电聚结技术在原油分离方面的进展-优势和局限.docx

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电聚结技术在原油分离方面的进展，优势和局限
Simone Less
Regis Vilagines
摘要
在原油的生产，处理和运输工程中会遇到多种油包水乳状液。它们的稳定性对沙特阿拉伯的数个油气分离处理站操作有很大影响，并存在经济关联性。有很多方法可以使乳状液失稳以达到含水率最大0.3%和每千桶原油最多溶盐十磅的外输要求。在这些技术中，电聚结可以减少耗能很高的加热操作，也能限制可能污染产出水的化学药剂的使用。本文总结了电聚结的一些理论和近来的发展，也用实验数据证明该技术的优势与局限。在装有电聚结器的环流道上的实验表明：当电场区的乳状液雷诺数很小与水滴直径多分布于小直径时，电聚结的分离效果很差。因此，在将电聚结器装于现有分离设备的工程研究中，应提倡使乳状液以中等湍流流动以保证该技术的效率。

关键词：电聚结；乳状液稳定性；原油；脱盐
1 引言

乳状液是一种由两种不互溶液体组成的热力学不稳定的分散体系，一种液体以小液滴形式分散在另一种中。通常极性液体是水而极性弱一些的是有机油。Kilpatrick and Spiecker (2001)。原油生产中乳化过程可能在油藏中就已经开始了，那里水很多并在高温高压下和原油一起被挤压通过微孔。当原油出井流入生产汇管时，过阀的高压降使油水剧烈混合。Siöblom et al. (2003)。结果是到达分离设备的乳状液经常是油、气、水、杂质的混合物，它们以小液滴形式存在，直径相近，d50在5到50μm。小液滴造成了低沉降率和相对于相体积非常大的油水界面。这些因素导致两个重要考虑。第一是分离器必须是高压容器以在处理大量液体的同时能满足原油外输的严苛条件（含水率最大0.3%和每千桶原油最多溶盐十磅）。
第二是来自不同油井或同一油井不同生产时期，不同生产条件的乳状液的稳定性，可能会随油水界面性质产生很大变化。
原油生产设备中可选的处理乳状液方法有：机械、热力、静电和化学，但通常是结合起来使用。石油生产工业中将电聚结器用于脱水和脱盐容器已经很久了。但只在近十年，由于绝缘电极和交流电场的使用，电聚结效应才能被用于第一级分离器中的三相流条件。
接下来总结电聚结的原理和带绝缘电极的静电分离系统设计的近来发展，由于实验数据在本文第三部分讨论，第一部分的分析能帮助理解在什么条件下油水分离趋势的减少会使对电聚结技术的投资没有回报。
2 理论背景

2.1 电场力
悬浮液滴受重力与阻力作用，但当施加电场时，其他力会影响液滴的运动。
第一种是介电电泳力，是在液滴和携带液因电容率不同而产生的不均匀电场中自发产生的吸引力Atten (1993)。这种力有以下关系Lundgaard et al. (2006)：

FDP∝(r3,εoil,∇E2)
(1)
等式（1）指出介电电泳力与液滴间距无关而与电场梯度有关。它的产生不依赖带电颗粒而是由于任何等量正负电荷间的偶极都有一定的分离。当不均匀电场被施加在偶极子上，偶极一端的场会比另一端弱，产生一个指向场强更大方向的净力。介电电泳力在偶极聚结中起重要作用，它可以想象为油中的一对相邻水滴互相吸引靠近它们之间场强最大处。Eow et al. (2000)。应注意在实践中介电电泳力也作用在均匀电场中，因为一些液滴的存在会扭曲电场线。介电电泳力与液滴半径的三次方成正比，因此可能对最小直径的水滴没有效果，而它们是重力沉降后乳状液中水的主要存在形式。
第二种力是电泳力，是均匀电场中带电粒子和电极间的引力或斥力。它的物理规律取决于粒子表面和周围液体间的电荷分离。外加电场改变了电荷密度，使颗粒、周围液体或者两者均发生移动Eow et al. (2000)。等式（2）展示了液滴充电时决定电泳力大小的各变量，该力在弛豫时间τ=(εoilσoil)内会自然下降。

