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非均匀电场下原油乳化液电脱水特性与机理研究

宋春辉  
【摘要】:原油电脱水是原油加工过程中的重要生产环节,随着我国陆上油田进入开采后期,由于在原油开采过程中加入碱、表面活性剂、聚合物等化学试剂,使原油在电脱水过程中出现脱水困难、脱水效率低、脱水电场不稳定等现象,严重影响了原油的脱水效率。为此,本文从提高原油电脱水过程中水滴的聚结速率及电场稳定性角度出发,开展非均匀电场作用下原油乳化液脱水特性及机理的研究,以期改进现有的电脱水技术、提高原油电脱水的效率。为研究非均匀电场中原油乳化液的电脱水特性,本文采用同轴圆柱电极结构,利用Cahn-Hilliard方程的相场分析方法,建立了水滴在非均匀电场作用下的动力学仿真模型,对水滴的动力学行为进行模拟,分析影响水滴介电泳、形变及聚结的主要因素。同时,根据研究需求在实验室搭建了电脱水综合试验平台,在此基础上试验研究了电场非均匀系数、电场强度、电场类型、原油乳化液含水率、破乳剂等因素对原油乳化液电脱水特性的影响。最后,从水滴极化特性的角度出发建立了水滴受力模型,分析了水滴受力对水滴运动、聚结和电分散等行为的影响规律,以及极化电荷和破乳剂对水滴聚结过程中油水界面膜破裂速度的影响规律和作用机理,并通过水滴在非均匀电场中运动行为的观测验证了上述理论分析结果。动力学仿真和脱水试验结果表明:水滴表面极化电荷密度分布的不对称是非均匀电场中水滴产生介电泳行为的主要原因。非均匀系数、电场强度、电场类型和粒径分布对乳化液的聚结效率具有显著的影响:在一定范围内通过提高非均匀系数和电场强度可加快乳化液中水滴的聚结速率;当非均匀系数过大及电场强度过高时,水滴容易发生破裂;交流电场可提高乳化液的脱水速率,而直流电场可实现乳化液的深度脱水;乳化液的脱水速度随水滴粒径的增大而加快,脱水率随水滴分布的均匀程度的增加而提高。本文所建立的水滴动力学仿真模型和极化受力模型较好地解释了非均匀电场下乳化液在电脱水过程中的试验现象及水滴的运动行为,理论分析表明:在非均匀电场中水滴受到的介电泳力和水滴之间的偶极聚结力与非均匀系数、电场场强、水滴半径成正比,与水滴距电极中心的距离和水滴之间的距离成反比。水滴的电分散场强与水滴电荷面密度、水滴粒径、表面张力有关,水滴形变量随电场强度的升高逐渐增加直至破裂,当水滴荷电后导致其发生破裂的电分散场强下降。水滴在电场中的极化加快了液膜的变薄速率,进而加快了水滴的破裂速度;破乳剂的加入使液膜出现孔隙时的临界电场幅值减小,增大了水滴在电场中的破裂速度。


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