王永偉1,張　楊1,王奎升1,馮永訓2,張　建2,郭長會2 

    (1.北京化工大學,北京　100029;2.勝利工程設計咨詢有限公司,山東東營　257026) 

    摘要：闡述了一種新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置的設計和工作原理,提出整體設計方案和核心部件的結構形式。該裝置可以實現“一機多能”,開展不同破乳原理(離心場、脈沖電場、離心—脈沖電場)的實驗,主要部件(電極、控制堰)結構尺寸可更換,脈沖電源的頻率、脈寬、電壓以及轉鼓轉速、流量等操作參數可調,可以開展不同組分、不同性質(含水量、液滴粒徑等)乳狀液的破乳試驗。具有廣泛的適用性、良好的操作性和分離效果。 

    關鍵詞：脈沖電場;乳狀液;聯合破乳;破乳裝置;設計 

    中圖分類號：TH442　　　　文獻標識碼：A　　　　do:i 10. 3969/.j issn. 1005-0329. 2009. 09. 004 

    1　前言 

    隨著油田注水采油、三次采油等技術的推廣應用,采出液的乳化現象越來越嚴重,處理難度越來越大,生產中老化原油的破乳處理問題也非常突出。電破乳是油田廣泛采用的脫水方法[1~3],但是常規的電破乳與重力場一同進行破乳沉降分離,在處理這些乳狀液的時候,容易產生電短路與電分散,同時,還造成了復雜的第三相乳狀液的產生,已經不能很好的適應現有生產的需要[2~7]。第三相乳狀液是在油水界面由粒徑較小的水滴沉降堆積,而產生一種穩定的粘性很大的含水量在94%左右的海綿狀乳狀液,高壓電場對其不起作用,造成能耗較高且分離效果不理想。 

    面對常規電破乳方法存在諸多問題,一種新型的脈沖電場和離心場聯合破乳技術應運而生。該技術將脈沖電場破乳和離心沉降分離的優點結合起來,乳狀液在脈沖電場和離心力場的聯合作用下,能夠在短時間內完成破乳聚結過程和沉降過程,這不僅可解決脫水過程中產生的電短路和電分散現象,還可以避免第三相的產生,時間短,能耗少,具有很高的經濟效益。國內外對離心-脈沖電場聯合破乳技術的理論研究尚處于實驗探索階段,可知,離心-脈沖電場聯合作用下乳狀液比單獨使用靜電場或離心場的破乳效率要高。具有代表性的研究有:黃萬撫等學者研究了乳狀液旋流和脈沖靜電綜合力場對連續破乳的影響[8、9]。結果表明,在離心力和靜電力的共同作用下,加速了乳狀液的破乳過程,從而提高了破乳率,同時發現不同組成和性質的乳狀液存在不同的破乳臨界(最佳)電壓和臨界(最佳)頻率。 

    Bailes有關脈沖電場對原油乳狀液破乳方面的研究認為,最佳頻率時,液滴在電場峰值被完全極化,液滴間的力最大,有最大數量的碰撞,聚結顯著[10、12]。隨著施加電壓的增加,聚結效率趨于穩定,這必將存在電場強度、液滴大小、數量、最大聚結率、最小電能消耗的平衡點。毛宗強等學者對靜電場和離心力場聯合分離W /O(油包水)型乳狀液進行了理論和實驗分析[13、14]。從極化角度對外電場促使水滴聚結的原因給出了定量解釋;提出極化水滴“二分子”碰撞、聚結的假設,并闡述了極化水滴聚結的動力學過程。實驗結果表明,引入離心力場沉降分離可提高電破乳效率,有效避免第三相的產生。破乳電壓越高,離心轉速越大,其破乳率越高。 

    對于離心-脈沖電場聯合破乳的機理、影響破乳的主要參數和破乳規律、破乳裝置的設計理論等的研究尚未成熟,使得這一新技術很難在短期內實現工業化應用。因此,設計制造新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置展開實驗研究,并以此展開對離心-脈沖電場聯合破乳的機理進行系統性的理論研究就顯得尤為重要。 

