姜超 陳家慶 董建宇 石熠 安申法 欒智勇 黃松濤

摘要：基于自主搭建的電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器室內(nèi)試驗(yàn)樣機(jī)，針對(duì)由10號(hào)白油和超純水配制的W/O型模擬乳化液，開(kāi)展高頻/高壓脈沖交流電場(chǎng)作用下的破乳脫水動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究。首先借助FBRM粒徑分析測(cè)量?jī)x和乳化液穩(wěn)定性分析儀進(jìn)行模擬乳化液的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，然后采用離心法和卡爾費(fèi)休法進(jìn)行油水分離器脫水性能評(píng)價(jià)，探究電場(chǎng)參數(shù)（電壓、頻率、占空比）和工況參數(shù)（電場(chǎng)作用時(shí)間、水力停留時(shí)間）等因素對(duì)乳化液電場(chǎng)破乳脫水效果的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：2種評(píng)價(jià)方法都可用于乳化液含水體積分?jǐn)?shù)測(cè)定，但是應(yīng)用場(chǎng)合需要根據(jù)乳化液乳化程度而定；合適的電場(chǎng)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)保證電場(chǎng)破乳協(xié)同型臥式油水分離器的破乳脫水效果至關(guān)重要，對(duì)于所配制含水體積分?jǐn)?shù)為20%的W/O型乳化液而言，最優(yōu)電場(chǎng)參數(shù)為電壓峰-峰值2.7 kV、頻率4 kHz、占空比10%，水力停留時(shí)間為20 min，此時(shí)分離器油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)能夠降低至3.5%。研究結(jié)果可為電場(chǎng)破乳協(xié)同型三相分離器的工程放大設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：油水分離器；油水乳化液；電場(chǎng)破乳；重力沉降；高頻交流電場(chǎng)

0 引 言

隨著我國(guó)大部分陸上油田及部分海上油田先后進(jìn)入開(kāi)采中后期，以及強(qiáng)化采油（EOR）技術(shù)的推廣應(yīng)用，油井采出液含水體積分?jǐn)?shù)升高、乳化程度嚴(yán)重，致使常規(guī)三相分離器預(yù)分水效果變差，油出口的含水體積分?jǐn)?shù)升高。為使原油處理達(dá)標(biāo)，常規(guī)做法是采取升高溫度、增加處理單元數(shù)等手段，但這些舉措既增加了工藝流程，又增加了運(yùn)行成本，直接影響油田開(kāi)發(fā)的降本提質(zhì)增效效果［1］。為了提高常規(guī)臥式三相分離器的預(yù)分水效果，在其內(nèi)部集成協(xié)同電場(chǎng)破乳作用的方法日益引起關(guān)注，其中技術(shù)含量最高、破乳作用原理最為清晰、適合新建和改建三相分離器的做法是：將電場(chǎng)破乳組件制作安放呈“懸空過(guò)流墻壁狀”，覆蓋分離器內(nèi)油水混合液軸向流動(dòng)斷面上的特定區(qū)域，同時(shí)施加高頻/高壓脈沖交流電場(chǎng)，使該區(qū)域油包水（W/O）型乳化液中的分散相水顆粒聚結(jié)長(zhǎng)大，從而加速后續(xù)重力沉降的過(guò)程［2］。原ABB Offshore System公司推出的分離器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）作為相應(yīng)的代表性產(chǎn)品，自2003年6月首次在北海挪威海域Troll C采油平臺(tái)的第一級(jí)三相分離器中應(yīng)用以來(lái)，雖然已應(yīng)用超過(guò)30多個(gè)工程案例，但圍繞性能預(yù)測(cè)或測(cè)試評(píng)價(jià)方面的研究工作相對(duì)較少［3-5］；2005年，Aibel AS公司的D.J.WOOD等［6］通過(guò)對(duì)VIEC內(nèi)部流道進(jìn)行CFD建模，采用歐拉多相流模型計(jì)算，并以油為連續(xù)相、水為分散相的液滴生長(zhǎng)聚結(jié)模型，分別對(duì)罐體內(nèi)部有無(wú)VIEC電極組件的2種情況下的不同流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，但并未試驗(yàn)驗(yàn)證其模擬結(jié)果；2008年，挪威科技大學(xué)（NTNU） SJBLOM J教授團(tuán)隊(duì)［7-8］對(duì)VIEC技術(shù)的電場(chǎng)破乳性能進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試評(píng)估，考察了不同剪切速率、含水體積分?jǐn)?shù)、破乳劑用量以及是否施加電場(chǎng)等因素對(duì)破乳分離性能的影響，但并未探究電場(chǎng)參數(shù)及操作參數(shù)對(duì)破乳分離效果的影響。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)石油大學(xué)（華東）何利民教授團(tuán)隊(duì)［9-11］基于帶絕緣層平板電極的臥式電脫水設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，分別針對(duì)電場(chǎng)參數(shù)（電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)頻率、占空比）和非電場(chǎng)參數(shù)（含水體積分?jǐn)?shù)、流量、極板間距）對(duì)油包水（W/O）型乳化液電場(chǎng)破乳脫水過(guò)程的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，采取等動(dòng)量取樣并借助高速顯微攝像技術(shù)觀測(cè)電場(chǎng)作用下的液滴形變并計(jì)算其變形度，以此來(lái)評(píng)價(jià)電場(chǎng)破乳效果，但試驗(yàn)中所用電場(chǎng)頻率屬于中低頻率范圍（50～1 000 Hz）。

