油中水滴静电聚结特性及电脱水器适用条件研究

摘要

原油脱水是油田采出液处理的核心工艺环节之一，而电脱水是一种重要的原油脱水方法。随着稠油的开发和三次采油技术的应用，油田采出液的物理性质和乳化特性都发生了变化，电脱水器中电场的稳定性受到影响，处理效果变差，甚至“倒电场”，导致电脱水器无法正常工作。本论文就静电聚结的整个过程开展研究，分析水滴和水滴对的变形、运动、聚并以及接触后的运动特性，获得电脱水器的工作原理、特性和电脱水设备不能正常工作的原因以及有效运转的条件，寻求该技术的适用性以及提高其效果的措施。主要研究内容和结论如下： 采用理论和高速摄像实验相结合的方法研究了电场作用下不同粒径水滴的变形规律。水滴变形是电场力、界面张力和水滴内外压差共同作用的结果。数值计算结果表明，水滴变形并非标准的长椭球形，而是腰部更加丰满的近似椭球形状。采用将电场强度信号转化为 LED 光强信号与水滴变形的图像信号同时存储的方法，对交流电场中水滴变形与电场的相位差进行了测量，结果表明相位差随着电场频率的增加而增大，而与电场强度无关。在粘性连续介质中，水滴变形为过阻尼系统，没有水滴变形的共振现象，随着交流电场频率增加，水滴的变形增加。当超过一定变形（电场We数）后，水滴受力平衡被打破，水滴破裂。水滴破裂的原因是内压强降低幅度随变形增加逐渐减小，当变形超过一定程度后，水滴不能达到稳定变形状态，变形持续进行，水滴内压强反而随变形增加而增加，使水滴破裂。 根据球形水滴表面电荷的分布特点，利用积分方法计算了水滴极化电荷的数量和重心，利用该电荷数量和重心位置进行了水滴间受力分析，提出了新的球形水滴间受力计算公式。利用有限差分的方法，分析了水滴在不同间距时的电场力，计算结果与点电荷计算结果的变化趋势基本一致。交流电场中，球形水滴间偶极力的平均值为电场强度为交流电场有效值时的偶极力，球形水滴所受的电场力与电场频率无关。交流电场中，电场强度波动引起的水滴振动为单自由度系统的有阻尼受迫振动，在较小的水滴粒径、较大的连续相粘度和较高的电场频率条件下，水滴位置变化幅度非常小，可以忽略不计。在水滴带电时，如果水滴粒径较小、连续相粘度较大和电场频率较高，那么水滴位置变化幅度也非常小。在水滴粒径较小、连续相粘度较大的条件下，水滴动态过程的时间常数较小，水滴从静止到匀速运动的过程较快，可以忽略启动加速时间。交流电场中的电场强度波动项虽然不影响水滴接近的电场力，但是对水滴形状产生影响，水滴形状又影响水滴间的电场力和运动阻力，因此试验中能够发生变形的实际水滴的相互接近速度与电场强度和电场频率有关。变形使水滴中心距不变的条件下，水滴的间距减小，水滴间作用力增加，能够提高水滴相互接近的速度，利于接近和碰撞。在总体积相同的条件下，不同大小的两个水滴在粒径相同时，具有最大相互接近速度。不同大小水滴对中，小水滴的运动速度快于大水滴的运动速度。当水滴对中一个水滴的粒径减小时，水滴相互接近的电场力和速度都减小。建立了球形水滴运动速度、水滴间距与其接近时间的计算方法和近似计算公式。水滴接近所需时间与连续相粘度和介电常数、水滴半径、水滴间距以及电场强度有关。 利用数值差分的方法计算了球形水滴接触后的电场分布、电荷分布以及水滴的受力。两个接触后的水滴成为一个导体，这样两水滴的外侧将重新极化出相反的电荷，而两水滴中间部分电荷密度减少。水滴两侧的电荷在电场力作用下产生方向相反的电场力，该电场力方向指向两水滴的外侧，成为阻碍水滴聚并的力。在一定电场强度条件下，水滴接近然后接触，接触后水滴聚并成为一个更大的水滴。但是超过一定电场强度后，水滴将不能聚并。不同粒径的水滴临界聚并电场强度不同。随着粒径的增加，临界聚并电场强度降低。水滴能否聚并是由水滴及其连接部分的压强决定的，在电场强度低于临界聚并电场强度时，水滴压强高于其连接部分的压强，因此水从水滴不断流入水滴间的连接部分，两个水滴能够完成聚并；在较高的电场强度条件下，水滴连接部分压强会高于水滴的压强，这时水从水滴连接部分回流到水滴，水滴连接部分不断减小，直到水滴重新分裂。水滴的压强受水滴变形影响，变形越大，水滴内压强越低。变形超过一定程度，水滴将不能聚并。水滴变形可用电场 We 数表示，临界聚并 We 数大约为临界破裂We 数的39%。在高的交流电场频率条件下，水滴变形较大，大的水滴变形不利于水滴的聚并，因此水滴的临界聚并电场强度随着电场频率的增加而降低。如果交流电场中两个水滴不能聚并，水滴不是相互分开，而是弹开、接近、弹开，不断重复，弹开的距离较近，水滴接近、弹开的频率与电场频率相同。水滴大小不同，内部压强也不同，小水滴内部压强高，因此只要水滴连接部分的压强小于小水滴的压强，连接部分体积就能够增加，表现为小水滴注入大水滴中。 试验发现在锥角达到 48°时，水滴间连接部分的半径仍然可以增加。在高的电场强度下，水滴运动速度快、动能多，在接触的开始阶段水滴间连接部分的半径增加速度快。 分析了电脱水工艺的原理和临界分离粒径及其影响因素。电脱水器需要在一定电场强度之下运行，如果超过电场强度限制增加电场强度，反而起到相反的作用，阻碍水滴的聚并，恶化脱水效果。研究发现电脱水器来油中水滴的分布可以简化为指数分布，提出了体积粒径分布的概念，细小水滴的数量虽然比例大，但是体积比例并不一定高，分析了达到脱水指标需要的脱水率以及需要脱除的最小水滴粒径。保证电脱水器有效脱水的条件是大部分水滴聚并增大到临界分离粒径以上，而且聚并后的粒径要小于临界破裂粒径。 电脱水过程中数值模拟的难度、复杂程度非常高，计算量非常大。为了简化计算，假设需要分离的最小粒径水滴，在上升过程中不与其它粒径水滴发生聚并，只存在相同粒径水滴间的聚并，含水量为需要分离的最小粒径的水滴以及小于该粒径水滴的水量。该假设可以很大程度上简化脱水效果的分析，据此建立了水滴从初始粒径聚并到分离粒径所需要聚并次数的计算方法、水滴间距的数学模型以及水滴从初始粒径增加到分离粒径所需要的时间和电脱水器能否适用的判别式。电脱水器能否适用由油水密度差、油水界面张力、原油粘度、来液含水及水滴粒径分布、脱水器电场空间尺寸、临界聚并电场We 值和处理量等决定。增强电脱水器适用性的方法主要是优化电场型式、电极间距以及处理液量、处理温度、破乳药剂等。电脱水器的现场运行试验表明该简化计算模型具有一定的有效性。

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