（化学工程专业论文）超声波静态原油破乳脱水脱盐研究.pdf

南京工业大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：莶盎i 担日期：塑箜年疽 圣 二、关于学位论文使用授权的声明 南京工业大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社及清华同方光盘股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京工业大学研究生 部办理。 研究生签名：导师签名日 期 硕士学位论文 摘要 原油破乳脱水脱盐是炼油工艺的重要课题之一。原油预处理的目的是为了减 轻加工装置设备的腐蚀及结垢，减轻原油中的杂质对后续加工工艺催化剂的危 害，并提高产品质量。现在炼厂一般要求进入蒸馏塔的原油质量含水率不大于 0 3 0 ，盐含量不高于3 0 0 r a g l 一。目前，炼厂主要采用电脱盐与化学破乳剂联 合作用进行破乳脱水脱盐。这种方法对于水粒子粒径较大的原油乳状液，破乳脱 水脱盐效果较好。但对于水粒子的粒径很小，严重乳化的原油，经过两级电脱盐 后效果也不是很理想。因此，急需寻找更为有效的破乳脱水脱盐方法。 国内外研究表明，超声破乳是十分有效的强化原油脱水脱盐方法。超声驻波 场中的破乳原理是基于超声波作用于性质不同的流体介质产生的“位移效应”来 实现油水分离。由于“位移效应”的存在，水粒子将不断向波腹或波节运动，聚结 并发生碰撞，生成直径较大的水滴；因密度差异，水滴借助重力从油中沉降、分 离，达到脱盐脱水目的。在驻波场中，由于声压分布的不均匀性而导致了原油中 水粒子分布不均匀，从而更有利于水粒子的碰撞达到破乳的目的。 针对第一批次鲁宁管输原油，初始体积含水率为1 4 0 ，远远高于炼厂要求。 本文在驻波场中进行了原油的脱水研究。考察了n s 2 0 0 3 破乳剂浓度、沉降时间、 超声声强和超声辐照时间等单因素对原油破乳脱水的影响：并设计了正交试验， 得到原油破乳脱水的最佳试验条件：原油处理温度7 0 。c ，破乳剂浓度2 0 t g g - 1 ， 超声声强o 2 3 w c r n 2 ，超声辐照时间5 r a i n ，沉降时间1 2 0 m i n 。在最佳试验条件 下，原油体积含水率从初始值1 4 0 降至o 0 7 ，脱水率9 5 o 。并得到影响原 油脱水最重要的因素为沉降时间，其次为声强，再次为超声波处理时间。在相同 的破乳剂浓度( 2 0 i _ t g 9 4 ) 和相同的沉降时f l ( 9 0 m i n ) 下，驻波声场与单纯热 沉降和混响场相比都具有显著优势。原油脱后含水率由单独热沉降的0 2 9 降到o 1 6 ，脱水率提高了1 1 7 。与混响场相比，要达到同样的脱水效果，超 声辐照时间由3 0 m i n 左右，减少到5 m i n 。在最佳试验条件下，原油脱后含水率 远远小于炼厂的控制指标o 3 ；从减少蒸馏设备腐蚀程度和延长设备的使用寿 命方面考虑，将原油含水率脱到很小是有一定现实意义的。 针对第二批次初始体积含水率为o 0 2 5 ，初始盐含量为3 1 9 3 r a g l 1 的鲁宁 摘要 管输原油，在驻波场中考察了原油经洗盐后的破乳脱水脱盐研究。研究了注水量、 沉降时间、n s 2 0 0 3 破乳剂浓度、超声声强、超声辐照时间和原油温度等单因素 对原油破乳脱水脱盐的影响。得到原油破乳脱水脱盐较好的试验条件：注水量 5 ，原油处理温度8 0 。c ，破乳剂浓度2 0 1 t g g ，沉降时问9 0 r a i n ，超声声强o 3 8 w c m 。2 ，超声辐照时间5 r a i n 。在此条件下，原油脱后体积含水率0 3 7 ，盐含量 3 8 5 m g l ；脱水率9 2 6 ，脱盐率8 7 9 。与原油单纯添加破乳剂后进行热沉降 相比，混响场中脱水率提高了5 9 ，脱盐率提高了7 1 ；驻波场中脱水率提高 了9 4 ，脱盐率提高了1 7 1 。虽然本实验温度显著低于工厂操作温度( 1 3 5 左右) ，用超声波与破乳剂联合作用，可以使原油脱后体积含水率和盐含量接近 炼厂要求，并可以显著减轻脱盐工段中电脱盐的脱盐脱水负荷。 本文还进行了原油盐衡算方面的研究。得到注水量偏少时，脱后原油中的盐 含量偏高，原因并不是脱后水相的盐饱和，使原油中的盐不能进一步洗脱到水相 中，而是因为注水量少时，原油与水不能充分接触，进而盐不能很好地被洗脱之 故。 本文最后进行了原油两级洗盐的初步研究。原油经超声和两级洗盐的联合作 用后，原油的盐含量已经降到3 0 0 m g - l 。1 以下；但与一级洗盐相比，原油脱后含 水率有所升高。在两级洗盐较好的试验条件下( 洗盐温度8 0 c ，两级注水量都 为5 ，破乳剂浓度2 0 9 9 g - 1 ，驻波场中声强o 3 8 w c r n ，辐照时间5 m i n ，沉降 温度7 5 。c ，沉降时间9 0 m i n ) ，原油脱后含水率0 4 5 ，脱水率9 1 6 ：盐含量 1 1 4 m g l ，脱盐率9 6 4 。与一级洗盐相比，脱盐率提高了9 7 。 