高压脉冲交流电场破乳脱水研究范文

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《过程工程学报》2015年第六期

摘要：

在测定老化油乳化液粘度温度曲线、含水率反相点曲线的基础上，采用静态静电聚结破乳实验装置研究了油水反相特性对电场破乳脱水效果的影响，使用自主搭建的动态破乳脱水特性快速评价装置研究了高频/高压脉冲交流电场下电场强度和频率对老化油乳化液破乳脱水效果的影响.结果表明，流花油田老化油反相点含水率约为40%，油水反相过程中乳化液粘度增加，电场破乳脱水难度增大；老化油乳化液含水率为30%时，最优电场强度1.25kV/cm、电场频率2.5kHz下破乳后的离心脱水率为97.8%，远高于工频电场下的离心脱水率(4.2%)，高频/高压电场破乳比工频/高压电场破乳优势明显.

关键词：

老化油；W/O型原油乳化液；乳化液反相；高频/高压脉冲交流电场；电场破乳；离心脱水

1前言

中海油流花油田的原油为高密度、高黏度、低硫、低蜡、低凝固、低溶解气油比、欠饱和环烷基生物降解程度较高的重质原油，加上井液中携带了大量粒径小、具有很强吸油性的礁灰岩粘土类泥砂，使原油易乳化且乳化液导电性较强，往往会导致动态电脱盐器(Electro-dynamicDesalter,EDD)无法正常工作，产生了大量老化油[1].由于缺乏有效的处理措施，现场不得不将老化油放在南海胜利号污油舱中，定期转运至炼油厂加工处理，往往因挤占大量舱容而导致压产[2].国内外陆上或海上对油田老化油的处理已围绕电场破乳、化学破乳、微波破乳、超声波破乳、离心分离等开展了大量应用基础研究，但迄今仍未有效解决[3,4].近年来研究[57]发现，高频/高压脉冲交流电场比传统工频电场更能有效增加液滴间的接触碰撞几率，同时液滴高频振荡有利于油水界面膜破碎，提升了脱水效率.高频/高压交流脉冲电场已逐步得到国内外认可，如美国Cameron集团推出了基于双频电场的原油电脱水(盐)技术[8]，备受关注的紧凑型静电聚结设备，如紧凑型静电聚结器(CompactElectrostaticCoalescer,CEC)和容器内置式静电聚结器(VesselInternalElectrostaticCoalescer,VIEC)也配套使用了高频/高压脉冲交流电源[9,10].国内以宁波大榭石化有限公司为代表的几家石化企业曾对常减压装置前的配套电脱盐系统进行了高频技术改造，效率有所提升，但工作频率仅为300Hz，且电压波形的正负相态扭曲较严重[11].常俊英等[12]对海洋油田原油乳化液高频/高压电场电脱水特性进行了研究，结果证明适当提高电场频率能明显增加电脱水效率.李锐锋等[13]用高频/高压脉冲交流电源(频率5005000Hz连续可调)对中原油田老化油乳化液开展了回掺电场破乳实验研究，取得了较好的破乳脱水效果.但迄今为止，国内不仅尚未就不回掺状态下高频/高压脉冲交流电场用于老化油破乳脱水进行研究，且电场破乳实验全部在静态条件下进行.静电聚结过程中液滴最初相互靠近主要是由外部流体湍流所致[14,15]，因此静态条件下电场破乳脱水实验与连续动态破乳的实际工况相差较大.本工作对取自流花11-1油田的老化油样品使用高频/高压脉冲交流电源破乳脱水，围绕老化油粘度、温度特性、乳化液油水反相点、静态破乳脱水特性、动态破乳脱水特性等开展基础研究.

2实验

2.1实验材料老化油取自南海流花11-1油田南海胜利号FPSO的3C舱，配制乳化液用水为现场生产水样.在2000mL烧杯内按比例倒入1900mL老化油和水样，置于70℃恒温水浴内预热5min.启动高剪切分散机以19000r/min的转速剪切油水混合物5min，同时用玻璃棒辅助搅拌.在70℃恒温水浴中静置5min.老化油和水均取自油田现场，含大量沥青质/胶质等天然乳化剂，可保证配制乳化液的组分特性与现场基本一致.但由于剪切乳化条件远高于油田现场，因此配制的乳化液具有更高的稳定性，破乳脱水难度更大，实验结果也更有说服力.

