乳状液，用于测试乳状液含水率。

(6)改变电场参数及流动参数，重复上述实验步骤。

3 液滴聚结特性研究

图3是40℃时乳状液在不同含水率、不同流量下，液滴的平均粒径随电场强度的变化。实验条件为温度40℃，波形正弦波，频率50 Hz。

图3 不同含水率下液滴粒径随电场强度变化Fig．3 Drop let size vs．E-field at different water content

由图3可以看出，50 Hz的正弦波交流电能够起到较强的液滴聚结效果。含水率为10%的乳状液在入口粒径为5μm左右，流量为1．10 L/min时，出口粒径可以达到16．22μm，且随着流量的增大，水滴粒径呈减小趋势。这是因为流量增大，乳状液在电场中的停留时间减少，部分液滴在电场力的作用下，还没有相互发生碰撞就排出了电脱水器所造成的。对比不同含水率下液滴的粒径分布曲线，可以发现，随着含水率的增加，经过电脱水器后的水滴粒径呈增大趋势。这是因为在低含水率情况下，水滴粒径更小，水滴间距更大，液滴间相互吸引力小，排液时间长造成的［11］。含水率为20%、流量为1．10 L/min时，可以看到电场强度为199．95 kV/m时，液滴粒径达到最大值29．66μm，继续增大电场强度，液滴粒径不增反降到27．65μm。这是因为当电场强度大于199．95 kV/m时，电场力大于油水界面张力，两种力的综合作用结果使大液滴被拉散分离成小液滴，形成所谓的“电分散”现象，造成聚结效果恶化。对比含水率为30%的场强与粒径关系，可以发现，当含水率为30%时，随着电场强度增加，液滴粒径呈增大趋势，即使液滴粒径很大，也没有出现“电分散”现象，这主要是因为含水率为30%的油水乳状液，相对介电常数更大，当施加相同电压时，电场更小，达不到发生“电分散”的场强，所以平均粒径随场强增大而持续增大。

图4是不同含水率下的乳状液液滴粒径与场强的关系。实验条件:温度40℃，流量1．10 L/min，波形正弦波，频率50 Hz。

图4 不同含水率下液滴粒径与场强的关系Fig．4 Droplet size vs．E-field at different water content

从图4中可以看出，当含水率低于15%时，液滴的平均粒径随着电场强度的增大而平稳增大;当含水率为20%、25%时，液滴粒径随着电场强度的增大迅速增大至一个最大值之后开始下降，说明此时出现了“电分散”现象;当含水率为30%、40%时，液滴粒径随着电场强度的增大迅速增大后趋于平稳，这主要是因为含水率高时，液滴的平均粒径大，间距小，而电场强度又不足以将已经聚结的液滴分散成小液滴，因而会出现这样的变化规律。

图5为不同含水率下的乳状液液滴粒径增大倍数随电压的变化。从图5中可以看出，含水率为5%、10%、15%、30%、40%的曲线变化规律比较相似，均随着电压增大而平稳上升，含水率为20%的乳状液液滴粒径增大倍数增速最快，且当含水率为20%、25%，电极电压为8 kV时，液滴增大倍数达到最大，再增加电压，液滴增大倍数下降，这是因为当电压为8 kV时，场强达到“临界场强”，继续增大电场强度会导致“电分散”现象发生。含水率20%、40%的乳状液在电极电压为8 kV时，液滴粒径增大倍数达到最大，分别为5．6倍和4．5倍。

图5 不同含水率下液滴粒径增大倍数随电压的变化Fig．5 Droplet sizemultiplication factor vs．voltage at different water content

4 油水分离特性研究

为了研究聚结段对分离效率的影响，取油出口处乳状液，放入离心管内，并静置3 h后，取离心管内上层乳状液进行蒸馏。

4．1电场强度对分离性能的影响

图6是乳状液在不同电场强度下，油出口乳状液静置3 h处理并取上层，其含水率的变化曲线及分离效率曲线。实验条件:温度40℃，含水率10%，流量1．10 L/min，波形为正弦波，频率50 Hz。

