1、本 科 畢 業 設 計（論文）外文翻譯學生姓名：學 號：專業班級：指導教師：年 月 日電聚結技術在原油分離方面的進展，優勢和局限Simone LessRegis Vilagines摘要在原油的生產，處理和運輸工程中會遇到多種油包水乳狀液。它們的穩定性對沙特阿拉伯的數個油氣分離處理站操作有很大影響，并存在經濟關聯性。有很多方法可以使乳狀液失穩以達到含水率最大0.3%和每千桶原油最多溶鹽十磅的外輸要求。在這些技術中，電聚結可以減少耗能很高的加熱操作，也能限制可能污染產出水的化學藥劑的使用。本文總結了電聚結的一些理論和近來的發展，也用實驗數據證明該技術的優勢與局限。在裝有電聚結器的環流道上的實驗表明

2、：當電場區的乳狀液雷諾數很小與水滴直徑多分布于小直徑時，電聚結的分離效果很差。因此，在將電聚結器裝于現有分離設備的工程研究中，應提倡使乳狀液以中等湍流流動以保證該技術的效率。關鍵詞：電聚結；乳狀液穩定性；原油；脫鹽1 引言乳狀液是一種由兩種不互溶液體組成的熱力學不穩定的分散體系，一種液體以小液滴形式分散在另一種中。通常極性液體是水而極性弱一些的是有機油。Kilpatrick and Spiecker (2001)。原油生產中乳化過程可能在油藏中就已經開始了，那里水很多并在高溫高壓下和原油一起被擠壓通過微孔。當原油出井流入生產匯管時，過閥的高壓降使油水劇烈混合。Siblom et al. (20

3、03)。結果是到達分離設備的乳狀液經常是油、氣、水、雜質的混合物，它們以小液滴形式存在，直徑相近，d50在5到50m。小液滴造成了低沉降率和相對于相體積非常大的油水界面。這些因素導致兩個重要考慮。第一是分離器必須是高壓容器以在處理大量液體的同時能滿足原油外輸的嚴苛條件（含水率最大0.3%和每千桶原油最多溶鹽十磅）。第二是來自不同油井或同一油井不同生產時期，不同生產條件的乳狀液的穩定性，可能會隨油水界面性質產生很大變化。原油生產設備中可選的處理乳狀液方法有：機械、熱力、靜電和化學，但通常是結合起來使用。石油生產工業中將電聚結器用于脫水和脫鹽容器已經很久了。但只在近十年，由于絕緣電極和交流電場的使

4、用，電聚結效應才能被用于第一級分離器中的三相流條件。接下來總結電聚結的原理和帶絕緣電極的靜電分離系統設計的近來發展，由于實驗數據在本文第三部分討論，第一部分的分析能幫助理解在什么條件下油水分離趨勢的減少會使對電聚結技術的投資沒有回報。2 理論背景2.1 電場力懸浮液滴受重力與阻力作用，但當施加電場時，其他力會影響液滴的運動。第一種是介電電泳力，是在液滴和攜帶液因電容率不同而產生的不均勻電場中自發產生的吸引力Atten (1993)。這種力有以下關系Lundgaard et al. (2006)：FDP(r3,oil,E2)(1)等式（1）指出介電電泳力與液滴間距無關而與電場梯度有關。它的產生不

5、依賴帶電顆粒而是由于任何等量正負電荷間的偶極都有一定的分離。當不均勻電場被施加在偶極子上，偶極一端的場會比另一端弱，產生一個指向場強更大方向的凈力。介電電泳力在偶極聚結中起重要作用，它可以想象為油中的一對相鄰水滴互相吸引靠近它們之間場強最大處。Eow et al. (2000)。應注意在實踐中介電電泳力也作用在均勻電場中，因為一些液滴的存在會扭曲電場線。介電電泳力與液滴半徑的三次方成正比，因此可能對最小直徑的水滴沒有效果，而它們是重力沉降后乳狀液中水的主要存在形式。第二種力是電泳力，是均勻電場中帶電粒子和電極間的引力或斥力。它的物理規律取決于粒子表面和周圍液體間的電荷分離。外加電場改變了電荷密

6、度，使顆粒、周圍液體或者兩者均發生移動Eow et al. (2000)。等式（2）展示了液滴充電時決定電泳力大小的各變量，該力在弛豫時間=(oiloil)內會自然下降。FEP(r2,oil,E2)(2)由等式（2）可以看出電泳力與液滴間間距無關，因此可能對有效進行油水分離有著很大潛力。在極性不變的直流電場下，帶電液滴在電泳力作用下會以一定速度向極性相反的電極移動，速度與連續相粘度有關。從而液流中的許多液滴可能碰撞結合在一起Urdahl et al. (2001)。在交流電場中，由于沒有凈電荷被加于液滴，所以電泳力只能使液滴在某一位置以兩倍于電場頻率的頻率震動Lundgaard et al.