FEP∝(r2,εoil,E2)
(2)
由等式（2）可以看出电泳力与液滴间间距无关，因此可能对有效进行油水分离有着很大潜力。在极性不变的直流电场下，带电液滴在电泳力作用下会以一定速度向极性相反的电极移动，速度与连续相粘度有关。从而液流中的许多液滴可能碰撞结合在一起Urdahl et al. (2001)。在交流电场中，由于没有净电荷被加于液滴，所以电泳力只能使液滴在某一位置以两倍于电场频率的频率震动Lundgaard et al. (2006)，因此不会对液滴碰撞聚结有贡献。已证明电泳力是能使液滴在连续液流中移动的最强的电原理Warren and Sams (2003)。不幸的是，单向电流促进腐蚀的作用与低含水介质中产生短环流的倾向使在电聚结中使用强直流电场不可实现Eow et al. (2000)。
第三种力是偶极引力，它因电场诱导产生的偶极子间相互作用而产生，使相邻液滴间产生引力。这种力因产出水的高导电性产生并有以下关系式。

FDip∝(r6,εoil,E2,s-4)
(3)
等式（3）显示偶极引力和液滴大小及它们的间距有很大关系。在假设乳状液单一均匀分布的前提下，液滴间距离和分散水体积分数X成反比。

s=r(4/3πX)4/3
(4)
因此对于大多数乳状液来说，可以预测极性引力随着水相的减少而失效，因为液滴间的距离增加了。另外由于大的聚结液滴很快沉降，只留下小液滴，极性引力的作用会随着聚结过程进行而降低。
因液滴极化而产生的最后一个应被考虑的力，是其它电压力和水滴两端被充以不同电荷造成的液滴变形。这些作用和使水滴保持球形的表面张力竞争，使水滴变形并在电场方向上被拉长，形成扁椭球形，离心率e如下(Eow et al., 2000; Lundgaard et al., 2006)：

e2=(9εoilrE216πλ)
(5)
在这些作用下液滴会变形达到一个不稳定并粉碎的临界轴比。临界变形比被定义为被拉长液滴的临界长度和它原有直径的比值，Taylor发现这一比值是1.9左右的常数。相应的临界电场EC，如等式（6）所示，当大于此值时液面变得不稳定分为半径更小的液滴Atten (1993)。

Ec=0.648λ2εoilr
(6)
将油水混合物的Ec，λ和εoil代入等式（6）结果显示只有直径大于650μm左右的大液滴才能粉碎。即使实际原油分离操作中几乎碰不到这样的液滴，当考虑相邻液滴互相作用时界面变形也应该被注意。局部电场可能上升的足够大使得液滴发生大的变形，失稳，造成聚结或粉碎。
2.2 机械力
上面讨论的电场力都是短程力。当液滴分布很广时，需要有其他力使液滴靠的足够近以使电场力发挥聚结作用。像布朗运动、沉积、层流剪切、湍流剪切、湍流惯性等许多力能做到。当液滴间距足够小时，静电力使液滴相接触，聚结过程的薄膜减薄阶段开始了。在静止系统中这个过程可能持续几分钟，液滴只是互相挤压但并不结合。Allan and Mason (1962)指出这个延迟时间和场强成减函数关系，由于膜减薄速度更快或发生在更大厚度的膜破裂。
基于以上考虑，通过强化湍流度或优化聚结器形状以加强湍流和混合对于提高碰撞效率是很重要的。但必须要仔细优化聚结器形状，因为过强的湍流会使液滴破碎，重分散为很小的水滴从而降低脱水效率。
对于油水界面有很稳定膜的稳定乳状液，膜减薄过程可能很慢以至于当电压加强时在电极间形成稳定的长水滴链。这种情况发生时，乳状液导电性会显著增强，电流会使电位差下降。这种情况下，聚结器不能单独工作，像加热或注化学破乳剂等其它破乳技术应被使用。
3 电聚结器技术概览

