直流叠加高频交流方波电场下乳化液电脱水试验研究

陈庆国 张宇琦 宋春辉 王新宇 刘增 赵忠山

摘 要：为了提高原油乳化液破乳效果和电脱水效率，提出采用直流叠加高频方波电场进行原油电脱水的方法。在实验室中开展了直流叠加高频方波电场下乳化液电脱水试验研究，分析该方法下乳化液中水滴的聚并机理，并借助于高速相机观察了乳化液中水滴的运动及水链的消散过程。理论与试验结果表明：采用直流叠加高频方波电场可充分发挥直流和方波电场下的各自脱水优点，使水链易于消散，保证脱水电场的稳定，提高乳化液的电脱水速度和脱水率，且叠加高频交流方波含量在10%～20%范围内，脱水效果最佳，研究结果可为原油生产现场的脱水工艺改进提供参考。

关键词：直流叠加高频方波;电脱水;脱水效率;水滴聚并;原油

中图分类号：TM 930.2

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）04-0098-07

0 引 言

电破乳技术被广泛应用于液膜分离、乳化液破乳和不同液相分离等工业生产加工领域[1]，因为其高效、绿色、处理量大等诸多优点而成为原油脱水过程中的热门核心技术。原油电脱水原理是水滴在电场力的作用发生形变、运动、相互碰撞聚结成大水滴，利用油水两相间存在的密度差，实现油水分离[2]。随着对石油产品需求量的持续增加，原油开采量逐年增大，电脱水过程中问题日益凸显，给传统电脱水技术带来了巨大的挑战。目前原油电脱水过程中的问题主要集中在两方面：一是高含水采出液粘度高、电导率大、脱水电流剧增，脱水电极间频繁短路给电脱水设备带来巨大冲击[3]，脱水电场倒塌后再次送电困难、电场建立时间长[4];二是电脱水效率低、速度慢。为了满足石油外输时对含水率的指标要求，需要油田生产现场的联合站提高原油乳化液的温度并提高脱水电压来实现[5]，这不仅增加了电脱水器的运行成本，而且增加了脱水设备的安全隐患。因此稳定、高效、节能的电脱水技术一直是国内外学者和油田现场的关注焦点。

目前，油田生产现场常用的脱水电场为高压交流电场、直流电场和脉冲电场。交流电场脱水优点是水滴不易成链、电解反应可逆、对电极的腐蚀较轻[6]、脱水速度快，适合处理高含水原油，但是对低含水原油处理效果不理想;直流电场脱水具有能耗低、脱水率高等优点，但由于在直流电场作用下水滴易于成链造成极板间放电，因此不适合处理高含水原油;脉冲电场脱水由于在脉冲休止期间给水滴提供了形变恢复时间，不仅降低了能耗，而且有效地避免了极板间放电和电分散现象，因此相同电场强度下可以处理更高含水率的原油。根据不同类型电场下的脱水特点，F L Prestridge等人提出了交直流复合电场脱水的方法[7]，但该方法中交流电场对原油的有效作用时间短，脱水效果并没有达到理想状态。国内原油生产现场的脱水电极大多采用多层布置方式，上层极板施加直流电场、底层极板施加交流电场，以提高对原油乳化液的处理效率[8]，但该方法需要在脱水容器内布置成多层电极，且底层电极也经常出现电场倒塌的现象。为了提高原油电脱水效率和脱水电场的稳定性，本文在已有的研究工作基础上提出采用直流叠加高频方波电场进行原油电脱水方法，并开展相关电脱水试验研究，以期为现有电脱水困境提供更佳的解决方案。

1 电脱水试验系统与脱水流程

1.1 电脱水试验系统

本文在实验室所搭建的试验系统如图1所示，主要由高压脱水电源、脱水容器、脱水电极、示波器及高压探头、微水测量仪、计算机、高速摄像机及光源等组成，其中电脱水器下部设有排液口，方便将沉降到底部的水排出。

脱水电极采用竖挂平板电极，其中一个极板接高压、另一极板接地，在电极间建立均匀的脱水电场。

1.2 脱水试验电压

本文采用直流叠加高频方波电压进行原油电脱水的研究。其目的是充分发挥直流电场作用下原油乳化液中水滴电泳聚结和偶极聚结的作用，以及在高频方波电场下振荡聚结和偶极聚结的综合作用，提高原油的电脱水效率。与交流正弦波相比交流方波脱水的优点是在整体周期内都能形成有效脱水电场，而正弦波电场只能在电压的峰值附近形成有效脱水电场（如图2所示），有效脱水电场对原油乳化液的作用时间短[8-9]。