关键词：超声原油破乳脱水脱盐驻波场 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t d e h y d r a t i o na n dd e s a l i n a t i o no fc r u d eo i le m u l s i o n si s o n eo ft h es i g n i f i c a n t s u b j e c t so f t h eo i lr e f i n i n gt e c h n o l o g y t h ep u r p o s e so fc r u d eo i lp r e t r e a t m e n ti n v o l v e t h ef o l l o w i n g ：a l l e v i a t i n gt h ec o r r o s i o na n di n c r u s t a t i o no ft r e a t m e n te q u i p m e n t s ， l i g h t e n i n gt h eh a z a r do f i m p u r i t i e so f c r u d eo i lo n t h ec a t a l y s ti nt h ef o l l o w i n gp r o c e s s a n di n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo fc r u d eo i lp r o d u c t s t h ec r u d eo i lw h i c ha c c e s s i n gi n d i s t i l l a t i o nt o w e rs h o u l dm e e tt h ef o l l o w i n gr e q u i r e m e n t s ：w a t e rm a s sc o n t e n tn o m o r et h a no 3 a n ds a l tc o n t e n t3 0 m g l 一a tp r e s e n t ，t h em a i nw a yt od e h y d r a t ea n d d e s a l tf r o mc r u d eo i le m u l s i o n si su s i n gt h ee l e c t r i cd e s a l t i n ge q u i p m e n t sa s s o c i a t e d w i t hd e m u l s i f y i n ga g e n t s i ft h er a d i u so fw a t e rp a r t i c l e si nc r u d eo i le m u l s i o n si s l a r g e r , t h ed e m u l s i f y i n ge f f e c to fe l e c t r i cd e s a l i n a t i o ne q u i p m e n ti sp r e f e r a b l e o nt h e c o n t r a r y , i ft h er a d i u so fw a t e rp a r t i c l e si nc r u d eo i le m u l s i o n s i ss m a l l e r , t h ee f f e c to f t w o - s t a g eo fe l e c t r i cd e s a l i n a t i o nw i l ln o tb eg r a f t l y i n g t h e r e f o r e ，t h em o r ee f f e c t i v e m e t h o d ss h o u l db ef o u n dt od e h y d r a t ea n dd e s a l tf r o ms u c hc r u d eo i le m u l s i o n s t h er e s e a r c h e sb yd o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t si n d i c a t e dt h a te m u l s i o nb r e a k i n g b yu l t r a s o u n di sa ne f f e c t i v ed e m u l s i f y i n gm e t h o dw h i c hr e i n f o r c i n gd e h y d r a t i o na n d d e s a l i n a t i o no fc r u d eo i le m u l s i o n s e m u l s i o nb r e a k i n gb yu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v e f i e l di sd e p e n d so i lt h e “d i s p l