樊玉新，李彬，孫治謙，王振波，金有海

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

無(wú)機(jī)鹽濃度及種類對(duì)電脫水過(guò)程水滴極化的影響

樊玉新1，2，李彬1，孫治謙1，王振波1，金有海1

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

為了深入探究無(wú)機(jī)鹽對(duì)電脫水過(guò)程水滴極化的影響機(jī)理，分別改變無(wú)機(jī)鹽濃度及種類，對(duì)高頻高壓脈沖電場(chǎng)作用下水滴的極化變形進(jìn)行顯微實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，不同 NaCl濃度條件下水滴的變形度隨電場(chǎng)頻率和占空比的增加呈先增大后降低，由于電導(dǎo)率增大、離子沖擊效應(yīng)等的影響，隨著 NaCl濃度的增大，水滴的變形度隨之增大。高價(jià)無(wú)機(jī)鹽離子所受的電場(chǎng)力是一價(jià)離子的數(shù)倍，有利于其沖擊速度和沖擊動(dòng)量的提升，水滴變形度隨離子價(jià)位升高而增大。另外，由于離子活潑程度以及水解等原因，在同一高壓脈沖電場(chǎng)中，不同鈉鹽溶液水滴變形度順序?yàn)椋毫姿徕c〉碳酸鈉〉硫酸鈉〉氯化鈉〉硝酸鈉。不同氯鹽溶液水滴變形度順序?yàn)椋郝然V〉氯化鈣〉氯化鉀〉氯化鈉〉氯化銨。研究成果為高壓高頻脈沖靜電破乳機(jī)理的深入探討奠定了基礎(chǔ)。

高頻脈沖；無(wú)機(jī)鹽；極化；變形

引　言

在化工行業(yè)、加工制造行業(yè)以及石油行業(yè)，原本不混溶的液體混溶在一起的現(xiàn)象屢見不鮮。在石油開采過(guò)程中，從油層中開采出來(lái)的石油都含有大量的水分和鹽類，形成穩(wěn)定的 W/O乳狀液。由于水分和鹽類的存在對(duì)石油的處理工藝和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，原油脫鹽、脫水一直是石油行業(yè)的重點(diǎn)研究問(wèn)題。原油脫鹽、脫水方法主要有化學(xué)破乳法、過(guò)濾法、重力沉降法、離心分離法、超聲波法、微波輻射法、磁處理法、熱處理法和電脫水法等［1-4］。其中，脈沖電破乳技術(shù)具有良好的破乳脫水效果［5-9］。高壓高頻脈沖電破乳是近年來(lái)國(guó)內(nèi)新興的靜電脫鹽脫水方法，它是在常規(guī)電脫水的電壓輸出波形上疊加了高頻脈沖信號(hào)而形成的。與交流、直流和交直流等其他靜電破乳方法相比，高壓高頻脈沖電破乳具有能耗小、效率高的顯著優(yōu)勢(shì)［10-12］。工業(yè)應(yīng)用中，無(wú)機(jī)鹽特性對(duì)脈沖靜電脫水效果影響顯著。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無(wú)機(jī)鹽等物性參數(shù)對(duì)脈沖電破乳的影響進(jìn)行了一系列研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)多集中于破乳宏觀效果的研究，而對(duì)于電場(chǎng)作用下無(wú)機(jī)鹽對(duì)水滴的極化、變形、聚并、破碎等微觀破乳機(jī)理的影響研究極其匱乏［8，13-16］。為解決重質(zhì)、劣質(zhì)原油的靜電破乳難題，亟需從實(shí)驗(yàn)研究和理論分析等各方面著手，對(duì)無(wú)機(jī)鹽對(duì)高頻脈沖靜電破乳微觀影響機(jī)理進(jìn)行深入研究?；诖?，本文進(jìn)行顯微實(shí)驗(yàn)，全面考察高壓高頻脈沖電場(chǎng)下無(wú)機(jī)鹽濃度和種類對(duì)水滴極化變形的影響規(guī)律，為高壓高頻脈沖靜電破乳機(jī)理的深入探討以及高效緊湊脈沖電脫鹽脫水設(shè)備的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