為此，筆者擬聚焦VIEC類(lèi)電場(chǎng)破乳協(xié)同型三相分離器中的油水分離區(qū)，設(shè)計(jì)搭建電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器室內(nèi)試驗(yàn)樣機(jī)，然后結(jié)合高頻/高壓脈沖交流電源和所配制的油包水（W/O）型模擬乳化液，開(kāi)展破乳脫水性能的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究，考察不同電場(chǎng)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器破乳分離性能的影響規(guī)律，以便在一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有研究工作的缺失，促進(jìn)VIEC技術(shù)早日實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

1 電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器

電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器用于實(shí)施油水乳化液電場(chǎng)破乳和沉降分離，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。由圖1a可知，該分離器主要由殼體、入口布液管、隔油堰板、多孔均流板、上下兩層對(duì)齊排列的金屬平板電極組件等組成。分離器的容積為2 L，采用透明有機(jī)玻璃材質(zhì)制作，以使得破乳脫水過(guò)程可視化。采用4根螺柱將油水乳化液的多孔均流板和金屬電極組件安裝固定為一個(gè)整體，并置于容器內(nèi)合適位置；當(dāng)對(duì)電極組件進(jìn)行改裝和拆卸時(shí)，只需打開(kāi)分離器端蓋，即可將其整體取出，再將安裝于電極板固定塊凹槽中的金屬電極板取下。

工作過(guò)程中，通過(guò)蠕動(dòng)泵將油水乳化液以一定速度輸送至分離器入口，隨后通過(guò)多孔均流板上豎向均勻分布的等徑小孔進(jìn)入電場(chǎng)作用區(qū)域;乳化液從板式金屬電極組件相鄰極板之間形成的流道中通過(guò)時(shí)，在均勻電場(chǎng)作用下發(fā)生破乳聚結(jié)，水顆粒分散相聚結(jié)長(zhǎng)大并在重力作用下沉降至罐底，最后經(jīng)水出口排入廢液罐；油相則需經(jīng)隔油堰板上部流入油腔，從油出口排入廢液罐，最終實(shí)現(xiàn)油水分離的目的。

當(dāng)入口流量保持為100 mL/min時(shí)，設(shè)計(jì)的分離器水力停留時(shí)間為20 min。油水分離器內(nèi)部電極組件中的極板接線方式如圖1b所示，每層金屬平板電極組件由3塊電極板組成，極板間距為24 mm，中間電極板通過(guò)高壓電線與高頻/高壓脈沖交流電源相連，兩側(cè)的2塊電極板接地；前端輸入電壓經(jīng)變壓器整流放大后輸出至金屬電極組件。