为了促进乳化在连续相低电容率液体内水滴的碰撞聚结以增大直径，加速沉降速度并减少沉降时间，电聚结器被设计出来。第一个电聚结器的专利是Cottrell于1911年首先在进行电诱导失稳研究时申请的。
第一个用于石油工业的电聚结器是装有电极的大容器，分为供液滴增大的处理区和在层流条件下供相分离的沉降区。虽然很大，但效率低且沉降时间长。为了满足提升脱水效果的要求，发展了许多新概念，市面上有许多可用的新技术。
下面的概述注重于近几年发展的使用绝缘电极的商业技术。装备绝缘电极 的电聚结器工作原理由Lundgaard et al. (2006)描述。在直流电场中，充电液滴移向电极表面，绝缘材料处产生的强电压降消除了乳状液内场的作用。相反的，频率足够高的交流电场不会使水滴做无向运动，因此不会有急剧的电压降。
Hamworthy在市场上有三种电聚结产品：容器内静电聚结器(VIEC™)，高温VIEC和低含水VIEC。VIEC™技术使用了金属框架，它结合了机械整流器和电聚结器的作用。每个VIEC™模块都有低压连接器，高压转换器和用于提升操作频率到千赫兹的专用的变频器。在千赫兹段操作电聚结器防止因乳状液的低电阻而在电极绝缘层附近产生大电压降。因此一个小的环流不会影响整个VIEC™的工作。高频和绝缘电极的组合使VIEC™能够承受游离水并能在条件恶劣的第一级分离处使用，从而用于处理站的初期脱水。对于全局脱水的好处有潜在重要性，因为处理厂内的初期脱水减少了内部热交换器的负荷，降低了进入第二级分离器的液量。VIEC™技术是模块化的，使用几个VIEC™元件在分离容器中组成格栅，让乳状液流过。
Statoil拥有紧凑电聚结器(CEC™)技术的专利并给阿克处理系统发布了独家商业许可。这种产品是为了增强已有的重力分离设备分离效果的通过式系统。它由装在聚结段的同心圆电极组成。一个典型的日处理130000桶的设备是5.5m高的垂直容器，外径1.2m，净重约7t。
自1970年Natco就发展了同时使用交流和直流电场的电聚结器，商业名称双极。该技术结合了交流电场对水的耐受性和直流电场的液滴充电与移动能力以提高脱水效率。更近的应用是Natco推出的双频技术。双极技术可很容易地升级为双频技术，因为内部电系统的改造并不要求。双频电聚结器可以同时施加高低频电场解决高导电性油中的电场衰减问题，弱化液滴界面。
上文中介绍的各技术主要特点总结在表1中。
表1 商业电聚结器的主要特点
生产商
汉姆霍斯
阿克解决方案
NATCO
产品
VIEC™
VIEC™ LV
CEC
双极性
双频
主要特点
可装在已有
设备内的交
流电场模块
化装置
VIEC™下游
操作的交流
电场修正
设备
分离器上游安装的交流电场在线作用垂直容器
有包装电极的
分离容器
同双极性,允许调频
续表1
生产商
产品
汉姆霍斯
VIEC™
VIEC™ LV
阿克解决方案
CEC
NATCO
双极性
双频
推测的副
电压
5kV
5kV
5kV
30kV
30kV
推测的电场
2kV/cm AC
2kV/cm AC
2kV/cm AC
2kV/cm DC
0.4kV/cm AC
2kV/cm DC
0.4kV/cm AC
绝缘情况
绝缘电极

供电电极带涂层
可选裸钢或
绝缘复合电极

电场中暴露
时间
1到5秒
30到150秒
4到20秒
110到160秒
70到120秒
偶极引力
中等
低
高
中等
中等
电泳力
低
低
低
高
高
介电电泳力
低
高
中等
低
低
最大杂质与
水含量
100%
100%
40%
40%
40%
最大气体量
100%
100%
7%
<7%（要求先脱气）
<7%（要求先脱气）
维护要求
设备关闭
设备关闭
经旁通
设备关闭
设备关闭
最大液体流量
可装在已有
设备内的模块化装置
可装在已有
分离器内
最大220000桶每天
设备可并联安装
最大100000桶每天设备可并联安装
最大100000桶每天设备可并联安装
4 实验建立

