1 前言

原油脱水(盐)是石油工业中必不可少的预处理工序，方法主要包括化学法、过滤法、重力沉降法、离心分离法、超声波法、热处理法和电聚结法等^[1~4]。其中，电聚结法因效率高、处理量大而得到广泛应用，其主要依靠电场极化液滴以产生电场力，促进水滴聚并、加速沉降分离^[5]。自美国Cottrell博士于1909年申请了第1个原油电脱水专利，集静电聚结和重力沉降于一体的卧式电脱盐器在1961年后逐渐成型^[6-7]。Eow和Mohammadi等^[8-9]的研究指出，电聚结的主要作用——偶极吸引力在液滴连线和电场线夹角θ在54.7°~125.3°能发挥作用，且聚并速率随着场强均方根的增大而增大。而场强增大将产生不利影响，如脉冲电场的场强越大、频率越小，二次液滴尺寸越大^[10-11]。此外，一些学者联用了非均匀电场和化学破乳方法，提高了电聚结速率^[12-13]。Luo等^[14]对液滴在不同表面活性剂浓度和毛细管数下的聚结时间、液桥直径和接触角等特征参数变化规律进行了细致研究。然而，随着原油的开采，沥青质、胶质和石蜡等成分的含量不断增加，液滴聚并愈发困难，且容易形成导通电极的长水链，致使设备频繁断电、无法正常工作，这已成为困扰电聚结技术的难题之一。一些学者对此有过探究，李彬等^[15]描述了均匀电场中水链的形成和消散过程，樊玉新等^[16]研究了无机盐和电场参数对水滴成链的影响。此外，Bailes等^[17]为了克服直流电场不能处理高含水原油的问题，提出“脉冲电场+绝缘电极”的技术方案。近年来，学者对于脉冲电场中水滴的变形、运动和聚结进行了大量研究^[18~22]。但是，对于水滴成链的研究仍显不足，尤其缺乏对非均匀电场中水滴成链机理的探究。本研究在线观测了同轴六边形-圆电极中的水滴成链和聚并过程，探究电场参数和物性参数对非均匀电场中水滴成链、聚并的影响，为工业中避免长水链的出现提供指导。

2 实验装置与方法 2.1 实验装置及材料

实验流程如图 1所示，装置主要包括高频脉冲电源、变压器、观测单元、数码显微镜等。如图 2所示，观测单元的电极结构为同轴六边形-圆电极，由蜂窝-悬针电极单元简化而来，厚度2 mm，能保证水滴均在显微镜观测范围内，实验中分别对中心、中部和边缘3个区域进行了观测，其位置已在图中标出，分别距电极中心约2、10、18 mm。

高频脉冲电源由中国石油大学(华东)自行研制，电压调节范围：0~9.8 kV；频率调节范围：0.41~6.3 kHz；脉宽比调节范围：0.1~0.875。显微照片由江西凤凰光学仪器集团生产的PH100数码显微镜拍摄得到，由ImageJ软件进行后处理。在图片后处理中，先在ImageJ软件中定标，再逐一选取水滴粒径和水链长度进行测量，测得全部值后计算相应平均值。实验所用材料及其物性如表 1所示，其中原油为来自大庆油田的重质原油。

蓖麻油和去离子水的界面张力为32.2 mN·m，Clausius-Mossotti系数为0.89，水滴会向高场强区域运动^[23]。由表 1可知，蓖麻油密度与水接近，能减弱水滴因重力而沉底的不利影响，且能更好地观测外加电场的影响，较高的黏度与重质原油接近，易形成长水链。实验中，先将作为表面活性剂的十六烷基苯磺酸钠添加到去离子水中，提高乳状液稳定性，这与工业中沥青质、胶质和石蜡等天然活性剂以及开采、处理过程中的各种化学药剂所起的作用类似^[24-25]。蓖麻油和水按一定比例在FSH-2A均质机以2 000 r·min^-1下的转速乳化3 min配制成乳状液。观测单元中心区域的水链平均长度和水滴平均粒径增长率X用以表征水滴成链和聚并。其中，水滴平均粒径增长率为

$X = \frac{{r - {r_0}}}{{{r_0}}}$

(1)