顯微實(shí)驗(yàn)（圖 1）中，采用無(wú)機(jī)鹽和蒸餾水配成的溶液作為分散相，透光性較好的導(dǎo)熱油作為連續(xù)相，常溫下導(dǎo)熱油的密度為856.0 kg·m-3，表觀黏度為89.6 mPa·s。取體積分?jǐn)?shù)為4%的無(wú)機(jī)鹽溶液與體積分?jǐn)?shù)為96%的導(dǎo)熱油，在振蕩瓶中上下振蕩1200次（振蕩頻率2 Hz，振蕩幅度15～20 cm），配制成穩(wěn)定的油包水（W/O）乳狀液，初始粒徑分布如圖2所示。由圖2可知，乳狀液初始粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律，大多數(shù)液滴粒徑處于4～14 μm之間。實(shí)驗(yàn)所采用的無(wú)機(jī)鹽匯總表見表 1。實(shí)驗(yàn)采用電壓、頻率和占空比連續(xù)可調(diào)的高壓高頻矩形波脈沖脫水電源，其電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為 1200～7000 V，脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍為 1.8～6.3 kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為 0.1～0.875。實(shí)驗(yàn)單元采用雙絕緣平板電聚結(jié)單元（尺寸：85 mm×11 mm×11 mm），電極材料為銅片，電極形式為平板電極，聚結(jié)單元上部不封口，其主體材質(zhì)和絕緣材料為玻璃。顯微成像系統(tǒng)由鳳凰光學(xué)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的PH50型數(shù)碼顯微鏡、計(jì)算機(jī)以及 PHM IAS2008顯微圖像處理分析軟件組成，用以記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖像信息，并通過(guò)后處理軟件量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1　微觀實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.1　Experimental set-up of m icroscopic test

圖2　W/O乳狀液液滴初始粒徑Fig.2　Initial drop size distribution

表1　實(shí)驗(yàn)所采用的無(wú)機(jī)鹽匯總Table 1　Summarizing of m ineral salt used in experiment

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1理論基礎(chǔ)

電脫鹽脫水的原理是，脫鹽器中，原油在破乳劑和高壓電場(chǎng)的作用下，小水滴聚并成為大水滴，然后在重力場(chǎng)作用下，依靠油水密度差將水從原油中分離出來(lái)，同時(shí)也脫除了溶于原油中的鹽。因此，電脫鹽的過(guò)程也就是電脫水的過(guò)程。高頻高壓脈沖電脫水是近年來(lái)國(guó)內(nèi)新興的靜電脫鹽脫水方法，是在常規(guī)電脫水的電壓輸出波形上疊加一個(gè)高頻脈沖信號(hào)所形成的新電壓輸出波形。原油中的水滴在高壓脈沖電場(chǎng)中可以吸收充足的能量，使原油中水滴的振蕩幅度增大，增加與相鄰水滴碰撞的概率，提高脫水效率。其次，在高頻脈沖電場(chǎng)中，極化了的水滴會(huì)隨電場(chǎng)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和重新極化，發(fā)生振蕩聚結(jié)，增加了微小水滴的碰撞與聚結(jié)概率，能有效提高脫水效果。

在電場(chǎng)中，偶極聚結(jié)力是水滴聚并的主要作用力。原油乳狀液中兩個(gè)相鄰、粒徑相同的水滴之間的聚結(jié)力F為

為表征水滴在電場(chǎng)作用下的變形程度，引入變形度D［式（2）］， D越大，表明水滴變形的程度越明顯，水滴偏離球體的程度越高。

2.2無(wú)機(jī)鹽濃度的影響

由圖3可知，隨含鹽濃度的增大，NaCl溶液電導(dǎo)率由0 mg·L-1時(shí)的17 μS·cm-1急劇增大至1000 mg·L-1時(shí)的1820 μS·cm-1，而介電常數(shù)值基本不變。另外，由文獻(xiàn)［17］可知，不同濃度NaCl溶液的界面張力值基本不變。因此，含鹽濃度的變化主要對(duì)鹽溶液的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響水滴極化過(guò)程。

圖3　不同含鹽濃度的電導(dǎo)率和介電常數(shù)值Fig.3　Conductivity and dielectric constant w ith different salt concentration