2.2实验装置与分析仪器静态静电聚结破乳实验装置如图1(a)所示，该实验装置为3层环形玻璃圆筒立式同心布局结构，原油乳化液装在图1(b)所示的锥底量筒(最大容积280mL)内，高压电极棒浸没其中；锥底量筒浸没在与地线相连的静态NaCl溶液中，在高压电极棒与环形NaCl溶液间形成非均匀电场空间；最外层环形空间与恒温水浴箱连接形成循环回路，使乳化液保持在实验温度.装置顶部的有机玻璃盖配合底部的凹槽对锥底量筒起定位作用，使其保持垂直状态.装置的全部圆筒都采用透明玻璃材质，便于随时观察乳化液在电场破乳过程中的沉降分离情况.

动态破乳脱水特性快速评价装置流程如图2所示.在快速评价装置主体部分两侧的端盖上分别浇铸2块相互连接的电极板，极板表面均用浇铸环氧树脂进行绝缘处理，2组极板交错布置形成曲折的流动空间，左侧端盖上的极板与高压放大器输出端相连，右侧端盖上的极板与接地端子相连，形成近似均匀电场空间.装置设计小型化，运行过程中循环1次所需乳化液最少为3L，设备主体采用有机玻璃材质，便于实时观测内部的分离情况.老化油粘度测量使用HAAKERotoVisco1旋转粘度计(德国HAAKE公司)，通过搭配不同的定子、转子，测量0.11000000mPas范围内复杂流体的粘度值；乳化液配制使用FLUKOFA25型高剪切分散机(德国FLUKO公司)，在1000028000r/min之间实现无级调速，单次最大处理量为5000mL；高压电场由GWInstekFunctionGeneratorGFG-3015信号发生器(台湾固纬电子有限公司)、TrekModel10/40A-HS电压放大器(日本TREK公司)联合提供，为乳化液施加不同电压(1010000V)、不同频率(10kHz15MHz)、不同波形的电场.用GWInstekOscilloscopeGOS-62020MHz示波器(台湾固纬电子有限公司)实时监测电压和电流，离心脱水使用ORTOALRESAdigtor-21c型离心机(西班牙ORTOALRESA公司)，最高转速3000r/min、最高工作温度100℃.

2.3实验方法

2.3.1破乳脱水实验用静态静电聚结破乳实验装置进行老化油乳化液油水反相特性实验.取约80mL配制好的不同含水率的乳化液倒入锥底量筒内，插入高压电极棒，设定好电场参数并接通电源.脱水过程中需实时观察锥底量筒底部是否出现沉降水及油水界面的变化情况，待油水界面高度稳定后，切断电源并记录脱出水体积.用动态破乳脱水特性快速评价实验装置进行老化油乳化液的静态聚结破乳实验.将配制好的原油乳化液倒入供料罐中，接通加热设备为乳化液提供热源，使其稳定在70℃.打开球阀，用计量泵将乳化液以0.05L/s流速送至静电聚结破乳装置中(乳化液在电场中的停留时间约为20s)，接通高压/高频脉冲交流电源，将经电场聚结破乳的乳化液送至回收罐内储存.用离心机专用圆底量筒在前取样口取70mL乳化液作为对比试样，1min后在后取样口取70mL电场破乳后乳化液试样.关闭电源，将2个样品同时放入离心机内，按完全相同的运行参数[转速1500r/min(等效重力加速度为528g)、温度70℃]离心分离2min，分别记录2个试样内沉降出水体积.

2.3.2分析检测方法静态静电聚结破乳实验根据下式求最终脱水率在动态破乳脱水单因素实验中，用离心机对乳化液离心脱水，通过对比电场破乳前后的离心脱水率评价不同参数下电场破乳效果，比水滴粒径分析等常规评定方式，能从更加工程化的角度对电场破乳脱水效果做出评价，结果更具指导价值.实验过程中分别记录前取样口和后取样口所取试样离心后脱出水体积，根据式(1)计算两试样的脱水率.

