（动力工程及工程热物理专业论文）电脱法污油脱水室内实验研究.pdf

l a b 。r a t 。r ye x p e r ；玎n e n t a 。s t u d y 。ne 。七瀚 d e h y d r a t i o no f w a s t eo i l - - w a t e re m u l s i o n at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g e 侈台i x u e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i ny o u h a ip r o f e s s o rw a n g z h e n b o m a c h i n e r yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位做作者签名茎兰重 日期：驯，年朋节日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者繇蔓兰垦 指导教师签名：么参毛皓 摘要 随着人类世界的快速发展，对能源需求日益增长，使用量日益增加，与此同时造成的 环境污染也日益加重。无论是能源需求的紧张趋势，还是环境污染的恶劣形势，都迫切需 要开发一种高效适用性强的油水分离技术。本文通过对电脱法油水乳状液脱水室内实验研 究，认识和了解各影响因素对电破乳过程的作用规律，为开发高效节能的电脱水油水分离 技术提供依据。 对所研究的油水乳状液进行全面测定分析实验，在了解油水乳状液流变特性的基础上， 通过室内的高频脉冲电脱水静态实验，研究不同物性参数以及电场参数对电脱法破乳的影 响，分析各影响因素对电破乳率作用的大小，以及含水率和电场参数交互作用作用规律。 设计正交实验，对影响电脱法破乳的主要参数电压、脉宽比、含水率、温度、频率进行综 合实验考察，分析其对电破乳率和能耗影响大小与规律，并对电脱法破乳的效益进行分析。 通过系统的实验和分析，了解油水乳状液流变性变化特点，得到电破乳率和电破乳速 率随电场参数和乳状液的物性参数变化的规律，以及含水率与电场参数的交互作用。由正 交实验分析，系统回归得到电破乳率随各影响因素水平变化规律公式，以及各影响因素对 电破乳率影响的显著性与最佳电破乳率下的因素水平优化组合。最后，对电破乳过程中的 能耗进行分析，并定义和优化了效益公式，为满足不同的分离效率和节能工况需求，确定 具体的电破乳最佳优化工艺。 关键词：电脱水，高频高压，含水率，电能耗 l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a ls t u d yo ne l e c t r i cd e h y d r a t i o no f w a s t e o i l w a t e re m u l s i o n g ew e i x u e ( m e c h a n i c so fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i ny o u h a ia n dp r o f e s s o rw a n gz h e n b o a b s t r a c t d u r i i l gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h eh u m a nw o r l d ，t h ed e m a n da n dc o n s u m p t i o no f e n e r g y r e s o u r c e sh a si n c r e a s e dg r a d u a l l y ；i nt h em e a n t i m ei th a sc a u s e de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nm o r e a n dm o r eh e a v i l y w h e t h e rt h el a c ko fe n e r g yr e s o u r c e s ，o rt h eh e a v ye n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，i t i n s p i r e du st od e v e l o pe f f i c i e n to i l - w a t e rs e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw i t hh i g ha d a p t a b i l i t ya ss o o na s p o s s i b l e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sw e r em a d ei nt h i sr e s e a r c ht of i n da n dr e c o g n i z et h er o l eo f t h e l a we a c hf a c t o rp l a y e di ne l e c t r i cd e h y d r a t i o n 。