為了考察極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度，采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。以含水體積分?jǐn)?shù)為20%的白油乳化液為例，其相對(duì)介電常數(shù)為11.5。模擬結(jié)果顯示，施加電壓后極板間形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，當(dāng)對(duì)高壓電極板施加電壓為2 kV時(shí)，極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度為0.8 kV/cm，其他輸入電壓、輸出電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值如表1所示。

必須指出的是，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸固定的電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器而言，除電場(chǎng)參數(shù)（電壓、頻率、占空比）和乳化液物性參數(shù)（密度、黏度、含水體積分?jǐn)?shù)、剪切作用時(shí)間、乳化劑用量等）會(huì)影響分離器的工作性能外，電場(chǎng)作用時(shí)間以及分離器水出口和入口流量的百分比（簡(jiǎn)稱(chēng)為分流比）也會(huì)直接影響分離效果。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

油水沉降分離區(qū)往往占據(jù)常規(guī)三相分離器內(nèi)的大部分空間，電場(chǎng)破乳協(xié)同型三相分離器的設(shè)計(jì)研發(fā)初衷則是在保持常規(guī)三相分離器相關(guān)功能的前提下，設(shè)法對(duì)油水乳化層實(shí)施電場(chǎng)破乳，然后在重力場(chǎng)作用下使更多油相上浮至油層、更多水相沉降至水層。為聚焦VIEC類(lèi)電場(chǎng)破乳協(xié)同型三相分離器內(nèi)的油水兩相分離過(guò)程，自主搭建了電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器工作性能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)室內(nèi)試驗(yàn)樣機(jī)，以便重點(diǎn)考察電場(chǎng)參數(shù)及工況參數(shù)對(duì)油水分離性能的影響規(guī)律。電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器工作性能動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)工藝流程如圖2所示。

除了必要的管線、閥門(mén)外，試驗(yàn)樣機(jī)主要包括乳化液原料罐、乳化液廢液罐、蠕動(dòng)泵、在線剪切機(jī)、G600型聚焦光束反射測(cè)量?jī)x（FBRM）、電場(chǎng)破乳協(xié)同型臥式油水分離器、高頻/高壓脈沖交流電源、示波器等。其中高頻/高壓脈沖交流電源為團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的BIPTHFE-Ⅲ型高頻/高壓脈沖交流電源，采用全數(shù)字化控制，僅需通過(guò)操作面板即可完成所有電場(chǎng)參數(shù)設(shè)置，前級(jí)調(diào)壓采用非隔離型DC/DC降壓方式，采用三相AC 380 V交流輸入，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為0～20 kV，輸出頻率調(diào)節(jié)范圍為500～5 000 Hz，輸出電流調(diào)節(jié)范圍為0～5 A，電能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)94%以上。

2.2 試驗(yàn)步驟

2.2.1 W/O型乳化液配制

為排除試驗(yàn)無(wú)關(guān)的陽(yáng)離子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，以及室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備極板間距小、容易造成導(dǎo)電通路等因素的影響，選用超純水作為分散相，10號(hào)白油作為連續(xù)相，2種液體按一定的比例配制成W/O型乳化液。為了保證所配制乳化液能夠滿足試驗(yàn)的穩(wěn)定性要求，添加了Span80（失水山梨糖醇脂肪酸酯）乳化劑；為了盡量保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，研究過(guò)程中每改變?nèi)魏我粋€(gè)試驗(yàn)參數(shù)都重新配制乳化液，且容量均為10 L。