a c e m e n te f f e c t ”t om a k et h eo i la n dw a t e rp h a s e s e p a r a t e d b e c a u s eo ft h e d i s p l a c e m e n te f f e c t ”，t h ew a t e rp a r t i c l e sm o v et ot h ew a v e n o d e so rt h ea n t i n o d e sc o n t i n u a l l y , t h e nc o l l i d ea n dc o a l e s c e t h el a r g e rr a d i io f w a t e r p a r t i c l e sc o m ei n t ob e i n g b e c a u s eo fd e n s i t yd i f f e r e n c e so fc r u d eo i la n dw a t e r p a r t i c l e s ，t h ew a t e rp a r t i c l e sd e p o s i ta n da r es e p a r a t e df r o mt h eo i lp h a s eb ym e a n so f g r a v i t a t i o n t h ea s y m m e t r i c a l s o u n d p r e s s u r e a td i f f e r e n ta x i a ld i r e c t i o n so f u l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v el e a d st oa s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o no ft h ew a t e rp a r t i c l e s ， w h i c hm a k et h e mc o l l i d ee a s l yt h a ti sa v a i l a b l ef o re m u l s i o n sb r e a k i n g t h eo r i g i n a lw a t e rc o n t e n to ft h ef i r s tb a t c ho fc r u d eo i lw a s1 4 0 b yv o l u m e w h i c hw a sm u c hh i g h e rt h a nt h a to ft h eo i lr e f i n e r yp e r m i t t e d i nt h i sw o r k ， d e h y d r a t i o nf r o mt h i sb a t c ho fc r u d eo i lw a ss t u d i e di nu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d i i i a b s t r a c t s e v e r a ls i n g l ef a c t o r sa f f e c t i n gd e m u l s i f l c a t i o no fc r u d eo i lw e r ed i s c u s s e d t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d a n da n a l y z e dt o s t u d yt h e s e f a c t o r s t h e i n f l u e n c i n gs e q u e n c ei s ：s e d i m e n t a t i o nt i m e u l t r a s o u n di n t e n s i t y i r r a d i a t i o nt i m e t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rc r u d eo i ld e h y d r a t i o ni nu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d i n v o l v et h e f o l l o w i n g ：c r u d e o i lt e m p e r a t u r e7 0 0 c d e m u l s i f y i n ga g e n td o s a g e 2 0 岭- g 一，a c o u s t i ci n t e n s i t y0 2 3 w c m ，i r r a d i a t i o nt i m e5 m i n ，s e d i m e n t a t i o nt i m e 1 2 0 r a i n u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s