s oe v i d e n c ew a sp r o v i d e df o rt h ed e p v e l o p m e n to f e f f i c i e n ta n de n e r ys a v i n gt e c h n o l o g yo fe l e c t r i co i l w a t e rs e p a r a t i o n t h ep r o p e r t i e so fo i l - w a t e re m u l s i o nu s e di nt h er e s e a r c hw a sc o m p r e h e n s i v et e s t e d ，a n d r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fo i l w a t e re m u l s i o nw e r er e a l i s e d t h e nb ys t a t i ce x p e r i m e n to fe l e c t r i c d e h y d r a t i o nw i t hh i g hf r e q u e n c yp u l s e ，i tw a ss t u d i e dt h a th o wp h y s i c a lp r o p e r t i e so fo i l - w a t e r e m u l s i o na n dp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r i cf i e l di m p a c to nt h ep r o c e s so fe l e c t r i cd e h y d r a t i o ni n d i f f e r e n td e g r e ea n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nm o i s t u r ec o n t e n ta n de l e c t r i cp a r a m e t e r s t h e m e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw a sd e s i g n e d t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t si tw a s i n s p e c t e dt h er u l ea b o u tt h em a i np a r a m e t e r so fv o l t a g e ，p u l s ew i d t hr a t i o ，m o i s t u r ec o n t e n t ， t e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c yo fe l e c t r i ca f f e c t i n ge l e c t r i cd e h y d r a t i o ne f f i c i e n c ya n de n e r g y c o n s u m p t i o n , a n dt h e nt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo f t h ee l e c t r i cd e h y d r a t i o nw a sa n a l y z e d b ys y s t e m a t i ce x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，c h a r a c t e r i s t i c so fo i l - w a t e re m u l s i o nt h e o l o g y v a r i a t i o nw a sg o t e x p e r i m e n t a lr e s u l tr e v e a