目前的工作中，一个实验环道被用来评估原油脱水脱盐简单电极设备的电势。环道由两个容积式泵，一个进料分离器和一个垂直测试分离器组成，如图1所示。两个容积式泵排量在0.03到0.12m³/h并在下游压力不同时传送同量液体。根据乳状液的性质，可选择在连续或分批形式下实验。液体温度的控制由进料分离器中的加热器（Q3）完成，最高到60℃，油水能分源泵送并在阀V10处混合。节流阀V10控制压降和剪切速率以在油中分水形成乳状液。为了精确控制分散液滴的大小，乳状液预制好后从进料分离器泵送进水环路，如图中红线所示。
环道中的静电分离设备（ESU）可模拟同心电极间的电流。它由两个平板电极（200×5cm）组成，一个加绝缘，一个不加。电极间有橡胶垫圈形成的通道（0.5×3cm）,其中乳状液竖直向上流动。一台玛格泰克交流电源可输出0到1kV的可变电压，50Hz正弦波形振荡。产生在0到2kV/cm的电场强度。
实验装置的一个限制是不能达到很高的流量。我们实验中的流量定为0.05m³/h，使得ESU中的雷诺数小于30，而管道内大约是80。考虑到装备同心电极的商业设备在雷诺数2000到5000的向湍流转变的过渡区工作，这些值很低。因此ESU的效果和实际大小的电聚结器相比可能会低。但ESU可以模拟有绝缘电极的电聚结器并评估在没有良好设计来建立理想流型时静电力的作用。

图1 环道结构和实验中流道（红线）
5 实验过程

研究中所用原油是产自挪威大陆架的中质原油，性质如表2所示。
每次实验前分别准备6l乳状液，其中各在原油中乳化5%和10%质量分数的蒸馏水。两种液体都预热到80℃，所需的原油加入10l箱里。然后向油箱中连续加入50ml蒸馏水，再人工将油箱上下颠倒20次。所有要求的水被加完前反复重复这一过程。因为原油本身含1.25%质量分数的水，乳状液中实际的水含量分别是5.9%体积分数（7.3%质量分数）和10.8%体积分数（13.1%质量分数）。准备好后将两种乳状液立刻加入进料分离器，并以50l/h的流量在流道中循环。储液槽（实验开始时是室温）温度保持在80℃以加热管道和ESU。需要循环15min来使ESU出口（图一中蓝线所示）的温度达到60℃的实验温度。
进行含水5.9%体积分数的乳状液实验时，阀10完全打开。为了试验两种液滴大小不同的情况，含水10.8%体积分数的乳状液实验先在阀10完全打开时进行，再在阀10产生2到2.5巴压降时进行。为了得到对比数据，每次实验都分别在加和不加电场条件下进行，其它条件相同。15min循环后从取样点（如图2中蓝线所示）取三份100ml样品到英霍夫锥形管中。在读取溶解水量前，样品立刻在60℃炉中进行10min的失稳处理。第一次取样过程后，ESU继续开1min再收集另外3份100ml样品。
电极间的电场定为2kV/cm，乳状液在ESU中的停留时间经计算为14.7s。读取从样品中分离的水量后，立刻从每个英霍夫锥形管里顶部抽取30ml乳状液用卡尔-费希尔法分析并测量导电性以分别评估剩余水量和含盐量。
表 2 实验原油性质
盐含量
0.214g/cm3
乳化水量
质量分数1.25%
60℃密度
0.8521g/cm3
15.5℃下API
27
6 实验数据与讨论

表3显示了英霍夫锥形管里溶解水的量（以每ml每100ml乳状液形式表达）和相对于总量溶解水的百分数（根据实验5.9%或10.8%体积分数）。
表3的数据显示ESU对于含水5.9%体积分数的乳状液有效，使得分离效果平均提高了15%到45%。
表 3 聚结器开或关时英霍夫锥形管里的分离水量

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溶解水
溶解水
(ml)
(%)相对总量
(ml)
(%)相对总量
含水体积分数5.9%，无压降