圖4、圖5分別給出了除考察參數(shù)外，電場(chǎng)強(qiáng)度為3.569 kV·cm-1、電場(chǎng)頻率為4 kHz、占空比為50.1%，不同NaCl濃度條件下水滴的變形度隨電場(chǎng)頻率和占空比的變化規(guī)律。由圖可知，電場(chǎng)強(qiáng)度為3.569 kV·cm-1時(shí)，不同NaCl濃度條件下水滴的變形度隨電場(chǎng)頻率和占空比的增加呈先增大后降低的趨勢(shì)，最大變形度所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率均為6 kHz，所對(duì)應(yīng)的占空比均為60%。其原因在于，油水乳狀液呈容性負(fù)載特性，當(dāng)脈沖頻率較低時(shí)，乳狀液的電容較大，作用于乳狀液上的電場(chǎng)強(qiáng)度較低。低頻電場(chǎng)中（2～6 kHz），隨電場(chǎng)頻率增大，作用于乳狀液上的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，水滴所受電場(chǎng)力增大，水滴極化程度增大，水滴變形度增大；高頻電場(chǎng)中（f 〉6 kHz），水滴在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化和振蕩現(xiàn)象，由于水滴的極化作用需要一定的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)脈沖頻率增大到一定程度時(shí)，脈沖周期小于液滴極化所需要的響應(yīng)時(shí)間，水滴極化程度較差，水滴變形度減小。f=6 kHz時(shí)，水滴的極化變形度最大，表明此頻率是脈沖電場(chǎng)的最佳頻率，在此頻率下，脈沖周期與水滴固有周期相近，發(fā)生共振現(xiàn)象，水滴的振蕩和變形程度最高，極化效果最好。另一方面，占空比在0～60%范圍內(nèi)，隨占空比增大，作用于水滴的電場(chǎng)強(qiáng)度及電場(chǎng)能增大，水滴所受電場(chǎng)力增大，水滴極化程度增大，水滴變形度增大；占空比過(guò)大（n〉60%）時(shí)，電脫水過(guò)程中形成的水鏈來(lái)不及消散，部分電場(chǎng)能經(jīng)由水鏈泄漏，作用于水滴上的電場(chǎng)強(qiáng)度下降，水滴變形度減小?？梢?，含鹽濃度對(duì)最大變形度所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率及占空比的取值沒有直接的影響。

此外，由圖4、圖5可知，隨著NaCl濃度的增大，水滴的變形度隨之增大。其原因在于，含鹽濃度的變化主要對(duì)鹽溶液的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，隨含鹽濃度的增大，鹽溶液的電導(dǎo)率急劇增大，水滴所受脈沖電場(chǎng)應(yīng)力隨之增大，電場(chǎng)的極化作用更為明顯，而不同濃度下 NaCl溶液-油相的界面張力基本恒定，從而導(dǎo)致水滴的變形度隨著 NaCl濃度的增加而增大。另一方面，NaCl的加入增大了高頻脈沖電場(chǎng)下的離子對(duì)界面膜的周期性沖擊效應(yīng)，極大地減弱了界面膜的機(jī)械強(qiáng)度，水滴的變形度隨之增大?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?nèi)增加分散相中的無(wú)機(jī)鹽濃度，可在一定程度上提高電場(chǎng)的極化作用，提高水滴的極化效果。

圖4　不同含鹽濃度條件下變形度隨頻率變化Fig.4　Droplet deformation variation w ith frequency of different salt concentrations

圖5　不同含鹽濃度條件下變形度隨占空比變化Fig.5　Droplet deformation variation w ith duty ratio of different salt concentrations

2.3無(wú)機(jī)鹽種類的影響

實(shí)驗(yàn)中所采用的不同無(wú)機(jī)鹽溶液的油水界面張力和pH如圖6所示。由圖可知，不同無(wú)機(jī)鹽的界面張力和pH各有不同。由文獻(xiàn)［17］可知，不同種類含鹽溶液的介電常數(shù)值均基本不變。

圖6　不同無(wú)機(jī)鹽溶液的界面張力及pHFig.6　Interfacial tension and pH of different m ineral salt solutions

圖7　不同鈉鹽條件下變形度隨頻率變化Fig.7　Droplet deformation variation w ith frequency of different natrium salts

2.3.1鈉鹽圖 7給出了在電場(chǎng)強(qiáng)度為 2.149 kV·cm-1、占空比為19.9%下，相同鈉離子、不同陰離子的無(wú)機(jī)鹽液滴變形度隨頻率的變化規(guī)律。圖8給出了在電場(chǎng)強(qiáng)度為2.865 kV·cm-1、電場(chǎng)頻率為2 kHz下，相同鈉離子、不同陰離子的無(wú)機(jī)鹽液滴變形度隨占空比的變化規(guī)律。由圖7可知，隨頻率的增大，不同鈉鹽液滴變形度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大變形度對(duì)應(yīng)的頻率并不一致，這取決于溶有不同無(wú)機(jī)鹽液滴的固有頻率。由圖8可知，隨占空比的增加，除磷酸鈉外（液滴變形度呈一直增大趨勢(shì)），不同鈉鹽液滴變形度均呈現(xiàn)先增大后小幅降低的趨勢(shì)，占空比過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致部分電場(chǎng)能泄漏，液滴的變形度反而有所下降。