l e dt h er u l eo fd e h y d r a t i o ne f f i c i e n c ya n dr a t e v a r y i n gw i t hp h y s i c a lp r o p e r t i e so fo i l w a t e re m u l s i o na n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm o i s t u r e c o n t e n ta n de l e c t r i cp a r a m e t e r s b yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，r e g r e s s i o ne q u a t i o no f e l e c t r i cd e h y d r a t i o ne f f i c i e n c yv a r y i n gw i t he a c ha f f e c t i n gf a c t o rw a se s t a b l i s h e d t h e nt h e i n f l u e n c es i g n i f i c a n c eo fe a c hf a c t o ra n dt h eo p t i m i z e dc o m b i n a t i o no fi n f l u e n c ef a c t o r sw i t h h i g h e s te l e c t r i cd e h y d r a t i o ne f f i c i e n c yw e r eg o t f i n a l l y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe l e c t r i ce n e r g y c o n s u m e di nt h i sp r o c e s s ，t h ef o r m u l ao fe c o n o m i ce f f i c i e n c yw a sd e f i n e da n do p t i m i z e d s o o p t i m u mt e c h n o l o g yo fe l e c t r i cd e h y d r a t i o nc a nb ed e t e r m i n e dt os a t i s f yt h ed e m a n do fd i f f e r e n t d e h y d r a t i o ne f f i c i e n c ya n de n e r g y - s a v i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i cd e h y d r a t i o n , h i g hf r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g e ，m o i s t u r ec o n t e n t ，e l e c t r i c e n e r g yc o n s u m p t i o n 1 1 1 目录 第1 章引言1 1 1 电脱法污油脱水的意义1 1 2 本文的目的以及研究的主要内容2 1 2 1 本文的目的2 1 2 2 研究的主要内容2 1 3 本文研究的基本思路和方法一2 第2 章电脱法油水分离研究进展4 2 1 油水分离方法简介4 2 1 1 沉降法( 重力分离法) 4 2 1 2 电脱水技术4 2 。1 3 离心分离破乳脱水技术4 2 1 4 水力旋流器脱水技术4 2 1 5 声化学法( 超声波) 脱水技术5 2 1 6 磁处理脱水技术5 2 2 电脱法破乳原理5 2 2 1 脱水排液与聚并5 2 2 2 水滴的迁移聚结方式。5 2 3 电脱法破乳技术研究概况6 2 3 1 国外电破乳经典理论6 2 3 2 国内电脱法破乳技术实验前沿。7 2 4 本章小结7 第3 章油水乳状液的流变性研究9 3 1 实验用油与设备9 3 2 油水乳状液的制备与测量l o 3 3 油水乳状液的流变特性l o 3 3 1 含水率对油水乳状液粘度的影响1 0 3 3 2 温度对油水乳状液粘度的影响l l 3 3 3 乳化剂与老化时间对油水乳状液粘度的影响1 2 3 3 4 乳化强度对油水乳状液粘度的影响1 3 3 3 5 酸碱度对油水乳状液粘度的影响1 3 i v 3 3 6 含盐浓度对油水乳状液粘度的影响1 4 3 3 7 油品性质对油水乳状液粘度的影响1 4 3 3 8 固体颗粒对油水乳状液粘度的影响1 5 3 4 本章小结1 5 第4 章电脱法破乳静态实验研究1 7 。