本站小編為你精心準備了高壓脈沖交流電場破乳脫水研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《過程工程學報》2015年第六期

摘要：

在測定老化油乳化液粘度溫度曲線、含水率反相點曲線的基礎上，采用靜態靜電聚結破乳實驗裝置研究了油水反相特性對電場破乳脫水效果的影響，使用自主搭建的動態破乳脫水特性快速評價裝置研究了高頻/高壓脈沖交流電場下電場強度和頻率對老化油乳化液破乳脫水效果的影響.結果表明，流花油田老化油反相點含水率約為40%，油水反相過程中乳化液粘度增加，電場破乳脫水難度增大；老化油乳化液含水率為30%時，最優電場強度1.25kV/cm、電場頻率2.5kHz下破乳后的離心脫水率為97.8%，遠高于工頻電場下的離心脫水率(4.2%)，高頻/高壓電場破乳比工頻/高壓電場破乳優勢明顯.

關鍵詞：

老化油；W/O型原油乳化液；乳化液反相；高頻/高壓脈沖交流電場；電場破乳；離心脫水

1前言

中海油流花油田的原油為高密度、高黏度、低硫、低蠟、低凝固、低溶解氣油比、欠飽和環烷基生物降解程度較高的重質原油，加上井液中攜帶了大量粒徑小、具有很強吸油性的礁灰巖粘土類泥砂，使原油易乳化且乳化液導電性較強，往往會導致動態電脫鹽器(Electro-dynamicDesalter,EDD)無法正常工作，產生了大量老化油[1].由于缺乏有效的處理措施，現場不得不將老化油放在南海勝利號污油艙中，定期轉運至煉油廠加工處理，往往因擠占大量艙容而導致壓產[2].國內外陸上或海上對油田老化油的處理已圍繞電場破乳、化學破乳、微波破乳、超聲波破乳、離心分離等開展了大量應用基礎研究，但迄今仍未有效解決[3,4].近年來研究[57]發現，高頻/高壓脈沖交流電場比傳統工頻電場更能有效增加液滴間的接觸碰撞幾率，同時液滴高頻振蕩有利于油水界面膜破碎，提升了脫水效率.高頻/高壓交流脈沖電場已逐步得到國內外認可，如美國Cameron集團推出了基于雙頻電場的原油電脫水(鹽)技術[8]，備受關注的緊湊型靜電聚結設備，如緊湊型靜電聚結器(CompactElectrostaticCoalescer,CEC)和容器內置式靜電聚結器(VesselInternalElectrostaticCoalescer,VIEC)也配套使用了高頻/高壓脈沖交流電源[9,10].國內以寧波大榭石化有限公司為代表的幾家石化企業曾對常減壓裝置前的配套電脫鹽系統進行了高頻技術改造，效率有所提升，但工作頻率僅為300Hz，且電壓波形的正負相態扭曲較嚴重[11].?？∮⒌萚12]對海洋油田原油乳化液高頻/高壓電場電脫水特性進行了研究，結果證明適當提高電場頻率能明顯增加電脫水效率.李銳鋒等[13]用高頻/高壓脈沖交流電源(頻率5005000Hz連續可調)對中原油田老化油乳化液開展了回摻電場破乳實驗研究，取得了較好的破乳脫水效果.但迄今為止，國內不僅尚未就不回摻狀態下高頻/高壓脈沖交流電場用于老化油破乳脫水進行研究，且電場破乳實驗全部在靜態條件下進行.靜電聚結過程中液滴最初相互靠近主要是由外部流體湍流所致[14,15]，因此靜態條件下電場破乳脫水實驗與連續動態破乳的實際工況相差較大.本工作對取自流花11-1油田的老化油樣品使用高頻/高壓脈沖交流電源破乳脫水，圍繞老化油粘度、溫度特性、乳化液油水反相點、靜態破乳脫水特性、動態破乳脫水特性等開展基礎研究.

