楊東海，何利民，羅小明，呂宇玲

（中國(guó)石油大學(xué) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266555）

新型靜電聚結(jié)器中水滴粒徑的分布特性

楊東海，何利民，羅小明，呂宇玲

（中國(guó)石油大學(xué) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266555）

傳統(tǒng)電脫水器采用裸電極、乳化液含水率較高時(shí)，高強(qiáng)電場(chǎng)作用下容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象。設(shè)計(jì)了包覆絕緣層的高壓電極并加工了新型靜電聚結(jié)器，采用水/原油乳狀液為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，并利用顯微高速攝像系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù)，考察了電場(chǎng)強(qiáng)度，乳化液流量、含水率對(duì)液滴粒徑分布特性的影響。結(jié)果表明，液滴粒徑分布與Rosin-Rammler分布均吻合較好；包覆絕緣層的高壓電極可有效防止電擊穿現(xiàn)象的發(fā)生；增加電場(chǎng)強(qiáng)度有助于油、水分離，但高于臨界電場(chǎng)強(qiáng)度后，容易導(dǎo)致液滴破碎，并且含水率越高，最優(yōu)電場(chǎng)強(qiáng)度越低；隨著乳化液流量的增加，電場(chǎng)作用降低，但高強(qiáng)電場(chǎng)在高流量下依然使液滴粒徑明顯增大。

液滴；電聚結(jié)器；分布；電場(chǎng)強(qiáng)度；含水率

原油采出液中含有大量乳化水，經(jīng)過(guò)一次沉降后，原油中仍然含有大量的微水滴。采用高強(qiáng)電場(chǎng)促進(jìn)油包水乳化物中的水滴聚結(jié)是一種常用的物理分離方法，其優(yōu)點(diǎn)是能耗低、分離效率高［1］。但目前傳統(tǒng)電脫水器大多采用裸電極，如果原油中的含水率高于20%（體積分?jǐn)?shù)，下同），則可能引起電極間短路［2］。采用具有合適介電常數(shù)的絕緣電極可有效地防止擊穿，減小電流，提高集輸系統(tǒng)的安全性，并降低能耗。

研究者大多采用沉降及蒸餾的方法評(píng)價(jià)聚結(jié)效果［3-4］。實(shí)際上，液滴粒徑的大小及分布可以最直觀地反映靜電聚結(jié)器對(duì)水滴的聚結(jié)效果，因此，對(duì)油包水乳化物中水滴的粒徑及分布進(jìn)行研究，不僅可以從微觀上評(píng)價(jià)油包水乳化物分散相的組成特點(diǎn)，而且可以從宏觀上評(píng)價(jià)靜電聚結(jié)器的聚結(jié)效果，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)。目前，研究者常用的液滴粒徑的測(cè)量方法有激光粒度儀法［5］、圖像處理法［6］、電阻法［7］、靜止浮升法［8］等。由于原油的透光性差，并且絕緣，因此筆者采用圖像處理法測(cè)量油包水乳化物中液滴粒徑分布。

1 乳化液中液滴的粒徑分布

描述乳化液中液滴粒徑的參數(shù)主要有算術(shù)平均直徑D、比表面積平均直徑D32和體積平均直徑單位均為μm。它們的表達(dá)式如式（1）所示。

式（1）中，di表示第i個(gè)液滴的直徑，μm；n表示液滴總數(shù)。為了充分評(píng)價(jià)液滴聚結(jié)效果，采用D、D32和D43來(lái)描述不同工況條件下的液滴平均粒徑變化。

由于乳化液中液滴的粒徑是不均勻的，無(wú)法用單一的平均直徑來(lái)描述其分散特性，即使2種分散體系具有相同的平均粒徑，其粒徑分布也不一定相同。為了更好地描述液滴粒徑的變化，需要采用合適的概率密度函數(shù)（PDF）來(lái)描述液滴群的分布規(guī)律。通常采用正太（Normal）分布［10］、對(duì)數(shù)正太（Log-Normal）分布［10］和羅森-拉姆勒（Rosin-Rammler）分布［10］來(lái)分析顆粒粒徑分布，分別如式（2）～（4）所示。

Normal分布：

Log-Normal分布：

Rosin-Rammler分布［11］：

式（2）～（4）中，d為顆粒的直徑，μm；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；F（d）表示液滴粒徑小于d的液滴數(shù)占總液滴的百分?jǐn)?shù)；α和δ表示液滴群分散特性的分布參數(shù)。

