新型离心-脉冲电场联合破乳装置的设计

                 王永伟1,张　杨1,王奎升1,冯永训2,张　建2,郭长会2 

    (1.北京化工大学,北京　100029;2.胜利工程设计咨询有限公司,山东东营　257026) 

    摘要：阐述了一种新型离心-脉冲电场联合破乳装置的设计和工作原理,提出整体设计方案和核心部件的结构形式。该装置可以实现“一机多能”,开展不同破乳原理(离心场、脉冲电场、离心—脉冲电场)的实验,主要部件(电极、控制堰)结构尺寸可更换,脉冲电源的频率、脉宽、电压以及转鼓转速、流量等操作参数可调,可以开展不同组分、不同性质(含水量、液滴粒径等)乳状液的破乳试验。具有广泛的适用性、良好的操作性和分离效果。 

    关键词：脉冲电场;乳状液;联合破乳;破乳装置;设计 

    中图分类号：TH442　　　　文献标识码：A　　　　do:i 10. 3969/.j issn. 1005-0329. 2009. 09. 004 

    1　前言 

    随着油田注水采油、三次采油等技术的推广应用,采出液的乳化现象越来越严重,处理难度越来越大,生产中老化原油的破乳处理问题也非常突出。电破乳是油田广泛采用的脱水方法[1~3],但是常规的电破乳与重力场一同进行破乳沉降分离,在处理这些乳状液的时候,容易产生电短路与电分散,同时,还造成了复杂的第三相乳状液的产生,已经不能很好的适应现有生产的需要[2~7]。第三相乳状液是在油水界面由粒径较小的水滴沉降堆积,而产生一种稳定的粘性很大的含水量在94%左右的海绵状乳状液,高压电场对其不起作用,造成能耗较高且分离效果不理想。 

    面对常规电破乳方法存在诸多问题,一种新型的脉冲电场和离心场联合破乳技术应运而生。该技术将脉冲电场破乳和离心沉降分离的优点结合起来,乳状液在脉冲电场和离心力场的联合作用下,能够在短时间内完成破乳聚结过程和沉降过程,这不仅可解决脱水过程中产生的电短路和电分散现象,还可以避免第三相的产生,时间短,能耗少,具有很高的经济效益。国内外对离心-脉冲电场联合破乳技术的理论研究尚处于实验探索阶段,可知,离心-脉冲电场联合作用下乳状液比单独使用静电场或离心场的破乳效率要高。具有代表性的研究有:黄万抚等学者研究了乳状液旋流和脉冲静电综合力场对连续破乳的影响[8、9]。结果表明,在离心力和静电力的共同作用下,加速了乳状液的破乳过程,从而提高了破乳率,同时发现不同组成和性质的乳状液存在不同的破乳临界(最佳)电压和临界(最佳)频率。 

    Bailes有关脉冲电场对原油乳状液破乳方面的研究认为,最佳频率时,液滴在电场峰值被完全极化,液滴间的力最大,有最大数量的碰撞,聚结显著[10、12]。随着施加电压的增加,聚结效率趋于稳定,这必将存在电场强度、液滴大小、数量、最大聚结率、最小电能消耗的平衡点。毛宗强等学者对静电场和离心力场联合分离W /O(油包水)型乳状液进行了理论和实验分析[13、14]。从极化角度对外电场促使水滴聚结的原因给出了定量解释;提出极化水滴“二分子”碰撞、聚结的假设,并阐述了极化水滴聚结的动力学过程。实验结果表明,引入离心力场沉降分离可提高电破乳效率,有效避免第三相的产生。破乳电压越高,离心转速越大,其破乳率越高。 

    对于离心-脉冲电场联合破乳的机理、影响破乳的主要参数和破乳规律、破乳装置的设计理论等的研究尚未成熟,使得这一新技术很难在短期内实现工业化应用。因此,设计制造新型离心-脉冲电场联合破乳装置展开实验研究,并以此展开对离心-脉冲电场联合破乳的机理进行系统性的理论研究就显得尤为重要。 