2實驗

2.1實驗材料老化油取自南海流花11-1油田南海勝利號FPSO的3C艙，配制乳化液用水為現場生產水樣.在2000mL燒杯內按比例倒入1900mL老化油和水樣，置于70℃恒溫水浴內預熱5min.啟動高剪切分散機以19000r/min的轉速剪切油水混合物5min，同時用玻璃棒輔助攪拌.在70℃恒溫水浴中靜置5min.老化油和水均取自油田現場，含大量瀝青質/膠質等天然乳化劑，可保證配制乳化液的組分特性與現場基本一致.但由于剪切乳化條件遠高于油田現場，因此配制的乳化液具有更高的穩定性，破乳脫水難度更大，實驗結果也更有說服力.

2.2實驗裝置與分析儀器靜態靜電聚結破乳實驗裝置如圖1(a)所示，該實驗裝置為3層環形玻璃圓筒立式同心布局結構，原油乳化液裝在圖1(b)所示的錐底量筒(最大容積280mL)內，高壓電極棒浸沒其中；錐底量筒浸沒在與地線相連的靜態NaCl溶液中，在高壓電極棒與環形NaCl溶液間形成非均勻電場空間；最外層環形空間與恒溫水浴箱連接形成循環回路，使乳化液保持在實驗溫度.裝置頂部的有機玻璃蓋配合底部的凹槽對錐底量筒起定位作用，使其保持垂直狀態.裝置的全部圓筒都采用透明玻璃材質，便于隨時觀察乳化液在電場破乳過程中的沉降分離情況.

動態破乳脫水特性快速評價裝置流程如圖2所示.在快速評價裝置主體部分兩側的端蓋上分別澆鑄2塊相互連接的電極板，極板表面均用澆鑄環氧樹脂進行絕緣處理，2組極板交錯布置形成曲折的流動空間，左側端蓋上的極板與高壓放大器輸出端相連，右側端蓋上的極板與接地端子相連，形成近似均勻電場空間.裝置設計小型化，運行過程中循環1次所需乳化液最少為3L，設備主體采用有機玻璃材質，便于實時觀測內部的分離情況.老化油粘度測量使用HAAKERotoVisco1旋轉粘度計(德國HAAKE公司)，通過搭配不同的定子、轉子，測量0.11000000mPas范圍內復雜流體的粘度值；乳化液配制使用FLUKOFA25型高剪切分散機(德國FLUKO公司)，在1000028000r/min之間實現無級調速，單次最大處理量為5000mL；高壓電場由GWInstekFunctionGeneratorGFG-3015信號發生器(臺灣固緯電子有限公司)、TrekModel10/40A-HS電壓放大器(日本TREK公司)聯合提供，為乳化液施加不同電壓(1010000V)、不同頻率(10kHz15MHz)、不同波形的電場.用GWInstekOscilloscopeGOS-62020MHz示波器(臺灣固緯電子有限公司)實時監測電壓和電流，離心脫水使用ORTOALRESAdigtor-21c型離心機(西班牙ORTOALRESA公司)，最高轉速3000r/min、最高工作溫度100℃.

2.3實驗方法

2.3.1破乳脫水實驗用靜態靜電聚結破乳實驗裝置進行老化油乳化液油水反相特性實驗.取約80mL配制好的不同含水率的乳化液倒入錐底量筒內，插入高壓電極棒，設定好電場參數并接通電源.脫水過程中需實時觀察錐底量筒底部是否出現沉降水及油水界面的變化情況，待油水界面高度穩定后，切斷電源并記錄脫出水體積.用動態破乳脫水特性快速評價實驗裝置進行老化油乳化液的靜態聚結破乳實驗.將配制好的原油乳化液倒入供料罐中，接通加熱設備為乳化液提供熱源，使其穩定在70℃.打開球閥，用計量泵將乳化液以0.05L/s流速送至靜電聚結破乳裝置中(乳化液在電場中的停留時間約為20s)，接通高壓/高頻脈沖交流電源，將經電場聚結破乳的乳化液送至回收罐內儲存.用離心機專用圓底量筒在前取樣口取70mL乳化液作為對比試樣，1min后在后取樣口取70mL電場破乳后乳化液試樣.關閉電源，將2個樣品同時放入離心機內，按完全相同的運行參數[轉速1500r/min(等效重力加速度為528g)、溫度70℃]離心分離2min，分別記錄2個試樣內沉降出水體積.