t h ew a t e rc o n t e n to fc r u d eo i li sr e d u c e df r o m o r i g i n a lv a l u e1 4 0 t o0 0 7 b yv o l u m e a n dt h ed e h y d r a t i o nr a t i oi s 9 5 0 i n c o n s i d e r a t i o no fl i g h t e n i n gc o r r o s i o nr a t ea n di n c r e a s i n gs e r v i c el i f eo ft h e d i s t i l l a t i o ne q u i p m e n t s ，i ti sr e a l i s t i c a l l ys i g n i f i c a n tt h a tw a t e rc o n t e n ti n c r u d eo i li sr e d u c e dm u c hl o w e rt h a nt h a to ft h eo i lr e f i n e r yp e r m i t t e da tt h e o p t i m u me x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n a tt h es a m e c o n d i t i o n s ( t e m p e r a t u r e ， d e m u l s i l y i n ga g e n td o s a g e ，e t c ) ，d e h y d r a t i o ne f f e c ti nu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d i s e v i d e n t l ys u p e r i o r t ot h es i n g l eh e a ts e d i m e n t a t i o na sw e l l a su l t r a s o u n d r e v e r b e r a t i o nf i e l d f o re x a m p l e ，a tt h es a n l ed e m u l s i f y i n ga g e n td o s a g e ( 2 0 9 9 g “) a n ds e d i m e n t a t i o nt i m e ( 9 0 m i n ) ，w a t e rc o n t e n ti sr e d u c e df r o mo 2 9 b yv o l u m ei n t h es i n g l eh e a ts e d i m e n t a t i o nt o0 16 i nu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d a c c o r d i n g l y , t h ed e h y d r a t i o nm d i oi n c r e a s e sb y11 7 a tt h es a m ed e h y d r a t i o ne f f e c t t h e i r r a d i a t i o nt i m ei sr e d u c e df r o m3 0 m i ni nu l t r a s o u n dr e v e r b e r a t i o nf i e l dt o5 m i ni n u l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d c o n c e r n i n gt h es e c o n db a t c ho fc r u d eo i l ，t h eo r i g i n a lw a t e rc o n t e n ti so ，0 2 5 ， a n ds a l tc o n t e n ti s3 1 9 3 r a g l a n dd e h y d r a t i o na n dd e s a l i n a t i o nf r o mt h i sb a t c ho f c r u d eo i lw a sc a r r i e do u ti nu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d s e v e r a ls i n g l ef a c t o r s w h i c ha f f e c td e m u l s i f y i n go fc r u d eo i le m u l s i o n sw e r ec o n s i d e r e d t h e s es i n g l e f a c t o r sa r ea sf o l l o w s ：w a t e ri n j e c t i o nr a t e ，s e d i m e n t