結(jié)合圖2來(lái)描述配制W/O型模擬乳化液的大體過(guò)程：①先量取一定體積的白油和超純水放入原料罐，并加入一定劑量的Span80乳化劑；②啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，使油水混合液在系統(tǒng)管路中循環(huán)流動(dòng)；③開(kāi)啟T50型均質(zhì)乳化機(jī)至特定檔位，持續(xù)剪切油水混合物一定時(shí)間；④剪切過(guò)程中通過(guò)聚焦光束反射測(cè)量?jī)x（FBRM）在線檢測(cè)乳化液中分散相水顆粒粒徑分布，待粒徑范圍不再發(fā)生大幅度變化時(shí)，在分離器油出口進(jìn)行取樣，并采用法國(guó)Formulaction公司Turbiscan LAB穩(wěn)定性分析儀測(cè)量該樣品的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定系數(shù)（TSI），判斷乳化液是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；⑤通過(guò)改變Span80乳化劑添加量和調(diào)整剪切機(jī)檔位（速度），優(yōu)選乳化液配制參數(shù)。以配制含水體積分?jǐn)?shù)20%的W/O型模擬乳化液為例，當(dāng)10號(hào)白油總量為8 000 mL、超純水總量為2 000 mL、乳化劑加量為4 g/L時(shí)，將均質(zhì)乳化機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)為第4檔（6 000 r/mIn）、剪切時(shí)間設(shè)置為20 min，可配置出滿足試驗(yàn)所需穩(wěn)定性的乳化液。

乳化液穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)為：①均質(zhì)乳化機(jī)停轉(zhuǎn)后FBRM測(cè)得分散相粒徑數(shù)不再變化且TSI<5；②將乳化液靜置20 min后，再次使用Turbiscan LAB穩(wěn)定性分析儀測(cè)量TSI值，其值仍未發(fā)生變化。這也從另一角度說(shuō)明，所配制的乳化液僅憑重力沉降方式難以實(shí)現(xiàn)油水兩相破乳分離。

2.2.2 電場(chǎng)動(dòng)態(tài)破乳及測(cè)試評(píng)價(jià)方法

配制好乳化液后，啟動(dòng)分離器入口的蠕動(dòng)泵，使乳化液充滿分離器。所用電場(chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器的設(shè)計(jì)停留時(shí)間為20 min，設(shè)計(jì)處理量為100 L/min。以分流比30%為例，設(shè)置入口流量為100 mL/min，水出口流量為30 mL/min，同時(shí)開(kāi)啟設(shè)備入口和水出口蠕動(dòng)泵，隨后啟動(dòng)高頻/高壓脈沖交流電源并開(kāi)始計(jì)時(shí)，待采集電流和電壓峰-峰值穩(wěn)定后再記錄電場(chǎng)參數(shù)。通電20 min后，在分離器的油出口進(jìn)行取樣，分別采用離心法和卡爾費(fèi)休法測(cè)定樣品的含水體積分?jǐn)?shù)作為分離性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將測(cè)定結(jié)果互相對(duì)比驗(yàn)證。

在采用離心法測(cè)定油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)時(shí)，每次取樣量為100 mL。在樣品中加入2滴破乳劑和2滴紅墨水，混合均勻后倒入離心瓶，放入Digtor-21c型離心機(jī)中，設(shè)置離心機(jī)啟-停時(shí)長(zhǎng)為8 min、穩(wěn)定階段的離心轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、離心腔室內(nèi)的環(huán)境溫度為50 ℃。待離心完成后，觀察并記錄離心瓶底部紅色區(qū)域的體積。由于紅墨水具有親水性，因此底部紅色區(qū)域即為明水區(qū)域。在采用卡爾費(fèi)休法測(cè)定油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)時(shí)，每次取樣量約5 mL，然后用一次性移液管取2～3滴待測(cè)樣品滴入KFO-30型全自動(dòng)焦油水分測(cè)定儀并稱(chēng)重。待樣品在儀器內(nèi)反應(yīng)完成后，通過(guò)儀器操作面板輸入反應(yīng)所消耗的樣品質(zhì)量，即可直接顯示該工況下樣品的含水體積分?jǐn)?shù)。