2.3.2分析檢測方法靜態靜電聚結破乳實驗根據下式求最終脫水率在動態破乳脫水單因素實驗中，用離心機對乳化液離心脫水，通過對比電場破乳前后的離心脫水率評價不同參數下電場破乳效果，比水滴粒徑分析等常規評定方式，能從更加工程化的角度對電場破乳脫水效果做出評價，結果更具指導價值.實驗過程中分別記錄前取樣口和后取樣口所取試樣離心后脫出水體積，根據式(1)計算兩試樣的脫水率.

3結果與討論

3.1老化油乳化液的粘溫特性和油水反相特性分析溫度和含水率是影響原油乳化液流變特性的重要因素，通常情況下原油乳化液粘度隨溫度升高而下降.在發生油水反相前，隨含水率升高原油乳化液粘度增大，并逐漸由牛頓流體轉變成非牛頓流體，含水率增大到一定程度時乳化液中部分自由水析出使粘度開始下降，過高的粘度及過多的自由水均會對電場破乳造成不良影響[16].因此研究流花油田老化油乳化液在不同溫度下的粘度及含水率變化過程中油水的反相特性，對電場破乳脫水實驗研究有參考價值.圖3為不同含水率的老化油乳化液在不同溫度下的粘度、溫度曲線.由圖可看出，流花油田老化油乳化液的粘度對溫度和含水率均較敏感，隨溫度升高粘度下降，高含水率的老化油乳化液的粘度在相同溫度下都明顯高于含水率1%的老化油乳化液；不同含水率的老化油乳化液的粘度、溫度特性呈很好的規律性，低于60℃時粘度隨溫度升高快速下降，大于70℃后粘度隨溫度變化相對較平緩，不同含水率的老化油乳化液的粘度相差無幾.分散相水滴在運動過程中主要受連續油相對其施加的拖拽阻力。顯然，較大的粘度會使分散相水顆粒在電場作用下發生移動時受到較大的拖拽力，運動速度降低，破乳脫水難度增大.考慮到動態破乳脫水實驗中老化油乳化液的流動性應盡可能好，同時兼顧油氣集輸流程實際運行工況，實驗溫度設定為70℃.圖4為不同溫度下老化油乳化液的反相點關系曲線.乳化液發生反相前，隨含水率增加，W/O型乳化液中分散相水顆粒間的接觸碰撞機會增多，體系的非牛頓性增強，導致粘度增加，含水率約為40%時老化油乳化液的粘度達最大值.隨含水率進一步增加，大量分散相水顆粒相互接觸，導致乳化液界面張力增大，不穩定性增強，油水界面膜破碎后重新構造，形成復雜的O/W/O型(油包水包油型)或W/O/W型(水包油包水型)多重乳化液；含水率繼續增大時，乳化液中出現游離水，此時乳化液已從低含水率時的W/O型轉變為O/W型，該過程稱為乳化液反相，使乳化液發生反相的含水率為反相點.在實驗的剪切乳化條件下，流花老化油乳化液的反相點在含水率約40%，且隨溫度升高，乳化液反相點前后粘度變化幅度減小.適當升高溫度有助于減小含水率變化對乳化液粘度變化的影響，這與劉冰等[17]對普通原油的乳化液反相特性研究所得的結論基本一致.