圖8　不同鈉鹽條件下變形度隨占空比變化Fig.8　Droplet deformation variation w ith duty ratio ofdifferent natrium salts

不同鈉鹽溶液變形度順序?yàn)椋毫姿徕c〉碳酸鈉〉硫酸鈉〉氯化鈉〉硝酸鈉，其規(guī)律為，隨著無(wú)機(jī)鹽價(jià)數(shù)的升高，液滴的變形度也隨之升高。其原因在于，在高頻脈沖電場(chǎng)作用下，隨離子價(jià)位的升高，離子對(duì)液滴界面膜的沖擊動(dòng)量增大，水滴界面膜受到的沖擊增大，界面膜機(jī)械強(qiáng)度降低，水滴變形度增大。另外，由圖6可知，雖然Na3PO4溶液pH最大，堿性最大，即P水解作用明顯，電離不完全，乳狀液離子數(shù)較少，但添加 Na3PO4的乳狀液液滴的界面張力僅為1.7 mN·m-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他鈉鹽，故其液滴變形度遠(yuǎn)高于其他鈉鹽。

2.3.2氯鹽圖 9給出了電場(chǎng)強(qiáng)度為 2.149 kV·cm-1、占空比為19.9%下，相同氯離子、不同鈉離子的無(wú)機(jī)鹽液滴變形度隨頻率的變化規(guī)律。圖10給出了電場(chǎng)強(qiáng)度為2.865 kV·cm-1、電場(chǎng)頻率2 kHz下，相同氯離子、不同鈉離子的無(wú)機(jī)鹽液滴變形度隨占空比的變化規(guī)律。由圖9可知，不同氯鹽條件下，液滴最大變形度所對(duì)應(yīng)的頻率也不盡相同，此規(guī)律與不同鈉鹽的所呈現(xiàn)的規(guī)律一致?？梢?，溶有不同無(wú)機(jī)鹽的蒸餾水液滴的固有頻率不相一致，因此，液滴最大變形度所對(duì)應(yīng)的頻率也隨之改變。由圖10可知，不同氯鹽條件下，隨占空比的增加，不同氯鹽均呈現(xiàn)先增大后小幅降低的趨勢(shì)，占空比過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致部分電場(chǎng)能泄漏，液滴的變形度反而有所下降。

圖9　不同氯鹽條件下變形度隨頻率變化Fig.9　Droplet deformation variation w ith frequency of different chlorine salts

圖10　不同氯鹽條件下變形度隨占空比變化Fig.10　Droplet deformation variation w ith duty ratio of different chlorine salts

不同氯鹽溶液變形度順序?yàn)椋郝然V〉氯化鈣〉氯化鉀〉氯化鈉〉氯化銨，二價(jià)鹽的變形度高于一價(jià)鹽。各種氯鹽的電導(dǎo)率、界面張力、pH和介電常數(shù)均沒有較大差別，各參數(shù)對(duì)液滴的極化變形作用沒有較大影響?？梢姡蔚淖冃纬龢O化變形外，還包括離子沖擊界面膜導(dǎo)致的變形。大量離子在高場(chǎng)強(qiáng)、高電場(chǎng)力的作用下，短時(shí)間內(nèi)高速?zèng)_擊油水界面膜，導(dǎo)致油水界面膜發(fā)生變形，同時(shí)在一定程度上削弱了油水界面膜的機(jī)械強(qiáng)度。離子的沖擊動(dòng)量越大，水滴變形效應(yīng)越明顯，而在相同電場(chǎng)強(qiáng)度條件下，高價(jià)無(wú)機(jī)鹽離子所受的電場(chǎng)力是一價(jià)離子的數(shù)倍，更有利于其沖擊速度和沖擊動(dòng)量的提升。鎂離子的相對(duì)分子質(zhì)量小于鈣離子的相對(duì)分子質(zhì)量，在相同電場(chǎng)作用下，鎂離子對(duì)液滴膜的沖擊速度大于鈣離子的沖擊速度，即鎂離子的沖擊動(dòng)能大于鈣離子的沖擊動(dòng)能。因此，含MgCl2的乳狀液液滴變形度最大。K元素比Na元素活潑，K+對(duì)液滴界面膜的沖擊動(dòng)量高于 Na+。N在乳狀液中易發(fā)生水解，離子數(shù)以及離子活性顯著減少。因此，一價(jià)氯鹽中，含KCl的乳狀液液滴變形度最大，NaCl次之，NH4Cl最小。

