新型靜電聚結(jié)分離器油-水分離特性

田成坤，呂宇玲，何利民，胡成勇，習(xí)進(jìn)路

(1.中國石油大學(xué) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油 北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100083)

新型靜電聚結(jié)分離器油-水分離特性

田成坤1，呂宇玲1，何利民1，胡成勇2，習(xí)進(jìn)路2

(1.中國石油大學(xué) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油 北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100083)

將同軸圓柱絕緣電極和傳統(tǒng)重力式分離器整合，設(shè)計(jì)出了新型靜電聚結(jié)分離器。基于Maxwell-Wagner模型，從電介質(zhì)極化的角度分析了同軸圓柱絕緣電極的電場-頻率分布特性；采用水-原油乳狀液作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，利用顯微高速攝像系統(tǒng)考察了電場強(qiáng)度、頻率、乳狀液含水率對新型靜電聚結(jié)分離器聚結(jié)和分離效率的影響。結(jié)果表明，新型靜電聚結(jié)分離器能夠有效避免乳狀液的二次乳化，并對不同流量、含水率的乳狀液具有良好的適應(yīng)性。交流電場作用下，絕緣電極在低頻和高頻時(shí)具有不同的電場分布特性，可以通過計(jì)算絕緣電極的極化弛豫時(shí)間獲得高效聚結(jié)頻率。乳狀液含水率越高，最優(yōu)電場強(qiáng)度和拐點(diǎn)頻率越小，極板電壓和頻率是決定靜電聚結(jié)分離器能耗的關(guān)鍵因素。

乳狀液；靜電聚結(jié)分離器；絕緣電極；電場；液滴

原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、無機(jī)物顆粒、表面活性劑等的存在使油-水乳狀液具有很好的穩(wěn)定性[1]。乳狀液的存在對油田現(xiàn)場的生產(chǎn)和油品質(zhì)量構(gòu)成十分嚴(yán)重的危害，高效快速地進(jìn)行原油脫水成為石油工業(yè)研究的重點(diǎn)。原油脫水的方法多種多樣，包括化學(xué)處理法[2]、重力法、離心法[3]、pH處理法、熱處理法[4]、膜過濾法、靜電聚結(jié)法[5-6]等。靜電聚結(jié)法能夠?qū)Φ秃瓦M(jìn)行有效地脫水處理[7]，而且因其高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，正受到越來越多的青睞。Noik等[8]提出了將液滴的靜電聚結(jié)與重力沉降兩個(gè)過程分開實(shí)施的原油電脫水方案。然而，這種方式大多暴露出一個(gè)問題，即聚結(jié)后的乳狀液在進(jìn)入后續(xù)沉降設(shè)備之前，可能會(huì)因管路中彎頭、閥門等處的劇烈剪切而發(fā)生二次乳化，從而影響分離的效果[9]。

何利民等[10]和張寶生等[11]將同軸圓柱絕緣電極視為理想雙層電容，研究了其電場分布，然而對同軸圓柱絕緣電極的電場-頻率分布特性和機(jī)理還缺乏更為深入的認(rèn)識。此外，對于交流電場中頻率對液滴聚結(jié)規(guī)律影響的研究還較少，且研究的頻率范圍過于寬泛[7,12]，在靜電聚結(jié)設(shè)備高效工作頻率的篩選上缺乏簡便有效的手段。

筆者將同軸圓柱絕緣電極與傳統(tǒng)重力式分離器整合，設(shè)計(jì)出新型靜電聚結(jié)分離器，力求有效避免大液滴的二次乳化；基于Maxwell-Wagner模型[13]從電介質(zhì)極化的角度分析同軸圓柱絕緣電極的電場-頻率分布特性，提出交流電場作用下絕緣電極系統(tǒng)高效頻率范圍的求解式；通過實(shí)驗(yàn)考察交流電場作用下電場強(qiáng)度、頻率、乳狀液含水率等參數(shù)對新型靜電聚結(jié)分離器分離效率的影響規(guī)律。