2.2.3 破乳效果及測(cè)試評(píng)價(jià)方法有效性驗(yàn)證

采用含水體積分?jǐn)?shù)為20%的白油乳化液來(lái)驗(yàn)證測(cè)試評(píng)價(jià)方法的有效性。在電壓為1.5 kV、頻率為4 000 Hz、占空比為10%的電場(chǎng)參數(shù)組合下，分別對(duì)比分離器入口、分離器油出口（不通電）、分離器油出口（通電）3個(gè)取樣位置的分離效果，如圖3所示。由圖3可知，分離器入口樣品與不通電狀態(tài)下油出口樣品均無(wú)明水析出，不通電動(dòng)態(tài)運(yùn)行10 min后分離器油出口100 mL樣品中清油約為30 mL，其余全部為乳化狀態(tài)，說(shuō)明在此工況下幾乎沒(méi)有明顯破乳效果；相比之下，持續(xù)通電動(dòng)態(tài)運(yùn)行10 min后分離器油出口100 mL樣品中的乳化層厚度僅為6 mL，析出明水量為4 mL，計(jì)算得到綜合含水體積分?jǐn)?shù)約為10%；使用焦油水分測(cè)定儀對(duì)3者進(jìn)行含水體積分?jǐn)?shù)測(cè)定，分離器入口乳化液樣品的含水體積分?jǐn)?shù)為20.30%，不通電動(dòng)態(tài)運(yùn)行10 min后分離器油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)為18.59%，持續(xù)通電動(dòng)態(tài)運(yùn)行10 min后分離器油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)為11.53%（非最優(yōu)電場(chǎng)參數(shù)下）。上述數(shù)據(jù)表明：①對(duì)于電場(chǎng)破乳后的乳化液，離心法得到的含水體積分?jǐn)?shù)與卡爾費(fèi)休法測(cè)量得到的結(jié)果相近；②不通電狀態(tài)下，僅靠重力沉降作用難以實(shí)現(xiàn)乳化液的破乳分離，而施加高頻/高壓脈沖交流電場(chǎng)則效果顯著，充分證明了電場(chǎng)破乳的有效性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析討論

3.1 電場(chǎng)參數(shù)對(duì)油水分離性能的影響

3.1.1 通電電壓

保持模擬乳化液的含水體積分?jǐn)?shù)為20%、電場(chǎng)頻率為4 kHz、占空比為10%、分流比為30%，水力停留時(shí)間為20 min不變；依次改變電壓峰-峰值為1.5、2.1、2.7、3.3、3.9和4.5 kV，以考察不同通電電壓對(duì)油水分離性能的影響。由于通電動(dòng)態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間后，電場(chǎng)作用區(qū)域內(nèi)乳化液的含水體積分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定，可認(rèn)為極板間液體的相對(duì)介電常數(shù)基本保持一致，可以采用電壓峰-峰值等效表征極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度。圖4為不同電壓峰-峰值下油水分離器油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的變化曲線。從圖4可以看出，隨著電壓峰-峰值的升高，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)：①當(dāng)電壓峰-峰值在1.5～2.7 kV內(nèi)，隨著電壓峰-峰值的升高電場(chǎng)破乳脫水效率也明顯升高；②當(dāng)電壓峰-峰值在2.7～3.9 kV之間時(shí)，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)基本維持不變；③當(dāng)電壓峰-峰值大于3.9 kV時(shí)，電場(chǎng)作用效果表現(xiàn)為抑制作用，電場(chǎng)破乳脫水效率降低。分析其原因?yàn)閃/O型模擬乳化液中分散相水顆粒在電場(chǎng)中發(fā)生極化，在電場(chǎng)力作用下提高了碰撞聚結(jié)的可能性，且在一定范圍內(nèi)聚結(jié)破乳效果隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而明顯增強(qiáng)［12］；但當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度有效值超過(guò)某一臨界值時(shí)，反而會(huì)引起較大粒徑的水顆粒發(fā)生破碎，從而導(dǎo)致油水分離效率降低［13］。綜合衡量以上試驗(yàn)與分析，此工況下的最優(yōu)電壓峰-峰值為2.7 kV。