3　結(jié)　論

（1）由于油水乳狀液呈容性負(fù)載特性、占空比影響電場(chǎng)能，電場(chǎng)強(qiáng)度為3.569 kV·cm-1時(shí)，不同NaCl濃度條件下水滴的變形度隨電場(chǎng)頻率和占空比的增加呈先增大后降低的趨勢(shì)，最大變形度所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率均為 6 kHz，所對(duì)應(yīng)的占空比均為60%。含鹽濃度的變化主要對(duì)鹽溶液的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響水滴極化過(guò)程。由于電導(dǎo)率的增大、離子沖擊效應(yīng)等影響，隨著 NaCl濃度的增大，水滴的變形度隨之增大。

（2）隨頻率、占空比的增大，不同鈉鹽液滴變形度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。隨離子價(jià)位的升高，離子對(duì)液滴界面膜的沖擊動(dòng)量增大，水滴變形度增大；含 Na3PO4的乳狀液液滴的界面張力僅為1.7 mN·m-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他鈉鹽。因此，不同鈉鹽溶液水滴變形度順序?yàn)椋毫姿徕c〉碳酸鈉〉硫酸鈉〉氯化鈉〉硝酸鈉。

（3）隨頻率、占空比的增大，不同氯鹽液滴變形度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。高價(jià)無(wú)機(jī)鹽離子所受的電場(chǎng)力是一價(jià)離子的數(shù)倍，更有利于其沖擊速度和沖擊動(dòng)量的提升，另外，由于離子活潑程度以及水解等原因，在同一高壓脈沖電場(chǎng)中，不同氯鹽溶液水滴變形度順序?yàn)椋郝然V〉氯化鈣〉氯化鉀〉氯化鈉〉氯化銨。

符號(hào)說(shuō)明

a ——橢球形水滴的長(zhǎng)半軸，m

b ——橢球形水滴的短半軸，m

D ——水滴變形度，%

d ——兩顆水滴之間的中心距，m

E ——高頻脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度，kV·m-1

f ——高頻脈沖電場(chǎng)頻率，kHz

n ——高頻脈沖電場(chǎng)占空比

r ——水滴半徑，m

εw——水滴的介電常數(shù)，F(xiàn)·m-1

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Effect of salt concentration and type on polarization and deformation of water drop let during electric dehydration

FAN Yuxin1，2， LI Bin1， SUN Zhiqian1， WANG Zhenbo1， JIN Youhai1
（1College of Chemical Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， Shandong， China；2Fengcheng Field Operation District， Xinjiang Oilfield Company， Karamay 834000， Xinjiang， China）

In order to explore mechanism of concentration and type of inorganic salts on polarization and deformation of water droplet during electric dehydration， water droplets of various salt concentrations and types were studied m icroscopically in pulsed electric field of both high frequency and high voltage. Water droplets of all tested sodium chloride （NaCl） concentrations showed a trend that the deformation degree increased first but decreased later when the electric frequency and duty ratio were increased. The deformation degree of water droplet increased w ith increase of NaCl concentration， as a result of increased electric conductivity and ion collision. The electric force on multivalent ions， which is several times stronger than that on monovalent ions， enhanced velocity and momentum of their collision， so the deformation degree of water droplet increased upon increase of ionic valence. Furthermore， the ion activity and hydrolysis affected the deformation degree. In the same high-voltage pulsed electric field， the deformation degree of sodium-containing water droplets changed in the order from high to low as Na3PO4〉 Na2CO3〉 Na2SO4〉NaCl〉 NaNO3whereas that of chlorine-containing water droplets changed in the order as MgCl2〉 CaCl2〉KCl〉 NaCl〉 NH4Cl. The experimental findings shall facilitate investigating mechanism of electrostaticde-emulsification at high voltage and high frequency.

high frequency impulse； inorganic salt； polarization； deformation

date: 2016-03-29.

SUN Zhiqian， sunzhq@upc.edu.cn

supported by the National Basic Research Program of China（2012CB215000）， the National Natural Science Foundation of China （21406267）， the Natural Science Foundation of Shandong Province （ZR2014BL029） and the Fundamental Research Funds for the Central Universities （16CX06014A）.

TE 642.1

A

0438—1157（2016）08—3297—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160372

2016-03-29收到初稿，2016-05-16收到修改稿。

聯(lián)系人：孫治謙。第一作者：樊玉新（1967—），男，博士研究生。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215000）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21406267）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014bl029）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（16CX06014A）。