7、(2006)，因此不會對液滴碰撞聚結有貢獻。已證明電泳力是能使液滴在連續液流中移動的最強的電原理Warren and Sams (2003)。不幸的是，單向電流促進腐蝕的作用與低含水介質中產生短環流的傾向使在電聚結中使用強直流電場不可實現Eow et al. (2000)。第三種力是偶極引力，它因電場誘導產生的偶極子間相互作用而產生，使相鄰液滴間產生引力。這種力因產出水的高導電性產生并有以下關系式。FDip(r6,oil,E2,s-4)(3)等式（3）顯示偶極引力和液滴大小及它們的間距有很大關系。在假設乳狀液單一均勻分布的前提下，液滴間距離和分散水體積分數X成反比。s=r(4/3X)4/3(4

8、)因此對于大多數乳狀液來說，可以預測極性引力隨著水相的減少而失效，因為液滴間的距離增加了。另外由于大的聚結液滴很快沉降，只留下小液滴，極性引力的作用會隨著聚結過程進行而降低。因液滴極化而產生的最后一個應被考慮的力，是其它電壓力和水滴兩端被充以不同電荷造成的液滴變形。這些作用和使水滴保持球形的表面張力競爭，使水滴變形并在電場方向上被拉長，形成扁橢球形，離心率e如下(Eow et al., 2000; Lundgaard et al., 2006)：e2=(9oilrE216)(5)在這些作用下液滴會變形達到一個不穩定并粉碎的臨界軸比。臨界變形比被定義為被拉長液滴的臨界長度和它原有直徑的比值，Ta

9、ylor發現這一比值是1.9左右的常數。相應的臨界電場EC，如等式（6）所示，當大于此值時液面變得不穩定分為半徑更小的液滴Atten (1993)。Ec=0.6482oilr(6)將油水混合物的Ec，和oil代入等式（6）結果顯示只有直徑大于650m左右的大液滴才能粉碎。即使實際原油分離操作中幾乎碰不到這樣的液滴，當考慮相鄰液滴互相作用時界面變形也應該被注意。局部電場可能上升的足夠大使得液滴發生大的變形，失穩，造成聚結或粉碎。2.2 機械力上面討論的電場力都是短程力。當液滴分布很廣時，需要有其他力使液滴靠的足夠近以使電場力發揮聚結作用。像布朗運動、沉積、層流剪切、湍流剪切、湍流慣性等許多力能做

10、到。當液滴間距足夠小時，靜電力使液滴相接觸，聚結過程的薄膜減薄階段開始了。在靜止系統中這個過程可能持續幾分鐘，液滴只是互相擠壓但并不結合。Allan and Mason (1962)指出這個延遲時間和場強成減函數關系，由于膜減薄速度更快或發生在更大厚度的膜破裂。基于以上考慮，通過強化湍流度或優化聚結器形狀以加強湍流和混合對于提高碰撞效率是很重要的。但必須要仔細優化聚結器形狀，因為過強的湍流會使液滴破碎，重分散為很小的水滴從而降低脫水效率。對于油水界面有很穩定膜的穩定乳狀液，膜減薄過程可能很慢以至于當電壓加強時在電極間形成穩定的長水滴鏈。這種情況發生時，乳狀液導電性會顯著增強，電流會使電位差下降

11、。這種情況下，聚結器不能單獨工作，像加熱或注化學破乳劑等其它破乳技術應被使用。3 電聚結器技術概覽為了促進乳化在連續相低電容率液體內水滴的碰撞聚結以增大直徑，加速沉降速度并減少沉降時間，電聚結器被設計出來。第一個電聚結器的專利是Cottrell于1911年首先在進行電誘導失穩研究時申請的。第一個用于石油工業的電聚結器是裝有電極的大容器，分為供液滴增大的處理區和在層流條件下供相分離的沉降區。雖然很大，但效率低且沉降時間長。為了滿足提升脫水效果的要求，發展了許多新概念，市面上有許多可用的新技術。下面的概述注重于近幾年發展的使用絕緣電極的商業技術。裝備絕緣電極 的電聚結器工作原理由Lundgaard

