超聲霧化破乳技術(shù)研究

韓 冰，陸胤君，劉海麗，于惠娟，劉東杰，陸詩建

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026)

當(dāng)前國內(nèi)油水分離一般采用三相分離器，并使用填料讓碰撞聚結(jié)。波紋板填料容易堵塞，更換填料不經(jīng)濟(jì)且會(huì)耽誤生產(chǎn)。如果乳化油黏度大，油溫低，則會(huì)削弱碰撞聚結(jié)作用，使傳統(tǒng)的三相分離器幾乎不起作用。

超聲的加入使油水分離作用有了新的能量場(chǎng)，超聲作用下短期分離效率為傳統(tǒng)三相分離器的百倍以上。且能耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)，可靠性高，安全環(huán)保。

1 工程參數(shù)

來液性質(zhì)：來液含水：93%；處理溫度：42℃；密度：0.967 kg/m3；工況黏度：2900 mm2/s；破乳劑：1%稀釋量低溫破乳劑溶液。

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波參數(shù)：初始頻率f=25000 MHz，初始振幅(生波金屬頭的機(jī)械振幅)A=5 μm。

2 理論基礎(chǔ)

首先需要測(cè)定超聲波在采出液中某作用點(diǎn)的真實(shí)強(qiáng)度，然后根據(jù)作用時(shí)間長(zhǎng)短和處理后的出水量(或含水量)，綜合對(duì)比得出超聲的作用效果。

(1)因超聲波在采出液中存在衰減，要測(cè)定任意一點(diǎn)的真實(shí)強(qiáng)度，需要通過測(cè)量和計(jì)算間接得出。考慮到超聲波為縱波，縱波在油水中的傳播及削弱符合波的傳播符合準(zhǔn)駐波效應(yīng)：

A=A0(1+R)e-ax……(1)

其中，R為反射系數(shù)，α為介質(zhì)的衰減系數(shù)。

建立超聲波在液體中傳播數(shù)學(xué)模型，假設(shè)超聲波源處于坐標(biāo)系原點(diǎn)，入射超聲波沿X軸正方向傳播，那么波動(dòng)方程為：

A0exp[i(wt-yx)]……(2)

其反射波的波動(dòng)方程為：

y=RA0exp{i[wt+y(x-2x)]}……(3)

其中，R為反射系數(shù)，y=k-iα為波的傳播系數(shù)，α是介質(zhì)的衰減系數(shù)，k=2π/λ是波矢。入射波和反射波在0～x0區(qū)間疊加，合成波的波動(dòng)方程為：

y=A0exp[i(wt-yx) ]+RA0exp{i[wt+y(x-2x)]}……(4)

合成波個(gè)點(diǎn)均做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，振幅分布為：

A=[e-2ax+R2e2a(x-x0)+2Re-2ax0cos 2k(x-x0) ]0.5……(5)

因超聲波發(fā)生器和接收器是同一材料制成，所以有：

其中U0是信號(hào)發(fā)生器輸出電壓數(shù)值，U為示波器顯示電壓數(shù)值。

將多次試驗(yàn)的測(cè)量值記入表格，得出強(qiáng)度Ax(或電壓Ux)、時(shí)間t、含水量Wx之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表并擬合成Ax(Ux)-t-Wx曲線，得出連續(xù)的超聲波強(qiáng)度分布圖，表格和曲線用于在得出強(qiáng)度/時(shí)間/含水量關(guān)系時(shí)備查用。

(2)實(shí)驗(yàn)分為6組，因?yàn)橛辛薃x-t-Wx表格及曲線，只需要控制每組的作用時(shí)間t，并測(cè)量作用后的采出液含水量Wx，即可得出在任何強(qiáng)度區(qū)間下的時(shí)間-含水量關(guān)系。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了盡量使超聲波能最大的作用在采出液，根據(jù)聲場(chǎng)優(yōu)化流場(chǎng)，是其中的一個(gè)重點(diǎn)。使用基于NX Nastranthermal/flow的CAE技術(shù)，用hyper-opt對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使流動(dòng)效率提升86%，并使用流體帶走由超聲尖端效應(yīng)產(chǎn)成的熱量，同時(shí)對(duì)NVH(Noise/Vibration/Harshness)設(shè)計(jì)了減震結(jié)構(gòu)，降低了超聲設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪音和振動(dòng)約75%。

NVH分析之后得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加符合無外場(chǎng)干擾和無衰減的理想情況，可以當(dāng)做理論模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化使用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論如下：

(1)使用超聲可使采出液快速脫水，30 min前為超聲主導(dǎo)，60 min后為藥劑主導(dǎo)。超聲和藥劑同時(shí)使用時(shí)需注意超聲作用時(shí)間，60 s的作用時(shí)間后期脫水率比30 s作用時(shí)間脫水率更低，原因是超聲作用時(shí)間太長(zhǎng)容易造成反向乳化，從而降低脫水效率。

(2)由于超聲波在采出液中有衰減，所以同一個(gè)容器內(nèi)含水量并不是一致的，有一定分布規(guī)律，基本符合上述Ax-t-Wx曲線。實(shí)際使用中，建議增大流動(dòng)性，使流場(chǎng)內(nèi)各處的超聲作用時(shí)間及作用強(qiáng)度都能保持一致，避免某些區(qū)域因超聲作用時(shí)間太長(zhǎng)而反向乳化。

(3)傳統(tǒng)方式中只使用藥劑進(jìn)行油水分離，需要時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重降低脫水效率。故將高效低溫破乳劑與超聲破乳技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成物化耦合強(qiáng)化破乳技術(shù)，室內(nèi)沉降2 h的脫水率較單一藥劑作用提高約20個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)優(yōu)化超聲作用時(shí)間，從工業(yè)應(yīng)用角度將作用時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，功率為1 kW的超聲發(fā)生器處理1 m3原油所需的時(shí)間約為4000 s。

(4)只使用重力法進(jìn)行油水分離，實(shí)際生產(chǎn)中幾乎不可行。

(5)超聲的加入可以明顯提高前120 min的脫水速度和脫水率。但在整個(gè)工藝流程中，破乳劑依然無法被完全替代?？偟膩砜矗暤募尤胧姑撍俣瘸^傳統(tǒng)重力法油水分離約67倍，脫水率超過重力法約8倍，性能優(yōu)異。