W／O型乳状液在脉冲电压作用下的破乳机理

石油天然气学报（江汉石油学院学报）　２００９年８月第３１卷第４期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｉｌ　ａｎｄ　Ｇａｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊ．ＪＰＩ）　Ａｕｇ．２００９　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．４　ｗ／ｏ型乳状液在脉冲电压作用下的破乳机理　樊春燕，梁志珊　（中国石油大学（北京）机电工程学院，北京１　０２２４９）　［摘要］通过ｗ／ｏ型乳化液滴模型，分析了原油乳化水中离子在振荡电磁场中的受力情况，说明了脉冲　电压破乳脱水是电场和磁场共同作用的结果，从新的角度进一步分析了高频脉冲电压对ｗ／０乳状液的破　乳机理。解释了为什么脉冲电压破乳比同参数的连续电压效率高，以及连续电压在开始施加和切除时的　液滴振荡效应最大。这为今后的电脱水机理研究指明了一个新的方向，对于脉冲电压破乳的实际应用具　有较重要的指导意义。　［关键词］ｗ／０乳状液；电磁场；脉冲电压；破乳机理；振荡位移　［中图分类号］ＴＥ６２４．１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１０００—９７５２（２００９）Ｏ４—０３０３一Ｏ４　在原油生产过程中，原油脱水是一个非常重要的环节。按照国家规定，油田输出的商品即出口原油　含水量不允许大于０．５　，交付炼制的原油含水不得超过２　。因此油田矿场必须及时地对含水、含盐、　含机械杂质的原油进行净化处理口］。目前电脱水是各油田矿场对原油乳状液进行净化脱水处理的最佳方　法。但是随着油田进入高含水开采阶段，大部分油区的含水量已大大超过５Ｏ　。而在高压交流、直流　电场中，当原油含水量超过３Ｏ　，乳状液中的液滴由于极化作用形成液滴链［２　］，液滴在电场中成链　长度与存留时间较长，加剧电能泄露，两极间有很大的导通电流，无法建立稳定的破乳电场。而且对于　乳化现象较严重的稠油，乳化液滴如果不发生振荡变形，油水界面膜很难破裂［５］，因此水滴聚结时阻力　比较大。自Ｂａｉｌｅｓ在１９８１年用脉冲电压破乳［６　］，结果证明比连续波电压破乳效率更高以来，关于脉　冲电压破乳机理的研究从未间断过［９ｑ　。可是关于脉冲电压破乳机理的研究还不够深入，对高频脉冲　电压破乳理论上的研究针对性不强，没有形成较为系统的理论，已有成果对于高频脉冲电压破乳技术的　开发与现场应用也缺乏指导意义［１扪。而且以往有关电压破乳机理的解释通常集中在电场的力学行为是　有些片面的［１　，而最近的研究表明在变化的电场里应该考虑高频变化的磁场的作用［１　］，脉冲电压破　乳脱水应该是两种场共同作用的结果。　笔者提出了ｗ／ｏ型乳化液滴模型，建立了乳化水中离子在振荡电磁场作用下的力学模型，分析了　其振荡位移与受到的电场力和磁场力之间的关系。说明了脉冲电压破乳脱水是电场和磁场共同作用的结　果，进而提毪－ｙ高频脉冲电压对Ｗ／Ｏ型乳状液的一种破乳机理。解释了为什么脉冲电压破乳比同参数　的连续电压效率高，以及连续电压在开始施加和切除时液滴的振荡效应最大。　１　Ｗ／Ｏ型乳化液滴模型　在Ｗ／０型乳状液中，乳化液滴特别是小液滴在静止状态下呈球形，内部是含有Ｎａ　、Ｋ　、Ｃａ抖、　ＣＯ；一等各种酸、碱、盐离子的乳化水，外包层是高阻抗性的乳化膜。在工频交流电场中，电场方向每　秒钟改变５Ｏ次，乳化水中的各种正负离子不断地作周期性的往复运动，使水滴两端的电荷极性发生相　应的变化。离子的往复运动使水滴乳化膜不断地受到冲击，使其机械强度降低乃至破裂，产生不可逆　孔，因而使水滴从“油包水”型的乳化膜中解脱出来，与邻近的水滴发生碰撞，合并成大的水滴从原油　中沉降分出。显然，水滴越大，离子对界面膜的冲击作用越大，这种振荡聚结的效果越好。　［收稿日期］２００９—０２—０５　［基金项目］国家　８６３　计划项目（２０Ｏ７ＡＡ０５ｚ２３ｏ）。　［作者简介］樊春燕（１９８２　，女，２００６年大学毕业，硕士生，现主要从事原油电脱水、电力电子技术及应用方面的研究工作。　