Karabelas［12］發(fā)現(xiàn) Rosin-Rammler和 Log-Normal分布與液滴粒徑分布吻合較好。Simmons等［13］發(fā)現(xiàn)Log-Normal分布比別的分布模型更有代表性。Angeli［9］認(rèn) 為 Rosin-Rammler分 布 和 Log-Normal分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都吻合較好。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由靜電聚結(jié)器、變壓器等組成［14］，圖1為靜電聚結(jié)器結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)時(shí)靜電聚結(jié)器豎直放置，入口在上部，乳化物在接地電極與絕緣層之間形成的流道內(nèi)流動(dòng)，發(fā)生靜電聚結(jié)作用，通過(guò)出口排出聚結(jié)器。靜電聚結(jié)器中的高壓電極由金屬電極和內(nèi)外均包覆的絕緣層組成，可保證極板不被擊穿。

圖1 靜電聚結(jié)器的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of electrostatic coalescer

利用顯微高速攝像系統(tǒng)結(jié)合圖像處理軟件確定液滴粒徑大小及分布［14］。

2.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

將原油與自來(lái)水配制成含水率φ（體積分?jǐn)?shù)）分別為10%、20%、30%的油包水（W/O）乳化物作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。根據(jù)相關(guān)公式，計(jì)算得到20℃、0.1MPa時(shí)該乳化物的物性參數(shù)列于表1。物性參數(shù)包括相對(duì)介電常數(shù)εr、密度ρ和黏度μ。流量不同時(shí)，乳化物在電場(chǎng)中的停留時(shí)間與流量的關(guān)系列于表2。表3為不同電壓下乳化物中電場(chǎng)強(qiáng)度。

表1 3個(gè)油包水乳化物樣品的物性參數(shù)Table 1 The physical properties of three W/Oemulsion samples

表2 不同流量（Q）的乳化物在電場(chǎng)中的停留時(shí)間（t）Table 2 The residence time（t）of emulsion with different flow rate（Q）in electric field

表3 不同電壓下乳化物中電場(chǎng)強(qiáng)度Table 3 The electric field strength in different voltage

3 結(jié)果與討論

3.1 電場(chǎng)中W/O乳化液的液滴粒徑分布

圖2為含水率30%的 W/O乳化液以0.8m3/h流量通過(guò)不同電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)時(shí)的液滴粒徑及其分布。由圖2可知，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，液滴平均粒徑D明顯增加，電場(chǎng)強(qiáng)度為204kV/m時(shí)，D達(dá)到最大值，但D32和D43的最大值卻在電場(chǎng)強(qiáng)度136kV/m時(shí)出現(xiàn)。這是由于當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為136kV/m時(shí)，液滴粒徑分布不均，小液滴所占比例較高，雖然整體平均粒徑偏小，但大液滴的存在可能導(dǎo)致D32和D43較大。

圖3為不同電場(chǎng)強(qiáng)度（E）下W/O乳化液的液滴粒徑分布與經(jīng)典分布模型的比較。由圖3可知，在不同電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，W/O乳化液的液滴粒徑分布與Log-Normal和Rosin-Rammler分布模型均吻合較好，特別是與Rosin-Rammler分布模型吻合更好。Normal分布模型適用于粒徑分布范圍較窄且對(duì)稱(chēng)的情況，而W/O乳化物中小水滴所占比例較高，且粒度分布范圍較廣，因此二者不相符合。電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)（見(jiàn)圖3（a）、（b）），液滴粒徑分布與Rosin-Rammler分布吻合較好。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，小粒徑液滴所占比例逐漸減小，大粒徑液滴所占比例明顯增加，而且大液滴（高于20μm）的粒徑分布與Normal分布也吻合較好，說(shuō)明大液滴粒徑分布比較窄，比較緊湊。對(duì)其他工況分析也有類(lèi)似的分布規(guī)律，也表明在電場(chǎng)作用下，液滴頻繁碰撞，發(fā)生聚結(jié)，導(dǎo)致大液滴所占百分?jǐn)?shù)明顯增加，平均粒徑顯著增大，有利于油、水分離。

3.2 W/O乳化液液滴聚結(jié)的影響因素

3.2.1 電場(chǎng)強(qiáng)度

在交流電場(chǎng)中，液滴聚結(jié)主要以偶極聚結(jié)的形式發(fā)生。Waterman［15］給出了2個(gè)液滴偶極-偶極吸引力的公式，如式（5）所示。

圖2 不同電場(chǎng)強(qiáng)度（E）電場(chǎng)中W/O乳化液的液滴粒徑（d）及其分布Fig.2 Droplet diameter（d）and its distribution of W/O emulsion in the electric field with different intensity（E）

圖3 不同電場(chǎng)強(qiáng)度（E）下W/O乳化液的液滴粒徑分布與經(jīng)典分布模型的比較Fig.3 Comparison of droplet diameter distribution at different electric field intensity（E）with normal distribution models