1 同軸圓柱絕緣電極的電場-頻率分布特性

同軸圓柱絕緣電極作為一種實(shí)用、高效的靜電聚結(jié)電極，已被人們進(jìn)行了若干研究[10,14]，其結(jié)構(gòu)示于圖1。高壓電極板外噴涂或包覆的環(huán)形絕緣層為固體電介質(zhì)，環(huán)形流道中的油-水乳狀液可看作一種電導(dǎo)率較高的特殊液體電介質(zhì)[11]。由于絕緣層和乳狀液分別具有容抗和阻抗，因此可將其等效為圖2所示的電路。此時(shí)，絕緣層與乳狀液就構(gòu)成了經(jīng)典的Maxwell-Wagner模型[13]。

根據(jù)電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)的極化包含了電子位移極化、離子位移極化、轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化4種基本類型[15]。其中，前3種極化都是由帶電質(zhì)點(diǎn)的彈性位移或轉(zhuǎn)向引起，極化建立的時(shí)間較短；空間電荷極化則是由帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或正負(fù)離子)的移動(dòng)引起，完成的時(shí)間從幾十分之一秒到幾分鐘，對外電場的削弱較為明顯[14-15]。同軸圓柱絕緣電極的絕緣層中發(fā)生的極化方式主要為前3種。然而，由于油-水乳狀液電導(dǎo)率較大[11]，低頻下除前3種極化方式外，還不得不考慮空間電荷極化的影響。

圖1 同軸圓柱絕緣電極示意圖

圖2 同軸圓柱絕緣電極的等效電路

根據(jù)高斯通量定理，電通量D與面電荷代數(shù)和Q的關(guān)系如式(1)所示。由電介質(zhì)的本構(gòu)方程可得式(2)和(3)。式(2)中，ε=εrε0，真空中ε0=8.854×10-12F/m。根據(jù)式(2)、(3)和電容的定義可得式(4)和(5)。

(1)

D=εE

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)上述對電介質(zhì)極化的分析，當(dāng)電場頻率較高時(shí)，油-水乳狀液中的空間電荷極化將受到抑制，因此由式(1)可得乳狀液與絕緣層分界面處聚集的自由電荷量表達(dá)式(6)。

Qe/i=(De-Di)S=CeVe-CiVi≈0

(6)

由基爾霍夫定律，圖2中的電壓符合式(7)的關(guān)系。

V=Ve+Vi

(7)

因此，根據(jù)式(6)和(7)可得高頻下乳狀液和絕緣層中的壓降Ve和Vi表達(dá)式(8)和(9)。

(8)

(9)

單位長度同心圓柱體的電容[16]表達(dá)式如式(10)所示。

(10)

由式(8)～(10)可得絕緣層(r1

(11)

(12)

由式(11)和(12)可知，絕緣層的厚度越大，介電常數(shù)越小，對油-水乳狀液中電場強(qiáng)度的削弱作用就越明顯。此外，絕緣層和油-水乳狀液中的電場強(qiáng)度分布具有一定的不均勻性，半徑越小處電場強(qiáng)度越大。式(11)和(12)的電場強(qiáng)度表達(dá)式與何利民等[10-11]推導(dǎo)的結(jié)果一致，很明顯這種推導(dǎo)是將同軸圓柱絕緣電極作為雙層電容模型，僅僅考慮了系統(tǒng)的容抗特性，而未考慮其阻抗特性，因此只能適用于外電場為高頻的情況。

對于直流電場和頻率足夠低的交流電場，由于油-水乳狀液的電導(dǎo)率較大，在電場分析時(shí)必須考慮其阻抗特性。電極系統(tǒng)的極化弛豫時(shí)間與電介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)和電物性參數(shù)有關(guān)，根據(jù)Maxwell-Wagner模型，平板型絕緣電極的極化弛豫時(shí)間[13]表達(dá)式如式(13)所示。通過類比，可得同軸圓柱絕緣電極極化弛豫時(shí)間的表達(dá)式(14)。

(13)

(14)