a t i o nt i m e ，n s 一2 0 0 3d e m u l s i l y i n g a g e n td o s a g e ，u l t r a s o u n di n t e n s i t ya n di r r a d i a t i o nt i m e t h ep r e f e r a b l ec o n d i t i o n s i n v o l v et h e f o l l o w i n g ：c r u d eo i lt e m p e r a t u r e8 0 0 c ，w a t e ri n j e c t i o nr a t e5 ， d e m u l s i f y i n ga g e n td o s a g e2 0 9 9 。g - 1 ，s e d i m e n t a t i o nt i m e9 0 m i n ，u l t r a s o u n di n t e n s i t y o 3 8 w c m 。a n di r r a d i a t i o nt i m e5 m i n u n d e rt h e s ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s w a t e r c o n t e n ti sd e c r e a s e dt o0 3 7 b yv o l u m e s a l tc o n t e n t3 8 5 m g l “a n dd e h y d r a t i o n t v 硕士学位论文 r a t i oi s9 2 6 d e s a l i n a t i o nr a t i o8 7 9 c o m p a r e dw i t ht h es i n g l eh e a ts e d i m e n t a t i o n a tt h es a n es e d i m e n t a t i o nt i m e d e h y d r a t i o nr a t i oi n c r e a s e sb y5 9 a n dd e s a l i n a t i o n b y7 1 i nu l t r a s o u n dr e v e r b e r a t i o nf i e l d ，a n di n c r e a s e sb y9 4 a n d 1 7 1 c o r r e s p o n d i n g l yi nu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l d i nd e s p i t eo ft h ee x p e r i m e n t a l t e m p e r a t u r ei nl a b o r a t o r yw a sm a r k e d l yl o w e rt h a ni nt h eo i lr e f i n e r y ( a b o u t1 3 5 0 c ) ， w a t e ra n ds a l tc o n t e n ti nc r u d eo i lc a l lb ec l o s e dt ot h eo b j e c to fd e h y d r a t i o na n d d e s a l i n a t i o nr e q u i r e m e n t sb ym e a n so fu l t r a s o u n ds t a n d m gw a v ef i e l da s s o c i a t e dw i t h d e m u l s i f y i n ga g e n t i tc o u l db ep r e d i c t e dt h a t i ft h e u l t r a s o u n dp r e t r e a t m e n t e q u i p m e n t sa r ea d d e di nd e s a l i n a t i o nw o r k s h o ps e c t i o ni nt h eo i lr e f i n e r y , i tc o u l d r e m a r k a b l yl i g h t e nt h eb u r d e no f t h ee l e c t r i cd e s a l i n a t i o ne q m p m e n t s s a l tb a l a n c ew a sa l s os t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i tf o u n dt h a t1 a s sw a t e r i n j e c t i o nr a t el e a d st oh i g h e rs a l tc o n t e n ti nc r u d eo i le m u l s i o n si fo t h e re