试验所用的直流叠加高频方波高压电源产生原理如图3所示。

图2中，R1为保护电阻、C1为隔直电容、D为硅堆;R与C分别为原油乳化液的等效电阻和等效电容。

直流叠加高频方波电源在原油乳化液中建立的电场波形如图4所示。

上图中，Em为叠加电场的幅值，En为最低作用场强，EAC为交流分量幅值，EDC为直流分量幅值，T1和T2分别为一个周期内最高场强和最低场强的作用时间。根据图示关系，交流含量比λ可以表示为：

为了获得较好的破乳效果，应使En不小于临界破乳场强Ee。

1.3 电脱水流程

试验所用介质为工业白油，白油粘度较高，与原油十分接近，与水相和乳化剂可以形成稳定的乳化液，且其颜色清晰，便于观察试验现象进行电脱水机理的分析。试验用水选择蒸馏水，乳化剂选择山梨糖醇酐油酸酯（Span-80），用其配置出的乳化液稳定性好，可以在静置2小时左右不出现分层，电脱水试验流程如图5所示。

试验时将白油与蒸馏水按9∶1的比例混合，在油水混合物中加入体积分数为1%的乳化剂Span-80，配制成含水率為10%的乳化液试样。将试样用高速剪切机以10 000 rad/min的速度剪切15分钟，使水滴均匀的分散在油相中，形成均匀稳定的乳化液。乳化剪切完成之后测量其含水率，如果含水率不满足要求则按照上述方法重新配置乳化液;若满足要求，则将乳化液试样注入脱水器中，进行电脱水试验。试验过程中时刻观察脱水罐中的现象，每隔一定时间从脱水器中取样，将采出试样用微量进样器注入含水率测量仪中，记录试验数据。

试验采用脱水率作为衡量脱水效果的指标，脱水率p[10-12]按下式进行计算：

式中：A1表示初始原油乳化液的含水率;A2为每次采样液的含水率。试验过程中测出每个时间点的含水率，计算出相应的脱水率，通过分析脱水率的变化来反应脱水性能的好坏。

2 电脱水试验

2.1 叠加电场幅值及频率的选择

外施电场强度达到一定值，水滴从电场中吸收的能量足够多时，水滴表面才足以克服表面张力的束缚成为自由界面，乳化液才能实现有效破乳，这一场强值为临界有效电破乳场强。但如果所施电场强度过大水滴会分裂成小水滴，发生电分散现象，影响破乳效果。因此脱水电场不应该设置过低或者过高，为了获得较好的脱水效果应将其设定在临界有效破乳场强和电分散场强之间，即：

有效电破乳场强和电分散场强可以表示为[13-14]：

式中：σ为表面张力;α为椭球体长半轴;εr为水的相对介电常数;k为修正系数。场强处于有效破乳电场区内时α可取3.5r，k可取40[14]。以试验设定的剪切速度剪切后，水滴的平均粒径r在20 μm左右，试验中测得水的相对介电常数为80，表面张力σ约为31 mN/m，根据式（4）和式（5）计算出有效破乳电场范围为1.2 kV/cm～11.2 kV/cm。由于试验时乳化液含水率较高，电脱水过程中小水滴逐渐聚结成大水滴，电分散场强逐渐减小，并且为了保证电脱水试验稳定安全的进行，将电脱水场强设定为4 kV/cm。

理论上外施电场频率越高水滴振荡越快，越有利于水滴聚结，但乳化液属于容性试品，其导纳值随着频率的增加而升高，如果电源频率过高，将使电极板间泄漏电流增加，不仅导致乳化液的绝缘性能下降，而且电场不稳定容易出现波动，不利于乳化液电脱水，因此频率不易设置过高。

图6给出了不同场强下乳化液的最终脱水率与高频交流方波电场频率的关系曲线。

对比不同电场强度、不同频率下的乳化液最终脱水率可以发现当频率为2 kHz时最终脱水效果最好，且频率在2 kHz时，试验过程并没有出现明显的放电现象，脱水电场稳定。因此根据试验结果将叠加的高频交流方波的频率设定为2 kHz。

2.2 试验结果

每次试验保证直流电场、高频交流方波电场、叠加后的电场幅值为4 kV/cm和频率为2 kHz固定不变。直流电场、纯高频交流方波电场、直流上叠加不同含量高频交流方波电场中直流分量和高频交流方波电场分量的电场幅值如表1所示，不同电场类型下的电脱水试验结果如图7所示。

从试验结果可知，纯高频交流方波电场在电脱水前期脱水速度快，脱水效果好，但在脱水后期，脱水率基本稳定不变，脱水效果不理想;直流电场前期脱水速度慢，但后期具有深度脱水能力，脱水效果好，这说明纯高频交流方波电场适合处理高含水乳化液，直流电场适合处理低含水乳化液。