3.1.2 電場(chǎng)頻率

保持模擬乳化液的含水體積分?jǐn)?shù)為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、占空比為10%、分流比為30%、設(shè)備停留時(shí)間為20 min不變；依次改變電場(chǎng)頻率為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0 kHz，以考察不同電場(chǎng)頻率對(duì)分離器分離效果的影響。圖5為不同電場(chǎng)頻率下分離器油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

從圖5可以看出，隨著電場(chǎng)頻率的增大，油出口含水體積分?jǐn)?shù)總體呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)：①當(dāng)電場(chǎng)頻率低于1.5 kHz時(shí)，單脈沖通電時(shí)間較長(zhǎng)，大量聚結(jié)后的水顆粒在電極板之間排列成水鏈。由于該分離器采用金屬板式裸電極，此時(shí)極板間較易形成導(dǎo)電通路，即導(dǎo)致所能施加的有效電壓值較小，且電流值較大而不穩(wěn)定，所以電場(chǎng)破乳效果差，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)總體較高。②當(dāng)電場(chǎng)頻率在1.5～4.0 kHz之間時(shí)，隨著電場(chǎng)頻率的增大，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)呈降低趨勢(shì)，且在4.0 kHz時(shí)油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)到達(dá)最低點(diǎn)。這是因?yàn)槔^續(xù)增大電場(chǎng)頻率時(shí)不再出現(xiàn)極板導(dǎo)通情況，相同輸入電壓下所施加的輸出電壓值顯著增加，電流趨于穩(wěn)定，所以電場(chǎng)破乳脫水過(guò)程趨于穩(wěn)定且破乳脫水效率較高。③當(dāng)電場(chǎng)頻率大于4.0 kHz時(shí)，隨著電場(chǎng)頻率的繼續(xù)增大，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)反而升高。分析其原因?yàn)槿榛褐蟹稚⑾嗨w粒在交流電場(chǎng)中發(fā)生振蕩變形，當(dāng)外加電場(chǎng)頻率與水顆粒固有頻率接近時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，水顆粒振蕩幅度最大，相應(yīng)變形程度也最大，此時(shí)油水界面膜處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，界面膜極易破碎而使水顆粒發(fā)生聚結(jié)，相應(yīng)的破乳分離效果最好，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率即為該乳化液破乳分離的最優(yōu)電場(chǎng)頻率［14］；當(dāng)外加電場(chǎng)頻率高于或低于水顆粒固有頻率時(shí)，都會(huì)使共振現(xiàn)象減弱，從而導(dǎo)致聚結(jié)效果減弱［15］。綜合以上試驗(yàn)與分析，考慮到避免出現(xiàn)極板導(dǎo)通情況并使破乳分離效果達(dá)到最優(yōu)，建議當(dāng)前工況條件下的電場(chǎng)頻率保持在1.5 kHz以上，最優(yōu)電場(chǎng)頻率為4.0 kHz。

3.1.3 占空比

保持模擬乳化液的含水體積分?jǐn)?shù)為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、電場(chǎng)頻率為4.0 kHz、分流比為30%、設(shè)備停留時(shí)間為20 min不變；依次改變占空比為5%、10%、15%、20%、25%和30%，以考察不同占空比對(duì)分離效果的影響。圖6為不同占空比下，分離器油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的變化情況圖。從圖6可以看出，隨著占空比的增大，分離器油出口含水體積分?jǐn)?shù)降低，且占空比對(duì)破乳效果的影響較電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)頻率小。具體表現(xiàn)在：①當(dāng)占空比為5%時(shí)，破乳效果較差，油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)較高；②當(dāng)占空比大于10%時(shí)，隨著占空比的增大，油出口含水體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，但變化較為緩慢。分析其原因?yàn)檎伎毡仁且粋€(gè)電壓波形周期內(nèi)所輸出有效電壓時(shí)間與周期的比值，不僅對(duì)電場(chǎng)作用下單液滴極化變形和多液滴形成水鏈等過(guò)程具有重要影響，同時(shí)也是影響電源能耗的主要因素之一［16］。當(dāng)占空比為5%時(shí)，電源有效電壓作用時(shí)間過(guò)短，電壓有效值極不穩(wěn)定，從而使破乳效率降低；當(dāng)占空比在10%～30%之間時(shí)，占空比對(duì)破乳效率影響較小，且過(guò)高占空比導(dǎo)致分離器內(nèi)油水混合液溫度急劇升高。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，選用10%占空比為最優(yōu)占空比。