x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sa r et h es a m e t h er e a s o ni st h a tl e s sw a t e rr e s u l ti n1 e s sc o n t a c tc h a n c e so f w a t e ra n dc r u d eo i l ，r a t h e rt h a ns a l ts a t u r a t i o ni nw a t e rp h a s e t w o s t a g eo fw a t e ri n j e c t i o np r o c e s sw a ss t u d i e di nt h ef i n a lp o r t i o no ft h e r e s e a r c hw o r k w i mt h es y n e r g i s t i ce f f e c to fu l t r a s o u n ds t a n d i n gw a v ef i e l da n d t w o - s t a g eo fw a t e ri n j e c t i o n s a l t c o n t e n to fc r u d eo i le m u l s i o n si sl e s st h a n 3 0 0 m g l ，w h i l ew a t e rc o n t e n ti ss l i g h t l yh i 曲e rt h a nt h a to fo n e - s t a g eo fw a t e r i n j e c t i o np r o c e s s a tt h ep r e f e r a b l ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so ft h et w o - s t a g eo fw a t e r i n j e c t i o np r o c e s s ( c r u d eo i le m u l s i o n st e m p e r a t u r e8 0o c ，w a t e ri n j e c t i o nc o n t e n t5 ， d e m u l s i f y i n ga g e n td o s a g e2 0 9 9 g 一，u l t r a s o u n di n t e n s i t yo fs t a n d i n gw a v ef i e l d o 3 8 w c m - 2 ，i r r a d i a t i o nt i m e5 m i n ，s e d i m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e7 5o c ，s e d i m e n t a t i o n t i m e9 0 m i n ) ，w a t e rc o n t e n ti s 0 4 5 b yv o l u m ea n ds a l t c o n t e n t 1 1 4 m g l c o m p a r e dw i t ho n e s t a g ew a t e ri n j e c t i o np r o c e s s ，t h ed e s a l i n a t i o nr a t i oi si n c r e a s e d b y 9 7 k e y w o r d s ：u l t r a s o u n d ；c r u d eo i l ；d e m u l s i f i c a t i o n ；d e h y d r a t i o n ；d e s a l i n a t i o n s t a n d i n gw a v ef i e l d v 硕士学位论文 1 1 超声波简介 第一章文献综述 超声化学化工是研究超声场作用下进行物质质量传递和化学反应规律的一 门新兴交叉学科。超声波因其波长短而具有束射性强和易于通过聚焦集中能量的 特点。超声波是一种波动形式，因此它可以作为探测和负载信息的载体或媒介； 同时超声波又是一种能量形式，当强度超过一定值时，就可以通过它与传声媒质 的相互作用，影响、改变以至破坏后者的状态、性质及结构。用于化学化工中的 超声波频率一般为2 0 k h z 2 m h z l 5 j 【“。 1 2 常用的超声换能器 超声发生装置通常由超声发生器和换能器组成。所谓换能器，就是一种能够 实现不同形式的能量转换器件。超声换能器就是能实现机械能量或电磁能量与超 声振动能量相互转换的器件，主要有两种类型超声换能器，即机械型和机电型。 机械型超声发生器又分为气动式超声发生器和液动式超声发生器。最常用的是机 电型的。机电型换能器有两种，分别基于所谓的压电效应和磁致伸缩效应，即压 电式超声换能器和磁致伸缩式超声换能器【5 l 【6 l 吼 1 2 1 压电式 目前最常用的产生与检测超声波的方法是使用压电晶体。压电晶体具有“压 电效应”和“反压电效应”。所谓的“压电效应”是指当晶体受到一定方向的外力作 用时，其表面上会呈现电荷。