新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置的設(shè)計(jì)

                 王永偉1,張　楊1,王奎升1,馮永訓(xùn)2,張　建2,郭長(zhǎng)會(huì)2 

    (1.北京化工大學(xué),北京　100029;2.勝利工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,山東東營(yíng)　257026) 

    摘要：闡述了一種新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置的設(shè)計(jì)和工作原理,提出整體設(shè)計(jì)方案和核心部件的結(jié)構(gòu)形式。該裝置可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”,開展不同破乳原理(離心場(chǎng)、脈沖電場(chǎng)、離心—脈沖電場(chǎng))的實(shí)驗(yàn),主要部件(電極、控制堰)結(jié)構(gòu)尺寸可更換,脈沖電源的頻率、脈寬、電壓以及轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、流量等操作參數(shù)可調(diào),可以開展不同組分、不同性質(zhì)(含水量、液滴粒徑等)乳狀液的破乳試驗(yàn)。具有廣泛的適用性、良好的操作性和分離效果。 

    關(guān)鍵詞：脈沖電場(chǎng);乳狀液;聯(lián)合破乳;破乳裝置;設(shè)計(jì) 

    中圖分類號(hào)：TH442　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shù)的推廣應(yīng)用,采出液的乳化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,處理難度越來越大,生產(chǎn)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(guī)的電破乳與重力場(chǎng)一同進(jìn)行破乳沉降分離,在處理這些乳狀液的時(shí)候,容易產(chǎn)生電短路與電分散,同時(shí),還造成了復(fù)雜的第三相乳狀液的產(chǎn)生,已經(jīng)不能很好的適應(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)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(chǎn)生一種穩(wěn)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(chǎng)對(duì)其不起作用,造成能耗較高且分離效果不理想。 

    面對(duì)常規(guī)電破乳方法存在諸多問題,一種新型的脈沖電場(chǎng)和離心場(chǎng)聯(lián)合破乳技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)將脈沖電場(chǎng)破乳和離心沉降分離的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,乳狀液在脈沖電場(chǎng)和離心力場(chǎng)的聯(lián)合作用下,能夠在短時(shí)間內(nèi)完成破乳聚結(jié)過程和沉降過程,這不僅可解決脫水過程中產(chǎn)生的電短路和電分散現(xiàn)象,還可以避免第三相的產(chǎn)生,時(shí)間短,能耗少,具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外對(duì)離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳技術(shù)的理論研究尚處于實(shí)驗(yàn)探索階段,可知,離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合作用下乳狀液比單獨(dú)使用靜電場(chǎng)或離心場(chǎng)的破乳效率要高。具有代表性的研究有:黃萬撫等學(xué)者研究了乳狀液旋流和脈沖靜電綜合力場(chǎng)對(duì)連續(xù)破乳的影響[8、9]。結(jié)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(shí)發(fā)現(xiàn)不同組成和性質(zhì)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(guān)脈沖電場(chǎng)對(duì)原油乳狀液破乳方面的研究認(rèn)為,最佳頻率時(shí),液滴在電場(chǎng)峰值被完全極化,液滴間的力最大,有最大數(shù)量的碰撞,聚結(jié)顯著[10、12]。隨著施加電壓的增加,聚結(jié)效率趨于穩(wěn)定,這必將存在電場(chǎng)強(qiáng)度、液滴大小、數(shù)量、最大聚結(jié)率、最小電能消耗的平衡點(diǎn)。毛宗強(qiáng)等學(xué)者對(duì)靜電場(chǎng)和離心力場(chǎng)聯(lián)合分離W /O(油包水)型乳狀液進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析[13、14]。從極化角度對(duì)外電場(chǎng)促使水滴聚結(jié)的原因給出了定量解釋;提出極化水滴“二分子”碰撞、聚結(jié)的假設(shè),并闡述了極化水滴聚結(jié)的動(dòng)力學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,引入離心力場(chǎng)沉降分離可提高電破乳效率,有效避免第三相的產(chǎn)生。破乳電壓越高,離心轉(zhuǎn)速越大,其破乳率越高。 

    對(duì)于離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳的機(jī)理、影響破乳的主要參數(shù)和破乳規(guī)律、破乳裝置的設(shè)計(jì)理論等的研究尚未成熟,使得這一新技術(shù)很難在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。因此,設(shè)計(jì)制造新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置展開實(shí)驗(yàn)研究,并以此展開對(duì)離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳的機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)性的理論研究就顯得尤為重要。 