當(dāng)外電場的頻率較小，即外電場的變化周期與同軸圓柱絕緣電極的極化弛豫時(shí)間較為接近時(shí)，空間電荷極化將導(dǎo)致大量自由電荷在乳狀液與絕緣層分界面處聚集。假設(shè)外電場為直流電場或頻率足夠低(接近0 Hz)的交流電場，根據(jù)電荷守恒定律(式(15))，則有式(16)所示的關(guān)系。其中，傳導(dǎo)電流密度J與電導(dǎo)率σ之間存在式(17)的關(guān)系。

(15)

(16)

J=σE

(17)

因此，通過乳狀液與絕緣層的傳導(dǎo)電流密度Je和Ji與電導(dǎo)率σ分別存在式(18)和(19)的關(guān)系。

(18)

(19)

根據(jù)式(7)、(16)～(19)，可得在足夠低的頻率下乳狀液和絕緣層中的壓降表達(dá)式(20)和(21)。

(20)

(21)

由式(20)、(21)以及單位長度同心圓柱體的電阻表達(dá)式(22)，可得絕緣層(r1

(22)

(23)

(24)

絕緣層采用的固體電介質(zhì)電導(dǎo)率大多在10-14～10-18S/m之間[17]，而原油的電導(dǎo)率多在10-8～10-13S/m之間，水的電導(dǎo)率為10-5～10-6S/m[11]，因此油-水乳狀液的電導(dǎo)率將比絕緣層高出幾個(gè)數(shù)量級。通過分析式(23)和(24)可知，由于油-水乳狀液與絕緣層分界面處聚集了大量自由電荷，這些自由電荷一方面在絕緣層中產(chǎn)生與外電場同向的附加電場，增大絕緣層電擊穿的可能性；另一方面在油-水乳狀液中產(chǎn)生與外電場反向的電場，極大地削弱作用在油-水乳狀液中的電場強(qiáng)度，影響靜電聚結(jié)的效果。上述規(guī)律可以推廣至所有帶有絕緣層的靜電聚結(jié)電極，因此可以得出結(jié)論，即，交流電場頻率的不同將導(dǎo)致絕緣電極系統(tǒng)中電場分布的差異；直流電場和頻率過低的交流電場不適用于帶有絕緣層的靜電聚結(jié)電極；油-水乳狀液的電導(dǎo)率越大，其對應(yīng)的高效脫水頻率就越高。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 靜電聚結(jié)分離器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

靜電聚結(jié)分離器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及流程如圖3所示。圖3中，恒溫水浴、保溫罐、變頻混合器和IKA在線乳化機(jī)構(gòu)成乳狀液制備回路，能夠精確控制乳狀液中水滴的粒徑分布；主回路中采用單螺桿泵調(diào)整進(jìn)入靜電聚結(jié)分離器的乳狀液流量，乳狀液在同軸圓柱絕緣電極的高強(qiáng)電場中發(fā)生快速聚結(jié)，然后經(jīng)過布液構(gòu)件進(jìn)入臥式重力沉降段，進(jìn)一步被分離。靜電聚結(jié)段與高壓電源通過高壓電纜相連，調(diào)壓器和升壓變壓器將220 V、50 Hz交流電調(diào)整到所需的電壓(0～20 kV)及頻率(0～400 Hz)，使用Tektronix TDS1002B-SC數(shù)字示波器采集實(shí)驗(yàn)中的波形、頻率、電壓及電流。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不同位置安裝壓力、溫度傳感器、RHEONIK高精度質(zhì)量流量計(jì)，實(shí)時(shí)采集乳狀液的壓力、溫度以及流量。靜電聚結(jié)分離器的入口、油出口、水出口以及罐體的不同位置處分別設(shè)有等動(dòng)量取樣口，取得的乳狀液通過顯微高速攝像系統(tǒng)[18]進(jìn)行拍攝，并通過圖像處理系統(tǒng)獲得乳狀液中的水滴粒徑，采用蒸餾[19]的方式測定油中含水率，即水體積分?jǐn)?shù)(下同)。

