丁 藝, 陳家慶, 尚 超, 張寶生

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,北京 102617)

W/O型乳化液在矩形流道中的靜電聚結(jié)破乳研究

丁 藝, 陳家慶, 尚 超, 張寶生

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,北京 102617)

分析了帶絕緣層矩形流道電場(chǎng)強(qiáng)度的影響因素以及分散相水顆粒在均勻交流電場(chǎng)下的聚結(jié)機(jī)理,設(shè)計(jì)了矩形流道連續(xù)流動(dòng)靜電聚結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置。以矩形波高壓/高頻脈沖交流電源為基礎(chǔ),研究電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖頻率、脈寬比、流動(dòng)速度等參數(shù)對(duì)不同W/O型乳化液中分散相水顆粒靜電聚結(jié)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,含水率為5%、電場(chǎng)強(qiáng)度為1.69 kV/cm、流動(dòng)速度為0.17 m/s、脈寬比為40%、脈沖頻率為1 000 Hz,水顆粒粒徑能增長(zhǎng)24倍,聚結(jié)效果明顯。

W/O型乳化液; 靜電破乳; 高壓高頻交流電源; 電場(chǎng)參數(shù); 流動(dòng)條件

根據(jù)Stokes定律可知,分散相顆粒在連續(xù)相流體介質(zhì)中的重力沉降速度與顆粒粒徑的平方成正比。靜電聚結(jié)破乳技術(shù)就是利用外加電場(chǎng)促進(jìn)分散相小水顆粒的碰撞聚結(jié),增大水顆粒的粒徑,從而減少停留時(shí)間,提高處理效率。自2003年以來(lái),原ABB Offshore System s研制成功的容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器(Vessel Internal Electrostatic Coalescer, V IEC)在海洋油氣集輸處理中獲得了巨大成功,該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將靜電預(yù)聚結(jié)功能與常規(guī)三相分離器內(nèi)部整流段的功能有機(jī)結(jié)合,在不新增空間占用的前提下提高原油乳化液的脫水效率[1]。從單個(gè)V IEC電極模塊組件中原油乳化液流動(dòng)通道的幾何形狀來(lái)看,已經(jīng)由第一代的圓管狀改進(jìn)為后來(lái)普遍采用的矩形,同時(shí)電極表面帶絕緣涂層,施加高壓/高頻脈沖交流電場(chǎng)。顯然,研究W/O型乳化液在矩形流道中的靜電聚結(jié)破乳機(jī)理對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)乃至現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。英國(guó)Southamp ton大學(xué)的Bailey A G等[2]于1996年利用自行研制的矩形流道連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置研究了W/O型乳化液的聚結(jié)特性。結(jié)果表明,使用絕緣電極可以防止電流激增和短路,適當(dāng)?shù)耐牧髁鲃?dòng)有助于分散相水顆粒的碰撞聚結(jié)[2-3]。中國(guó)石油大學(xué)(華東)的何利民等[4]利用類似裝置研究了W/O型乳化液的聚結(jié)特性,但含水率只有5%和10%,未研究高含水率W/O型乳化液的聚結(jié)特性。雖然在上述研究工作中,分散相水顆粒的粒徑都得到了不同程度的增長(zhǎng),但所用配套電源都為正弦波工頻高壓交流電源[5-6]。鑒于此,本文利用自行設(shè)計(jì)的矩形流道連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置,基于高壓/高頻脈沖交流電源,系統(tǒng)研究了電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖頻率、脈寬比、流動(dòng)速度、含水率等參數(shù)對(duì)W/O型乳化液在矩形流道中靜電聚結(jié)破乳特性的影響。

1 帶絕緣層矩形流道的電場(chǎng)強(qiáng)度及聚結(jié)機(jī)理分析

1.1 矩形流道內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響因素

設(shè)矩形流道靜電聚結(jié)器的流道間距為a,絕緣層厚度為t,絕緣材料、乳化液的介電常數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度分別為εt、εo和Et、E o,上下兩板式電極之間的電勢(shì)差(電源電壓)為U。

假設(shè)板式電極單位面積上帶有自由電荷σ0,取一與板式電極平行的矩形高斯面,設(shè)高斯面面積為S,當(dāng)該面取在介質(zhì)εt內(nèi)時(shí),根據(jù)高斯定理