3.2 操作參數(shù)對(duì)油水分離性能的影響

3.2.1 電場(chǎng)作用時(shí)間

電場(chǎng)作用時(shí)間表示電極模塊通電運(yùn)行時(shí)間，該參數(shù)可作為設(shè)備的水力停留時(shí)間選取的重要參考。保持模擬乳化液的含水體積分?jǐn)?shù)為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、電場(chǎng)頻率為4 kHz、占空比為10%、分流比為30%、乳化液動(dòng)態(tài)循環(huán)入口流量為100 mL/min不變；分別保持電極組件通電時(shí)間為2、5、8、11、14、17、20和23 min，然后對(duì)分離器油出口進(jìn)行依次取樣。圖7為不同通電時(shí)長(zhǎng)下油水分離器油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

從圖7可以看出：①隨著設(shè)備電極模塊通電時(shí)間的延長(zhǎng)，油水分離器油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，但在達(dá)到設(shè)計(jì)停留時(shí)間（20 min）之后趨于穩(wěn)定；②在電極模塊通電時(shí)間小于10 min的情況下，隨著電極模塊通電時(shí)間的延長(zhǎng)，油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)急劇下降；③當(dāng)電極模塊通電時(shí)間在10～20 min之間時(shí)，隨著電極模塊通電時(shí)間的增長(zhǎng)，油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)下降速度放緩；④當(dāng)電極模塊通電時(shí)間超過(guò)設(shè)計(jì)停留時(shí)間（20 min）后，隨著通電運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)延長(zhǎng)，油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)基本不變，達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。分析其原因?yàn)?，電?chǎng)破乳協(xié)同型油水分離器內(nèi)油水乳化液在電場(chǎng)作用下的破乳脫水過(guò)程可分為破乳期、沉降分離期和動(dòng)態(tài)平衡期。乳化液由分離器入口進(jìn)入，并流經(jīng)均流板后到達(dá)電場(chǎng)作用區(qū)域，在高頻/高壓電場(chǎng)作用下分散相水顆粒開(kāi)始聚結(jié)，該時(shí)期即為破乳階段；聚結(jié)長(zhǎng)大的水顆粒在重力作用下向分離器底部沉降匯集，然后經(jīng)由水出口排出，輕質(zhì)油相上浮后經(jīng)隔油堰板從油出口排出，該時(shí)期為沉降分離階段；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后（設(shè)計(jì)停留時(shí)間20 min），水出口的分流流量與沉降至分離器底部的水量大致相等，給定分流比下油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)也不再變化，最終達(dá)到該工況下的動(dòng)態(tài)平衡。