3.2老化油乳化液的靜態聚結破乳特性圖5為靜態靜電聚結破乳實驗裝置橫截面，距離高壓電極中心距離R處的電場強度E可由下式近似計算.可見越靠近高壓電極電場強度越大.在均勻電場中，乳化液分散相水滴所受電場力主要包括偶極吸引力和電泳力，而在非均勻電場中，受電場感應形成的誘導偶極子還會受介電泳力的作用，3種受力具體形式如圖6所示，其中介電泳力可由下式求出.實驗中參數設定為：電壓均值2kV，電場頻率2500Hz，實驗溫度70℃.實驗過程中電場參數和剪切乳化條件不變，僅乳化液含水率變化對最終的脫水率有影響，結果如圖7所示.含水率較低時乳化液中水顆粒多為小粒徑球形水滴，能形成較穩定的W/O型乳化液.根據式(4)可知，在其他參數不變的條件下，水滴粒徑越小受到的介電泳力越小，發生碰撞聚結的可能性越低，最終增加了電場破乳脫水難度[18]，具體表現為含水率為10%時脫水率僅有35%；隨乳化液含水率逐漸升高，水顆粒增多、平均粒徑增大，在電場作用下更易發生碰撞聚結，含水率為30%時脫水率達92%.本實驗中在含水率為35%和40%時，電場破乳后脫水率明顯降低，與宋昭崢等[19]在反相乳化液體系穩定性研究中得出的乳化液穩定性隨油水比例的上升而增強、在油水體積比為1.5時穩定性最高的結論吻合.此時乳化液已成為含大量水包油顆?；蛴桶w粒的復雜多重乳化液，其結構穩定，不利于電場破乳脫水，含水率為40%時脫水率降低到83%；當含水率超過反相點40%后，老化油乳化液中已出現大量游離水，逐漸由低含水率時以W/O型乳化液為主轉變成以O/W型乳化液為主，隨含水率升高，脫水率持續增大，含水率60%時脫水率最高達98.5%.

3.3動態破乳脫水單因素實驗動態破乳脫水特性快速評價裝置中流動的原油乳化液基本處于均勻電場中，分散相水顆粒的聚結方式主要以偶極聚結和振蕩聚結為主，當相鄰2個液滴的間距大于液滴半徑時，液滴間的靜電力作用于液滴中心.圖8為均勻電場中誘導偶極子的受力模型，其中液滴所受徑向力Fr和切向力F可由下式近似求出：

3.3.1電場頻率保持含水率30%、電場強度1.25kV/cm不變，考察不同電場頻率(4.0,3.5,3,2.5,2,1.5,50Hz)對老化油乳化液破乳脫水效果的影響，根據實驗數據繪制離心脫水率與頻率關系曲線，如圖9所示.取樣口樣品(未經電場破乳處理)離心脫水后均無肉眼可見的水相析出，可知乳化液穩定.老化油乳化液經50Hz電場破乳后的離心脫水率僅有4.2%，隨電場頻率增加乳化液離心脫水率增大，當電場頻率達2.5kHz時離心脫水率達最大值97.8%；電場頻率繼續增大離心脫水率反而減小，電場頻率為4kHz時離心脫水率僅為41.7%，與電場頻率為1.5kHz的離心脫水率相同.根據式(5)和(6)可知，改變電場方向并不會影響2個水滴之間的偶極吸引力，但使極化水滴先中和內部的電荷再極化，使水滴在電極間振蕩往復，增大了碰撞聚結的可能性[20]；且隨交流脈沖電場方向改變，受電泳力的影響分散相水滴的形狀也發生周期性變化，促進油水界面膜破碎，當電場頻率接近乳化液中分散相水顆粒的固有頻率時，水滴振蕩幅度最大，原油乳化液處于最不穩定狀態，大量水顆粒碰撞聚結，導致水滴直徑變大而有利于離心脫水，靜電聚結破乳效果最優；當電場頻率偏離最優頻率時，液滴極化速度小于電場變化速度而發生松弛效應，若繼續增加電場頻率，水滴所受電場力減小，振蕩幅度減弱，靜電聚結破乳效果降低.Galina等[21]用挪威北海真實原油進行電流變學特性分析，結果顯示，電場頻率不同會影響乳化液的粘度，但未對不同頻率電場的破乳脫水效果做出評價.本實驗發現，老化油乳化液的電場破乳脫水，高頻電場破乳效果明顯優于傳統工頻電場，且電場頻率存在最優值.