3结果与讨论

3.1老化油乳化液的粘温特性和油水反相特性分析温度和含水率是影响原油乳化液流变特性的重要因素，通常情况下原油乳化液粘度随温度升高而下降.在发生油水反相前，随含水率升高原油乳化液粘度增大，并逐渐由牛顿流体转变成非牛顿流体，含水率增大到一定程度时乳化液中部分自由水析出使粘度开始下降，过高的粘度及过多的自由水均会对电场破乳造成不良影响[16].因此研究流花油田老化油乳化液在不同温度下的粘度及含水率变化过程中油水的反相特性，对电场破乳脱水实验研究有参考价值.图3为不同含水率的老化油乳化液在不同温度下的粘度、温度曲线.由图可看出，流花油田老化油乳化液的粘度对温度和含水率均较敏感，随温度升高粘度下降，高含水率的老化油乳化液的粘度在相同温度下都明显高于含水率1%的老化油乳化液；不同含水率的老化油乳化液的粘度、温度特性呈很好的规律性，低于60℃时粘度随温度升高快速下降，大于70℃后粘度随温度变化相对较平缓，不同含水率的老化油乳化液的粘度相差无几.分散相水滴在运动过程中主要受连续油相对其施加的拖拽阻力。显然，较大的粘度会使分散相水颗粒在电场作用下发生移动时受到较大的拖拽力，运动速度降低，破乳脱水难度增大.考虑到动态破乳脱水实验中老化油乳化液的流动性应尽可能好，同时兼顾油气集输流程实际运行工况，实验温度设定为70℃.图4为不同温度下老化油乳化液的反相点关系曲线.乳化液发生反相前，随含水率增加，W/O型乳化液中分散相水颗粒间的接触碰撞机会增多，体系的非牛顿性增强，导致粘度增加，含水率约为40%时老化油乳化液的粘度达最大值.随含水率进一步增加，大量分散相水颗粒相互接触，导致乳化液界面张力增大，不稳定性增强，油水界面膜破碎后重新构造，形成复杂的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；含水率继续增大时，乳化液中出现游离水，此时乳化液已从低含水率时的W/O型转变为O/W型，该过程称为乳化液反相，使乳化液发生反相的含水率为反相点.在实验的剪切乳化条件下，流花老化油乳化液的反相点在含水率约40%，且随温度升高，乳化液反相点前后粘度变化幅度减小.适当升高温度有助于减小含水率变化对乳化液粘度变化的影响，这与刘冰等[17]对普通原油的乳化液反相特性研究所得的结论基本一致.

3.2老化油乳化液的静态聚结破乳特性图5为静态静电聚结破乳实验装置横截面，距离高压电极中心距离R处的电场强度E可由下式近似计算.可见越靠近高压电极电场强度越大.在均匀电场中，乳化液分散相水滴所受电场力主要包括偶极吸引力和电泳力，而在非均匀电场中，受电场感应形成的诱导偶极子还会受介电泳力的作用，3种受力具体形式如图6所示，其中介电泳力可由下式求出.实验中参数设定为：电压均值2kV，电场频率2500Hz，实验温度70℃.实验过程中电场参数和剪切乳化条件不变，仅乳化液含水率变化对最终的脱水率有影响，结果如图7所示.含水率较低时乳化液中水颗粒多为小粒径球形水滴，能形成较稳定的W/O型乳化液.根据式(4)可知，在其他参数不变的条件下，水滴粒径越小受到的介电泳力越小，发生碰撞聚结的可能性越低，最终增加了电场破乳脱水难度[18]，具体表现为含水率为10%时脱水率仅有35%；随乳化液含水率逐渐升高，水颗粒增多、平均粒径增大，在电场作用下更易发生碰撞聚结，含水率为30%时脱水率达92%.本实验中在含水率为35%和40%时，电场破乳后脱水率明显降低，与宋昭峥等[19]在反相乳化液体系稳定性研究中得出的乳化液稳定性随油水比例的上升而增强、在油水体积比为1.5时稳定性最高的结论吻合.此时乳化液已成为含大量水包油颗粒或油包水颗粒的复杂多重乳化液，其结构稳定，不利于电场破乳脱水，含水率为40%时脱水率降低到83%；当含水率超过反相点40%后，老化油乳化液中已出现大量游离水，逐渐由低含水率时以W/O型乳化液为主转变成以O/W型乳化液为主，随含水率升高，脱水率持续增大，含水率60%时脱水率最高达98.5%.