則有

式中,→D、→Dt分別為電位移矢量、絕緣材料的電位移矢量;q0為自由電荷。

于是根據(jù)公式D=εE可得,

同理可求得乳化液內(nèi)的Do和Eo分別為,

由(1)、(2)兩式可求得,

上下兩板式電極之間的電勢(shì)差U為

則乳化液中的電場(chǎng)強(qiáng)度為

由式(7)可以看出,矩形流道靜電聚結(jié)器內(nèi)產(chǎn)生均勻場(chǎng)強(qiáng),其值與所施加的電壓、流道間距、絕緣層厚度、絕緣材料和乳化液的介電常數(shù)等因素有關(guān)。在設(shè)計(jì)矩形流道靜電聚結(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí),減小流道間距和絕緣層厚度、使用介電常數(shù)大的絕緣材料都會(huì)使電場(chǎng)強(qiáng)度增大[7-8]。當(dāng)然,絕緣層的存在還能有效防止當(dāng)“水顆?！毙纬伞八湣焙笾率闺妶?chǎng)短路。表1為根據(jù)式(7)計(jì)算所得矩形流道靜電聚結(jié)器內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度,其中不同含水率乳化液的介電常數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[9]求得。

表1 矩形流道內(nèi)作用在W/O型乳化液中的電場(chǎng)強(qiáng)度Table1 Electric field strength for water-in-oil emulsions in rectangular flow channel

1.2 靜電聚結(jié)機(jī)理分析

分散相水顆粒在均勻交流電場(chǎng)下的聚結(jié)機(jī)理主要有電泳聚結(jié)和偶極聚結(jié)兩種,其中偶極聚結(jié)扮演著最為重要的角色。偶極聚結(jié)是指中性水顆粒受到外加電場(chǎng)感應(yīng)影響形成誘導(dǎo)偶極子,在偶極力的作用下,兩個(gè)偶極子相互吸引而發(fā)生的聚結(jié)[10]。圖1為導(dǎo)電球形顆粒受力示意圖,結(jié)合圖1可以對(duì)偶極力進(jìn)行定量計(jì)算[11]。兩個(gè)半徑分別為r1和r2的球形顆粒A、B,當(dāng)球形顆粒A在外加均勻電場(chǎng)→E的作用下,受電場(chǎng)感應(yīng)形成誘導(dǎo)偶極子而帶電荷Q,則顆粒A外任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為

球形顆粒A的偶極矩p位于球心,其值為,

球形顆粒A外任一點(diǎn)的電勢(shì)V為根據(jù)油水界面的邊界條件(當(dāng)r=r1時(shí),V=0),可得

將上式代入式(10)可得

根據(jù)點(diǎn)-偶極子模型,則作用于球形顆粒B的偶極力可以用公式來(lái)近似表示[12],則球形顆粒B的偶極矩pB為

式中,→E為外加電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度;r為兩個(gè)球形水顆粒之間的中心距;εoil為連續(xù)油相的介電常數(shù);θ為電場(chǎng)強(qiáng)度作用線與兩個(gè)球形顆粒中心連線之間的夾角。

Fig.1 The schematic diagram of conductive spherical particles by electric field force圖1 導(dǎo)電球形顆粒受到的電場(chǎng)力示意圖

式(16)表明,當(dāng)θ<54.7°時(shí),水顆粒之間的電場(chǎng)作用力為引力,這意味著電場(chǎng)總是試圖使得兩個(gè)分散相水顆粒的中心線與其保持一致,然后在二者之間建立引力。特別地,對(duì)于與所施加電場(chǎng)方向一致的兩個(gè)相同球形水顆粒之間的偶極作用力,存在如下近似公式[13]

由式(17)可以看出,分散相水顆粒之間的偶極聚結(jié)力與其半徑的6次方成正比、與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比,而與其中心間距的4次方成反比。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示,自行設(shè)計(jì)的矩形流道靜電聚結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置主要由立式管道輸送泵、渦輪流量計(jì)、壓力表、靜態(tài)混合器、矩形靜電聚結(jié)器、乳化液容器罐等組成。矩形靜電聚結(jié)器水平放置,總長(zhǎng)度為4 m,流道內(nèi)壁寬100 mm、高20 mm,通過(guò)密切貼壓在矩形流道外側(cè)相距較近兩平行面(即高度方向)上的金屬板式電極來(lái)施加電場(chǎng),每個(gè)板式電極的長(zhǎng)度為0.7 m,沿流道長(zhǎng)度方向間斷排列5對(duì)(間距約30 mm),每對(duì)板式電極上獨(dú)立設(shè)置開關(guān),便于控制板式電極的加壓長(zhǎng)度,進(jìn)而調(diào)節(jié)相同流量下乳化液在電場(chǎng)中的停留時(shí)間。

