新型静电聚结器中水滴粒径的分布特性

杨东海，何利民，罗小明，吕宇玲

（中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛266555）

新型静电聚结器中水滴粒径的分布特性

杨东海，何利民，罗小明，吕宇玲

（中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛266555）

传统电脱水器采用裸电极、乳化液含水率较高时，高强电场作用下容易发生击穿现象。设计了包覆绝缘层的高压电极并加工了新型静电聚结器，采用水/原油乳状液为实验介质，并利用显微高速摄像系统结合图像处理技术，考察了电场强度，乳化液流量、含水率对液滴粒径分布特性的影响。结果表明，液滴粒径分布与Rosin-Rammler分布均吻合较好；包覆绝缘层的高压电极可有效防止电击穿现象的发生；增加电场强度有助于油、水分离，但高于临界电场强度后，容易导致液滴破碎，并且含水率越高，最优电场强度越低；随着乳化液流量的增加，电场作用降低，但高强电场在高流量下依然使液滴粒径明显增大。

液滴；电聚结器；分布；电场强度；含水率

原油采出液中含有大量乳化水，经过一次沉降后，原油中仍然含有大量的微水滴。采用高强电场促进油包水乳化物中的水滴聚结是一种常用的物理分离方法，其优点是能耗低、分离效率高［1］。但目前传统电脱水器大多采用裸电极，如果原油中的含水率高于20%（体积分数，下同），则可能引起电极间短路［2］。采用具有合适介电常数的绝缘电极可有效地防止击穿，减小电流，提高集输系统的安全性，并降低能耗。

研究者大多采用沉降及蒸馏的方法评价聚结效果［3-4］。实际上，液滴粒径的大小及分布可以最直观地反映静电聚结器对水滴的聚结效果，因此，对油包水乳化物中水滴的粒径及分布进行研究，不仅可以从微观上评价油包水乳化物分散相的组成特点，而且可以从宏观上评价静电聚结器的聚结效果，为设计和生产提供指导。目前，研究者常用的液滴粒径的测量方法有激光粒度仪法［5］、图像处理法［6］、电阻法［7］、静止浮升法［8］等。由于原油的透光性差，并且绝缘，因此笔者采用图像处理法测量油包水乳化物中液滴粒径分布。

1 乳化液中液滴的粒径分布

描述乳化液中液滴粒径的参数主要有算术平均直径D、比表面积平均直径D32和体积平均直径单位均为μm。它们的表达式如式（1）所示。

式（1）中，di表示第i个液滴的直径，μm；n表示液滴总数。为了充分评价液滴聚结效果，采用D、D32和D43来描述不同工况条件下的液滴平均粒径变化。

由于乳化液中液滴的粒径是不均匀的，无法用单一的平均直径来描述其分散特性，即使2种分散体系具有相同的平均粒径，其粒径分布也不一定相同。为了更好地描述液滴粒径的变化，需要采用合适的概率密度函数（PDF）来描述液滴群的分布规律。通常采用正太（Normal）分布［10］、对数正太（Log-Normal）分布［10］和罗森-拉姆勒（Rosin-Rammler）分布［10］来分析颗粒粒径分布，分别如式（2）～（4）所示。

Normal分布：

Log-Normal分布：

Rosin-Rammler分布［11］：

式（2）～（4）中，d为颗粒的直径，μm；σ为标准差；F（d）表示液滴粒径小于d的液滴数占总液滴的百分数；α和δ表示液滴群分散特性的分布参数。

Karabelas［12］发现 Rosin-Rammler和 Log-Normal分布与液滴粒径分布吻合较好。Simmons等［13］发现Log-Normal分布比别的分布模型更有代表性。Angeli［9］认 为 Rosin-Rammler分 布 和 Log-Normal分布与实验结果都吻合较好。

2 实验部分

2.1 实验系统及方法

实验系统由静电聚结器、变压器等组成［14］，图1为静电聚结器结构。实验时静电聚结器竖直放置，入口在上部，乳化物在接地电极与绝缘层之间形成的流道内流动，发生静电聚结作用，通过出口排出聚结器。静电聚结器中的高压电极由金属电极和内外均包覆的绝缘层组成，可保证极板不被击穿。

图1 静电聚结器的结构Fig.1 The structure of electrostatic coalescer

利用显微高速摄像系统结合图像处理软件确定液滴粒径大小及分布［14］。

2.2 实验介质

将原油与自来水配制成含水率φ（体积分数）分别为10%、20%、30%的油包水（W/O）乳化物作为实验介质。根据相关公式，计算得到20℃、0.1MPa时该乳化物的物性参数列于表1。物性参数包括相对介电常数εr、密度ρ和黏度μ。流量不同时，乳化物在电场中的停留时间与流量的关系列于表2。表3为不同电压下乳化物中电场强度。