12、 et al. (2006)描述。在直流電場中，充電液滴移向電極表面，絕緣材料處產生的強電壓降消除了乳狀液內場的作用。相反的，頻率足夠高的交流電場不會使水滴做無向運動，因此不會有急劇的電壓降。Hamworthy在市場上有三種電聚結產品：容器內靜電聚結器(VIEC)，高溫VIEC和低含水VIEC。VIEC技術使用了金屬框架，它結合了機械整流器和電聚結器的作用。每個VIEC模塊都有低壓連接器，高壓轉換器和用于提升操作頻率到千赫茲的專用的變頻器。在千赫茲段操作電聚結器防止因乳狀液的低電阻而在電極絕緣層附近產生大電壓降。因此一個小的環流不會影響整個VIEC的工作。高頻和絕緣電極的組合使VIEC能夠承受

13、游離水并能在條件惡劣的第一級分離處使用，從而用于處理站的初期脫水。對于全局脫水的好處有潛在重要性，因為處理廠內的初期脫水減少了內部熱交換器的負荷，降低了進入第二級分離器的液量。VIEC技術是模塊化的，使用幾個VIEC元件在分離容器中組成格柵，讓乳狀液流過。Statoil擁有緊湊電聚結器(CEC)技術的專利并給阿克處理系統發布了獨家商業許可。這種產品是為了增強已有的重力分離設備分離效果的通過式系統。它由裝在聚結段的同心圓電極組成。一個典型的日處理130000桶的設備是5.5m高的垂直容器，外徑1.2m，凈重約7t。自1970年Natco就發展了同時使用交流和直流電場的電聚結器，商業名稱雙極。該技

14、術結合了交流電場對水的耐受性和直流電場的液滴充電與移動能力以提高脫水效率。更近的應用是Natco推出的雙頻技術。雙極技術可很容易地升級為雙頻技術，因為內部電系統的改造并不要求。雙頻電聚結器可以同時施加高低頻電場解決高導電性油中的電場衰減問題，弱化液滴界面。上文中介紹的各技術主要特點總結在表1中。表1 商業電聚結器的主要特點生產商漢姆霍斯阿克解決方案NATCO產品VIECVIEC LVCEC雙極性雙頻主要特點可裝在已有設備內的交流電場模塊化裝置VIEC下游操作的交流電場修正設備分離器上游安裝的交流電場在線作用垂直容器有包裝電極的分離容器同雙極性,允許調頻續表1生產商產品漢姆霍斯VIEC VIEC

15、 LV阿克解決方案CECNATCO雙極性 雙頻推測的副電壓5kV5kV5kV30kV30kV 推測的電場2kV/cm AC2kV/cm AC2kV/cm AC2kV/cm DC 0.4kV/cm AC2kV/cm DC0.4kV/cm AC絕緣情況絕緣電極供電電極帶涂層可選裸鋼或絕緣復合電極電場中暴露時間1到5秒30到150秒4到20秒110到160秒70到120秒偶極引力中等低高中等中等電泳力低低低高高介電電泳力低高中等低低最大雜質與水含量100%100%40%40%40%最大氣體量100%100%7%7%（要求先脫氣）7%（要求先脫氣）維護要求設備關閉設備關閉經旁通設備關閉設備關閉最大液體

16、流量可裝在已有設備內的模塊化裝置可裝在已有分離器內最大220000桶每天設備可并聯安裝最大100000桶每天設備可并聯安裝最大100000桶每天設備可并聯安裝4 實驗建立目前的工作中，一個實驗環道被用來評估原油脫水脫鹽簡單電極設備的電勢。環道由兩個容積式泵，一個進料分離器和一個垂直測試分離器組成，如圖1所示。兩個容積式泵排量在0.03到0.12m/h并在下游壓力不同時傳送同量液體。根據乳狀液的性質，可選擇在連續或分批形式下實驗。液體溫度的控制由進料分離器中的加熱器（Q3）完成，最高到60，油水能分源泵送并在閥V10處混合。節流閥V10控制壓降和剪切速率以在油中分水形成乳狀液。為了精確控制分散液