Fig.2 The schematic diagram of electrostatic coalescing experimental apparatus with rectangular flow channel圖2 矩形流道靜電聚結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的工藝流程

矩形流道采用有機(jī)玻璃(材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯)制成,以便于觀察W/O型乳化液在其中的流動(dòng)情況和破乳效果。板式電極材質(zhì)為黃銅,每塊板式電極外覆蓋厚度為5 mm的電木絕緣包覆層以保證安全。靜態(tài)混合器的作用是將聚結(jié)后的分散相大水顆粒剪切破碎,以保證循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)的初始條件相同。矩形流道高度方向上有機(jī)玻璃的厚度為8 mm,介電常數(shù)為4.0,充當(dāng)板式電極的絕緣層。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用W/O型乳化液中的連續(xù)相為無(wú)味煤油,其密度為793 kg/m3;分散相為采用帕恩特超純水系統(tǒng)制備的超純水。配制方法:取一定體積的無(wú)味煤油和超純水,向油相中添加250 mg/L(低含水率)或500 mg/L(高含水率)的Span 80乳化劑后,使用美國(guó)弗魯克公司生產(chǎn)的FA 25型實(shí)驗(yàn)室高剪切分散乳化機(jī)以19 000 r/min的速度攪拌10 min,配成具有中-低穩(wěn)定性的W/O型乳化液。

配制好所需含水率的W/O型乳化液25 L左右,將其倒入乳化液容器罐,通過(guò)管道輸送泵循環(huán)流動(dòng)10 min后使系統(tǒng)達(dá)到平衡。調(diào)節(jié)泵前后的閥門和旁通使流量達(dá)至設(shè)定值后,啟動(dòng)矩形波高壓/高頻脈沖交流電源,調(diào)節(jié)電場(chǎng)參數(shù)至給定值;穩(wěn)定運(yùn)行1～2 min后,在矩形靜電聚結(jié)器的進(jìn)口、出口連續(xù)取樣,使用英國(guó)馬爾文公司的M astersizer2000粒度儀測(cè)量進(jìn)口、出口乳化液中分散相水顆粒的體積平均粒徑(VMD),分析在不同電場(chǎng)參數(shù)下水顆粒的聚結(jié)效果。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度為25℃,脈沖頻率f的調(diào)節(jié)范圍為200～1 600 Hz,脈寬比δ的調(diào)節(jié)范圍為10%～80%,電壓幅值U的調(diào)節(jié)范圍為0～8 000 V。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件,將測(cè)量或計(jì)算所得W/O型乳化液的相關(guān)物性參數(shù)和操作參數(shù)列于表2中。

表2 W/O型乳化液的物性參數(shù)和操作參數(shù)Table 2 The physical parametersand operating parameters of water-in-oil emulsions

3 結(jié)果與討論

3.1 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)水顆粒靜電聚結(jié)的影響

圖3為W/O型乳化液中分散相水顆粒體積平均粒徑(Volume Mean Diameter,VMD)與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線,圖3(a)的操作條件為含水率1%、f =1 400 Hz、δ=50%,電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)水顆粒的VMD即代表矩形流道入口處的初始粒徑,在各流量下入口處水顆粒的VMD波動(dòng)很小,基本都在14 μm左右;圖3(b)的操作條件為含水率30%、f=600 Hz、δ=50%,各流量下入口處水顆粒的VMD大約是8μm。從圖3中可以看出,水顆粒的VMD隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而顯著增大,例如含水率為1%、流量為20 L/min、初始粒徑為14.482μm的W/O型乳化液,在0.7 kV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度作用下,VMD達(dá)到52.322μm,增長(zhǎng)近4倍;而在2.45 kV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度作用下,VMD達(dá)到128.475μm,增長(zhǎng)近9倍。這說(shuō)明在電極板間施加電壓后,在電場(chǎng)力的作用下, W/O型乳化液中分散相小水顆粒相互碰撞聚結(jié)成較大水顆粒,致使出口處的VMD顯著增大。從圖3中還可以看出,水顆粒的VMD與電場(chǎng)強(qiáng)度基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),且含水率越大這種趨勢(shì)越明顯,這是因?yàn)殡S著含水率的升高,水顆粒間距減小,在電場(chǎng)力作用下發(fā)生碰撞聚結(jié)的機(jī)率增大。