石油天然气学报（江汉石油学院学报）　２００９年８月　在脉冲电压对ｗ／Ｏ型原油乳状液脱水过程　中，当电脱水器接通脉冲电源时，由于脱水器　不可逆孔　电极板上的电压在最大值和最小值之间随时问　作周期性往复变化，所以在电极板的邻近空间　内存在相互激发的电场和磁场，而这种电场和　磁场是随着电压的瞬间出现和消失而瞬间出现　和消失，形成了电磁振荡。所以，一旦脱水器　电极板问脉冲电源接通时，就会在脱水器电极　板的邻近空间内形成一个高频振荡的电磁场。　如图１所示的ｗ／Ｏ型乳化液滴模型，假设　乳化水中离子受到振荡电场和振荡磁场的作用，　在高频振荡的电磁场中，乳化水中离子受到的　作用力包括：电场力和洛仑兹力。　图１　ｗ／０型乳化液滴模型　离子在电场作用下将受到周期性电场力ｑＥ　的作用，运动离子在磁场的作用下将受到洛伦兹　力　×Ｂ的作用，离子的动力学方程为：　Ｆ—ｑ（Ｅ＋　Ｘ　Ｂ）　（１）　式中，Ｆ为离子受到的电场力和磁场力的合力，Ｎ；ｑ为离子的电量，Ｃ；　为离子的速度，ｍ／ｓ；Ｅ为作用于离　子的电场，Ｖ／ｍ￣Ｂ为作用于离子的磁场，Ｔ。　２乳化水中离子在振荡电磁场作用下的受力分析　下面将分别讨论乳化水中离子在振荡电场和振荡磁场作用下，发生的振荡变形情况。　２．１在电场中的受力分析　假设作用于乳化液滴的电场为：Ｅ—Ｅｏｓｉｎａ￣，分析乳化水中的离子的受力情况。　乳化水中运动的离子在正弦振荡电场作用下受到３种力的作用［１　Ｈ］：①外部电场会对离子产生一个　周期性的电场力：Ｆ　一ｇＥ—ｇＥ。ｓｉｎａ￣（ｏＪ为角速度），使离子发生受迫振动，产生振荡位移，设位移量为　ｚ（位移量是相对离子的初始位置）。②假设离子最初处于电化学平衡状态下，由于位移改变而受到的恢复　力Ｆｒ一一Ｄｘ，正比于ｚ（其中Ｄ＝ｍｏｏ５，为恢复常数；ｍ为离子质量，ｋｇ；ｃｏ。一２７ｃｆｏ，ｆｏ为离子自振荡频　率）。③由于离子的振荡运动而受到反方向的阻尼力Ｆｄ一一　，其中　为离子运动阻尼系数。　以上３种力的作用，使得乳化水中的离子获得一定的加速度。其运动方程为：　…Ａｖ　Ｄｘ＋ｑＥＯ　ｓｉｎａ￣　＋　＋抛５ｚ一　０　ｓｉｒ￣￣　（２）　解二阶微分方程得：　Ｃｏｃｏｓ（￣一　）＋Ｃ１ｅ　１　＋Ｃ２ｅ　（３）　Ｃｏ一—＝＝＝＝　ｌ＿＝一　（４）　√　。（　。一　５）。＋　。　ｔａｎｒｐ　二　（５）　仂，２一　一——　—　———一　（６）ｏ　　“油包水，，型乳状液中的乳化水含有各种酸、碱、盐类阴、阳离子等杂质，像Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｃ１一、ＳＯ：一、　ＣＯ；一等。一般离子的自振荡频率－厂。不超过１Ｈｚ。以Ｎａ　为例，优一３．８×１０　。ｋｇ，　≈１０１。ｋｇ／ｓ。因而　》２ｒｎｃｏ。，．＝【　》ｍ（∞。一　ｊ）。把各参数代入式（４）、（５）、（６）求解得：　Ｃｏ一鲁　ｔ＾ＣＵ　ａｎ　一。　一ｏ　）７ｚ≈。　７７１≈　，，‘　第３１卷第４期　樊春燕等：Ｗ／Ｏ型乳状液在脉冲电压作用下的破乳机理　ｚ一些Ｃｏｓｗｔ＋Ｃ１　ｅ　（７）　＾　假设初始条件Ｘ　ｌ　一０，主ｌ　一Ｖ。一０．２５ｍ／ｓ，代人式（７）得：　ｚ一警ｃｏｓ　一警　＾　（８）　式（８）中的第二项为常数，不随时间变　化，代表离子的初始振荡位移，对其受到外部　电场作用后的振荡运动没有影响。图２为振荡　位移Ｘ与外部电场的函数图。　从图２中可以看出，当ｃａｔ一７ｃ时，位移ｚ的　幅值为２×　，由此可见，当外加电场的作用使　１　得乳化水中所含离子发生位移的振幅增加到２　倍的　时，离子的振荡效果也是外部电场的２　删　倍。也就是说作用于乳状液的电场幅值增加到　２倍时，离子的位移幅值也相应地增大到原来　．２　的２倍。当外部电场中断时，离子的位移幅值　发生同样的变化量。乳化水中所含离子的位移　图２离子在电场作用下的振荡波形　振幅越大，其对水滴的乳化膜的冲击力越大，　就越大程度地降低乳化膜的机械强度，越容易　使其产生不可逆孔，水滴就有更大的几率从“ｗ／ｏ”型乳化膜中解脱出来与相邻水滴聚结沉降。