图6 经沉降后油出口含水率、分离效率随电场强度变化Fig．6 Separation efficiency，exports water content vs．E-field after gravity setting

由图6可以看出，在未加电的情况下，油出口处乳状液的含水率为7．5%，随着电场强度增大，乳状液的含水率降低，当电场强度为356．44 kV/m时，含水率降至2．3%，这是因为随着电场强度增大，乳状液中水滴粒径增大，根据Stokes公式，沉降相同时间，水滴平均粒径更大的乳状液会沉降出更多的水，因而含水率更低。在未通电的情况下，乳状液的分离效率仅为20%，而电场强度为356．44 kV/m时，分离效率可以达到75%，因而在场强达到临界场强之前，增大场强更有利于油水分离。

4．2停留时间对分离性能的影响

图7是不同流量下，油出口含水率的变化曲线以及分离效率的变化曲线。实验条件:温度40℃，含水率10%，正弦波，频率50 Hz，电场强度213．86 kV/m。

图7 经沉降后油出口含水率、分离效率随流量变化Fig．7 Separation efficiency，exportswater content vs．flow rate after gravity setting

从图7中可看出，相同场强条件下，流量增大，停留时间减小，油出口乳状液的含水率增高，分离效率降低，当流量为4．23 L/min时，油出口含水率为4．50%，分离效率仅为42%;流量为1．10 L/min时，油出口含水率降至3．27%，分离效率提升至65%。说明停留时间对油水乳状液的分离有很大的影响［12］，当停留时间短，液滴在聚结段内的聚结效果较差，粒径提升不明显，导致后续沉降效果差，分离效率低。

5 结论

针对柱状旋流电脱水器的聚结特性与分离特性进行了研究，得到以下结论:

(1)该电脱水器在处理轻质油时，当流量是1．10 L/min、含水率20%时的临界电场强度为199．95 kV/m。当电场强度超过临界电场强度时，随着场强增大，水滴平均粒径减小，发生了“电分散”现象。

(2)电脱水器在处理含水率20%的乳状液时，液滴的聚结效果最好。含水率20%的乳状液液滴粒径增大倍数增速最快，并且当电压达到8 kV时，液滴平均粒径增大倍数达到5．6;处理40%乳状液时，液滴粒径增大倍数最高可以达到4．5。

(3)入口含水率为10%的乳状液，油出口处乳状液在沉降3 h的情况下:未通电时含水率为7．5%，分离效率仅为20%;而当电场强度为356．44 kV/m时，含水率降至2．3%，分离效率达到75%，并且分离效率随着电场强度的增加而提高。

(4)减小乳状液的流量，增加乳状液在电场中的停留时间，水滴粒径增大，分离效率增加，经过沉降后的含水率降低幅度更大。

［1］冯叔初，郭揆常．油气集输与矿场加工［M］．东营:中国石油大学出版社，2006．

［2］John H．Computing andmeasuring the flowfield in a de-oiling hydrocyclone［D］．Southampton:University of Southampton，1990．

［3］王志斌，陈文梅，褚良银，等．旋流器流场和结构对分离性能影响的研究进展［J］．过滤与分离，2004，14(3):1-3．Wang Zhibin，Chen wenmei，Chu Liangyin，et al．Research progress about the effect of the flow field and the structure of hydrocyclones on their performance［J］．Journal of Filter＆Separator，2004，14(3):1-3．

［4］熊伟．圆柱形水力旋流器筛分纸浆纤维的实验研究［D］．天津:天津科技大学，2004．

［5］陈家庆，常俊英，王晓轩，等．原油脱水用紧凑型静电预聚结技术(一)［J］．石油机械，2008，36(12):75-80．Chen Jiaqing，Chang Junying，Wang Xiaoxuan，etal．Compactelectrostatic pre-coalescence technology for crude oil dehydration (1)［J］．China Petroleum Machinery，2008，36(12):75-80．