3.2 脈沖頻率對(duì)水顆粒靜電聚結(jié)的影響

圖4為W/O型乳化液中分散相水顆粒體積平均粒徑(VMD)與脈沖頻率的關(guān)系曲線,圖4(a)的操作條件為含水率1%、Q=20 L/min、δ=50%,入口處水顆粒的VMD為14.482μm;圖4(b)的操作條件為含水率10%、Q=40 L/min、δ=60%,入口處水顆粒的VMD為7.314μm。從圖4中可以看出,在高頻電場(chǎng)(脈沖頻率超過(guò)1 k Hz)下,被極化的水顆粒隨著電場(chǎng)的變化發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和重新極化,加劇了水顆粒的碰撞和聚集,對(duì)油水界面薄膜形成強(qiáng)烈沖擊,水顆粒的體積平均粒徑明顯增加[14]。例如,向含水率為10%的W/O型乳化液施加2 kV電壓,頻率為500、1 000 Hz時(shí)水顆粒的VMD相應(yīng)增加到31.838 μm和24.236μm,分別增長(zhǎng)4倍和3倍左右;頻率為1 500 Hz時(shí),水顆粒的VMD增加到46.268μm,增長(zhǎng)6倍。這說(shuō)明脈沖頻率越大,外加電場(chǎng)的振蕩頻率與乳化液中分散相水顆粒的固有振蕩頻率越接近,水顆粒振蕩幅度越大,水顆粒間距離相對(duì)縮短,使水顆粒間聚結(jié)力變大,水顆粒處于不穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)脈沖頻率過(guò)高致使部分水顆粒來(lái)不及轉(zhuǎn)向極化而未能形成偶極子的現(xiàn)象,表明實(shí)驗(yàn)所用脈沖頻率均在有效聚結(jié)范圍之內(nèi)。但脈沖頻率越大,消耗的功率越大,因此需要基于對(duì)水顆粒聚結(jié)效果和能耗的雙重考慮,合理選擇脈沖頻率。

Fig.3 The relationship between VMD of dropletsand electric field intensity with different water-in-oil emulsions圖3 不同W/O型乳化液中水顆粒的VMD與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

Fig.4 The relationship between VMD of dropletsand pulsed frequency with different water-in-oil emulsions圖4 不同W/O型乳化液中水顆粒的VMD與脈沖頻率的關(guān)系曲線

3.3 脈寬比對(duì)水顆粒靜電聚結(jié)的影響

圖5為W/O型乳化液中分散相水顆粒體積平均粒徑(VMD)與脈寬比的關(guān)系曲線,圖5(a)的操作條件為含水率10%、Q=60 L/min、f=1 000 Hz,入口處水顆粒的VMD是7.358μm;圖5(b)的操作條件為含水率30%、Q=20 L/m in、f=1 400 Hz,入口處水顆粒的VMD是6.520μm。從圖5中可以看出,含水率為10%時(shí),脈寬比對(duì)水顆粒的VMD影響較小,如在施加6 kV電壓時(shí),脈寬比為20%、40%、60%時(shí),水顆粒的VMD分別增長(zhǎng)7倍、8倍和9倍;而含水率為30%,在相同條件下,水顆粒的VMD隨脈寬比的增加而增大,但當(dāng)電壓升高到5 kV后時(shí),這種變化趨勢(shì)不是很明顯。

從圖5(b)中還可以看出,脈寬比為10%時(shí),水顆粒體積平均粒徑基本上不隨電壓變化而變化,這是因?yàn)槊}寬比太小,單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間太短,W/O型乳化液中的分散相水顆粒沒有足夠的時(shí)間吸收電場(chǎng)中的能量,水顆粒不易發(fā)生聚結(jié)。實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)脈寬比太大導(dǎo)致的電分散和電擊穿現(xiàn)象。對(duì)于不同的乳化液而言,最適合的脈寬比不盡相同,故可針對(duì)不同的乳化液篩選出最適合的電場(chǎng)。