    2　現有離心-脈沖電場破乳裝置 

    離心-脈沖電場破乳國內外具有代表性的實驗裝置有:黃萬撫等學者利用水力旋流器的原理加以改進,研制出了實驗裝置,采用帶有絕緣層的銅棒作為內電極(正極),位于中心部位,外部的負極用飽和的KCl溶液代替,可實現連續破乳[15]。該實驗裝置優點是結構簡單,容易制造,電場與離心力場聯合作用。不足之處是由于水力旋流器自身不含運動件,為了增大離心力就必須增大入口速度,但液體高速旋流所引起的剪切力、湍流脈動作用會造成水滴或油滴破碎,不利于乳狀液有效的破乳和分離。Bailes研制的破乳裝置由電機帶動轉鼓高速旋轉形成離心場,乳狀液在脈沖電場與離心力場聯合作用下破乳分離,采用與電源連接的電解質溶液作為內電極,位于轉鼓中心結構內,轉鼓外壁接地。乳狀液從頂部經轉鼓中心的絕緣管進入轉鼓底部,在脈沖電場和離心力場共同作用下破乳[16]。不足之處是結構較為復雜,尤其是轉鼓中心部分集進液管、電解液層、電源接線、出液口和輻射狀散液口于一體,對于制造、裝配和設備維護的要求比較高。毛宗強等學者研制的破乳裝置是將電破乳器和離心機的轉鼓整合在一個裝置中。乳狀液先經過電場破乳,再進入轉鼓,在離心力場作用下分離[17]。該裝置還可以通過增加多個平行電極,提高電破乳效果。不足之處是電場與離心力場分別作用,無法有效避免常規電破乳的存在的問題,不能反映電場與離心力場同時作用下的破乳情況。因此,在對現有的實驗裝置進行研究的基礎上,本文闡述一種新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置的設計和工作原理,提出整體設計方案和核心部件的結構形式。 

    3　新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置 

    3. 1　設計要求及依據 

    不同性質的乳狀液的破乳操作參數不同,破乳器的不同結構尺寸對破乳效果有不同的影響。設計新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置時要實現對離心-脈沖電場聯合破乳機理、影響破乳的主要參數和破乳規律的研究,必須具有廣泛的適用性,即可實現不同性質乳狀液的破乳試驗;主要部件結構具有可更換性,對破乳分離影響較大的主要零部件應能夠在不同結構尺寸之間更換;實現“一機多能”,該破乳裝置能夠分別實現不同破乳原理的實驗,即可分別進行離心破乳、脈沖電場破乳、離心-脈沖電場聯合破乳實驗;結構簡單,便于制造裝配和維護。 

    新型離心—脈沖電場破乳裝置是將脈沖電場和離心機結合起來,在設計過程中,電場的主要技術參數參照電脫水器的設計方法進行;離心機的主要技術參數參照離心機的設計理論進行。其中脈沖電場強度E為： 

               

     式中　U———脈沖電壓,kV 

    L———電極之間的距離,mm 

    可取實驗脈沖電場強度最大為1 kV/mm[9]。 

    電極長度H與待破乳液流量VP關系式為: 

    H=Vptp/A 

    式中　H———電極長度,m 

    Vp———待破乳狀液流量,m3/min 

    tp———破乳時間,min 

    A———轉鼓內的有效通過面積, 

                   

    可取破乳流量為0.0003m3/min,破乳時間為6 min[9]。 

    破乳率 

    ε=VW/VOW×100% 

    式中　VW———破乳后水相體積 

    VOW———原乳狀液中的水相體積破乳率可達到97.4%[15]。 

    3. 2　設計方案及工作原理 

    根據對國內外現有的破乳裝置的工作原理和工作特點的分析發現,目前國內外各大油田采用常規的電脫水法,技術比較成熟。脈沖電場破乳經實驗證明分離效率好于交流、直流破乳;離心沉降同樣也是一種有效的分離方法,離心機轉速高,具有較大的分離因數,適于處理液-液等難分離的物料。若將這兩種方法在同一套裝置中結合起來,可使原油乳狀液在離心-脈沖電場聯合作用下實現高效、節能、無污染的分離。因此,提出了新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置的設計方案,并已申報國家專利,如圖1所示。 