“反压电效应”指的是压电晶体在外电场作用下晶体 产生变形。“压电效应”的产生是由于晶体内部的离子在外力作用下产生不对称位 移，即产生新的电偶极距，从而导致晶体表面呈现电荷。而“反压电效应”则是由 于在外电场作用下，晶体内部的离子产生相对位移，从而产生内应力，导致晶体 宏观变形。 压电型超声换能器常用的单晶体有石英、罗谢尔盐、铌酸锂等。其中石英性 第一章文献综述 能稳定，利用不同的切割方向可构成各种不同振动方式，从而在媒质中产生不同 波型，多用于制作标准超声换能器及各种超声探头。 多晶体压电陶瓷，早期使用钛酸钡( b r ) 。后来制出灵敏度更高的各种配方 的锆钛酸铅( 彪r ) ，包括各种掺杂改性及三元、四元系的p z t 系列材料。压电 陶瓷制作工艺简单、成本低，可制成各种形状并通过不同极化方式制成各种形式 的超声换能器。其中，夹心式换能器，或称郎之万型的复合振子，一般工作在 2 0 1 0 0 k h z 。多用于功率超声的各种处理，水下声源，非金属材料检测及超声 治疗等。采用单片或双片结构的弯曲振动换能器，工作频率约在2 0 6 0 k h z ，多 用于空气中的测量( 测距、定位等) 与控制( 遥控、监视等) 。单片厚度或切向 振动的换能器，工作于o 2 1 5 m h z 范围，主要用于工业无损探伤，医用4 超或 理疗，水声换能器等。 1 2 2 磁致伸缩式 磁致伸缩于1 9 4 7 年由j o u l e 发现，它也存在逆效应。常用的磁致伸缩材料， 金属有镍、铁铝合金等；非金属有铁氧体等。1 9 7 2 年，美国海军的c l a r k 首先发 现了稀土铁超磁致伸缩材料，即二元系合金r f e 2 ( r ：稀土元素t b ，d y 等) 。 这种材料的饱和磁致伸缩应力比镍大5 0 6 0 倍，比压电材料的压电应力大1 0 多倍，而它的声速只有压电陶瓷的一半，特别适合制作低频大功率水下声源和非 金属超声检测探头。 与压电换能器相比，磁致伸缩换能器具有机械强度高，性能稳定，等效输入 阻抗低，可在较低激励电压下输出较大功率，使用的温度较高，但磁致伸缩换能 器的电声转换效率比较低( 压电陶瓷的电声转换效率为8 0 左右，而磁致伸缩换 能器的电声转换效率只有2 0 5 0 ) ，主要用于1 0 0 k h z 以下的低频超声设备， 如超声清洗、加工、粉碎、焊接等工业应用；超声外科手术、美容等医学治疗： 以及水下探测及非金属检测等方面。 1 3 超声波与介质的相互作用机制 超声波的穿透能力非常强，可以容易地穿过电磁波无法穿透的油、水层，具 硕士学位论文 有聚束、定向及反射、透射等特征。介质置于超声场中能受到超声场的机械作用、 空化作用和热学作用，等等8 】 9 j 。 1 3 1 机械作用 超声波在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变 化，这种压力的变化将引起“机械效应”。超声引起的介质质点运动，虽然位移和 速度不大，但与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大。有时超过重力 加速度的数万倍，如此大的加速度足以造成对介质的强大“机械效应”，甚至能达 到破坏介质的作用。利用“机械效应”的过程包括萃取、吸附、结晶、乳化与破乳、 膜过程、超声阻垢、电化学、非均相化学反应、过滤、悬浮分离、传热以及超声 清洗等。 1 - 3 2 空化作用 超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。在功率 超声作用下，液体会发生空化，每个空化气泡都是一个“热点”，其寿命约为o t g s ， 它在爆炸时可产生大约4 0 0 0 k 和1 0 0 m p a 的局部高温高压环境，从而产生出非 同寻常的能量效应，并产生速度约1 1 0 m - s 。1 的微射流。微射流作用会在界面之间 形成强烈的机械搅拌效应而且这种效应可以突破层流边界层的限制，从而强化界 面间的化学反应过程和传递过程【10 】。用“空化效应”过程主要包括有机物降解、高 分子化学反应以及其它自由基反应。 1 3 3 热学作用 超声波在原油中传播时，原油介质吸收能转化为热能；在油、水介质的分界 面处，边界摩擦产生热；空化作用在气泡崩溃时释放出的热量，使介质温度升高， 物态发生变化。 第一章文献综述 1 4 原油破乳机理 1 4 1 原油乳状液稳定性的内在机制 原油乳状液的稳定性和破乳是两个相对立的表面物理过程。弄清破乳过程之 前必须清楚原油乳状液稳定性的内在机制1 1 q 4 1 。 原油之所以能形成稳定的乳状液，主要是由于原油中含有天然乳化剂，原油 乳状液的稳定性在很大程度上取决于由天然乳化剂形成的界面膜，原油中的成膜 物质主要有沥青质、胶质、石油酸皂及微量的泥土颗粒。原油乳状液稳定来源于 以下几个方面：( 1 ) 沥青质、胶质的吸附使得稳定界面膜形成：( 2 ) 石腊晶粒吸 附在沥青质、胶质界面上使界面膜更稳定；( 3 ) 许多不溶性固体颗粒吸附在界面 上，对界面膜的稳定性也有作用；( 4 ) 原油开采的不同阶段加入的表面活性剂使 得原油乳状液更加稳定；( 5 ) 原油中含有许多有机酸和有机碱，它们在其盐的状 态下具有很强的界面活性。