摘要：紧凑型静电分离器是由Cameron公司研发的一种高效紧凑的原油电脱水设备，基于“边聚结、边沉降”的理念使原油乳化液在管道内完成聚结和分离过程。通过所建立的扁平“H”型紧凑型静电分离器实验装置，研究了电压、流量、频率和分离器倾角等参数对油水乳化液脱水率的影响。结果表明：在一定范围内，增大电压能提高脱水率，但超过最优值，脱水率将降低；增大流量会降低脱水率，超过一定值时，脱水率会急剧降低；在高频范围内，频率的变化对脱水率的影响相对较小；增大分离器倾角能提高脱水率，但超过50O后脱水率会下降，最佳倾角在50O左右。
关键词：高效；静电分离器；乳化液；脱水率
Abstract :The compact electrostatic separator developed by Cameron was a high efficient and compact device for the dehydration of oil emulsion，which made the oil emulsion coalescence and separation through the pipe based on the concept of “coalescence，while settlement”. The influence of voltage，frequency，flow and separator angle on the dehydration rate of emulsion were studied via the experimental device of flat “H” type compact electrostatic separator. The results show that larger voltage can enhance the dehydration rate，which decreases when the voltage exceeds the optimal value. Dehydration rate reduces with the increase of flow value and reduces sharply beyond the specific value. The influence of frequency on the dehydration rate is relatively small within the high frequency. The dehydration rate increases with the increase of the separator angle，while it declines above 50°，so the best angle is around 50°．
Key words:high efficient；electrostatic separator；emulsion；dehydration rate
紧凑型静电分离器(Compact Electrostatic Separation，CES)是由Cameron公司研发的一种高效紧凑的原油电脱水设备，基于“边聚结、边沉降”的理念使原油乳化液在管道内完成聚结和分离过程。自2008年以来，Cameron公司对大“H”型、“L”型、小“y”型、“Y”型、斜体“H”型、扁平“H”型等不同形式的紧凑型静电分离器进行了研究[1-2]，结果表明扁平“H”型静电分离器的脱水效果最好，其特征为两级串联的管式静电分离器倾斜放置，不仅能提供相对较短的沉降时间，而且能减弱乳化液的湍流运动，避免二次乳化作用，提高脱水效率[3-5]。国内在这方面的研究才刚刚开始，且主要以理论研究为主[6]，还未进行实验研究。笔者基于自行研制的扁平“H”型静电分离器实验装置，研究了电压、流量、频率和分离器倾角等参数对高频/高压作用下油水乳化液脱水率的影响。
1 实验装置和步骤
1.1 实验装置
自行设计的扁平“H”型CES实验装置如图1所示，该装置主要包括两级静电分离器、螺杆泵、转子流量计、乳化液储罐等。分离器材料为有机玻璃，管径Φ90 mm，长度为600 mm，外部包裹金属并接地；内置圆柱型高压绝缘电极，外径为Φ32 mm，长度为520 mm，包覆厚度7.5 mm的环氧树脂绝缘材料，并与高频/高压脱水电源连接。在分离器入口和出口处分别设置取样口。
图1 H型紧凑型静电分离器实验装置
Fig.1 Experiment apparatus of H-type Cmpact Electro-static Separator
1.2 实验步骤
实验中采用白油乳化液模拟原油乳化液。取一定比例的10#白油和水，向其中添加3 g/L的表面活性剂Span80，启动FA25高速剪切乳化机以20 000 r/min的速度搅拌15 min，配制成一定稳定性的白油乳化液。配制好所需含水率的乳化液20 L，将其倒入储罐内，再启动CJB90捷流式高剪切乳化机对罐内乳化液以2 900 r/min的转速继续剪切5 min。开启螺杆泵将乳化液泵入扁平“H”型CES实验装置中，并循环流动10 min后达到平衡。观察流量计显示值，调节入口和出口处的阀门，使整个装置的流量达到稳定状态。开启高频/高压脱水电源，设定加电频率和电压，待稳定运行后，在入口和出口处连续取样。利用KFO-30型全自动焦油水份测定仪测量样品含水率，依此评价不同加电和操作参数对扁平“H”型CES脱水性能的影响。实验过程中，选择含水率分别为10%、20%、30%的白油乳化液，温度为25 ℃，实验电源为高频/高压脉冲交流电源。实验用W/O型白油乳化液的性能参数如表1所示。
表1 W/O型白油乳化液的性能参数
Table 1 W/O type oil-water emulsion performance parameters
2 结果与分析
2.1 电压对脱水率的影响
白油乳化液含水率分别为10%、20%、30%时，电压与脱水率的关系如图2所示。
图2 不同含水率下电压与脱水率的关系
Fig.2 The relationship between voltage and dehydration rate at different water Contents