圖3 靜電聚結(jié)分離器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及流程

實(shí)驗(yàn)時(shí)同軸圓柱絕緣電極豎直放置，油-水乳狀液在5～20 s的時(shí)間內(nèi)流過電極與外殼之間形成的環(huán)形流道，在高強(qiáng)電場的作用下發(fā)生快速聚結(jié)。流道徑向間距13.5 mm、長度265 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為巴士拉原油與自來水。利用乳狀液制備回路制取含水率分別為5%、10%、20%、30%的油包水乳狀液。所制備的乳狀液均勻穩(wěn)定，30℃下靜置24 h無分層現(xiàn)象。30℃、0.1 MPa時(shí)制備的油-水乳狀液的物性參數(shù)列于表1。由于不同含水率乳狀液中分散相的分散程度不同，因此表1中所列乳狀液的電導(dǎo)率在一定的含水率范圍內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)反常規(guī)律。

表1 實(shí)驗(yàn)制備的油-水乳狀液的物性參數(shù)

T=30℃;p=0.1 MPa

3 結(jié)果與討論

由斯托克斯公式[8]可知，進(jìn)入重力沉降段的液滴粒徑直接決定油、水分離的速率，因此，采用同軸圓柱絕緣電極出口的平均粒徑d來評價(jià)靜電聚結(jié)分離器的分離效果。平均粒徑即所有粒徑的算術(shù)平均值，可由式(32)計(jì)算。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)都是3次測量結(jié)果的平均值。

(32)

3.1 電場強(qiáng)度對液滴粒徑的影響

圖4為不同流量、不同含水率下乳狀液液滴粒徑與靜電聚結(jié)分離器電場強(qiáng)度的關(guān)系。由圖4發(fā)現(xiàn)，在不同流量及不同含水率下，外加電場均能夠有效促進(jìn)乳狀液中液滴的聚結(jié)；隨著電場強(qiáng)度的增加，液滴的平均粒徑d呈增大的趨勢，與Urdahl等[14]和張黎明等[20]的結(jié)論一致。在交流電場作用下，液滴的聚結(jié)以偶極聚結(jié)為主，Eberz等[21]給出了雙液滴偶極-偶極吸引力的公式(33)。

(33)

式(33)表明，電場強(qiáng)度越高，液滴所受的電場力越大，液滴的伸縮幅度越大，就越有利于液滴之間的聚結(jié)。

圖4 不同流量、不同含水率下液滴粒徑(d)與靜電聚結(jié)分離器乳狀液層電場強(qiáng)度(Ee)的關(guān)系

然而，不同含水率下液滴之間的聚結(jié)規(guī)律又有所差異。從圖4可見，含水率為5%和10%時(shí)，隨電場強(qiáng)度的增大，液滴粒徑一直增大。這是因?yàn)楹^少的乳狀液中，液滴中心間距較大，且液滴初始粒徑較小，由式(33)可知，需要更高的電場強(qiáng)度才能克服黏滯力、界面張力的阻礙，使液滴發(fā)生有效的聚結(jié)。含水率為20%時(shí)，對應(yīng)每個(gè)流量，隨電場強(qiáng)度的增大，液滴粒徑均出現(xiàn)一個(gè)峰值。這是因?yàn)楹?0%的乳狀液中液滴初始粒徑較大，而且液滴間距較小，施加電場后液滴粒徑迅速增大，根據(jù)電韋伯?dāng)?shù)[22]的公式(34)，當(dāng)We數(shù)達(dá)到一定值后，電場力克服界面張力的阻礙，大液滴發(fā)生破裂形成許多小液滴，因此臨界場強(qiáng)之后液滴平均粒徑減小。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，由于“電分散”現(xiàn)象的出現(xiàn)，不同流速下的液滴粒徑又開始趨于一致。

(34)

3.2 電場頻率對液滴粒徑的影響

對于脈沖電場頻率對液滴靜電聚結(jié)的影響規(guī)律，Galvin[23]和Bailes[24]已進(jìn)行了大量研究，而對交流電場中頻率對液滴聚結(jié)規(guī)律影響的研究較少，且研究的頻率范圍過于寬泛[7,12]，在靜電聚結(jié)設(shè)備高效工作頻率的篩選上缺乏簡便有效的手段。因此，筆者采取在20～400 Hz的頻率范圍內(nèi)加密實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的方式，詳細(xì)考察了低頻下交流電場頻率對液滴靜電聚結(jié)的影響規(guī)律。