式（5）中E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；k為與連續(xù)相介電常數(shù)有關(guān)的常數(shù)，F(xiàn)/m；FE為電場(chǎng)力，N；β為液滴中心連線(xiàn)與電場(chǎng)線(xiàn)夾角，°；R1和R2分別為2個(gè)液滴半徑，m；S為液滴中心間距，m。

由式（5）可知，E越高，液滴所受電場(chǎng)力越大，液滴變形率越大，伸縮幅度越大，液膜也更容易破裂，促進(jìn)液滴聚結(jié)。圖4為含水率10%的W/O乳化液以0.6m3/h流量通過(guò)不同電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)時(shí)的液滴粒徑及其分布。

圖4 W/O乳化液液滴粒徑及其分布隨電場(chǎng)強(qiáng)度（E）的變化Fig.4 Droplet diameter and its distribution of W/O emulsion vs electric field intensity（E）

由圖4可知，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，W/O乳化液液滴平均直徑逐漸增加，D32和D43與平均直徑D的變化趨勢(shì)基本一致，與張黎明等［3-4］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。由圖4還可知，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，液滴粒徑一直有增大的趨勢(shì)，電場(chǎng)強(qiáng)度為372kV/m時(shí)，液滴粒徑最大。而從圖2可知，電場(chǎng)強(qiáng)度為204kV/m時(shí)，小液滴所占比例雖然高于272kV/m時(shí)的，但由于大液滴（大于60μm）所占比例明顯增加，因此平均液滴粒徑也相應(yīng)增加。這是由于當(dāng)含水率為30%時(shí)，未加電場(chǎng)時(shí)液滴粒徑較大，在272kV/m時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度較高，超過(guò)部分大液滴的臨界場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致大液滴發(fā)生破裂而成更小的液滴，從而引起大液滴所占分?jǐn)?shù)下降，結(jié)果平均粒徑也相應(yīng)變小。因此對(duì)不同含水率的乳化物需要施加不同的電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)高含水率的情況可以適當(dāng)?shù)亟档碗妷?，以免發(fā)生“電分散”現(xiàn)象，不利于液滴聚結(jié)。

隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，圖2顯示的是小液滴（小于10μm）分布呈下降趨勢(shì)，而大液滴所占比例也明顯增加，而圖4顯示大液滴隨場(chǎng)強(qiáng)增加而變化不明顯，二者有所差異。這是由于當(dāng) W/O乳化液含水率為30%時(shí)，其液滴平均粒徑較大，液滴間距較小，所受電場(chǎng)力較大，因此大液滴更容易發(fā)生聚結(jié)，大液滴所占比例隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加比較明顯；含水率為10%時(shí)，液滴粒徑較小，雖然電場(chǎng)強(qiáng)度較高，但液滴間距較大，所受電場(chǎng)力較小，根據(jù)式（4）需要更高的電場(chǎng)強(qiáng)度才能達(dá)到同樣的電場(chǎng)力，克服黏滯阻力的影響，使液滴互相靠近，促使液滴發(fā)生有效聚結(jié)，因此大液滴的聚結(jié)不那么明顯。

3.2.2 乳化液流量

當(dāng)含水率20%的W/O乳化液以不同流量通過(guò)電場(chǎng)時(shí)其液滴粒徑分布如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)流量較大時(shí)，對(duì)液滴的剪切更加強(qiáng)烈，因此小液滴所占比例較高。當(dāng)流量較低時(shí)，隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加，小液滴所占比例明顯減小，但在流量較高時(shí)，小液滴所占比例隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而減小的變化沒(méi)有低流量時(shí)的明顯。同時(shí)，流量較小時(shí)，隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加，大液滴明顯增加。

在較低流量下，液滴混合不太激烈，并且碰撞不太頻繁，更有助于電場(chǎng)力對(duì)液滴施加作用，因此將促進(jìn)液滴的靠近與聚結(jié)，提高液滴聚結(jié)效果，液滴粒徑增加比較明顯。流量較大時(shí)，乳化物在電場(chǎng)中的停留時(shí)間變短，使得鄰近液滴發(fā)生碰撞和聚結(jié)的時(shí)間很短，液滴粒徑增加沒(méi)有低流量時(shí)那么明顯，但是電場(chǎng)強(qiáng)度較高時(shí)，液滴粒徑依然增大比較明顯。當(dāng)流量為0.8m3/h時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度為320kV/m時(shí)小液滴仍明顯減少。因此在流量較大時(shí)采用高強(qiáng)電場(chǎng)仍有助于液滴粒徑增大，促進(jìn)水滴聚結(jié)。