表1 3个油包水乳化物样品的物性参数Table 1 The physical properties of three W/Oemulsion samples

表2 不同流量（Q）的乳化物在电场中的停留时间（t）Table 2 The residence time（t）of emulsion with different flow rate（Q）in electric field

表3 不同电压下乳化物中电场强度Table 3 The electric field strength in different voltage

3 结果与讨论

3.1 电场中W/O乳化液的液滴粒径分布

图2为含水率30%的 W/O乳化液以0.8m3/h流量通过不同电场强度电场时的液滴粒径及其分布。由图2可知，随着电场强度增加，液滴平均粒径D明显增加，电场强度为204kV/m时，D达到最大值，但D32和D43的最大值却在电场强度136kV/m时出现。这是由于当电场强度为136kV/m时，液滴粒径分布不均，小液滴所占比例较高，虽然整体平均粒径偏小，但大液滴的存在可能导致D32和D43较大。

图3为不同电场强度（E）下W/O乳化液的液滴粒径分布与经典分布模型的比较。由图3可知，在不同电场强度作用下，W/O乳化液的液滴粒径分布与Log-Normal和Rosin-Rammler分布模型均吻合较好，特别是与Rosin-Rammler分布模型吻合更好。Normal分布模型适用于粒径分布范围较窄且对称的情况，而W/O乳化物中小水滴所占比例较高，且粒度分布范围较广，因此二者不相符合。电场强度较小时（见图3（a）、（b）），液滴粒径分布与Rosin-Rammler分布吻合较好。随着电场强度增大，小粒径液滴所占比例逐渐减小，大粒径液滴所占比例明显增加，而且大液滴（高于20μm）的粒径分布与Normal分布也吻合较好，说明大液滴粒径分布比较窄，比较紧凑。对其他工况分析也有类似的分布规律，也表明在电场作用下，液滴频繁碰撞，发生聚结，导致大液滴所占百分数明显增加，平均粒径显著增大，有利于油、水分离。

3.2 W/O乳化液液滴聚结的影响因素

3.2.1 电场强度

在交流电场中，液滴聚结主要以偶极聚结的形式发生。Waterman［15］给出了2个液滴偶极-偶极吸引力的公式，如式（5）所示。

图2 不同电场强度（E）电场中W/O乳化液的液滴粒径（d）及其分布Fig.2 Droplet diameter（d）and its distribution of W/O emulsion in the electric field with different intensity（E）

图3 不同电场强度（E）下W/O乳化液的液滴粒径分布与经典分布模型的比较Fig.3 Comparison of droplet diameter distribution at different electric field intensity（E）with normal distribution models

式（5）中E为电场强度，V/m；k为与连续相介电常数有关的常数，F/m；FE为电场力，N；β为液滴中心连线与电场线夹角，°；R1和R2分别为2个液滴半径，m；S为液滴中心间距，m。

由式（5）可知，E越高，液滴所受电场力越大，液滴变形率越大，伸缩幅度越大，液膜也更容易破裂，促进液滴聚结。图4为含水率10%的W/O乳化液以0.6m3/h流量通过不同电场强度电场时的液滴粒径及其分布。

图4 W/O乳化液液滴粒径及其分布随电场强度（E）的变化Fig.4 Droplet diameter and its distribution of W/O emulsion vs electric field intensity（E）

由图4可知，随着电场强度增加，W/O乳化液液滴平均直径逐渐增加，D32和D43与平均直径D的变化趋势基本一致，与张黎明等［3-4］的实验结果相似。由图4还可知，随着电场强度增大，液滴粒径一直有增大的趋势，电场强度为372kV/m时，液滴粒径最大。而从图2可知，电场强度为204kV/m时，小液滴所占比例虽然高于272kV/m时的，但由于大液滴（大于60μm）所占比例明显增加，因此平均液滴粒径也相应增加。这是由于当含水率为30%时，未加电场时液滴粒径较大，在272kV/m时，电场强度较高，超过部分大液滴的临界场强，导致大液滴发生破裂而成更小的液滴，从而引起大液滴所占分数下降，结果平均粒径也相应变小。因此对不同含水率的乳化物需要施加不同的电场强度，对高含水率的情况可以适当地降低电压，以免发生“电分散”现象，不利于液滴聚结。

随着电场强度增加，图2显示的是小液滴（小于10μm）分布呈下降趋势，而大液滴所占比例也明显增加，而图4显示大液滴随场强增加而变化不明显，二者有所差异。这是由于当 W/O乳化液含水率为30%时，其液滴平均粒径较大，液滴间距较小，所受电场力较大，因此大液滴更容易发生聚结，大液滴所占比例随电场强度增加比较明显；含水率为10%时，液滴粒径较小，虽然电场强度较高，但液滴间距较大，所受电场力较小，根据式（4）需要更高的电场强度才能达到同样的电场力，克服黏滞阻力的影响，使液滴互相靠近，促使液滴发生有效聚结，因此大液滴的聚结不那么明显。