圖5為不同流量、不同含水率下液滴粒徑與靜電聚結(jié)器電場頻率的影響關(guān)系。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著電場頻率的增加，液滴平均粒徑呈增大的趨勢，與Lee等[7]和陳家慶等[9]得到的規(guī)律一致。然而，在不同的頻率范圍內(nèi)，液滴粒徑增大的速率不同，存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，且不同含水率下的拐點(diǎn)頻率又有所不同；含水率5%、10%和20%的拐點(diǎn)頻率分別為150、100和75 Hz，即隨著含水率的增大，拐點(diǎn)頻率逐漸減小。

圖5 不同流量、不同含水率下液滴粒徑(d)與靜電聚結(jié)器電場頻率(f)的關(guān)系

根據(jù)對同軸圓柱絕緣電極電場-頻率分布特性的推導(dǎo)，交流電場頻率的不同將導(dǎo)致施加在乳狀液上電場強(qiáng)度的差異。當(dāng)交流電場頻率過低時(shí)，油-水乳狀液和絕緣層分界面處聚集的大量自由電荷將在乳狀液中產(chǎn)生反向電場，極大地削減了作用在乳狀液中的電場強(qiáng)度，影響靜電聚結(jié)的效率。在頻率較低時(shí)，乳狀液中的電場強(qiáng)度將隨頻率的增大而迅速增大，當(dāng)頻率達(dá)拐點(diǎn)以后，乳狀液中的電場強(qiáng)度基本不再增大，因而會(huì)出現(xiàn)圖5所示的規(guī)律。

Galvin[23]曾給出了脈沖直流電場作用于絕緣電極時(shí)最優(yōu)頻率fp的計(jì)算公式，如式(35)所示。

(35)

由同軸圓柱絕緣電極的極化弛豫時(shí)間式(14)，可求得含水率為5%、10%和20%時(shí)的極化弛豫時(shí)間和最優(yōu)頻率，結(jié)果列于表2。從表2可見，采用式(35)求得的最優(yōu)頻率與圖5得到的3個(gè)拐點(diǎn)頻率十分接近。

表2 不同流量不同含水率下靜電聚結(jié)分離器電場的最優(yōu)頻率(fp)和拐點(diǎn)頻率(fi)

根據(jù)上述分析可以得出，將由乳狀液和絕緣層的幾何結(jié)構(gòu)與電物理性質(zhì)計(jì)算絕緣電極系統(tǒng)的極化弛豫時(shí)間代入式(35)，即可求得高效聚結(jié)頻率范圍。采用這樣的方法可以篩選交流電場作用下絕緣電極系統(tǒng)高效聚結(jié)頻率。

3.3 靜電聚結(jié)分離器的油-水分離性能

對不同工況下同軸圓柱絕緣電極出口和重力沉降段入口的乳狀液進(jìn)行了分析和比較，液滴的平均粒徑均未出現(xiàn)減小的情況，說明布液構(gòu)件能夠有效避免對大液滴的二次乳化。考察了靜電聚結(jié)分離器對含水率為20%和30%乳狀液的油-水分離效率和出口含水率，結(jié)果示于圖6。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著流量的減小，電場作用時(shí)間延長，油-水分離效率迅速增大，油中含水率顯著減小。因此，靜電聚結(jié)分離器能夠?qū)Σ煌实挠退闋钜哼M(jìn)行快速、高效地油水分離。當(dāng)流量為2.33 L/min時(shí)(電場作用時(shí)間僅為20 s，重力沉降時(shí)間為15 min)，油水分離效率便可達(dá)80%以上，油中含水率降至5%以下。從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，隨著流量的減小，不同含水率下油水分離效率和油中含水率逐漸趨于一致。