［6］Nishiwaki T，Adachi K，Kotaka T．Deformation of viscous droplets in an electric field:poly(propylene oxide)poly(dimethylsilone)systems［J］．Langmuir，1988，4:170-175．

［7］陈家庆，初庆东，张宝生．原油脱水用紧凑型静电预聚结技术(三)［J］．石油机械，2009，38(8):82-86．Chen Jiaqing，Chu Qingdong，Zhang Baosheng．Compact electrostatic pre-coalescence technology for crude oil dehydration(3)［J］．China Petroleum Machinery，2009，38(8):82-86．

［8］杨东海．电场作用下油包水乳状液聚结特性研究［D］．青岛:中国石油大学(华东)，2013．

［9］周云龙，李洪伟，宋均琪，等．垂直上升管中油-气-水三相流动态图像灰度波动信号的混沌特性分析［J］．石油学报(石油加工)，2009，25(4):600-606．Zhou Yunlong，Li Hongwei，Song Junqi，et al．Chaotic characteristic analysis of image gray signals of oil-air-water three-phase flow in vertical upward pipe［J］．Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section)，2009，25(4):600-606．

［10］Oropeza-Vazquez C，Afanador E，Gomez L，et al．Oil-water separation in a novel liquid-liquid cylindrical cyclone(LLCC) compact separator—Experiments and modeling［J］．Journal of Fluids Engineering，2003，126(4):1657-1671．

［11］田成坤，吕宇玲，何利民，等．新型静电聚结分离器油-水分离特性［J］．石油学报(石油加工)，2015，31(4):930-938．Tian Chengkun，Lv Yuling，He Limin，etal．Oil-water separation characteristics of new type electrostatic coalescence separator［J］．Acta Petrolei Sinica(Petroleum Processing Section)，2015，31(4):930-938．

［12］杨东海，何利民，罗小明，等．新型静电聚结器中水滴聚结特性研究［J］．高校化学工程学报，2012，26(2):222-227．Yand Donghai，He Limin，Luo Xiaoming，et al．Investigation on coalescence characteristics of water droplets in new type electrostatic coalescer［J］．Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2012，26(2):222-227．

(编辑王戬丽)

Investigation on Separation Characteristic of Cylindrical Cyclone Dehydrator

Hu Kang，He Limin，Zhang Xinru，Wang Hao
(Department of Storage and Transportation Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao Shandong 266555，China)

Three-phase separators and electric dehydrators have been used in oil production，but this type of equipment is bulky and inefficient，and usually requires that themoisture content of crude oil emulsions entering the electric dehydrator devices can’t exceed 30%．In order to solve this problem，this paper has designed and produced cylindrical cyclone electric dehydrator．This dehydrator has high processing efficiency and can handle the emulsion whichmoisture content is higher than 30%．This paper tests the coalescence and separation characteristics of the dehydrator，and the results show thatwhen the electric dehydrator treats the emulsion which moisture content is 20%and 40%，the highest droplets increase ratio can reach 5．6 and 4．5 times respectively;when the emulsion electric field intensity is 356．44 kV/m，the separation efficiency can reach 75%．Appropriate increase of the residence time of emulsion in the dehydrator，the average particle size of dropletswill increase，and the separation efficiency will be improved greatly．

Emulsion;Cylindrical cyclone dehydrator;Coalescence characteristics;Separation characteristics

TE624．1

A

10．3969/j．issn．1006-396X．2017．04．004

1006-396X(2017)04-0018-05

2017-03-31

2017-04-15

国家自然科学基金资助项目(515742737)。

胡康(1992-)，男，硕士，从事多相管流与油气田集输技术研究;E-mail:hukang_2010@163．com。

何利民(1962-)，男，博士，教授，从事多相管流与油气田集输技术研究;E-mail:helimin@upc．edu．cn。