3.2.2 乳化液流量

当含水率20%的W/O乳化液以不同流量通过电场时其液滴粒径分布如图5所示。由图5可知，当流量较大时，对液滴的剪切更加强烈，因此小液滴所占比例较高。当流量较低时，随电场强度增加，小液滴所占比例明显减小，但在流量较高时，小液滴所占比例随电场强度增加而减小的变化没有低流量时的明显。同时，流量较小时，随电场强度增加，大液滴明显增加。

在较低流量下，液滴混合不太激烈，并且碰撞不太频繁，更有助于电场力对液滴施加作用，因此将促进液滴的靠近与聚结，提高液滴聚结效果，液滴粒径增加比较明显。流量较大时，乳化物在电场中的停留时间变短，使得邻近液滴发生碰撞和聚结的时间很短，液滴粒径增加没有低流量时那么明显，但是电场强度较高时，液滴粒径依然增大比较明显。当流量为0.8m3/h时，电场强度为320kV/m时小液滴仍明显减少。因此在流量较大时采用高强电场仍有助于液滴粒径增大，促进水滴聚结。

图5 W/O乳化液以不同流量（Q）通过电场时其液滴的粒径分布Fig.5 Droplet diameter distribution of W/O emulsion through a electric field at different flow rates（Q）

3.2.3 乳化液含水率

图6为含水率不同、流量均为0.8m3/h的W/O乳化液通过电场时，其液滴粒径随电场强度的变化。由图6可见，随着电场强度增加，含水率10%和30%的小液滴所占比例明显减小，而含水率为20%时变化则相对不明显。考察未加电压（E＝0）时，发现含水率10%和20%的液滴粒径分布基本相同，而含水率30%时小液滴所占比例减小，大液滴所占比例增加，因此平均粒径也高于含水率10%和20%的。含水率10%时液滴粒径虽然较小，且液滴中心间距较大，但相同电压下电场强度是最高的，因此电场力也足以促进液滴聚结，液滴粒径增大明显。含水率30%时，液滴粒径较大，中心间距较小，虽然黏度较大，但是根据式（4）可知，电场力也相应较大，也促进了液滴聚结。而含水率20%的液滴粒径较小，黏度和电场强度均处于二者之间，因此在液滴粒径、黏度和电场强度的共同作用下，液滴粒径增大情况略差于含水率10%和30%的。

图6 不同含水率（φ）W/O乳化液液滴粒径（d）分布随电场强度（E）的变化Fig.6 Droplet diameter distributions of W/O emulsions with different water content（φ）vs electric field intensity（E）

4 结 论

（1）制造了含有绝缘电极的新型静电聚结器，实验结果表明，能适应不同含水率 W/O乳化液液滴聚结的工况；对高含水率W/O乳化液，可以防止击穿现象的发生，并且在高强电场作用下液滴聚结效果明显。

（2）不同工况下，W/O乳化液液滴粒径分布与Log-Normal分布和 Rosin-Rammler分布均吻合较好，场强较高时，大液滴粒径分布与Normal分布吻合也较好。

（3）对不同含水率W/O乳化液，聚结效果最优的电场强度不同；含水率为10%、20%、30%时最优电场强度分别是372、320和204kV/m，含水率越高，最优电场强度越低。

（4）施加高强电场后，含水率10%和30%的W/O乳化物液滴粒径分布情况要优于含水率20%的。乳化物的含水率、油品物性、流量等因素会共同影响液滴粒径分布。

［1］冯叔初，郭揆常.油气集输与矿场加工［M］.第二版.东营：中国石油大学，2006.

［2］SAMS G W，PRESTRIDGE F L，INMAN MB.Apparatus for augmenting the coalescence of water in a water-in-oil emulsion：US，5565078［P］.1996-10-15.