    2　现有离心-脉冲电场破乳装置 

    离心-脉冲电场破乳国内外具有代表性的实验装置有:黄万抚等学者利用水力旋流器的原理加以改进,研制出了实验装置,采用带有绝缘层的铜棒作为内电极(正极),位于中心部位,外部的负极用饱和的KCl溶液代替,可实现连续破乳[15]。该实验装置优点是结构简单,容易制造,电场与离心力场联合作用。不足之处是由于水力旋流器自身不含运动件,为了增大离心力就必须增大入口速度,但液体高速旋流所引起的剪切力、湍流脉动作用会造成水滴或油滴破碎,不利于乳状液有效的破乳和分离。Bailes研制的破乳装置由电机带动转鼓高速旋转形成离心场,乳状液在脉冲电场与离心力场联合作用下破乳分离,采用与电源连接的电解质溶液作为内电极,位于转鼓中心结构内,转鼓外壁接地。乳状液从顶部经转鼓中心的绝缘管进入转鼓底部,在脉冲电场和离心力场共同作用下破乳[16]。不足之处是结构较为复杂,尤其是转鼓中心部分集进液管、电解液层、电源接线、出液口和辐射状散液口于一体,对于制造、装配和设备维护的要求比较高。毛宗强等学者研制的破乳装置是将电破乳器和离心机的转鼓整合在一个装置中。乳状液先经过电场破乳,再进入转鼓,在离心力场作用下分离[17]。该装置还可以通过增加多个平行电极,提高电破乳效果。不足之处是电场与离心力场分别作用,无法有效避免常规电破乳的存在的问题,不能反映电场与离心力场同时作用下的破乳情况。因此,在对现有的实验装置进行研究的基础上,本文阐述一种新型离心-脉冲电场联合破乳装置的设计和工作原理,提出整体设计方案和核心部件的结构形式。 

    3　新型离心-脉冲电场联合破乳装置 

    3. 1　设计要求及依据 

    不同性质的乳状液的破乳操作参数不同,破乳器的不同结构尺寸对破乳效果有不同的影响。设计新型离心-脉冲电场联合破乳装置时要实现对离心-脉冲电场联合破乳机理、影响破乳的主要参数和破乳规律的研究,必须具有广泛的适用性,即可实现不同性质乳状液的破乳试验;主要部件结构具有可更换性,对破乳分离影响较大的主要零部件应能够在不同结构尺寸之间更换;实现“一机多能”,该破乳装置能够分别实现不同破乳原理的实验,即可分别进行离心破乳、脉冲电场破乳、离心-脉冲电场联合破乳实验;结构简单,便于制造装配和维护。 

    新型离心—脉冲电场破乳装置是将脉冲电场和离心机结合起来,在设计过程中,电场的主要技术参数参照电脱水器的设计方法进行;离心机的主要技术参数参照离心机的设计理论进行。其中脉冲电场强度E为： 

               

     式中　U———脉冲电压,kV 

    L———电极之间的距离,mm 

    可取实验脉冲电场强度最大为1 kV/mm[9]。 

    电极长度H与待破乳液流量VP关系式为: 

    H=Vptp/A 

    式中　H———电极长度,m 

    Vp———待破乳状液流量,m3/min 

    tp———破乳时间,min 

    A———转鼓内的有效通过面积, 

                   

    可取破乳流量为0.0003m3/min,破乳时间为6 min[9]。 

    破乳率 

    ε=VW/VOW×100% 

    式中　VW———破乳后水相体积 

    VOW———原乳状液中的水相体积破乳率可达到97.4%[15]。 

    3. 2　设计方案及工作原理 

    根据对国内外现有的破乳装置的工作原理和工作特点的分析发现,目前国内外各大油田采用常规的电脱水法,技术比较成熟。脉冲电场破乳经实验证明分离效率好于交流、直流破乳;离心沉降同样也是一种有效的分离方法,离心机转速高,具有较大的分离因数,适于处理液-液等难分离的物料。若将这两种方法在同一套装置中结合起来,可使原油乳状液在离心-脉冲电场联合作用下实现高效、节能、无污染的分离。因此,提出了新型离心-脉冲电场联合破乳装置的设计方案,并已申报国家专利,如图1所示。 