3.3.2電場強度保持含水率30%、電場頻率2.5kHz不變，考察不同電場強度(0.42,0.83,1.25,1.67,2.08kV/cm)對原油乳化液破乳脫水效果的影響，根據實驗數據繪制老化油乳化液離心脫水率與電場強度關系曲線，如圖10所示.由圖可知，經0.42kV/cm的電場破乳離心后無沉降水析出，而電場強度為1.25kV/cm時的離心脫水率達最大值97.8%.對原油乳化液電場破乳，當有效電場強度低于分散相水滴發生碰撞聚結所需最小電場強度時，水滴所受偶極吸引力不足以克服運動過程中油相對其施加的拖拽阻力，此時分散相水滴間的碰撞聚結很難影響乳化液的穩定性；而當電場強度超過1.25kV/cm時，離心脫水率隨電場強度增大而逐漸減??；當電場強度達2.08kV/cm時脫水率減小到62.5%.分散相液滴發生變形有利于油水界面膜發生薄化以致失穩，促使接觸的液滴聚結，但對乳化液施加的電場強度過大時，分散相水滴在被過度拉伸后變為梭形，極限狀態下在錐形尖端發生頸縮形成二次液滴，稱為電分散現象[22,23].電分散不僅使已聚結的液滴在電場力的撕扯下重新破碎，且形成的二次液滴粒徑往往較小，從而增加了進一步電場破乳脫水的難度.實驗表明，流動狀態下，對于特定原油乳化液的電場破乳，電場強度存在最優值.

4結論

結合老化油粘溫特性分析，使用靜態靜電聚結破乳實驗裝置，對流花油田老化油乳化液在含水率變化過程中油水反相特性對電場破乳脫水的影響進行了研究，使用動態破乳脫水特性快速評價裝置，考察了電場強度、電場頻率對老化油乳化液破乳脫水性能的影響，得到結論如下：(1)在實驗溫度70℃、剪切轉速19000r/min、剪切時間5min的條件下，流花11-1油田老化油乳化液含水反相點為含水率40%，反相點處乳化液粘度達最大值.乳化液反相過程中因內部結構發生變化，乳化液穩定性增強，對靜態靜電聚結破乳脫水效果有不良影響.(2)電場破乳脫水過程中電場強度、電場頻率均存在最優值，超過最優值后，再增加電場強度與電場頻率均會導致離心脫水率降低.(3)乳化液含水率30%時的最優電場強度為1.25kV/cm，電場頻率為2.5kHz，該條件下2.5kHz電場的離心脫水率為50Hz電場的23.3倍.

參考文獻：

[1]謝日彬，李鋒.動態旋流器在海上采油平臺除泥砂的應用[J].廣東化工,2011,38(10):114116.

[2]任建松，李忠才，徐健，等.單煉流花原油的電脫鹽技術攻關[J].煉油技術與工程,2011,41(1):1013.

[3]李鋒，袁曉兵，駱雄.流花油田老化油超聲脫水工藝研究[J].廣東化工,2014,41(12):273274.

[4]王一荃，孔繁宇，汪忠寶，等.老化油離心分離技術在油田聯合站的應用[J].石油規劃設計,2015,26(2):3234.

[5]LiQ,ChenJQ,LiangM,etal.InvestigationofWaterSeparationfromWater-in-oilEmulsionUsingHigh-frequencyPulsedACElectricFieldbyNewEquipment[J].J.DispersionSci.Technol.,2015,36(7):918923.