操作条件：频率f=2 000 Hz，流量Q=0.8 m3/h，电压为1 000～7 000 V。由图2中可以看出，电压为1 000～5 000 V时，乳化液的脱水率随电压的升高而升高；电压为5 000～7 000 V时，乳化液的脱水率随电压的升高而降低，电压为5 000 V，且含水率为30%时乳化液的脱水率最高。
不同流量下电压与脱水率的关系如图3所示。操作条件：含水率为30%，频率f=2 000 Hz，电压为1 000～7 000 V。由图3中可以看出，电压对脱水率有较大影响，在不同流量下，脱水率都随电压的增大先增大后减小，在5 000 V左右脱水率达到最大值，此时为最优电压。如流量Q=1.6 m3/h，电压为1 000 V时，脱水率为28%；当电压增大到5 000 V时，脱水率增大到50%，增大近2倍；继续增大电压到7 000 V时，脱水率降为42%。这是因为当施加电压增大时，绝缘电极和管壁之间的电场强度也随之增大，使乳化液中分散相水颗粒间偶极聚结力增大，加快了水颗粒的碰撞聚结过程，使得水颗粒能尽快长大，从而提高了脱水率；当施加电压值过高时会产生电分散现象，即乳化液中已聚结的水颗粒在电场作用下界面电荷分布不集中，端部受到的电场力大，使得端部小粒径的水颗粒从母体中分离出来，致使母体粒径变小，导致水颗粒聚结效果变差，脱水率降低[7-8]，因此存在最优电压值。
图3 不同流量下电压与脱水率的关系
Fig.3 The relationship between voltage and dehydration rate at different flow
2.2 流量对脱水率的影响
不同电压下流量与脱水率的关系如图4所示。操作条件：含水率为30%，频率f=2 000 Hz，流量为0.6～2.0 m3/h。从图4中可以看出，流量对脱水率有较大影响，脱水率随着流量的增大而减小，超过一定值，脱水率急剧下降。如电压为5 000 V，流量Q=1.0 m3/h时，脱水率为80%；当流量Q=1.2 m3/h时，脱水率为77%；当流量Q=1.6 m3/h时，脱水率急剧降为50%。这是因为随着流量的增大，乳化液中的水颗粒在电场作用下聚结时间和沉降时间都会减小，部分粒径较小的水颗粒未能及时沉降分离随流体排出，使得脱水率逐渐降低。当流量增大到一定值时，聚结后粒径占比最大的水颗粒会被流体带走，只有少量粒径大的水颗粒能够沉降分离出来，因此脱水率大幅下降。继续增大流量，能沉降出来的水颗粒越来越少，使脱水率继续降低但幅度减小甚至基本不变，此时脱出的水主要是沉降在管壁上的游离水。
图4 不同电压下流量与脱水率的关系
Fig.4 The relationship between flow and dehydration rate at different voltage
2.3 频率对脱水率的影响
图5 不同电压下频率与脱水率的关系
Fig.5 The relationship between frequency and dehydration rate at different voltages
不同电压下频率与脱水率的关系如图5所示。操作条件：含水率为30%，流量Q=0.8 m3/h，频率取700～5 000 Hz。由图5中可以看出，频率的变化对脱水率有一定影响，脱水率随频率的增大先增大后减小，在f=2 000 Hz左右达到最大值。如电压为5 000 V，频率f=1 000 Hz时，脱水率为80%；当频率增大到2 000 Hz时，脱水率为83%；当频率继续增大到f=5 000 Hz时，脱水率降为75%。这是因为当施加频率值较低时，随着频率的增加，乳化液中的水颗粒振动强度增加，变形度增大，聚结机率提高，脱水率随之提高；当施加频率值较高时，随着频率的增加，电场变化周期小于乳化液中水颗粒松弛响应时间，使得水颗粒极化跟不上外加电场的变化，极化电荷减少，极化程度差，变形度减小，脱水率随之降低[9-11]。
2.4 分离器倾角对脱水率的影响
静电分离器的倾角与脱水率相关。当静电分离器水平放置，即倾角为0°时，流体沿水平方向流动，乳化液中的水颗粒沿竖直方向沉降，沉降时间短，但沉降后的水颗粒不能及时汇集到水出口而排出。当静电分离器垂直放置，即倾角为90°时，乳化液沿竖直方向自下而上流动，其中的水颗粒沿竖直方向自上而下沉降，沉降时间长，同时沉降过程中水颗粒易受到向上来液的干扰，聚结效果减弱。当静电分离器倾斜放置，即倾角为0～90°时，乳化液沿分离器自下而上流动，其中的水颗粒完成聚结，后沉降到管壁上，随后顺着管壁向下到达水出口而排出，同时保证了水颗粒沉降到管壁的时间短，且顺着管壁到达水出口的速度大。
不同含水率下静电分离器倾角与脱水率的关系如图6所示。操作条件：电压为5 000 V，频率f=2 000 Hz，流量Q=0.8 m3/h，倾角取30～60°。从图6中可以看出，脱水率随静电分离器倾角的增大先增大后减小，在50°时达到最大值，超过50°后会降低。这是因为在一定范围内随着静电分离器倾角的增大，沉降到管壁上的水颗粒顺着管壁到达水出口的速度增大，使得脱水率提高；当静电分离器倾角超过50°时，聚结后的水颗粒需较长时间沉降到管壁上，同时易受到来液的干扰，聚结效果减弱，致使脱水率下降。
图6 不同含水率下分离器倾角与脱水率的关系
Fig.6 The relationship between the inclination of the separator and dehydration rate at different water contents
3 结论
(1)电压是影响分离器脱水率的主要因素，电压增大会加强水颗粒间的偶极聚结，从而提高脱水率，但过高的电压会引发水颗粒的电分散，降低脱水率。在本实验条件下，最优电压为5 000 V。
(2)随着流量的增大，水颗粒在电场中聚结和沉降的时间减少，使脱水率降低；当流体增大到一定值后，会将聚结后粒径占比最多的部分水颗粒带走，从而使脱水率急剧下降。电压为5 000 V，流量超过1.2 m3/h后，脱水率急剧下降。
(3)频率较低时，频率的增加使得水颗粒振动强度提高，脱水率提高，当频率超过2 000 Hz时，电场变化周期小于水颗粒松弛响应时间，水颗粒极化赶不上电场的变化，使得极化电荷数减少，脱水率降低。
(4)随着分离器倾角的增大，沉降到管壁上的水颗粒沿管壁到达水出口的流速增大，脱水率随之增大，随着倾角的继续增大，水颗粒沉降到管壁上的时间延长，脱水率随之减小，倾角在50
左右时，脱水率最大。