样本1
0.7
12
3.3
56
样本2
0.8
14
3.3
56
样本3
1.1
19
1.3
22
含水体积分数10.8%，无压降

样本1
6
56
4.5
42
样本2
7
65
5
46
续表3

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溶解水
溶解水
(ml) (%)相对总量
（ml） (%)相对总量
样本3
8
74
5
46
含水体积分数10.8%，有压降

样本1
3.5
32
7
65
样本2
6.5
32
9.5
88
样本3
6.5
60
8.5
79
无剪切通过阀10含水10.8%乳状液数据显示当ESU关闭时有着更高的脱水效果。因为所有的乳状液都是相同混合能量下制成，而和阀10处压降相关的能量是增加的，故无压降体积分数10.8%的乳状液更不稳定从而环流中可能存在非正规乳状液，导致了测量错误也解释了表3中不应有的结果。
第三个在含水体积分数10.8%的乳状液的实验中，通过阀10给定了从2到2.5巴间不同的压降。本实验中评估了液滴大小分布。累积粒径分布绘于图2.

图 2 含水10%经过节流阀压降2巴的乳状液液滴累计大小分布
在取样后立即用数字视频显微镜分析乳状液液滴大小分布。实验开始后不久，乳状液显示了平均值约为25 μm的很广的直径分布并有一些游离水存在，如图2中的红线所示。在聚结器入口并通过节流阀循环15min后，游离水消失而平均粒径减少到17μm，其直径分布也更窄，如图2中蓝线所示。最后加电场后，液体直径分布非常窄，只有平均直径在4μm左右的小液滴留在油内，并有很高含量的游离水如图2绿线所示。和预测一样，加电场使得乳状液中的大液滴聚结而剩下的水以非常小的液滴的形式分散在油中。综合实验中的三份样品，施加电场将对总乳化水的分离效率提高了51%到77%。
表4显示了从每个英霍夫锥形管上部取30ml样品中的最终水和盐含量。脱水和脱盐效率也在表格中。
表4中的数据证明了没有受节流阀压降影响的乳状液受到很强的静电失稳作用。这类乳状液结构松散，电聚结器对其很有效。
含水体积分数10.8%且无压降的乳状液数据和表3中视觉检查所获得的数据相矛盾，但因为表4中的数据和上层油相关，没有受到样品中最终存在的游离水的影响，更为精确应加以优先考虑。
表4中的平均数据绘于图3中，其显示了脱水和脱盐的效率随是否加电聚结作用的变化并不相同。这是因为有良好脱盐效果的要素之一净水和与原油一起产出的盐水要充分混合。而良好的混合是和水滴粒径的减小相联系的，后者对油水分离过程有害。这能解释为什么当ESU关闭时，不受经节流阀压降影响的乳状液显示了不同的脱水脱盐行为。
表 4 英霍夫锥形管顶部所取30ml样品中盐和水的相对脱除效率

含水量
含盐量
脱盐效率
脱水效率
(质量分数)
(PTB)
(ppm)
（%）
（%）
含水体积分数5.9%，无压降

样品 1/3，ESU关
2.4
12.6
36
83.2%
67.1%
样品 2/3，ESU关
2.2
13.4
38
82.1%
69.9%
样品 3/3，ESU关
2.6
13.9
40
81.5%
64.4%
样品 1/3，ESU开
0.9
6.6
19
91.2%
87.7%
样品 2/3，ESU开
0.8
4.9
14
93.5%
89.0%
样品 3/3，ESU开
0.7
5.3
15
92.9%
90.4%

含水体积分数10.8%，无压降

样品 1/3，ESU关
2.8
23.1
66
69.2%
78.6%
样品 2/3，ESU关
2.9
23.3
66
68.9%
77.9%
样品 3/3，ESU关
2.4
21.3
61
71.6%
81.7%
样品 1/3，ESU开
0.8
2.4
7
96.8%
93.9%
样品 2/3，ESU开
0.7
6.1
17
91.9%
94.7%
样品 3/3，ESU开
0.6
6.8
19
90.9%
95.4%

