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高频脉冲离心装置油水乳状液破乳分离的理论和实验研究

李青  
【摘要】:目前,我国油田已进入高含水期,采出井液多以乳状液的形式存在,乳状液破乳分离是当前难以解决的技术问题。因此,开展高频脉冲离心装置油水乳状液破乳分离的理论和实验研究,有重要的理论意义和工程应用价值。本文以表面与界面物理力学、电介质物理学、流变学、流体力学为基础,对乳状液破乳分离进行了理论分析,从理论上研究了油水乳状液在电场、离心场以及它们共同作用下的液滴运动与聚结机理。提出了四种强度理论:液滴临界拉应力理论,液滴临界弹性应变理论,液滴临界切应力理论,液滴临界总势能理论。分析了外加电场情况下的液滴表面电荷分布以及由此产生的电势能变化。分析了转鼓内电场和流场的分布,并着重分析了转鼓内流体的切向速度分布和剪切应力。同时,对液滴在电场和转鼓旋转产生的离心场作用下的受力及其运动进行了分析。采用fluent进行数值模拟。研究了不同旋转速度、作用时间、体积分数等物理参数对油水分离的影响。通过数值模拟获得了详细的流体运动和分布参数。分析结果表明,当转速增加,流体的速度和压力增加,转鼓近壁面处水体积分数大于中心处。.随着作用时间的增加,转鼓底部的水体积分数大于顶部。含水率随着转速和时间的增大而不断增大,转速对含水率影响比较明显,并优于纯重力场。利用COMSOL软件中Cahn-Hilliard方程的相场方法,研究了高频脉冲电场下分散相液滴的变形和聚结规律,液滴在电场力的驱动下发生变形,液滴变形度与粒径和电场强度成正比,与粘度成反比。当变形度达到取决于连续相和分散相物性条件的一定值时液滴破裂。高频脉冲电场下液滴受到的电场力是周期变化的,其变化的频率主要由外加电压的周期频率决定,并受液滴本身的物性参数影响。相同物性参数下,液滴的临界破裂电场强度大于临界聚结电场强度。高频脉冲电场正方波、正弦波、三角波、锯齿波四种波形的液滴聚结规律基本一致。通过分析可知方波最优,正弦波和三角波次之,锯齿波最次。当电场强度较低时,电场产生的动力不足以抵抗界面张力和流体的粘附阻力,无论时间多久,液滴都不聚结。电场场强升高到一定范围,液滴受电场驱动能够抵抗阻力,液滴有聚结趋势,电场强度与聚结时间成正比。当电场强度大于液滴的临界聚结电场强度时,液滴自身发生变形,并有向着电极方向靠近的趋势,电场的增加,降低了液滴的聚结速度。电场继续增加,液滴向两极移动,液滴中心距离不断增大,液滴之间无法聚合,但也不破裂。再继续提高场强,达到了液滴自身的临界变形破裂电场强度,液滴自身破裂更不会聚结。对于一定的物性参数,存在一个最佳聚结频率。随着频率的增大,聚结时间总体上先减小后增大,并且低频率段的聚结效果略高于高频率段。此外,自行研制了高频脉冲离心破乳实验系统,该实验系统由供液装置、破乳装置、储液装置、数据采集装置、温度加热控制装置、高频脉冲电源等组成。该系统可实现温度、流量、转速、电压、频率等影响破乳效果因素的精确控制。该新型破乳装置可分别实现离心破乳、高频脉冲电场破乳、高频脉冲电场离心耦合或联合破乳。利用该装置开展了多参数的破乳分离实验,通过实验得到了电压、转速、温度、时间、脉冲频率等参数对破乳的影响规律。研究发现,乳液的最优频率由其本身的物性参数决定。电压对破乳效果的影响最为明显,在乳液的临界聚结电场强度之前,电压的增大,破乳效果不断增加。温度对破乳的影响也比较显著,温度越高,粘度降低,液滴容易聚结分离。在低转速时,耦合作用破乳效果与转速大小成反比,联合作用下破乳效果与转速成正比。在高转速时,离心场在耦合和联合作用中均起反作用。在低转速时,耦合作用下破乳效果与作用时间成正比,联合作用下破乳效果与作用时间亦成正比。在高转速时,耦合作用下破乳效果与作用时间成反比,联合作用下破乳效果与作用时间无明显规律。低转速时,联合作用下各个参数的破乳效果优于耦合作用。对于低含水率乳状液,电场的作用贡献远大于离心场,离心场起破乳作用还是乳化作用,取决于转速和乳状液物性。


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