4 1 实验条件1 7 4 1 1 实验装置流程与油品一17 4 1 2 实验设备与测量仪器1 7 4 2 静态电破乳实验方法1 7 4 2 1 油水乳状液的制备1 7 4 2 2 静态实验参数参数设计1 8 4 2 3 实验参数的测量与分析方法。1 8 4 3 静态电破乳器及内电场分布1 9 4 4 电脱法破乳静态实验分离性能2 1 4 4 1 电场参数对电破乳的影响2 1 4 4 2 物性参数对电破乳的影响2 6 4 4 3 含水率与电场参数的交互作用对电破乳影响3 4 4 5 正交实验探求电脱法破乳规律：3 9 4 5 1 正交实验的设计一4 0 4 5 2 电破乳率变化规律4 0 4 5 3 电破乳规律的回归4 1 4 5 4 电脱法破乳的电能耗变化规律4 2 4 5 5 电脱法破乳的效益分析4 4 4 6 本章小结4 6 第5 章结论与展望5 0 5 1 结论5 0 5 2 研究不足与后续展望5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 3 致谢5 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章引言 在石油开采和生产的过程中会产生大量的污油，这些污油如果不经处理直接排放到环 境中，将会对环境造成极大的危害，使人类和其它生物赖以生存的生态环境受到威胁。目 前常见的污油包括机械加工过程中的润滑油、机械油污；油气开采中产生的油基泥浆岩屑、 采油产出液、产出水；来自油田、炼厂、船舶或其他工业场所的落地油、废油污；油气储 运中来自油田、炼厂或其他工业原油存储池、重力分离罐底部沉积的油泥；油泥分离回收 和储罐清洗产生的液体、含油污水；含污油的土壤等【l 】。污油通常为多种油品的混合物， 含水量高( 高于1 0 ) ，以乳状液形态存在。随着科技的进步和工业的发展，电脱法油水分 离技术得到了深入发展，成为一种高效的油水分离技术，在工程中也得到了长足的应用， 其中尤其是石油工业和环保工程。 1 1 电脱法污油脱水的意义 油水乳状液广泛存在于石油与石化工业中。首先，油田开采产生大量油田污油，一般 有三个来源：第一，联合站内污水沉降罐上部的浮油和底部的含油污泥；第二，污水处理 站内经污水回收池回收的污油；第三，井场作业的落地原油。随着原油联合站内的污油数 量增加，使原油脱水的难度也相应加大。其次，炼油厂每年都有数万吨的污油产生，这些 污油因为含易裂解的烃类较多，具有很高的再利用价值。另外，我国的油田大多已经到达 采油中后期，进入三次采油阶段，由于采用了注水驱、蒸汽驱、化学驱等采油方法，出油 含水率高达9 0 以上【2 】。无论是油田污油还是炼厂污油，乃至原油中都广泛含有胶质、沥 青质、蜡、固体颗粒、无机盐和细菌等活性物质，直接影响油水乳状液破乳的效率，若直 接注入常减压装置或是采用“全回炼”的方法掺进常减压装置，会严重影响影响装置的正 常运行。 胶质、沥青质、环烷酸皂、微晶石蜡、细砂等富集于油水乳状液界面上，形成牢固的 界面膜，并微生物的作用下，将其重组分变质并且聚集成团，再加上各种天然与人工的乳 化剂加入，油水乳状液更易形成一种稳定油包水一水包油形式的“多重相油水乳状液”，如 图1 1 。 第1 章引言 图1 1 油水乳状液构成 f i g 1 1f o r m a t i o no f o i l - w a t e re m u l s i o n 对于这种乳化深度高、乳化结构复杂的稳定油水乳状液，常规的重力沉降分离、离心 分离破乳、水力旋流脱水、过滤脱水等效果不佳，需要对常规的电破乳技术进行深入研究， 并进行一定的改进，从而得到一种高效的电脱法破乳技术。新型高效的电脱法破乳技术对 于高含水率的污油脱水工况有更广泛的适用前景，实现能源的有效利用，污油水综合整治 处理，达到节能减排和环保的双项指标，具有重大的经济和社会意义。 1 2 本文的目的以及研究的主要内容 1 2 1 本文的目的 通过分析电脱水器内的电场分布情况基础上，进行高频脉冲电脱水室内实验研究，系 统的实验并分析各个操作参数和物性参数对于提高电脱水分离效果的影响和规律，并总结 出最佳油水破乳分离效果下的实验操作参数和油水乳状液物性参数组合，提高电脱法污油 脱水分离性能，为开发电脱法破乳设备及其相关工艺的优化提供理论依据。 1 2 2 研究的主要内容 ( 1 ) 从理论上分析各相关操作参数和物性参数对电脱水效果的影响，并分析电脱水器 内电场分布规律，从而为进一步对个参数的优化提供理论依据。 ( 2 ) 对所研究的油水乳状液进行全面测定分析，进行与破乳、分离过程相关的不同物 性参数下的流变性实验，考察其流变特性。 ( 3 ) 通过高频高压脉冲电脱水静态实验，研究不同物性参数以及电场参数对电脱法破 乳的影响，分析各影响因素对电破乳率以和电能耗作用的大小，以及作用规律。 ( 4 ) 利用正交实验研究方法，设计正交实验，对影响电脱法破乳的主要参数电压、脉 宽比、含水率、温度、频率进行综合考察，分析其对电破乳率和能耗影响大小与规律，并 对电脱法破乳的效益进行分析，总结出针对实验所用油水乳状液，本实验装置下的最佳破 乳分离操作条件。 1 3 本文研究的基本思路和方法 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 通过查阅国内外有关电聚结分离的文献，认识电脱水技术的机理，从理论上了解 各相关操作参数和物性参数对电脱水效果的影响，为进一步对个参数的优化提供理论依据。 ( 2 ) 对所研究的实验用油与配置油水乳状液进行全面测定分析，研究与破乳、分离过 程相关的化学成分和物性参数，并考察其流变特性。 ( 3 ) 对自行设计的电脱水器内部的电场分布进行分析，并对不同粒径的分散液滴聚并 类型进行分类。根据液滴的聚并类型，进一步分析各影响参数对电脱法破乳的影响规律。 ( 4 ) 搭建连接电脱法脱水室内实验装置，进行高频脉冲电脱水静态实验，考察操作参 数和物性参数对电脱水破乳分离效果的影响，总结单因素影响电破乳规律，并进行参数优 化，得到最佳实验参数值。此外，进行含水率变化与各电场参数变化的交互作用实验，分 析和总结不同含水率下，各电场参数变化，对电破乳的影响规律，分析乳状液含水率和电 场参数的交互作用下，电破乳的变化。 ( 5 ) 在完成的实验基础上，并根据前述电脱法破乳机理分析，设计正交实验方法，进 行电场参数和物性参数对电脱法破乳分离影响规律探索实验，分析各影响因素对乳状液破 乳分离的影响规律，并对实验参数进行优化。根据正交实验结果，总结回归得到各影响参 数联合作用下，电破乳率随各影响因素变化的规律公式，并分析各影响因素对电破乳能耗 作用规律，从而进一步得到综合考虑电破乳率和电能耗的电脱法破乳的效益变化规律，通 过了解这一规律，便于针对不同油水乳状液破乳工况，对影响电破乳各因素进行实际的调 控。 3 第2 章电脱法油水分离研究进展 第2 章电脱法油水分离研究进展 2 1 油水分离方法简介 油水分离方法多种多样，其中包括沉降法、过滤脱水、水力旋流、超声波法、磁处理 脱水、生物脱水、电脱法以及膜处理等技术方法，下面对做简单介绍。 2 1 1 沉降法( 重力分离法) 【3 】 沉降法是原油破乳脱水最基本的方法，一般用加热沉降，主要原理是：利用油水密度 差使油、水分离。污油的密度多为0 8 棚9 9 c m 3 ，水密度一般为1 0 1 1 5g c m 3 ，加热后， 原油粘度降低，分子的布朗运动加剧，乳状液中水珠碰撞机会增多，剧烈运动和碰撞的结 果，使乳化膜破裂，小水珠聚结为大水珠，在重力下沉降分离。 通常热沉降脱水可脱出游离水和砂，对乳状液一般只能脱出直径大于o 5 1 t m 的水珠， 因此往往与其他方法油水分离方法联合使用。 2 1 2 电脱水技术【4 】 油水乳状液与新鲜水、破乳剂充分混合后通过电脱水罐内的高压电场时，在分散相( 水) 质点上形成感应电荷，连续相( 油相) 形成绝缘介质。在感应电场作用下，水质点从而保持一 定的电荷，它们彼此之间主要聚并作用是偶极聚结。此外，直流电场中分散相存在电泳聚 结作用，在交流电场中分散相存在电振荡作用。在偶极聚结、电泳聚结以及电振荡的作用 下，含盐水滴不断聚结长大，沉降于电脱水罐底部并排出，而电脱水后油相由电脱水罐顶 部送出。 2 1 3 离心分离破乳脱水技术跚3 】 离心分离破乳是乳状液在高速旋转的离心力作用下，利用油水重力差而脱水。离心机 的转数越高，水珠沉降速度越快，当离心机转数为每分钟几万转时，水珠沉降速度较重力 自然沉降大几千倍，所以离心分离脱水效果很好。但是离心分离破乳技术在石化行业应用 较少，原因在于它的结构复杂，存在密封困难、造价高的缺点，而且技术成熟的生产商很 少。 2 1 4 水力旋流器脱水技术【5 】 脱水型水力旋流器是一种利用高速旋流产生的离心力达到油水分离的新型设备。水利 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 旋流器主要由造旋段、分离锥和尾管段等结构组成。它的分离原理是当油水乳状液从旋流 器入口沿着切向进入，顺着旋流器内部结构，油水乳状液形成了高速旋转流动的流体，一 种稳定的离心力场在旋流芯管的内部形成，并逐渐增大。从而使得密度较大的水相受到更 大的离心力作用，聚集于旋流芯管的内壁，并进一步从尾管中排除；而密度较小的油相相 反的聚集于旋流芯管的中心区域，并随着流动进行从溢流口中排除，最终实现两相的分离。 2 1 5 声化学法( 超声波) 脱水技术5 】 。 