圖5 W/O乳化液以不同流量（Q）通過(guò)電場(chǎng)時(shí)其液滴的粒徑分布Fig.5 Droplet diameter distribution of W/O emulsion through a electric field at different flow rates（Q）

3.2.3 乳化液含水率

圖6為含水率不同、流量均為0.8m3/h的W/O乳化液通過(guò)電場(chǎng)時(shí)，其液滴粒徑隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。由圖6可見(jiàn)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，含水率10%和30%的小液滴所占比例明顯減小，而含水率為20%時(shí)變化則相對(duì)不明顯?？疾煳醇与妷海‥＝0）時(shí)，發(fā)現(xiàn)含水率10%和20%的液滴粒徑分布基本相同，而含水率30%時(shí)小液滴所占比例減小，大液滴所占比例增加，因此平均粒徑也高于含水率10%和20%的。含水率10%時(shí)液滴粒徑雖然較小，且液滴中心間距較大，但相同電壓下電場(chǎng)強(qiáng)度是最高的，因此電場(chǎng)力也足以促進(jìn)液滴聚結(jié)，液滴粒徑增大明顯。含水率30%時(shí)，液滴粒徑較大，中心間距較小，雖然黏度較大，但是根據(jù)式（4）可知，電場(chǎng)力也相應(yīng)較大，也促進(jìn)了液滴聚結(jié)。而含水率20%的液滴粒徑較小，黏度和電場(chǎng)強(qiáng)度均處于二者之間，因此在液滴粒徑、黏度和電場(chǎng)強(qiáng)度的共同作用下，液滴粒徑增大情況略差于含水率10%和30%的。

圖6 不同含水率（φ）W/O乳化液液滴粒徑（d）分布隨電場(chǎng)強(qiáng)度（E）的變化Fig.6 Droplet diameter distributions of W/O emulsions with different water content（φ）vs electric field intensity（E）

4 結(jié) 論

（1）制造了含有絕緣電極的新型靜電聚結(jié)器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能適應(yīng)不同含水率 W/O乳化液液滴聚結(jié)的工況；對(duì)高含水率W/O乳化液，可以防止擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，并且在高強(qiáng)電場(chǎng)作用下液滴聚結(jié)效果明顯。

（2）不同工況下，W/O乳化液液滴粒徑分布與Log-Normal分布和 Rosin-Rammler分布均吻合較好，場(chǎng)強(qiáng)較高時(shí)，大液滴粒徑分布與Normal分布吻合也較好。

（3）對(duì)不同含水率W/O乳化液，聚結(jié)效果最優(yōu)的電場(chǎng)強(qiáng)度不同；含水率為10%、20%、30%時(shí)最優(yōu)電場(chǎng)強(qiáng)度分別是372、320和204kV/m，含水率越高，最優(yōu)電場(chǎng)強(qiáng)度越低。

（4）施加高強(qiáng)電場(chǎng)后，含水率10%和30%的W/O乳化物液滴粒徑分布情況要優(yōu)于含水率20%的。乳化物的含水率、油品物性、流量等因素會(huì)共同影響液滴粒徑分布。

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Characteristics of Water Droplet Diameter Distribution in New Electrostatic Coalescer

YANG Donghai，HE Limin，LUO Xiaoming，Lü Yuling
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Traditional electric dehydrator with bare electrodes is easily broken down by high voltage when the water content is high.The insulated electrode and new type of electrostatic coalescer were designed and made.The effects of electric field intensity，flow rate and water content of experiment medium on the water droplet diameter and its distribution under high AC electric field were investigated with water/crude oil emulsion as experiment medium.The micro high-speed camera system and image processing technology were used to analyze the droplet size in the entrance and outlet of electrostatic coalescer.The results indicated that the Rosin-Rammler distribution could satisfactorily predict the water droplet diameter distribution.The insulated high voltage electrode could effectively prevent electric breakdown.High electric field intensity was conductive to the coalescence of water droplets.If the electric field intensity is higher than the critical one，the water droplets will rupture.The optimal electric field intensities decreased with the increase of water content in experiment medium.With the increase of flow rate of experiment medium the effect of electric field intensity was weakened，and high electric field intensity could still effectively promote the coalescence of water droplets.

droplet；electrostatic coalecer；distribution；electric field intensity；water content

TE624.1

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.025

1001-8719（2012）03-0505-07

2011-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（51006124，51106182）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金（09CX04032A）和研究生創(chuàng)新基金（CXZD11-13）資助

楊東海，男，博士，從事油水分離的實(shí)驗(yàn)研究

何利民，男，教授，博士，從事油氣集輸及多相流分離方面的研究；Tel：0532-86981818；E-mail：helimin＠m(xù)ail.upc.edu.cn