在脱水前期，交流含量越高，脱水效果越好，在脱水后期，交流含量越低，脱水效果越好，但叠加的交流含量过高时，脱水前期和后期的脱水效果都有所下降。在前90 min之内，叠加含量为30%时脱水速度最快，但在后40 min内其脱水速度下降，最终脱水效果不如直流电场。叠加含量为10%和20%时整体脱水效果最好，不仅前期脱水速度快，而且最终脱水率高于直流电场，与直流电场和纯高频交流电场相比最终脱水效率分别提高了1%和6%。可见叠加电场可以充分发挥直流和交流方波电场各自的脱水优点，改善了直流电场前期脱水速度慢，交流电场后期脱水效果不理想的问题。

3 讨论与分析

在交流电场作用下临近水滴主要发生振荡聚结和偶极聚结[15-17]。振荡聚结是指水滴形状伸缩振荡过程中所发生的聚结行为。偶极聚结是指由于水滴间偶极吸引力而产生的聚结行为。偶极吸引力与水滴间距，水滴半径有关，水滴半径越大，间距越小，偶极吸引力越强。在脱水前期乳化液含水率高，单位体积内水滴的数量多、粒径大、间距小，有利于水滴发生偶极聚结和振荡聚结，因此脱水前期交流电场起主导作用，交流含量越高脱水效果越好。

在直流电场作用下原油乳化液中的水滴除发生偶极聚结还会发生电泳聚结[18-20]。电泳聚结是指由于水滴带电在电极板之间反复泳动过程中所发生的聚结行为。电泳会使水滴相互靠近，增强水滴间偶极吸引力，增加水滴间碰撞聚结和偶极聚结的几率。在脱水后期，乳化液含水率低，单位体积内水滴数量少、粒径小、间距大，单靠振荡水滴很难聚结，水滴间只有通过电泳相互靠近，才能进一步发生聚结，因此脱水后期直流分量起主导作用，交流含量越低脱水效果越好。但是当交流含量过大时，会使最低作用场强En减小至无效作用场强区，使此场强作用时间段内乳化液不能有效破乳，因此交流含量过大时，脱水效率有所下降。

直流叠加交流方波电场由直流分量和交流分量两部分组成，使得水滴在叠加电场中发生电泳聚结、偶极聚结的同时还存在振荡聚结，如图7所示。

从图8中可知，在叠加电场中电泳会增加水滴之间的碰撞几率，振荡会削弱油水界面膜的强度，水滴更容易发生聚结。

由于水滴在直流电场中易于形成水链，且水链的持续时间较长，使得直流电场易倒塌，在叠加电场中由于振荡作用，破坏了水链中水滴之间的平衡状态，使水链容易断裂成小水链，降低了长水链的形成几率，保证了脱水电场的稳定，如图9所示。

由上述分析可知，叠加电场可以充分发挥直流电场和交流电场各自的脱水优点，具有脱水速度快、脱水效果好的特点。

為了分析水滴在直流叠加交流方波电场下的运动及聚结特性，利用高速摄像机观察了水滴电泳和振荡聚结行为，同时又对比分析了水滴在直流电场及其叠加交流方波电场下的成链情况。

水滴在叠加电场作用下的振荡及电泳聚结行为如图10和图11所示。

从图10中可知，在叠加电场下两个水滴在各自位置附近发生振荡，振荡过程中依靠偶极力聚结成大水滴。

从图11中可知，在叠加电场下水滴发生位移，且在位移过程中沿电场方向发生伸缩振荡，水滴间通过电泳相互靠近，最终聚结成大水滴。

水滴在直流电场作用下的成链及放电过程如图12所示。

在上图中，在直流电场下水链形成之后，水链没有逐渐消散而是进一步发展，当水链贯通极板时出现电弧，随着水链持续时间的增大，电弧逐渐变长使极板间发生贯穿性的剧烈放电，造成电极短路、脱水电场倒塌。

水滴在叠加电场作用下的成链情况如图13所示。

从图13中可知，水链在叠加电场的振荡作用下断裂成小水链，使得水链的持续时间变短，无法长时间形成放电通道，降低了电极短路的发生几率，保证了脱水电场的稳定性。

通過观测水滴在直流及其叠加交流方波电场下的运动聚结及水链变化情况可知，水滴在叠加电场作用下位移的同时还发生振荡，这促进了水滴的聚结，有利于水链的消散，保证了脱水电场的稳定。观测结果与试验结果一致，说明叠加电场可以提高乳化液的电脱水速度和电脱水效率。

4 结 论

1）叠加电场作用下，在乳化液高含水率的脱水前期交流电场分量起主要作用，而在乳化液低含水率的脱水后期直流电场分量起主要作用。因此，叠加电场同时具备交流电场和直流电场的脱水优点，可以提高电脱水速度和最终脱水效率。

2）叠加电场作用下，水滴电泳的同时发生振荡，可以促进水滴聚结，使水链长度减小，保证脱水电场稳定。

3）叠加高频交流方波含量不宜过高，叠加含量在10%～20%脱水效果最佳，与直流电场和纯高频交流电场相比最终脱水效率分别提高了1%和6%。

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（编辑：刘素菊）