声化学法脱水技术，又叫超声波脱水技术，它是利用超声波能量的辐射，使油水乳状 液产生搅拌、聚结、温热等一系列的超声效应，破坏了油水乳状液的界面膜，从而完成乳 状液的破乳与分离。超声波脱水技术具有良好的传导性能，适用于多种油水乳状液，对于 三次采油的水包油乳状液、污水回收油以及老化油等这些化学成分与结构十分复杂的油水 乳状液，具有一定的适应性，优于常规的破乳方法。 2 1 6 磁处理脱水技术5 1 磁处理脱水技术是基于对油水乳状液进行变化磁场的作用，从而实现脱盐脱水的方法。 油水乳状液进入磁场后，离子和水分子电偶极矩受到扰动，从而使得油水乳状液的结构特 征发生改变，油水表面张力减小，乳状液的粘度降低，有利于接下来脱水的进行。然而， 对于内部机理的研究尚不充分，没有形成成熟的理论。 2 2 电脱法破乳原理 2 2 1 脱水排液与聚并【6 】 当两个小液滴互相靠近时，表面被压向液滴，但仍保持凸形，两个液滴在最接近之处 是它们的中心连线上，此处液膜最薄，只要夹在两个液滴之间的液体排出，液滴即在该处 发生破裂。利用光学显微镜观察乳状液中液滴的聚并的动态行为，发现有三种聚并形式： ( 1 ) 液滴自行变形破裂，并形成铺展膜之间的聚并。( 2 ) 液滴与同相积液液面间的聚并。( 3 ) 液滴之间的碰撞聚并川。 2 2 2 水滴的迁移聚结方式 油水乳状液中的分散液滴在不同电场变化作用下，油水界面膜强度降低，彼此相互之 间的运动与振荡作用增强，分散液滴发生碰撞和聚并的概率激增，聚并融合后的大液滴沉 降分离开来，实现破乳。在变化的电场中，分散液滴主要的迁移与聚并方式有以下几种： ( 1 ) 偶极聚结 5 第2 章电脱法油水分离研究进展 水分子的偶极距1 0 为6 2 3 1 0 。3 0 ，水是一种极性电介质，在电场的作用下，水微粒和水 分子产生偶极子转向极化，即产生沿着电场方向的极化取向。当它们相互靠近时，异性端 之间便产生偶极聚结力，使得彼此聚结融合，形成大液滴沉降，最终实现分离。 ( 2 ) 振荡聚结 高频脉冲电场作用下，分散液滴反复产生转向极化，并在油水乳状液中振荡，不能形 成稳定的偶极聚结融合，从而使得分散液滴界面膜强度降低，分散液滴并呈现无规则的随 机分布，使得彼此之间碰撞聚并的几率增大，液滴更容易聚并分离。 ( 3 ) 电泳 在两个平行电极电场中，乳状液中的分散液滴向同自身所带电荷极性相反的电极运动， 这种现象称为电泳。在此过程中，分散液滴受到乳状液粘滞阻力作用，削弱了分散液滴界 面膜强度。另外，由于分散液滴的大小、带有的电量不同，运动中受到阻力的大小也不同， 从而形成不同运动速度的分散液滴，它们彼此产生碰撞聚并的几率增大，并实现分散液滴 的融合与分离。 ( 4 ) 介电泳 “介电泳”是存在于非均匀电场中分散液滴的迁移聚并方式。由于分散液滴具有比连 续相更大的介电常数，从而使得它们向最大电场密度的方向迁移运动，并在此过程中发生 聚并与融合。 2 3 电脱法破乳技术研究概况 2 3 1 国外电破乳经典理论 ( 1 ) p e a r c e 两步机理【8 】o 一是电场强度大到一定数值而导致电击穿；二是电场促使水滴 极化并促使分散水滴间相互靠近聚并。研究证明成链现象是发生在电破乳的高潮过后，或 原来乳液中粒子浓度较小，通电前经挥发变得粘度较大的情况下，说明成链不能作为聚合 的唯一前提。 ( 2 ) w a t e r m a n 碰撞机理【引。机理核心是关于作用力的性质，即由这些力所导致的各类 型的碰撞。实验证明大粒子沉降后，最终在粒子间距等于8 倍粒径时聚合停止，分散相含量 约为0 2 ，且粒径不均。该理论主要是对弱电极而言。 ( 3 ) b a l i e s 署t l l a k a i 介电松弛电极破乳引。该机理提出了液滴对外电场的响应是受电解质 的松弛( 或弛豫) 过程控制的，并在最佳频率下得到满足。实践证明用水滴的成链来解释低 频下破乳效率不高，略显牵强，它忽略夹带水滴的影响，结论不具有普遍意义。但其介电 松弛理论的基本思想是正确的。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 2 国内电脱法破乳技术实验前沿 电脱法破乳过程中油水乳状液破乳率和破乳速度受到电场强度、脉冲频率、脉宽比、 电场作用时间、油水乳状液的流量、含水率、油水乳状液的物性、乳化剂和乳化程度等多 种因素的影响，它们对破乳分离的结果的作用大小，以及相互之间的联合作用，国内多以 实验的方法进行探究，然而没有得到系统明确的结论。 周文俊等【9 】提出为了提高油水乳状液的分离效率，电场强度存在一个临界值，国外文 献介绍这个临界电场强度为4 7 0k v c m ，然而不同油品进行高频高压油水分离所用的电场 强度是不同的，最佳电场强度并不是一个固定值，随油品种类不同而应有所变化，与油品 性质、水含量、电导率及预期脱盐率等因素有关。