[6]丁藝，陳家慶，?？∮ⅲ?高壓/高頻脈沖交流電場中W/O型乳化液的靜電聚結特性研究[J].高?；瘜W工程學報,2011,25(5):775780.

[7]沈瑋瑋，李銳鋒，陳家慶，等.高頻/高壓靜電聚結破乳評價方法及電場頻率篩選研究[J].高校化學工程學報,2014,28(4):812817.

[8]沈瑋瑋，陳家慶，胡成勇，等.原油脫水(鹽)用雙頻電場技術研發及應用[J].石油機械,2014,42(3):5660.

[9]OlsonMD,MenchacaAE,GraveEJ,etal.PerformanceTestingofanIn-lineElectrocoalescerDevicewithMediumandHeavyCrudes[A].OffshoreTechnologyConference25373[C].PresentationattheOffshoreTechnologyConferenceHeldinHouston,Texas,USA,2014.113.

[10]AhmetUA.OptimizationofthePWMSwitchingAlgorithmandtheOutputFilterofaFullBridgeZeroVoltagePWMSwitchingConverter[D].Gothenburg:ChalmersUniversityofTechnology,2007.2324.

[11]王紀剛，王龍祥，韋偉，等.高酸重質原油的電脫鹽技術選擇[J].煉油技術與工程,2012,42(2):3134.

[12]?？∮ⅲ惣覒c，李銳鋒，等.海洋油田原油乳化液高頻/高壓交流電脫水實驗[J].石油學報(石油加工),2012,28(5):844850.

[13]李銳鋒，陳家慶，李風春，等.中原油田老化油回摻電破乳脫水[J].過程工程學報,2012,12(4):596601.

[14]WilliamsTJ,BaileyAG.ChangesintheSizeDistributionofaWater-in-oilEmulsionduetoElectricFieldInducedCoalescence[J].IEEETrans.Ind.Appl.,1986,22(3):536541.

[15]HarpurIG,WaythNJ,BaileyAG.DestabilizationofWater-in-oilEmulsionundertheInfluenceofanA.C.ElectricField:ExperimentalAssessmentofPerformance[J].Electrostatics,1997,40(2):135140.

[16]PielaK,DelfosR,OomsG,etal.OnthePhaseInversionProcessinanOilWaterPipeFlow[J].Int.J.MultiphaseFlow,2008,34(7):665677.

[17]劉冰，孫鐵民，黃曉麗，等.扶余油田原油乳化特性實驗技術研究[J].石油規劃設計,2006,17(1):2629.

[18]陳慶國，梁雯，宋春輝，等.脈沖電場強度及頻率對乳化液脫水的影響[J].化工學報,2014,65(11):44374443.

[19]宋昭崢，楊軍，周書宇.反相乳液體系制備及穩定性研究[J].石油化工高等學校學報,2012,25(5):4447.

[20]ErikSS,PavanM,GaryWS.ImprovedDesaltingofChallengingCrudeSlates[A].SocietyofPetroleumEngineers167376[C].PresentationattheSPEKuwaitOilandGasShowandConferenceHeldinMishref,Kuwait,2013.118.

[21]GalinaR,SerkanK,JohanS.ACFieldInducedDestabilizationofWater-in-oilEmulsionsBasedonNorthSeaAcidicCrudeOil[J].ColloidsSurf.A:Physicochem.Eng.Asp.,2014,44(8):6066.

[22]BararniaH,GanjiDD.BreakupandDeformationofaFallingDropletunderHighVoltageElectricField[J].Adv.PowderTechnol.,2013,24(1):992998.

[23]龔海峰，彭燁，張賢明，等.脈沖電場作用下界面張力對乳化油液滴變形振動的影響[J].石油學報(石油加工),2014,30(6):11011104.

作者：潘澤昊 陳家慶 張龍 李峰 王春升 謝日彬 李平 單位：北京石油化工學院機械工程學院 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 中海油研究總院技術研發中心