                  

                         图1新型离心-脉冲电场破乳装置设计方案示意 

    由图1可知,一定流速的待破乳液从离心-脉冲电场破乳装置下部乳状液入口进入导液管向上流动,穿过管内部的电极定位垫片(如图2所示)流经电极与连接法兰的间隙和电极与导液管的间隙,从转鼓底部的空心底轴进入转鼓。乳状液在旋转的转鼓带动下随之高速旋转形成离心力场,同时由供电电源通过电缆加在电极上有电脉冲,并产生一定的脉冲电场。乳状液在脉冲电场和离心力场的同时作用下,水相液滴不断振动、碰撞、界面膜破裂、发生聚结。水滴相互接近结合在一起,液滴的粒径增大。在强大的离心力作用下,油水两相逐渐分离,分为内外两层。水相被甩向转鼓壁,而相对较轻的油相聚集在转鼓中心。 

                      

    同时,在一定压力的作用下,乳状液液面不断向上移动到达控制堰(如图3所示)位置。在控制堰的作用下,已经分层的轻、重两相液体分别进入不同的流道。水相受控制堰的阻挡,只能紧贴着转鼓壁通过转鼓壁和控制堰的间隙向上流动,最终由转鼓上的出液孔甩出转鼓,进入重液相集液盘;油相受控制堰的阻挡,只能聚集在转鼓中央,由控制堰的中心流道向上流动,经转鼓顶部的出液孔甩出转鼓,进入轻液相集液盘。水相和油相进入轻、重液相集液盘后,分别经轻、重液相出口流入各自的收集容器中,完成油水分离。 

                       

    3. 3　结构特点 

    新型离心-脉冲电场破乳装置可以实现“一机多能”,能够分别实现不同破乳原理的实验。当不接通脉冲电源,单独让电机带动转鼓旋转,可以进行离心破乳实验;当电机不工作,单独接通脉冲电源,可以进行脉冲电场破乳实验;当接通脉冲电源,电机带动转鼓旋转时又可以进行离心-脉冲电场联合破乳实验。 

    该新型破乳装置具有广泛的适用性,可以开展不同破乳原理、不同性质的乳状液破乳以及破乳器的不同结构尺寸、不同的破乳操作参数对破乳影响效果等多种类型的实验。对于含水量、粘性、液滴粒径等物性不同的乳状液可以通过对脉冲电源的频率、脉宽、电压以及转鼓转速、流量等操作参数的调整来达到最佳破乳效果。同时,该装置主要部件结构具有可更换性,对破乳分离影响较大的主要零部件可以更换不同结构尺寸。例如,更换不同长度的电极,就可以调整乳状液所通过的脉冲电场作用区域大小;更换不同尺寸的控制堰,就可以更广泛适应不同组分的乳状液破乳等。 

    4　结语 

    新型离心-脉冲电场联合破乳装置的操作性能和分离效果优于国内外现有同类破乳装置。与依靠重力沉降的常规电破乳方法和电破乳与离心分离分别作用的破乳方法相比,该装置可实现脉冲电场与离心力场联合作用,水滴在电场力和离心力的共同作用下聚结,破乳率高,破乳分离的速度明显加快,能有效避免短路、电分散和第三相的产生,可实现连续破乳,生产效率高;与脉冲电场与旋流器结合的破乳装置相比,该装置由于离心机产生离心力场,离心机转速高,液滴所受到的离心力大,分离因数远远大于水力旋流器,更适于粒径和密度差较小的乳状液分离。目前该装置已完成了设计和制造,并开始室内试验。 

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作者简介:王永伟(1977-),男,硕士,主要从事流体机械和油水分离的研究,通讯地址: 100029北京市朝阳区北三环东路15号247信箱。