白希尧等【1 0 】人，用油泵对加水后的2 0 # 机油进行乳化处理，使其成为含水率2 0 的乳化液，进行高压脉冲实验得到，脉冲电压幅 值每增加l k v 时，含水率下降0 0 4 。实验表明，在高压脉冲聚结脱水过程中没有出现电 击穿和电分散现象，然而实验过程中所采用的电压幅值有限，随着电场的升高分离效率不 会匀速无止境的升高。 在研究脉冲频率对高频脉冲电脱水技术破乳分离效果的影响时，刘百军等【l l 】认为乳状 液是一个复杂的体系，将乳状液看成电介质不正确。因为油相中含水，其电导率很大，电 阻大大降低，而且乳状液的电导与纯油的电导差别很大。总而言之存在一个最佳频率，使 得分散相液滴之间的碰撞聚结作用最为明显，然而对于具体的最佳频率值，鲜有人提及。 脉宽比是电压的一个脉冲宽度占一个脉冲周期的比例。王凤巢等【1 2 j 人指出适当的脉冲 宽度应当是既使水颗粒有足够的时间吸收能量，但又不会导致电分散及电极间电击穿现象 的发生，他们用脉冲周期为1 01 1 1 s ，脉冲宽度为1 0 肛s 进行实验，得出结论脉冲脱水效果要比 直流脱水效果要好，然而具体的脉宽比为多少，才能取得更好的分离效果，没有研究和介 绍。 张黎明等【1 3 1 人研究认为油水乳状液的流量的改变聚结的效果影响并不显著，这是因液 膜存在一定厚度，在无法克服界面张力的情况下即使液滴发生碰撞也不能有效聚结成较大 液滴。但是，油水乳状液的流量直接影响到高压电场对油水乳状液的破乳作用时间，流量 的增大也增大了分散相液滴的碰撞和聚结的几率。 2 4 本章小结 本章首先介绍了当今油水分离工业上主要分离技术，并对各自的优势与待改进的方向 做简单分析。重点介绍了电脱水方法的原理，分散液滴的偶极聚结、振荡聚结等不同的聚 结方式，并在相互靠近时进行了液滴间的排液与聚并融合。最后介绍了电破乳技术的研究 7 第2 章电脱法油水分离研究进展 现况，国外存在多种模型理论，国内对电破乳影响因素多做了单因素实验，得出各自一定 的结论。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章油水乳状液的流变性研究 3 1 实验用油与设备 实验用油为q c 3 2 0 型导热油，它的密度随温度变化曲线如图3 - 1 温粘曲线如图3 2 。 q c 3 2 0 导热油在温度2 0 。c 一7 0 c 范围内，密度在0 8 2 0 8 6 9 l 范围内，并随着温度的升高 而降低，尤其是在4 0 。c 后降低更加明显。q c 3 2 0 导热油的粘度在相同温度变化范围内，随 着温度升高，呈近似浴盆曲线，2 0 c 一3 0 。c 粘度从9 2 8 m p a s 迅速下降，超过3 0 c 粘度下 降趋于平缓，在2 0 m p a s 左右。 o 8 6 盆o 8 5 量 q0 8 4 毯 稍0 8 3 o 2 04 0 6 0 温度t ( ) 图3 1q c 3 2 0 型导热油密度随温度的变化曲线 f i g 3 - ld e m i t ) ，c u r v eo fq c 3 2 0 - t y p eh e a tc o n d u c t i n go i l 谢t ht e m p e r a t u 他 1 03 05 07 09 0 温度f ( ) 图3 - 2q c 3 2 0 型导热油粘度随温度的变化曲线 f i g 3 - 2v i s c o s i t yc u r v eo fq c 3 2 0 - t y p eh e a tc o n d u c t i n go i lw i t ht e m p e r a t u r e 油水乳状液的流变性实验用到的主要实验设备有：d e i o o l 型实验室高剪切分散乳化 机( 产自南通克莱尔混合设备有限公司) 、d v - 1 + p r o 型数字式粘度计( 产自上海尼润智能 9 加 o 五厶量v葛巡鬻 第3 章油水乳状液的流变性研究 科技有限公司) 、f a 2 1 0 4 型天平。 图3 3d e - 1 0 0 l 型实验室高剪切分散乳化机 f i g 3 3d e - 10 0 ll a b o r a t o r ys h e a ra n dd i s p e r s i n gi nh i g l l - s p e e de m u l s i f i c a t i o nm a c h i n e 3 2 油水乳状液的制备与测量 将导热油和蒸馏水分别按照规定的比例混合，倒入物料桶内，将实验室高剪切分散乳 化机按一定的转速乳化半个小时。考察温度对乳状液粘度的影响时，将乳化好的油水乳状 液放置于恒温水浴锅内半个小时，到达测量温度，并立刻进行粘度测量。考察含盐量和酸 碱度对油水乳状液粘度影响时，规定的含盐量和酸碱度是针对配制乳状液的一定量水溶液， 将计算合适的n a c l 加入蒸馏水中溶解，配制一定含盐量的水溶液；利用盐酸溶液和n a o h 溶液加入蒸馏水配制一定p h 值的水溶液。 