3.2.2 水力停留時(shí)間

保持模擬乳化液的含水體積分?jǐn)?shù)為20%、電壓峰-峰值為2.7 kV、電場(chǎng)頻率為4 kHz、占空比為10%、分流比為30%不變；通過(guò)改變分離器的入口流量，使得分離器內(nèi)油水混合物的水力停留時(shí)間分別為5、10、15、20、25和30 min，進(jìn)而考察不同水力停留時(shí)間對(duì)油水分離器破乳分離效果的影響。圖8為不同水力停留時(shí)間下，分離器油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的變化情況。從圖8可以看出，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)總體上隨水力停留時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。當(dāng)水力停留時(shí)間小于20 min時(shí)，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)隨著水力停留時(shí)間延長(zhǎng)而下降較快；當(dāng)水力停留時(shí)間大于20 min時(shí)，油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的下降幅度變緩。分析其原因?yàn)槿肟诹髁坎粌H直接影響乳化液在分離器內(nèi)的水力停留時(shí)間，同時(shí)影響乳化液的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)入口流量較大時(shí)，流體處于強(qiáng)湍流狀態(tài)，使電場(chǎng)作用下聚結(jié)形成的大液滴再次破碎成小液滴，導(dǎo)致破乳分離效果不明顯，從而使油出口樣品的含水體積分?jǐn)?shù)較高；當(dāng)入口流量較小時(shí)，水力停留時(shí)間延長(zhǎng)，有利于電場(chǎng)作用下聚結(jié)形成的大液滴充分進(jìn)行重力沉降分離，從而使油出口含水體積分?jǐn)?shù)降低；而當(dāng)繼續(xù)減小入口流量時(shí)，乳化液的分離效果不會(huì)因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間的延長(zhǎng)而進(jìn)一步提升，反而導(dǎo)致電能消耗增加［17］。綜合上述試驗(yàn)與分析，最優(yōu)停留時(shí)間可取20 min。

4 結(jié) 論

（1）離心法操作簡(jiǎn)單但誤差相對(duì)較大，卡爾費(fèi)休法對(duì)操作技術(shù)要求較高但結(jié)果精確；同一工況下，采用離心法和卡爾費(fèi)休法對(duì)油的含水體積分?jǐn)?shù)測(cè)試分析結(jié)果的差別都在可接受誤差范圍內(nèi)，得到分離器油出口樣品含水體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)也較為一致，表明這2種方法均可作為電場(chǎng)破乳協(xié)同型臥式油水分離器分離性能的有效評(píng)價(jià)手段，可根據(jù)待測(cè)定乳化液含水體積分?jǐn)?shù)的范圍或儀器設(shè)備操作使用的便捷性，選取更為合適的分離性能評(píng)價(jià)方法。

（2）W/O型乳化液在均勻電場(chǎng)作用下，電場(chǎng)參數(shù)（電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)頻率、占空比）對(duì)破乳脫水效果影響較大，其優(yōu)選對(duì)于提高金屬極板電場(chǎng)破乳協(xié)同型臥式油水分離器的破乳脫水效果具有重要意義。本次試驗(yàn)中，含水體積分?jǐn)?shù)為20%的W/O型油水乳化液對(duì)應(yīng)的最優(yōu)電場(chǎng)參數(shù)分別為：電場(chǎng)強(qiáng)度1.08 kV/cm（電壓為2.7 kV）、電場(chǎng)頻率4 kHz、占空比10%，在該參數(shù)組合下穩(wěn)定運(yùn)行，可將金屬極板電場(chǎng)破乳協(xié)同型臥式油水分離器油出口含水體積分?jǐn)?shù)降低至3.5%。

（3）入口流速直接決定油水混合物在分離器內(nèi)部的湍流程度和設(shè)備的水力停留時(shí)間，而在適當(dāng)?shù)耐牧鞒潭葪l件下水力停留時(shí)間是判斷“電場(chǎng)破乳+沉降脫水”過(guò)程充分與否的重要因素。水力停留時(shí)間過(guò)短，乳化液中分散相水顆粒未完全聚結(jié)就已流出電場(chǎng)作用區(qū)域，導(dǎo)致破乳聚結(jié)效果不充分；而水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備處理效率低下。在相同電場(chǎng)參數(shù)下，可通過(guò)電場(chǎng)作用時(shí)間（電極模塊的通電時(shí)間）推算出設(shè)備最佳水力停留時(shí)間。對(duì)于該試驗(yàn)設(shè)備，最佳水力停留時(shí)間為20 min。

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