3.3动态破乳脱水单因素实验动态破乳脱水特性快速评价装置中流动的原油乳化液基本处于均匀电场中，分散相水颗粒的聚结方式主要以偶极聚结和振荡聚结为主，当相邻2个液滴的间距大于液滴半径时，液滴间的静电力作用于液滴中心.图8为均匀电场中诱导偶极子的受力模型，其中液滴所受径向力Fr和切向力F可由下式近似求出：

3.3.1电场频率保持含水率30%、电场强度1.25kV/cm不变，考察不同电场频率(4.0,3.5,3,2.5,2,1.5,50Hz)对老化油乳化液破乳脱水效果的影响，根据实验数据绘制离心脱水率与频率关系曲线，如图9所示.取样口样品(未经电场破乳处理)离心脱水后均无肉眼可见的水相析出，可知乳化液稳定.老化油乳化液经50Hz电场破乳后的离心脱水率仅有4.2%，随电场频率增加乳化液离心脱水率增大，当电场频率达2.5kHz时离心脱水率达最大值97.8%；电场频率继续增大离心脱水率反而减小，电场频率为4kHz时离心脱水率仅为41.7%，与电场频率为1.5kHz的离心脱水率相同.根据式(5)和(6)可知，改变电场方向并不会影响2个水滴之间的偶极吸引力，但使极化水滴先中和内部的电荷再极化，使水滴在电极间振荡往复，增大了碰撞聚结的可能性[20]；且随交流脉冲电场方向改变，受电泳力的影响分散相水滴的形状也发生周期性变化，促进油水界面膜破碎，当电场频率接近乳化液中分散相水颗粒的固有频率时，水滴振荡幅度最大，原油乳化液处于最不稳定状态，大量水颗粒碰撞聚结，导致水滴直径变大而有利于离心脱水，静电聚结破乳效果最优；当电场频率偏离最优频率时，液滴极化速度小于电场变化速度而发生松弛效应，若继续增加电场频率，水滴所受电场力减小，振荡幅度减弱，静电聚结破乳效果降低.Galina等[21]用挪威北海真实原油进行电流变学特性分析，结果显示，电场频率不同会影响乳化液的粘度，但未对不同频率电场的破乳脱水效果做出评价.本实验发现，老化油乳化液的电场破乳脱水，高频电场破乳效果明显优于传统工频电场，且电场频率存在最优值.

3.3.2电场强度保持含水率30%、电场频率2.5kHz不变，考察不同电场强度(0.42,0.83,1.25,1.67,2.08kV/cm)对原油乳化液破乳脱水效果的影响，根据实验数据绘制老化油乳化液离心脱水率与电场强度关系曲线，如图10所示.由图可知，经0.42kV/cm的电场破乳离心后无沉降水析出，而电场强度为1.25kV/cm时的离心脱水率达最大值97.8%.对原油乳化液电场破乳，当有效电场强度低于分散相水滴发生碰撞聚结所需最小电场强度时，水滴所受偶极吸引力不足以克服运动过程中油相对其施加的拖拽阻力，此时分散相水滴间的碰撞聚结很难影响乳化液的稳定性；而当电场强度超过1.25kV/cm时，离心脱水率随电场强度增大而逐渐减小；当电场强度达2.08kV/cm时脱水率减小到62.5%.分散相液滴发生变形有利于油水界面膜发生薄化以致失稳，促使接触的液滴聚结，但对乳化液施加的电场强度过大时，分散相水滴在被过度拉伸后变为梭形，极限状态下在锥形尖端发生颈缩形成二次液滴，称为电分散现象[22,23].电分散不仅使已聚结的液滴在电场力的撕扯下重新破碎，且形成的二次液滴粒径往往较小，从而增加了进一步电场破乳脱水的难度.实验表明，流动状态下，对于特定原油乳化液的电场破乳，电场强度存在最优值.

4结论

结合老化油粘温特性分析，使用静态静电聚结破乳实验装置，对流花油田老化油乳化液在含水率变化过程中油水反相特性对电场破乳脱水的影响进行了研究，使用动态破乳脱水特性快速评价装置，考察了电场强度、电场频率对老化油乳化液破乳脱水性能的影响，得到结论如下：(1)在实验温度70℃、剪切转速19000r/min、剪切时间5min的条件下，流花11-1油田老化油乳化液含水反相点为含水率40%，反相点处乳化液粘度达最大值.乳化液反相过程中因内部结构发生变化，乳化液稳定性增强，对静态静电聚结破乳脱水效果有不良影响.(2)电场破乳脱水过程中电场强度、电场频率均存在最优值，超过最优值后，再增加电场强度与电场频率均会导致离心脱水率降低.(3)乳化液含水率30%时的最优电场强度为1.25kV/cm，电场频率为2.5kHz，该条件下2.5kHz电场的离心脱水率为50Hz电场的23.3倍.

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作者：潘泽昊 陈家庆 张龙 李峰 王春升 谢日彬 李平 单位：北京石油化工学院机械工程学院 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 中海油研究总院技术研发中心