3.4 靜電聚結(jié)分離器的能耗分析

實(shí)驗(yàn)中使用Tektronix TDS1002B-SC數(shù)字示波器采集電壓、電流和頻率等參數(shù)，從而計(jì)算得到靜電聚結(jié)分離器的能耗，結(jié)果示于圖7。從圖7(a)、(b)發(fā)現(xiàn)，極板電壓和頻率是決定靜電聚結(jié)分離器能耗的主要因素，隨著極板電壓和頻率的升高，能耗顯著增加；曲線擬合顯示，同一頻率下能耗隨極板電壓的變化呈平方關(guān)系，同一極板電壓下能耗隨頻率的變化呈線性關(guān)系。當(dāng)極板電壓和頻率都達(dá)到最大，即12 kV和400 Hz時(shí)，能耗也僅有185.65 W，因此本實(shí)驗(yàn)采用的靜電聚結(jié)分離器連續(xù)運(yùn)行時(shí)較為經(jīng)濟(jì)可靠。

圖6 不同流量和不同入口含水率下靜電聚結(jié)分離器的分離效率和出口含水率(φ′(H2O))

圖7 靜電聚結(jié)分離器的能耗

為了進(jìn)一步揭示靜電聚結(jié)分離器的經(jīng)濟(jì)性，采用單位能耗處理量(乳狀液流量與能耗的比值)來表征能耗與處理量之間的關(guān)系。由圖7(c)可知，采用正弦交流電時(shí)靜電聚結(jié)分離器的單位能耗處理量在(8.35×10-3～2.15) L/(min·W)范圍，因此，可求得處理1 m3乳狀液所需的能耗范圍僅為(7.742×10-3～1.996) kW·h。極板電壓和頻率越高，靜電聚結(jié)分離器的單位能耗處理量越小。因此，為了兼顧靜電聚結(jié)分離器的分離效果與能量利用效率，結(jié)合前面對電場強(qiáng)度和頻率對脫水效果影響的分析，極板電壓應(yīng)滿足電場強(qiáng)度位于臨界場強(qiáng)之前，頻率不應(yīng)設(shè)置得過高，應(yīng)位于拐點(diǎn)頻率附近的要求。

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)了同軸圓柱絕緣電極，并將同軸圓柱絕緣電極與傳統(tǒng)重力式分離器整合，設(shè)計(jì)出新型靜電聚結(jié)分離器。實(shí)驗(yàn)表明，在較大的流量和含水率范圍內(nèi)，新型靜電聚結(jié)分離器對油-水乳狀液具有較好的適應(yīng)性，液滴的聚結(jié)效果和油、水分離效果明顯。

(2) 在不同含水率及流量下，高強(qiáng)電場都能促進(jìn)液滴的快速聚結(jié)，但電場強(qiáng)度并非越高越好，過高的電場強(qiáng)度將導(dǎo)致“電分散”的發(fā)生。最優(yōu)電場強(qiáng)度受含水率的影響，含水率越高最優(yōu)電場強(qiáng)度越低。

(3) 基于Maxwell-Wagner模型推導(dǎo)了同軸圓柱絕緣電極的電場-頻率分布特性，通過類比得到了同軸圓柱絕緣電極極化弛豫時(shí)間的表達(dá)式，并提出了適用于交流電場作用下絕緣電極系統(tǒng)高效頻率范圍的求解式。乳狀液含水率越高，高效頻率范圍出現(xiàn)的拐點(diǎn)頻率越小。

(4) 靜電聚結(jié)系統(tǒng)的能耗與極板電壓呈平方關(guān)系，與頻率呈線性關(guān)系。高效極板電壓應(yīng)滿足電場強(qiáng)度位于臨界場強(qiáng)之前，高效頻率位于拐點(diǎn)附近的要求。