基于　以上分析，说明只要作用于乳化液滴的电场频繁地施加和切除，而且通过控制电场的幅值和作用时间　（即脉宽）以保证离子的位移幅值最大化，就能达到很好的脱水效果。这也从理论上定性地解释了为什　么在实验中脉冲电压的脱水效果要比连续电压脱水效果好。　２．２在磁场中的受力分析　假设乳化水中的离子受到的振荡磁场是Ｂ—Ｂ。ｓｉ　。离子在磁场中受到的力除了电场力不同外，其　他的两项力都和上面分析的一样。把离子所受到的电场力变为洛伦兹力，运动方程式如下：　Ｄｘ＋Ｂｏｑｖｓｉｎｏｊｔ＝＞ｍ￣＋（　—Ｂｏｑｓｉｎａ￣）ｘ＋砌５　＝０　（９）　因为Ｉ　ｓｉｎｏｊｔ　Ｉ≤１，所以Ｉ　Ｂ。ｑｓｉｎｗｔ　ｌ≤Ｉ　Ｂ。ｑ　Ｉ。令　—Ｂ。ｑｖｓｉｎ￣一Ｌ，那么Ｌ可看作是在一定范围内　变化的常数。所以，式（９）可变形为：　＋Ｌ／：＋砒ｕ：ｚ＝＝：０　其解为：　ｚ—Ｄ１　ｅ旬‘＋Ｄ２ｅｈ　（１０）　／　Ｌ２４ｒｎｚ２　１，２一————————　———————～　Ｌ＋￣ＯＪｏ２：（１１）工上　　由于Ｌ》２啪。，所以ａ≈Ｏ，　≈一Ｌ一２－－Ｂｏｑｓｉｎａ￣所以：　ｚ—　（１托竽　）　（１２）　由于一般磁场强度的单位值比较大，通常用高斯表示，即１Ｔ—ｌ０　Ｇ，而　》ｑ，故　》Ｂ。ｑ，　》ｌ　Ｂ。ｑｓｉｎ￣ｌ。式（１２）的指数函数曲线如图３所示。　由图３可以看出，当ｆ一０时，２×　一－—　Ａ‘——ＤＯｑｓｍｏ￣　，位移幅值最大；随着时间的增加，　迅速衰减为　＾－—　一　ｎｑｓ１ｎｗｔ　。说明磁场也会使乳化水中的离子发生受迫振动，产生振荡位移，而且在　场施加瞬间，　离子　３０６·　石油天然气学报（江汉石油学院学报）　２００９年８月　产生的位移振幅最大，振荡运动最激烈。　３结　论　２　根据笔者提出的Ｗ／０型乳化液滴模型，深　Ｉ　１．８　Ｖｏ朋　：　：　入分析了乳化水中离子在振荡电磁场中的振动　和变形行为，建立了离子受力和振动位移的动　ｌ；ｔ－Ｂｏｑｓｉｎ　ｃｏｔ　．．．．．．：．．一一．一．　：．一一．．．．．　１．６　）Ｉ．．．．．　．．．．．．．　．．．．．．．　．．．．．．．．　．．．．．．．．　力学模型，结果表明，在振荡电磁场作用下，　乳化水中的各种正负离子不断地作周期性的往　＼　ｉ　；　１　４　复运动，使水滴两端的电荷极性发生相应的变　·－－　ｉ‘－‘　。＿＿··＿。　‘·＿－·－。ｉ。－－－＿－＿。　。－－＿＿－－＿　化。离子的往复运动使水滴乳化膜不断受到冲　ｌ　２　击，使其机械强度降低乃至破裂，产生不可逆　……　……。＼　＼　！■…一　…一■…一　　ｉ　孔，因而使水滴从“油包水”型的乳化膜中解　０　０．２　０．４　０．６　Ｏ．８　脱出来，与邻近的水滴发生碰撞，合并成大的　ｔ／１０。３Ｓ　水滴从原油中沉降分出。这也解释了为什么脉　图３离子在磁场作用下振荡波形　冲电压破乳比同参数的连续电压效率高。同时　也说明了脉冲电压破乳不是单纯的电场力学行　为，而是电场和磁场共同作用的结果。从新的角度进一步分析了高频脉冲电压对ｗ／ｏ型乳状液的破乳　机理。　［参考文献］　［１３　张鸿仁．油田原油脱水［Ｍ］．北京：石油工业出版社，１９９０．　［２］　谢琦，严忠．高压脉冲电破乳机理研究［Ｊ］．化学物理学报，１９９２，５（３）：２１２￣２１７．　［３］　王大儒．原油电脱水的电场力学分析及最佳运行电场［Ｊ］．油田地面工程，１９８３，２（３）：２８￣３７．　［４］　Ｗａｔｅｒｍａｎ　Ｌ　Ｃ．Ｏｉｌ　ｆｉｅｌｄ　ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｅｍ　Ｅｎｇ　Ｐｒｏｇ，１９６５，（６１）：５１．　［５］　严忠，孙文东．乳液液膜分离原理及应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．　［６］　Ｂａｉｌｅｓ　Ｐ　Ｊ，Ｌａｒｋａｉ　Ｓ　Ｋ　Ｌ．Ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｆｏｒ　ｌｉｑｕｉｄ　ｐｈａｓｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ　Ｉ，　Ｃｈｅｍ，Ｅｎｇ，１９８１，５９（３）：２２９￣２３５．　