    2　現(xiàn)有離心-脈沖電場(chǎng)破乳裝置 

    離心-脈沖電場(chǎng)破乳國(guó)內(nèi)外具有代表性的實(shí)驗(yàn)裝置有:黃萬撫等學(xué)者利用水力旋流器的原理加以改進(jìn),研制出了實(shí)驗(yàn)裝置,采用帶有絕緣層的銅棒作為內(nèi)電極(正極),位于中心部位,外部的負(fù)極用飽和的KCl溶液代替,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)破乳[15]。該實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易制造,電場(chǎng)與離心力場(chǎng)聯(lián)合作用。不足之處是由于水力旋流器自身不含運(yùn)動(dòng)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(dòng)作用會(huì)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(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)形成離心場(chǎng),乳狀液在脈沖電場(chǎng)與離心力場(chǎng)聯(lián)合作用下破乳分離,采用與電源連接的電解質(zhì)溶液作為內(nèi)電極,位于轉(zhuǎn)鼓中心結(jié)構(gòu)內(nèi),轉(zhuǎn)鼓外壁接地。乳狀液從頂部經(jīng)轉(zhuǎn)鼓中心的絕緣管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓底部,在脈沖電場(chǎng)和離心力場(chǎng)共同作用下破乳[16]。不足之處是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,尤其是轉(zhuǎn)鼓中心部分集進(jìn)液管、電解液層、電源接線、出液口和輻射狀散液口于一體,對(duì)于制造、裝配和設(shè)備維護(hù)的要求比較高。毛宗強(qiáng)等學(xué)者研制的破乳裝置是將電破乳器和離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓整合在一個(gè)裝置中。乳狀液先經(jīng)過電場(chǎng)破乳,再進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓,在離心力場(chǎng)作用下分離[17]。該裝置還可以通過增加多個(gè)平行電極,提高電破乳效果。不足之處是電場(chǎng)與離心力場(chǎng)分別作用,無法有效避免常規(guī)電破乳的存在的問題,不能反映電場(chǎng)與離心力場(chǎng)同時(shí)作用下的破乳情況。因此,在對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,本文闡述一種新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置的設(shè)計(jì)和工作原理,提出整體設(shè)計(jì)方案和核心部件的結(jié)構(gòu)形式。 

    3　新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置 

    3. 1　設(shè)計(jì)要求及依據(jù) 

    不同性質(zhì)的乳狀液的破乳操作參數(shù)不同,破乳器的不同結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)破乳效果有不同的影響。設(shè)計(jì)新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置時(shí)要實(shí)現(xiàn)對(duì)離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳機(jī)理、影響破乳的主要參數(shù)和破乳規(guī)律的研究,必須具有廣泛的適用性,即可實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)乳狀液的破乳試驗(yàn);主要部件結(jié)構(gòu)具有可更換性,對(duì)破乳分離影響較大的主要零部件應(yīng)能夠在不同結(jié)構(gòu)尺寸之間更換;實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”,該破乳裝置能夠分別實(shí)現(xiàn)不同破乳原理的實(shí)驗(yàn),即可分別進(jìn)行離心破乳、脈沖電場(chǎng)破乳、離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳實(shí)驗(yàn);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于制造裝配和維護(hù)。 

    新型離心—脈沖電場(chǎng)破乳裝置是將脈沖電場(chǎng)和離心機(jī)結(jié)合起來,在設(shè)計(jì)過程中,電場(chǎng)的主要技術(shù)參數(shù)參照電脫水器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行;離心機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)參照離心機(jī)的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行。其中脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度E為： 

               

     式中　U———脈沖電壓,kV 

    L———電極之間的距離,mm 

    可取實(shí)驗(yàn)脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度最大為1 kV/mm[9]。 

    電極長(zhǎng)度H與待破乳液流量VP關(guān)系式為: 

    H=Vptp/A 

    式中　H———電極長(zhǎng)度,m 

    Vp———待破乳狀液流量,m3/min 

    tp———破乳時(shí)間,min 

    A———轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的有效通過面積, 

                   

    可取破乳流量為0.0003m3/min,破乳時(shí)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(dá)到97.4%[15]。 

    3. 2　設(shè)計(jì)方案及工作原理 

    根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的破乳裝置的工作原理和工作特點(diǎn)的分析發(fā)現(xiàn),目前國(guó)內(nèi)外各大油田采用常規(guī)的電脫水法,技術(shù)比較成熟。脈沖電場(chǎng)破乳經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(jī)轉(zhuǎn)速高,具有較大的分離因數(shù),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(jié)合起來,可使原油乳狀液在離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、無污染的分離。因此,提出了新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置的設(shè)計(jì)方案,并已申報(bào)國(guó)家專利,如圖1所示。 