17、滴的大小，乳狀液預制好后從進料分離器泵送進水環路，如圖中紅線所示。環道中的靜電分離設備（ESU）可模擬同心電極間的電流。它由兩個平板電極（2005cm）組成，一個加絕緣，一個不加。電極間有橡膠墊圈形成的通道（0.53cm）,其中乳狀液豎直向上流動。一臺瑪格泰克交流電源可輸出0到1kV的可變電壓，50Hz正弦波形振蕩。產生在0到2kV/cm的電場強度。實驗裝置的一個限制是不能達到很高的流量。我們實驗中的流量定為0.05m/h，使得ESU中的雷諾數小于30，而管道內大約是80。考慮到裝備同心電極的商業設備在雷諾數2000到5000的向湍流轉變的過渡區工作，這些值很低。因此ESU的效果和實際大小的電

18、聚結器相比可能會低。但ESU可以模擬有絕緣電極的電聚結器并評估在沒有良好設計來建立理想流型時靜電力的作用。圖1 環道結構和實驗中流道（紅線）5 實驗過程研究中所用原油是產自挪威大陸架的中質原油，性質如表2所示。每次實驗前分別準備6l乳狀液，其中各在原油中乳化5%和10%質量分數的蒸餾水。兩種液體都預熱到80，所需的原油加入10l箱里。然后向油箱中連續加入50ml蒸餾水，再人工將油箱上下顛倒20次。所有要求的水被加完前反復重復這一過程。因為原油本身含1.25%質量分數的水，乳狀液中實際的水含量分別是5.9%體積分數（7.3%質量分數）和10.8%體積分數（13.1%質量分數）。準備好后將兩種乳狀

19、液立刻加入進料分離器，并以50l/h的流量在流道中循環。儲液槽（實驗開始時是室溫）溫度保持在80以加熱管道和ESU。需要循環15min來使ESU出口（圖一中藍線所示）的溫度達到60的實驗溫度。進行含水5.9%體積分數的乳狀液實驗時，閥10完全打開。為了試驗兩種液滴大小不同的情況，含水10.8%體積分數的乳狀液實驗先在閥10完全打開時進行，再在閥10產生2到2.5巴壓降時進行。為了得到對比數據，每次實驗都分別在加和不加電場條件下進行，其它條件相同。15min循環后從取樣點（如圖2中藍線所示）取三份100ml樣品到英霍夫錐形管中。在讀取溶解水量前，樣品立刻在60爐中進行10min的失穩處理。第一次

20、取樣過程后，ESU繼續開1min再收集另外3份100ml樣品。電極間的電場定為2kV/cm，乳狀液在ESU中的停留時間經計算為14.7s。讀取從樣品中分離的水量后，立刻從每個英霍夫錐形管里頂部抽取30ml乳狀液用卡爾-費希爾法分析并測量導電性以分別評估剩余水量和含鹽量。表 2 實驗原油性質鹽含量0.214g/cm3乳化水量質量分數1.25%60密度0.8521g/cm315.5下API276 實驗數據與討論表3顯示了英霍夫錐形管里溶解水的量（以每ml每100ml乳狀液形式表達）和相對于總量溶解水的百分數（根據實驗5.9%或10.8%體積分數）。表3的數據顯示ESU對于含水5.9%體積分數的乳狀

21、液有效，使得分離效果平均提高了15%到45%。表 3 聚結器開或關時英霍夫錐形管里的分離水量ESU關閉ESU打開溶解水 溶解水(ml)(%)相對總量(ml)(%)相對總量含水體積分數5.9%，無壓降樣本10.7123.356樣本20.8143.356樣本31.1191.322含水體積分數10.8%，無壓降樣本16564.542樣本2765546續表3ESU關閉ESU打開溶解水溶解水(ml) (%)相對總量（ml） (%)相對總量樣本3874546含水體積分數10.8%，有壓降樣本13.532765樣本26.5329.588樣本36.5608.579無剪切通過閥10含水10.8%乳狀液數據顯示當

22、ESU關閉時有著更高的脫水效果。因為所有的乳狀液都是相同混合能量下制成，而和閥10處壓降相關的能量是增加的，故無壓降體積分數10.8%的乳狀液更不穩定從而環流中可能存在非正規乳狀液，導致了測量錯誤也解釋了表3中不應有的結果。第三個在含水體積分數10.8%的乳狀液的實驗中，通過閥10給定了從2到2.5巴間不同的壓降。本實驗中評估了液滴大小分布。累積粒徑分布繪于圖2.圖 2 含水10%經過節流閥壓降2巴的乳狀液液滴累計大小分布在取樣后立即用數字視頻顯微鏡分析乳狀液液滴大小分布。實驗開始后不久，乳狀液顯示了平均值約為25 m的很廣的直徑分布并有一些游離水存在，如圖2中的紅線所示。在聚結器入口并通過節

