油滴粒徑分布及其影響因素的研究

母鈴燕，廖 芮，朱澤城，葉 杰

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

目前，我國大多數(shù)的油田進(jìn)入了高含水期，油相常常以油滴的形式分散在水相中，形成穩(wěn)定的水包油型乳狀液。油滴在連續(xù)相中的分散狀態(tài)，會(huì)影響混合相的粘度，進(jìn)而影響多相管流中的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，明確油水分散流體中粒徑的分布有利于多相管流的設(shè)計(jì)與管理。同時(shí)，油滴粒徑的分布，對(duì)后續(xù)油水的分離處理也有直接影響[1]。隨著環(huán)保要求的提高，對(duì)油水分離等相關(guān)技術(shù)有了新的需求，目前國內(nèi)研究主要有重力沉降罐、水力旋流分離器、新型管道式油水分離技術(shù)等，有了一定成果，如何提高設(shè)備的分離效率依然面臨巨大挑戰(zhàn)[2]。

截止目前，國內(nèi)外研究者對(duì)油水兩相分散流的液滴粒徑分布規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，基于研究成果，形成了用于分析油滴破裂與聚并的模型，例如Coulaloglou-Tavlarides模型、Luo模型等。然后，通過將油滴破裂與聚并模型與流場(chǎng)模型相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油滴粒徑分布的預(yù)測(cè)。但是，這些模型只在一定范圍內(nèi)有較高的精度，其應(yīng)用范圍有限，通用性較差。因此，有必要結(jié)合最新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段和方法，從微觀角度對(duì)油滴粒徑的大小和分布進(jìn)行研究。這樣系統(tǒng)研究分散油滴粒徑特征、分布規(guī)律和影響因素，可以加深對(duì)水包油型分散流的相分布結(jié)構(gòu)及其變化的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)兩相流動(dòng)現(xiàn)象及過程的預(yù)測(cè)能力具有重要的意義。同時(shí)，對(duì)石油化工等工業(yè)過程中多相混輸管線的設(shè)計(jì)及其安全運(yùn)行，提高油水分離、污水處理效率也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所采用的油品性質(zhì)如下：密度為0.86 g/cm3，其石蠟含量為2.35%(m/m)，膠質(zhì)含量為10.13%(m/m)，瀝青質(zhì)含量為1.23%(m/m)，硫含量為0.04%(m/m)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由IKA RW20攪拌器、恒溫水浴、激光粒度儀等儀器組成。

1.3 乳狀液的配置

量取100 mg/kg的乳化劑Tween 80溶于水中，并利用IKA RW20攪拌器進(jìn)行配置，攪拌轉(zhuǎn)速為1200 r/min，通過恒溫水浴控制油水混合溫度為40 ℃，攪拌時(shí)長為15 min，形成穩(wěn)定水包油乳狀液。利用激光粒度儀觀測(cè)油滴分布形式，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得油滴粒徑大小及其分布規(guī)律。

2 影響因素

2.1 含油率的影響

將含油量分別為5%、10%、15%的油水混合物，在溫度為40 ℃，攪拌槳以1200 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌15 min，形成三種水包油型乳狀液，通過激光粒度儀觀測(cè)油滴分布，得到粒徑大小與粒徑分布的關(guān)系規(guī)律，如圖1所示。

圖1 含油率與粒徑大小及分布的關(guān)系

由圖1可知，水包油乳狀液中油滴粒徑分布在一定范圍內(nèi)呈單峰分布，且峰值隨含油率增高呈增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)含油率5%時(shí)，油滴平均粒徑29.91 μm；含油率10%時(shí)，油滴平均粒徑31.74 μm；當(dāng)含油率15%時(shí)，油滴平均粒徑33.81 μm。這是因?yàn)楫?dāng)含油率增加時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)增加，乳狀液中油滴數(shù)目也增多，油滴發(fā)生碰撞的概率提高，使得乳狀液中的油滴更容易發(fā)生聚并[4]。因此，隨著含油率的提高，油滴平均粒徑呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