沥青质是形成原油乳状液的主要因素。这类物质含量 越高，原油乳状液就越稳定，尤其是胶质、沥青质、石油酸皂等界面活性物含量 高的原油，其乳状液的界面膜耐热性强，机械强度高，乳状液的稳定性好。固体 颗粒是使原油乳状液稳定的另一个重要因素，但只有吸附了表面活性剂韵固体颗 粒才有乳化作用。 1 4 2 原油乳状液破乳原理 从油田输送到炼油厂的原油，含水量达o 2 o 5 。这些盐水与原油形成油 包水型乳状液，原油的水滴直径在1 1 0 m n l 。为了脱盐，向原油中加入软化水， 经过强化混合，溶解油中的盐，即原油中的部分或大部分盐溶解在水中，故脱盐 脱水是同时进行的。要脱盐脱水就必须破坏原油乳状液，使之成为不相混的油、 水两相，水才能脱除，盐随水一同排出。因此原油乳状液的破乳成为脱盐、脱水 的前提。但由于原油中成膜物质( 如沥青质、胶质等) 吸附在油一水界面上，形 成界面膜，阻碍水滴聚结；再由于原油开采时加入了的表面活性剂，使形成的油 水乳状液更为稳定，大大增加了原油脱盐、脱水的难度，特别是多重乳化型乳状 液使得破乳更加困难i ”。 硕士学位论文 乳状液由于存在巨大的相界面，从热力学观点来说，乳化液是不稳定体系， 最终是要破坏的。乳状液的不稳定性表现为变型、分层、絮凝、聚结和破乳”】 1 6 l 。 ( 1 ) 变型乳状液的变型是由于某种因素的作用，由o w 型变成w o 型，或者由w o 乳状液变成o w 型；变型的实质是原来的分散相( 液珠) 经过 并聚变成了连续相，而原来的连续相被分裂为液滴的过程。在温度、相体积分散、 电解质等因素的影响下，乳状液都有可能发生变型。 ( 2 ) 分层乳状液分层并不是乳状液真正破坏，而是形成了相体积分数 不相等的两个乳状液，这是由于油水两相的密度差造成的。对于o w 乳状液， 在重力作用下油珠上浮，对于w o 乳状液则是水珠下沉，上浮和下沉的速度与 两相的密度差、外相的粘度和液珠大小有关。刘燕玲等1 7 】指出w o 乳状液中水 相分离的速度可以用斯托克斯定律表示： 矿：丝塑! 二型( 1 1 ) 式中：矿为水滴从油相中沉降的相对速度；d 为水滴直径；p 。为水密度；风为油 密度；为油粘度；k 为常数。斯托克斯定律说明水滴沉降速度与水滴大小成正 比( 水滴增大可以加快沉降速度) 。 ( 3 ) 絮凝乳状液的液珠可以通过范德华力相吸引，聚集形成松散的絮 团。絮凝过程是可逆的，通过搅动施以一定的力可以使絮团重新分散，乳状液中 若有电解质存在可使带电液珠表面的双电层受到压缩，而使其容易产生絮凝。絮 凝现象的出现意味着乳状液已开始不稳定，是破乳的前奏。 ( 4 ) 聚结处于絮团中的液珠，当其界面膜受到破坏时，液珠就会并聚， 由小水珠变成大液珠，这种现象就是聚结。聚结现象是不可逆过程。变大的液珠 会因为两相密度差的原因，导致油水分离，乳状液完全被破坏。因此，聚结是乳 状液破坏的直接原因和结果。 ( 5 ) 破乳破乳是乳状液发生油水分离的现象，此时乳状液完全被破坏 了。要达到油水分离好，破乳要彻底。可以设想，原油的破乳过程，即油包水型 乳化液的破坏过程，必须有下列连续阶段：水滴彼此碰撞或水滴与专门加入 的亲水表面( 聚结滤器、洗涤水) 碰撞。液滴在互相碰撞或在与亲水表面接 触的情况下，进行合并。很明显，第二步具有决定意义。为了顺利地进行这个过 第一章文献综述 程，必须要有足够的作用来破坏液滴的保护层，即降低保护膜的强度。工业上一 般采用加热、添加破乳剂、电场、超声波等方法使原油乳状液破乳。 1 4 3 超声波原油破乳机理 原油中的盐类大都溶于原油所含的水中，而水与油形成了稳定的油包水型的 乳状液。刘燕玲【”3 指出原油的有效脱水是脱盐成功的关键。如果脱水效果不好， 那么脱盐率就会低于预期效果，脱盐后的原油就会不达标。因此，超声波原油脱 盐的实质是原油破乳脱水1 8 】。因而，原油的脱盐关键在于脱水，脱水的关键在 于破乳。脱盐和脱水同步进行，其过程是向原油中注入部分含氯低的新鲜水，以 溶解原油中的结晶盐类，并稀释原有盐水，形成新的乳状液。然后，利用超声波 破乳方法，使微小的水滴聚集成较大的水滴，因密度差异，借助重力水滴从油中 沉降、分离，达到脱盐脱水。有学者通过研究得出：注水量增加，脱盐率上升； 注水含盐高；脱盐率降低；脱后含水率高，脱盐率低。若油与水混合不好，原油 脱后盐含量高。 虞建业等【9 】认为超声波具有机械振动、空化及热作用。理论推导和可视 化试验证明超声波破乳脱水的声强必须在“空化阈值”以下。用超声波对原油 破乳脱水主要是利用超声波的机械振动作用和热作用，这些作用的原理为： ( 1 ) 机械振动作用促使水粒子凝聚。当超声波通过有悬浮水粒子的原 油介质时，造成悬浮水粒子与原油介质一起振动。由于大小不同的水粒子具 有不同的相对振动速度，水粒子将相互碰撞、粘合，使其体积和重量均增大， 最后沉降分离。 ( 2 ) 机械振动作用可使原油中的石蜡、胶质、沥青质等天然乳化剂分 散均匀，增加其溶解度，降低油一水界面膜的机械强度，有利于水相沉降分 离。 ( 3 ) 热作用可降低油一水界面膜强度和原油粘度。一方面，边界摩擦 使油一水分界处温度升高，有利于界面膜的破裂，另一方面，原油吸收部分 声能转化成热能，可降低原油的粘度，有利于水粒子的油一水