23、流閥循環15min后，游離水消失而平均粒徑減少到17m，其直徑分布也更窄，如圖2中藍線所示。最后加電場后，液體直徑分布非常窄，只有平均直徑在4m左右的小液滴留在油內，并有很高含量的游離水如圖2綠線所示。和預測一樣，加電場使得乳狀液中的大液滴聚結而剩下的水以非常小的液滴的形式分散在油中。綜合實驗中的三份樣品，施加電場將對總乳化水的分離效率提高了51%到77%。表4顯示了從每個英霍夫錐形管上部取30ml樣品中的最終水和鹽含量。脫水和脫鹽效率也在表格中。表4中的數據證明了沒有受節流閥壓降影響的乳狀液受到很強的靜電失穩作用。這類乳狀液結構松散，電聚結器對其很有效。含水體積分數10.8%且無壓降的乳狀液

24、數據和表3中視覺檢查所獲得的數據相矛盾，但因為表4中的數據和上層油相關，沒有受到樣品中最終存在的游離水的影響，更為精確應加以優先考慮。表4中的平均數據繪于圖3中，其顯示了脫水和脫鹽的效率隨是否加電聚結作用的變化并不相同。這是因為有良好脫鹽效果的要素之一凈水和與原油一起產出的鹽水要充分混合。而良好的混合是和水滴粒徑的減小相聯系的，后者對油水分離過程有害。這能解釋為什么當ESU關閉時，不受經節流閥壓降影響的乳狀液顯示了不同的脫水脫鹽行為。表 4 英霍夫錐形管頂部所取30ml樣品中鹽和水的相對脫除效率含水量含鹽量脫鹽效率脫水效率(質量分數)(PTB)(ppm)（%）（%）含水體積分數5.9%，無壓降

25、樣品 1/3，ESU關2.412.63683.2%67.1%樣品 2/3，ESU關2.213.43882.1%69.9%樣品 3/3，ESU關2.613.94081.5%64.4%樣品 1/3，ESU開0.96.61991.2%87.7%樣品 2/3，ESU開0.84.91493.5%89.0%樣品 3/3，ESU開0.75.31592.9%90.4%含水體積分數10.8%，無壓降樣品 1/3，ESU關2.823.16669.2%78.6%樣品 2/3，ESU關2.923.36668.9%77.9%樣品 3/3，ESU關2.421.36171.6%81.7%樣品 1/3，ESU開0.82.47

26、96.8%93.9%樣品 2/3，ESU開0.76.11791.9%94.7%樣品 3/3，ESU開0.66.81990.9%95.4%含水體積分數10.8%，有壓降樣品 1/3，ESU關3.533.29555.7%73.3%樣品 2/3，ESU關4.256.616124.5%67.9%樣品 3/3，ESU關3.546.613337.9%73.3%樣品 1/3，ESU開1.214.74280.4%90.8%樣品 2/3，ESU開1.2164678.7%90.8%樣品 3/3，ESU開1.316.34778.3%90.1%含水體積分數10.8%的乳狀液在ESU關閉時經剪切通過閥10時有低脫鹽效率

27、的原因是，盡管脫鹽過程經過適當混合并有大量凈水，重力分離獨自不足以去除乳化水（平均剩余水量達質量分數3.7%）。換言之，當閥10處沒有壓降，乳狀液松散，液滴平均直徑大時，電聚結器能增強脫水過程。這反過來導致分離出的水中有大量鹽。當使用電聚結器時，有壓降含水體積分數為10.8%的乳狀液脫鹽效率從39%到79%，從而證明了在這種情況下使用電聚結的好處很大。這說明：電聚結器在脫水脫鹽操作上的提升空間在有高剪切情形的原油處理過程中比在松散乳狀液過程中要大。圖 3 平均脫水和脫鹽效率圖4顯示了樣品中最終含水量和最終含鹽量的關系。實驗前初始原油的數據也列在圖中以供參考。最終含鹽量和油中剩余的水量是相關的。打開ESU時脫水和脫鹽效果很好，但電聚結器關閉時分離效果也不錯。看起來電聚結器的作用是加速分離而不是打破乳狀液。這