［3］张黎明，何利民，吕宇玲，等.高压静电聚结破乳技术［J］.高电压技术，2008，34（4）：687-690.（ZHANG Liming，HE Limin，LÜ Yuling，et al.Emulsion separation in high voltage electrostatic coalescer ［J］.High Voltage Engineering，2008，34（4）：687-690.）

［4］张黎明，何利民，马华伟，等.绝缘紧凑型电破乳器中液滴聚结特性研究［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2007，31（6）：82-86.（ZHANG Liming，HE Limin，MA Huawei，et al.Coalescence characteristics of droplets in insulated compact electric demulsifier［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2007，31（6）：82-86.）

［5］王国栋，何利民，吕宇玲，等.重力式油水分离器的分离特性研究［J］.石油学报，2006，27（6）：112-115.（WANG Guodong，HE Limin，LÜ Yuling，et al.Study on oil-water separating behavior of gravity separator［J］.Acta Petrolei Sinica，2006，27（6）：112-115.）

［6］周云龙，李洪伟，宋均琪，等.垂直上升管中油-气-水三相流动态图像灰度波动信号的混沌特性分析［J］.石油学报（石油加工），2009，25（4）：600-606.（ZHOU Yunlong，LI Hongwei，SONG Junqi，et al.Chaotic characteristic analysis of image gray signals of oil-airwater three-phase flow in vertical upward pipe［J］.Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section），2009，25（4）：600-606.）

［7］陆耀军，沈熊，周力行，等.液-液旋流分离管结构选型实验研究［J］.清华大学学报（自然科学版），2001，41（11）：26-30.（LU Yaojun，SHEN Xiong，ZHOU Lixing，et al.A novel hydrocyclone geometry for liquidliquid separation［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2001，41（11）：26-30.）

［8］王车礼，裴峻峰，陈毅忠，等.江苏油田原水油珠粒径分布测定［J］.油气田环境保护，2001，11（4）：21-23.（WANG Cheli，PEI Junfeng，CHEN Yizhong，et al.Measurement of the distribution of oil particle of produced water in Jiangsu oilfield［J］.Environmental Protection of Oil ＆ Gas Fields，2001，11（4）：21-23.）

［9］ANGELI P，HEWITT G F.Drop size distributions in horizontal oil-water dispersed flows［J］.Chem Eng Sci，2000，55（16）：3133-3143.

［10］刘建，姚海飞，金龙哲，等.基于罗森-拉姆勒分布函数的粉尘分散度分析［J］.北京科技大学学报，2010，32（9）：1101-1106.（LIU Jian， YAO Haifei，JIN Longzhe，et al.Dust dispersion analysis based on the Rosen-Rammler distribution function［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2010，32（9）：1101-1106.）

［11］MUGELE R A，EVANS H D.Droplet size distribution in sprays［J］.Industrial and Engineering Chemistry，1951，43（6）：1317-1324.

［12］KARABELAS A J.Droplet size spectra generated in turbulent pipe flow of dilute liquid/liquid dispersions［J］.AIChE J，1978，24（2）：170-180.

［13］SIMMONS MH，AZZOPARDI B J，ZAIDI S H.Measurement of drop sizes and flow patterns in liquidliquid pipe flow［C］//Proceedings of 3rd International Conference of Multiphase Flow.1998.

［14］何利民，杨东海，罗小明，等.新型电聚结器结构参数对液滴聚结特性的影响［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2011，35（6）：105-111.（HE Limin，YANG Donghai，LUO Xiaoming，et al.Effects of structural parameters of new electrostatic coalescer on coalescence characteristics of water droplet［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2011，35（6）：105-111.）

［15］WATERMAN L C.Electrical coalescer［J］.Chemical Engineering Progress，1965，61（10）：51-57.

Characteristics of Water Droplet Diameter Distribution in New Electrostatic Coalescer

YANG Donghai，HE Limin，LUO Xiaoming，LÜ Yuling
（College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Traditional electric dehydrator with bare electrodes is easily broken down by high voltage when the water content is high.The insulated electrode and new type of electrostatic coalescer were designed and made.The effects of electric field intensity，flow rate and water content of experiment medium on the water droplet diameter and its distribution under high AC electric field were investigated with water/crude oil emulsion as experiment medium.The micro high-speed camera system and image processing technology were used to analyze the droplet size in the entrance and outlet of electrostatic coalescer.The results indicated that the Rosin-Rammler distribution could satisfactorily predict the water droplet diameter distribution.The insulated high voltage electrode could effectively prevent electric breakdown.High electric field intensity was conductive to the coalescence of water droplets.If the electric field intensity is higher than the critical one，the water droplets will rupture.The optimal electric field intensities decreased with the increase of water content in experiment medium.With the increase of flow rate of experiment medium the effect of electric field intensity was weakened，and high electric field intensity could still effectively promote the coalescence of water droplets.

droplet；electrostatic coalecer；distribution；electric field intensity；water content

TE624.1

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2012.03.025

1001-8719（2012）03-0505-07

2011-04-11

国家自然科学基金（51006124，51106182）、中央高校基本科研业务费专项资金（09CX04032A）和研究生创新基金（CXZD11-13）资助

杨东海，男，博士，从事油水分离的实验研究

何利民，男，教授，博士，从事油气集输及多相流分离方面的研究；Tel：0532-86981818；E-mail：helimin＠mail.upc.edu.cn