符號說明：

a——液滴半徑，m；

a1——液滴1的半徑，m；

a2——液滴2的半徑，m；

C——電容，F(xiàn)；

Ce——乳狀液層的電容，F(xiàn)；

Ci——絕緣層的電容，F(xiàn)；

D——電通量，V·m；

De——乳狀液層的電通量，V·m；

Di——絕緣層的電通量，V·m；

d——液滴平均粒徑，m；

|d|——液滴中心間距，m；

di——第i個(gè)液滴直徑，m；

E——電場強(qiáng)度，V/m；

Ee——乳狀液層的電場強(qiáng)度，V/m；

Ei——絕緣層的電場強(qiáng)度，V/m；

FE——電場力，N；

f——頻率，Hz；

fi——拐點(diǎn)頻率，Hz；

fp——最優(yōu)頻率，Hz；

J——傳導(dǎo)電流密度，A/m2；

Je——乳狀液層的傳導(dǎo)電流密度，A/m2；

Ji——絕緣層的傳導(dǎo)電流密度，A/m2；

k——常數(shù)；

n——液滴個(gè)數(shù)；

Q——面電荷量，C；

Qe/i——乳狀液和絕緣層分界面處的自由電荷量，C；

R——電阻，Ω；

Re——乳狀液層的電阻，Ω；

Ri——絕緣層的電阻，Ω；

r——電極半徑，m；

r1——絕緣層內(nèi)壁半徑，m；

r2——絕緣層外壁半徑，m；

r3——乳狀液層外壁半徑，m；

rmax——電極最大半徑，m；

rmin——電極最小半徑，m；

S——乳狀液和絕緣層的接觸面積，m2；

t——時(shí)間，s；

V——電勢差，V；

Ve——乳狀液層的電勢差，V；

Vi——絕緣層的電勢差，V；

Vj——極板電壓，kV；

We——電韋伯?dāng)?shù)；

β——液滴中心連線與電場線夾角，°；

δe——乳狀液層的厚度，m；

δi——絕緣層的厚度，m；

ε——介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

ε0——真空介電常數(shù)，8.854×10-12F/m；

εe——乳狀液層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

εi——絕緣層的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

εr——相對介電常數(shù)；

εrc——連續(xù)相的相對介電常數(shù)；

εre——乳狀液層的相對介電常數(shù)；

λ——油水界面張力，N/m；

μe——乳狀液的黏度，mPa·s；

ρ——自由電荷密度，C/m3；

ρe——乳狀液的密度，kg/m3；

σ——電導(dǎo)率，S/m；

σe——乳狀液層的電導(dǎo)率，S/m；

σi——絕緣層的電導(dǎo)率，S/m；

τ——絕緣電極系統(tǒng)的極化弛豫時(shí)間，s；

φ(H2O)——乳狀液含水率，%；

φ′(H2O) ——靜電聚結(jié)分離器出口油中含水率，%。

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Oil-Water Separation Characteristics of New Type Electrostatic Coalescence Separator

TIAN Chengkun1, Lü Yuling1, HE Limin1, HU Chengyong2, XI Jinlu2

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.DWELLLimitedCompany,CNPC,Beijing100083,China)

Combining coaxial cylindrical insulated electrode with traditional gravity separator, the new type electrostatic coalescence separator was designed. Based on Maxwell-Wagner model, the electric field distribution characteristics of coaxial cylindrical insulated electrode system were investigated from dielectric polarization. With water-crude oil emulsion as experiment medium and micro high-speed camera system and image processing technology, the effects of electric field strength, frequency and water volume fraction on the coalescence of water droplets and oil-water separation of this new type electrostatic coalescence separator were investigated. The results showed that the new type electrostatic coalescence separator could effectively avoid re-emulsification and adapt to emulsions of different flow rates and water volume fractions. The insulated electrode had different electric field distribution characteristics under AC electric field of high and low frequency, and the optimal frequency could be gained through calculating the polarization relaxation time of insulated electrode. The optimal electric field intensity and inflexion point of high-efficiency frequency decreased with the increase of water volume fraction. Electrode voltage and frequency were the key determinants of energy consumption of the new type electrostatic coalescence separator.

emulsion; electrostatic coalescence separator; insulated electrode; electric field; droplet

2014-04-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274233)資助

田成坤，男，碩士研究生，從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)方面的研究；E-mail：tck2008upc@126.com

何利民，男，教授，從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)方面的研究；Tel：0532-86983578；E-mail：helimin@upc.edu.cn

1001-8719(2015)04-0930-09

TE624.1

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.04.014