2.2 攪拌轉(zhuǎn)速的影響

在溫度為40 ℃時(shí)，含油率為5%時(shí)，攪拌槳以1200 r/min旋轉(zhuǎn)15 min后，形成了初始液滴分布狀態(tài)，再改變攪拌轉(zhuǎn)速(1400 r/min，1600 r/min，1800 r/min)，攪拌10 min形成三種水包油乳狀液，由此獲得的不同攪拌速度下的油滴粒徑分布情況如圖2所示。

圖2 攪拌轉(zhuǎn)速與粒徑大小及分布的關(guān)系

由圖2可知，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速1400 r/min油滴平均粒徑大小26.8 μm，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速1600 r/min油滴平均粒徑大小23.8 μm，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速1800 r/min油滴平均粒徑大小22.1 μm。由此可知，攪拌轉(zhuǎn)速越大，所得乳狀液油滴平均直徑越小。這是因?yàn)閿嚢柁D(zhuǎn)速的大小關(guān)系到攪拌器輸入能量的多少，從而影響乳狀液中液滴的破碎。依據(jù)Weber數(shù)的定義可知，在剪切場(chǎng)中，液滴穩(wěn)定狀態(tài)下的最大直徑與攪拌剪切呈反比關(guān)系[5]。換言之，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速越高，液滴所受剪切應(yīng)力越大，得到的油滴平均直徑越小。

2.3 溫度的影響

在溫度為40 ℃時(shí)，含油率為5%時(shí)，攪拌槳以1200 r/min旋轉(zhuǎn)15 min后，形成了初始液滴分布狀態(tài)，再改變攪拌溫度分別為45 ℃、55 ℃、60 ℃，攪拌10 min后得到三種水包油型乳狀液，通過觀察統(tǒng)計(jì)獲得由于乳狀液在不同溫度下的油滴粒徑分布情況。

圖3 溫度與粒徑分布及大小的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)攪拌溫度為45 ℃時(shí)，油滴平均粒徑大小27.74 μm，當(dāng)攪拌溫度為55 ℃時(shí)，油滴平均粒徑大小26.2 μm，當(dāng)攪拌溫度為60 ℃時(shí)，油滴平均粒徑大小25.06 μm。由此可以發(fā)現(xiàn)：攪拌溫度越高，油滴平均直徑減小。這是因?yàn)楦淖儨囟?，?huì)引起原油物性的改變，包括油水界面張力、油品粘度等。當(dāng)溫度升高時(shí)，油水兩相之間的界面張力升高，油品粘度逐漸減小。粘性力會(huì)阻礙液滴的變形，進(jìn)而影響攪拌時(shí)乳狀液中液滴的破碎過程[6]。當(dāng)原油粘度較大時(shí)，油滴不容易變形，這就會(huì)增大油滴分散到連續(xù)相中的難度。因而當(dāng)原油粘度減小時(shí)，在一定轉(zhuǎn)速下，油滴能更容易被剪切形成穩(wěn)定乳狀液。

3 結(jié) 論

本文利用激光粒度儀觀測(cè)了不同條件下制備的原油水包油型乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)，研究了含油率、攪拌轉(zhuǎn)速、溫度對(duì)油滴粒徑大小及分布的影響，通過處理統(tǒng)計(jì)得到了不同條件下油滴粒徑分布的規(guī)律。具體結(jié)論如下：

(1)一定轉(zhuǎn)速與溫度下，水包油型乳狀液粒徑在一定范圍內(nèi)呈單峰分布。隨著含油率增加粒徑直徑呈增大趨勢(shì)。

(2)一定溫度與含油率下，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加粒徑直徑呈減小的趨勢(shì)。

(3)一定轉(zhuǎn)速與含油率下，油滴平均直徑隨溫度升高減小。

因此，基于含油率、轉(zhuǎn)速、溫度等對(duì)油滴粒徑分布的影響的分析，為后續(xù)建立新的液滴粒徑分布預(yù)測(cè)模型、優(yōu)化油水兩相分散流動(dòng)模型奠定了基礎(chǔ)。并且，研究結(jié)果可以用于預(yù)測(cè)在實(shí)際油田開采中水包油型分散體系的分布規(guī)律，為原油分離、凈化等工序提供參考及幫助，能有效提高原油的脫水率，同時(shí)能夠保障長輸過程的安全性等。