将乳化完毕的油水乳状液，取部分放入4 0 0 m l 的烧杯内，用d v o l + p r o 型数字式粘度 计进行粘度的测量，测量过程中注意：为了保证测量的准确性，针对不同的粘度值，选择 不同号转子，使得乳状液的粘度在对应转子量程的2 0 以上。 3 3 油水乳状液的流变特性 3 3 1 含水率对油水乳状液粘度的影响 油水乳状液的乳化与粘度测量在3 0 下进行，高剪切分散乳化机的转速是3 0 0 0 r m i n 。 如图3 - 4 油水乳状液粘度随含水率的变化，含水率在5 一1 5 内增长时，乳状液的表观粘 度随含水率的增加而在5 0 6 0 m p a s 内缓慢上升；当含水率继续升高时，表观粘度迅速上升 至3 0 0 m p a s 。当含水率继续增大时，表观粘度陡降，含水率7 0 的油水乳状液的表观粘度 为4 2 3 m p a s 。表观粘度陡降说明乳状液内部结构可能发生突变，发生了转相，即从油包水 型乳状液转变成水包油型乳状液。由表3 1 不同含水率下油水乳状液的流性指数可知，含 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 水率小于4 5 ，乳状液的流变指数小于并接近1 ，油水乳状液近似为牛顿流体；含水率在 4 5 以上( 包括4 5 ) ，乳状液的流变指数大于1 ，油水乳状液属于非牛顿流体。 o 罡 g 、- ， 蕞 瑙 撂 o 含水率( ) 图3 - 4 油水乳状液粘度随含水率的变化 f i 吕3 - 4v i s c o s i t yc u r v eo fo i l w a t e re m u l s i o nw i t hm o i s t u r ec o n t e n t 表3 1 不同含水率下的流性指数 t a b 3 - 1l i q u i d i t yi n d e x e su n d e rd i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t s 3 3 2 温度对油水乳状液粘度的影响 如图3 5 所示，不同含水率下的油水乳状液的表观粘度均随温度的上升迅速下降，随 温度继续升高，粘温曲线变得平缓，粘度降低缓慢。由图3 5 可知，含水率3 0 的油水乳 状液粘度明显高于含水率5 的油水乳状液的粘度，并且粘度差随着温度增加逐渐减小；对 于本实验条件下，含水率3 0 的油水乳状液在温度4 5 c 出现粘度随温度升高下降趋势减缓 的拐点，而含水5 的油水乳状液相应的拐点，出现的温度较低，在3 5 左右。 卯 卯 卯 卯 o 3 3 2 2 l l 第3 章油水乳状液的流交性研究 2 5 0 2 0 0 9 藿1 5 0 交1 0 0 摇 5 0 o l o3 05 07 09 0 温度t ( ) 图3 5 油水乳状液粘度随温度的变化 f i g 3 - - 5v i s c o s i t yc u r v e so fo i l - w a t e re m u l s i o nw i t ht e m p e r a t u r e 3 3 3 乳化剂与老化时间对油水乳状液粘度的影响 如表3 2 所示，一滴( 体积在o 0 5 m l 左右) 司班乳化剂，加入5 l 油水乳状液中，乳 状液粘度从1 0 0 m p a s 增加到1 3 8 m p a s o 随着老化时间的增加，如图3 - 6 所示，油水乳状液 在前2 0 小时内，在化学势的推动下，小液滴不断溶解、减小直至消失，同时大液滴长大， 平均粒径上升，粘度稍有下降；然而随之时间的进一步延长，分散在导热油中的天然乳化 剂，特别是固体乳化剂、沥青质以及胶质在分散液滴的油水界面吸附，使油水界面膜增厚 并变得更为紧密，界面膜粘度显著增加，从而使粘度随着老化时间的延长而增大。 表3 22 2 5 下乳状液的粘度 t a b 3 2v i s c o s i t yo fo i l w a t e re m u l s i o na t2 2 5 加入1 滴司班的粘度m p a s 没加乳化剂的粘度m p a s 1 3 81 0 0 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ，、1 5 0 协 母 厶 j1 0 0 文 巡 葵5 0 o o5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 时间t ( h ) 图3 - 6 含水率2 0 乳状液粘度随老化时间的变化 f i g 3 6v i s c o s i t yc u l w eo f2 0 m o i s t u r ec o n