［７］　Ｂａｉｌｅｓ　Ｐ　Ｊ，Ｆｒｅｅｓｔｏｎｅ　Ｄ，Ｓａｍｓ　Ｇ　Ｗ．Ｐｕｌｓｅｄ　ＤＣ　ｆｉｅｌｄｓ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ－ｉｎ－ｏｉｌ　ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ［刀．Ｔｈｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒ，１９９７，２３（１Ｏ）：３４￣４０．　［８］　Ｂａｉｌｅｓ　Ｐ　Ｊ，Ｋｕｉｐａ　Ｐ　Ｋ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａ．ｒ　ｓｐａｒｇｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ－ｉｎ—ｏｉ　１ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉ—　ｅｎｃｅ，２００１，５６（Ｚ）；６２７９～６２８４．　［９］王凤巢，张建，崔景亭．高频脉冲脱水机理［刀．石油规划设计，１９９８，（３）：３６￣３７．　［１０］Ｌｅｅ　Ｃ　Ｍ，Ｓａｍｓ　Ｇ　Ｗ，Ｗａｇｎｅｒ　Ｊ　Ｐ．Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ＡＣ　ａｎｄ　Ｐｕｌｓｅ　ＤＣ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ－ｉｎ—　ｏｉｌ［Ｊ］．Ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ，２００４，５３（１）：１～２４－　［１　１］Ｔａｙｌｏｒ　Ｓ　Ｅ．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｐｈａｓｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ－ｉｎ—ｏｉｌ　ｅｍｕｌｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　＆Ｄｅｓｉｇｎ：Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，１９９６，７４（Ａ５）：５２６～５４０．　［１２］张建．高压脉冲直流电场影响原油乳状液破乳的机理［Ｊ］．油气田地面工程，２００４，２３（１）：１３￣１５．　［１３］Ｐａｎａｇｏｐｏｕｌｏｓ，Ｄ　Ｊ，Ｍｅｓｓｉｎｉ　Ｎ，Ｋａｒａｂａｒｂｏｕｎｉｓ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｎ　ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｃｈｅｍ．　Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｃｏｍｍｕｎ．，２０００。２７３（３）：６３４￣６４０．　［１４３　Ｂａｒｎｅｓ　Ｆ　Ｓ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩＸ；ａｎｄ　ＥＬＦ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄｓ　ｗｉｔｈ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．Ｐｏｌｋ　Ｃ，Ｐｏｓｔｏｗ　Ｅ．ＣＲＣ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄｓ［Ｍ］．Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ，ＦＬ：ＣＲＣ　Ｐｒｅｓｓ，１９９６；　［１５］张建，懂守平，甘琴容．高频脉冲电场作用下乳状液液滴动力学模型［＇『］．化工学报，２００７，５８（４）：８７５￣８８０．　［编辑］　萧雨