Fig.5 The relationship between VMD of dropletsand pulse width ratio with different water-in-oil emulsions圖5 不同W/O型乳化液中水顆粒的VMD與脈寬比的關(guān)系曲線

3.4 流動(dòng)速度對(duì)水顆粒靜電聚結(jié)的影響

圖6為W/O型乳化液中分散相水顆粒體積平均粒徑(VMD)與流動(dòng)速度的關(guān)系曲線,圖6(a)的操作條件為含水率5%、f=1 000 Hz、δ=40%;圖6 (b)的操作條件為含水率20%、f=1 500 Hz、δ= 40%。從測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出,含水率為20%時(shí),在各流量下入口處水顆粒的VMD波動(dòng)很小,基本都在7μm左右;而含水率為5%時(shí),入口處水顆粒的VMD在5～8μm,出現(xiàn)的增長(zhǎng)是由于湍流增加了水顆粒的碰撞聚結(jié)機(jī)率。從圖6中可以看出,在施加相同電壓下,不同含水率W/O型乳化液中分散相水顆粒VMD隨流動(dòng)速度的增加而減小,這是因?yàn)榱鲃?dòng)速度增加使得乳化液在電場(chǎng)中停留時(shí)間縮短,電場(chǎng)力作用減弱,水顆粒聚結(jié)不充分。例如含水率為5%的W/O型乳化液,在施加5 kV電壓時(shí),當(dāng)流動(dòng)速度為0.17 m/s(Q=20 L/min)時(shí),乳化液在電場(chǎng)中停留16.8 s,水顆粒的VMD從5.089μm增加到122.572μm,增長(zhǎng)24倍;而當(dāng)流動(dòng)速度為0.54 m/s(Q=65 L/min)時(shí),乳化液在電場(chǎng)中停留5.2 s,水顆粒的VMD從8.084μm增加到63.351μm,僅增長(zhǎng)8倍。由此可見,在施加電壓后,流動(dòng)速度對(duì)分散相水顆粒的碰撞聚結(jié)產(chǎn)生明顯影響。但流動(dòng)速度太低會(huì)降低乳化液的處理效率,如上述操作條件(v =0.17 m/s)在使水顆粒VMD明顯增加的同時(shí),處理量相應(yīng)降低2/3,因此需要綜合考慮聚結(jié)效果和處理效率,選擇較為合理的流動(dòng)速度。

Fig.6 The relationship between VMD of dropletsand flow velocity with different water-in-oil emulsions圖6 不同W/O型乳化液中水顆粒的VMD與流動(dòng)速度的關(guān)系曲線

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Research on the Electrostatic Coalescing Demulsification of Water-in-Oil Emulsions in Rectangular Flow Channel

D ING Yi,CHEN Jia-qing,SHANG Chao,ZHANGBao-sheng
(School of M echanical Engineering in Beijing Institute of Petrochem ical Technology,Beijing 102617,P.R.China)

30 January 2010;revised 23 M arch 2010;accepted 24 A pril 2010

The study of de-emulsification mechanism fo r water-in-oil emulsions by electrostatic coalescence in rectangular flow channel was the basis and p rerequisite of developing vessel internal electrostatic coalescer.The influence facto rs of electric field intensity w ith insulating coating in rectangular flow channel and coalescence mechanism of dispersed drop lets under homogeneous alternating current electric field were analyzed.Then the continuous-flow electro-coalescence experimental apparatus w ith rectangular flow channel was designed.Based on this apparatus,the effects of electric field intensity,pulsed f requency,pulse w idth ratio,flow velocity to the electrostatic coalescing characteristics of dispersed droplets were studied by app lying rectangular-wave high-voltag and high-f requency pulsed alternating current w ith water-in-oil emulsions.The experimental results show that electric field intensity and flow velocity p lay an important role in electrostatic coalescing p rocess of dispersed drop lets,and have an op timal operating condition.

Water-in-oil emulsions;Electrostatic demulsification;High-voltage&high frequency alternating current power;Electric field parameters;Flow conditions

.Tel.:+86-10-81292134;fax:+86-10-81292134;e-mail:dingyi@bip t.edu.cn

TE624.1

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.003

1006-396X(2010)03-0011-06

2010-01-30

丁藝(1984-),男,山東威海市,碩士研究生。

2007年度國(guó)家863計(jì)劃專題課題(2007AA 06Z-225);北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃資助項(xiàng)目(PHR200906214);2008年度教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目。