含水体积分数10.8%，有压降

样品 1/3，ESU关
3.5
33.2
95
55.7%
73.3%
样品 2/3，ESU关
4.2
56.6
161
24.5%
67.9%
样品 3/3，ESU关
3.5
46.6
133
37.9%
73.3%
样品 1/3，ESU开
1.2
14.7
42
80.4%
90.8%
样品 2/3，ESU开
1.2
16
46
78.7%
90.8%
样品 3/3，ESU开
1.3
16.3
47
78.3%
90.1%
含水体积分数10.8%的乳状液在ESU关闭时经剪切通过阀10时有低脱盐效率的原因是，尽管脱盐过程经过适当混合并有大量净水，重力分离独自不足以去除乳化水（平均剩余水量达质量分数3.7%）。换言之，当阀10处没有压降，乳状液松散，液滴平均直径大时，电聚结器能增强脱水过程。这反过来导致分离出的水中有大量盐。当使用电聚结器时，有压降含水体积分数为10.8%的乳状液脱盐效率从39%到79%，从而证明了在这种情况下使用电聚结的好处很大。这说明：电聚结器在脱水脱盐操作上的提升空间在有高剪切情形的原油处理过程中比在松散乳状液过程中要大。

图 3 平均脱水和脱盐效率
图4显示了样品中最终含水量和最终含盐量的关系。实验前初始原油的数据也列在图中以供参考。最终含盐量和油中剩余的水量是相关的。打开ESU时脱水和脱盐效果很好，但电聚结器关闭时分离效果也不错。看起来电聚结器的作用是加速分离而不是打破乳状液。这让人想到通过优化装置和操作条件来使特定原油中的最终含水量达到输送规范中要求的体积分数0.3%。

图 4 英霍夫锥形管中收集的30ml样品中最终水含量和盐含量的关系
但对于其他原油和生产条件，观点可能不同。
Less et al. (2010)通过电-流变研究发现剪切率对于电聚结效果有很大影响。超过一定临界值的电场所产生的剪切力组合能够大幅提高分离效果。温度的影响在场强增强到使液滴破碎可能性增加这一程度时才会开始显现。
7 结论

通过分析乳状液在电场作用下的现象，可知道加强液滴聚结基本是由于短程力。为了使这些力在油水分离过程中起到作用，提高乳状液中的液滴碰撞效率很重要。这可以通过优化流过聚结器设备的流型以得到雷诺数在2000到5000间的中等湍流来实现。对于含水量很大的松弛乳状液，电聚结提供了减少费用和解决原油生产设备瓶颈问题的可能。然而，当处理液滴小，高粘度，液滴接触少，薄膜减薄作用慢的乳状液时，电聚结效率可能很低。这些情况下，结合有像注破乳剂这样补充技术的电聚结乳状液分离方法是应该重点考虑的。
本文中有关于最近电聚结技术发展的综述。发现为了满足具体的工业需求，生产商在电聚结器设计上采用了用户分段方法。VIEC™和VIEC™ LV技术被设计用于气含量，游离水量很高的部分第一级分离器初期脱水中。CEC™和双极/双频技术被用于气组分和杂质，水很少的情况，目的是用于原油分离第二和第三级过程中。
最后，一个简化电聚结系统的脱盐脱水效果在使用油包水乳状液的基础上评估。系统没有设计乳状液流型的优化。通过加2kV/cm的静电场，观察到乳状液失稳效果的提升。但电聚结器并不能将水含量降低到原油输送标准。可见电聚结器对受测油水混合物的分离过程只起增强作用而不是乳状液中液滴聚结的开端。实验中所测得数据证明了乳状液的物理化学性质和剪切速率是电聚结器效率的主要影响因素。

术语
bpd 桶每天
PTB 磅每千桶
e 离心率
r 液滴半径[m]
s 液滴间距，从两液滴中心起算[m]
E 场强[kV/m]
EC 临界场强[kV/m]
FDP 介电电泳力[N]
FDip 偶极引力[N]
FEP 电泳力[N]
X 水相体积分数
εoil 油的电容率[F/m]
σoil 油的导电率[S/m]
λ 油水界面张力[N/m]
τ 驰豫时间[s]
∝ 成比例于

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