                  

                         圖1新型離心-脈沖電場破乳裝置設計方案示意 

    由圖1可知,一定流速的待破乳液從離心-脈沖電場破乳裝置下部乳狀液入口進入導液管向上流動,穿過管內部的電極定位墊片(如圖2所示)流經電極與連接法蘭的間隙和電極與導液管的間隙,從轉鼓底部的空心底軸進入轉鼓。乳狀液在旋轉的轉鼓帶動下隨之高速旋轉形成離心力場,同時由供電電源通過電纜加在電極上有電脈沖,并產生一定的脈沖電場。乳狀液在脈沖電場和離心力場的同時作用下,水相液滴不斷振動、碰撞、界面膜破裂、發生聚結。水滴相互接近結合在一起,液滴的粒徑增大。在強大的離心力作用下,油水兩相逐漸分離,分為內外兩層。水相被甩向轉鼓壁,而相對較輕的油相聚集在轉鼓中心。 

                      

    同時,在一定壓力的作用下,乳狀液液面不斷向上移動到達控制堰(如圖3所示)位置。在控制堰的作用下,已經分層的輕、重兩相液體分別進入不同的流道。水相受控制堰的阻擋,只能緊貼著轉鼓壁通過轉鼓壁和控制堰的間隙向上流動,最終由轉鼓上的出液孔甩出轉鼓,進入重液相集液盤;油相受控制堰的阻擋,只能聚集在轉鼓中央,由控制堰的中心流道向上流動,經轉鼓頂部的出液孔甩出轉鼓,進入輕液相集液盤。水相和油相進入輕、重液相集液盤后,分別經輕、重液相出口流入各自的收集容器中,完成油水分離。 

                       

    3. 3　結構特點 

    新型離心-脈沖電場破乳裝置可以實現“一機多能”,能夠分別實現不同破乳原理的實驗。當不接通脈沖電源,單獨讓電機帶動轉鼓旋轉,可以進行離心破乳實驗;當電機不工作,單獨接通脈沖電源,可以進行脈沖電場破乳實驗;當接通脈沖電源,電機帶動轉鼓旋轉時又可以進行離心-脈沖電場聯合破乳實驗。 

    該新型破乳裝置具有廣泛的適用性,可以開展不同破乳原理、不同性質的乳狀液破乳以及破乳器的不同結構尺寸、不同的破乳操作參數對破乳影響效果等多種類型的實驗。對于含水量、粘性、液滴粒徑等物性不同的乳狀液可以通過對脈沖電源的頻率、脈寬、電壓以及轉鼓轉速、流量等操作參數的調整來達到最佳破乳效果。同時,該裝置主要部件結構具有可更換性,對破乳分離影響較大的主要零部件可以更換不同結構尺寸。例如,更換不同長度的電極,就可以調整乳狀液所通過的脈沖電場作用區域大小;更換不同尺寸的控制堰,就可以更廣泛適應不同組分的乳狀液破乳等。 

    4　結語 

    新型離心-脈沖電場聯合破乳裝置的操作性能和分離效果優于國內外現有同類破乳裝置。與依靠重力沉降的常規電破乳方法和電破乳與離心分離分別作用的破乳方法相比,該裝置可實現脈沖電場與離心力場聯合作用,水滴在電場力和離心力的共同作用下聚結,破乳率高,破乳分離的速度明顯加快,能有效避免短路、電分散和第三相的產生,可實現連續破乳,生產效率高;與脈沖電場與旋流器結合的破乳裝置相比,該裝置由于離心機產生離心力場,離心機轉速高,液滴所受到的離心力大,分離因數遠遠大于水力旋流器,更適于粒徑和密度差較小的乳狀液分離。目前該裝置已完成了設計和制造,并開始室內試驗。 

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作者簡介:王永偉(1977-),男,碩士,主要從事流體機械和油水分離的研究,通訊地址: 100029北京市朝陽區北三環東路15號247信箱。