                  

                         圖1新型離心-脈沖電場(chǎng)破乳裝置設(shè)計(jì)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(chǎng)破乳裝置下部乳狀液入口進(jìn)入導(dǎo)液管向上流動(dòng),穿過管內(nèi)部的電極定位墊片(如圖2所示)流經(jīng)電極與連接法蘭的間隙和電極與導(dǎo)液管的間隙,從轉(zhuǎn)鼓底部的空心底軸進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓。乳狀液在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)下隨之高速旋轉(zhuǎn)形成離心力場(chǎng),同時(shí)由供電電源通過電纜加在電極上有電脈沖,并產(chǎn)生一定的脈沖電場(chǎng)。乳狀液在脈沖電場(chǎng)和離心力場(chǎng)的同時(shí)作用下,水相液滴不斷振動(dòng)、碰撞、界面膜破裂、發(fā)生聚結(jié)。水滴相互接近結(jié)合在一起,液滴的粒徑增大。在強(qiáng)大的離心力作用下,油水兩相逐漸分離,分為內(nèi)外兩層。水相被甩向轉(zhuǎn)鼓壁,而相對(duì)較輕的油相聚集在轉(zhuǎn)鼓中心。 

                      

    同時(shí),在一定壓力的作用下,乳狀液液面不斷向上移動(dòng)到達(dá)控制堰(如圖3所示)位置。在控制堰的作用下,已經(jīng)分層的輕、重兩相液體分別進(jìn)入不同的流道。水相受控制堰的阻擋,只能緊貼著轉(zhuǎn)鼓壁通過轉(zhuǎn)鼓壁和控制堰的間隙向上流動(dòng),最終由轉(zhuǎn)鼓上的出液孔甩出轉(zhuǎn)鼓,進(jìn)入重液相集液盤;油相受控制堰的阻擋,只能聚集在轉(zhuǎn)鼓中央,由控制堰的中心流道向上流動(dòng),經(jīng)轉(zhuǎn)鼓頂部的出液孔甩出轉(zhuǎn)鼓,進(jìn)入輕液相集液盤。水相和油相進(jìn)入輕、重液相集液盤后,分別經(jīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn) 

    新型離心-脈沖電場(chǎng)破乳裝置可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”,能夠分別實(shí)現(xiàn)不同破乳原理的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)不接通脈沖電源,單獨(dú)讓電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn),可以進(jìn)行離心破乳實(shí)驗(yàn);當(dāng)電機(jī)不工作,單獨(dú)接通脈沖電源,可以進(jìn)行脈沖電場(chǎng)破乳實(shí)驗(yàn);當(dāng)接通脈沖電源,電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)又可以進(jìn)行離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳實(shí)驗(yàn)。 

    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(zhì)的乳狀液破乳以及破乳器的不同結(jié)構(gòu)尺寸、不同的破乳操作參數(shù)對(duì)破乳影響效果等多種類型的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于含水量、粘性、液滴粒徑等物性不同的乳狀液可以通過對(duì)脈沖電源的頻率、脈寬、電壓以及轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、流量等操作參數(shù)的調(diào)整來達(dá)到最佳破乳效果。同時(shí),該裝置主要部件結(jié)構(gòu)具有可更換性,對(duì)破乳分離影響較大的主要零部件可以更換不同結(jié)構(gòu)尺寸。例如,更換不同長(zhǎng)度的電極,就可以調(diào)整乳狀液所通過的脈沖電場(chǎng)作用區(qū)域大小;更換不同尺寸的控制堰,就可以更廣泛適應(yīng)不同組分的乳狀液破乳等。 

    4　結(jié)語 

    新型離心-脈沖電場(chǎng)聯(lián)合破乳裝置的操作性能和分離效果優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有同類破乳裝置。與依靠重力沉降的常規(guī)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(shí)現(xiàn)脈沖電場(chǎng)與離心力場(chǎng)聯(lián)合作用,水滴在電場(chǎng)力和離心力的共同作用下聚結(jié),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(chǎn)生,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)破乳,生產(chǎn)效率高;與脈沖電場(chǎng)與旋流器結(jié)合的破乳裝置相比,該裝置由于離心機(jī)產(chǎn)生離心力場(chǎng),離心機(jī)轉(zhuǎn)速高,液滴所受到的離心力大,分離因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計(jì)和制造,并開始室內(nèi)試驗(yàn)。 

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