式中：r为乳状液最终平均半径，μm；r₀为乳状液初始平均半径，μm。在r₀不变的情况下，X表征了水滴聚并效果和聚并后水滴粒径大小。但是，在r₀改变的情况下，X并不能说明聚并后水滴粒径大小，因此在本文的3.4和3.5节，除了X，还给出了水滴聚并前后粒径随含水率和表面活性剂浓度的变化规律。

2.2 测量不确定性分析

本实验多次测量了观测单元的中心区域的水链平均长度和水滴平均粒径增长率，并根据标准不确定度A类评定的Bessel公式确定多次测量实验的标准偏差S。Bessel公式如下：

$S = \sqrt {\frac{1}{{N - 1}}\sum\limits_{i = 1}^N {{{\left( {{x_i} - x} \right)}^2}} } $

(2)

式中：N为测量次数；x_i为第i次的测量值；x为测量结果平均值。

实验条件：含水率为1.5%，活性剂质量浓度为50 mg·L^-1，电压幅值为3 000 V，频率为4 000 Hz，脉宽比为0.5，重复10次。多次测量实验结果表明，水链平均长度多次测量实验的标准偏差为4.63%，水滴平均粒径增长率多次测量实验的标准偏差为2.36%，满足实验精度要求。

3 实验结果与讨论 3.1 水滴成链过程与空间分布

如图 3所示，高场强的中心区域水滴成链现象较边缘和中部区域更明显。水滴是在偶极吸引力下靠近、成链、聚并，而偶极吸引力会随场强增大而增大，因此高场强的中心区域更容易形成水链。此外，非均匀电场中，水滴受介电泳力作用向中心高场强区域迁移，也会破坏其他区域的水链结构。如图 4所示，水滴在偶极吸引力作用下不断聚集，逐渐呈规则的链状排列，随着时间延长，水链长度增长、数量增多。由图 3和图 4可以推论出，在电聚结初期，观测单元边缘区域的水滴成链不明显，水链不能贯穿电极；电聚结后期，虽然水链长度得以延伸，但是中心区域水链可能会因聚并、沉降而消散。

3.2 电压幅值的影响

高频脉冲电场的电压幅值决定电场强度，从而影响水滴的极化状态和水滴间的偶极吸引力。由图 5可知，水链长度l和水滴平均粒径增长率X随着电压幅值U增大而增大。在高频脉冲电场中，极化水滴间的偶极吸引力决定了水滴靠近、聚并速率，并影响水链的形成。理想条件下，两液滴间偶极吸引力F的近似表达式如下^[26]：

$F = \frac{{24\pi {\varepsilon _0}{\varepsilon _1}r_1^3r_2^3{E^2}}}{{{{\left( {d + {r_1} + {r_2}} \right)}^4}}}$

(3)

式中：ε₀为真空介电常数，F·m^-1；ε₁为连续相介电常数，F·m^-1；r₁为液滴1半径，μm；r₂为液滴2半径，μm；E为电场强度，V·mm^-1；d为两液滴近端间距，mm。

由图 5可知，随着U的增大，水滴间偶极吸引力增大。偶极吸引力和介电泳力均会随U的增大而增大，由于水滴是在偶极吸引力和介电泳力作用下靠近和聚并的，因此l和X会随着U的增大而增大。

3.3 频率的影响

由图 6可知，l和X随着频率f增大而增加。脉冲电场中，电场作用期内，水滴在电场作用下极化，电场休止期内，水滴失去电场力的维持而恢复成未极化状态。由于水滴极化需要一定的弛豫时间，水滴极化状态会随着f的改变而改变。相关研究表明，低频电场下，随着f的增大，水滴的极化程度会先增强、后减弱；高频电场下，水滴极化程度和所受电场力仅会随着f的增大而不断增大^{[21, 27]}。由于本研究所用电源频率较高，因此极化状态随着f的增大而不断增大，偶极吸引力也会因极化状态的增强而增大，进而促进水滴的成链和聚并。

3.4 脉宽比的影响

脉宽比n是脉冲电场作用期和总周期的比值，决定了脉冲电场实际作用时间。由图 7可知，随着脉宽比的增大，电场作用期增大、休止期减小，电场作用时间延长，液滴极化程度增大，水滴间偶极吸引作用增大，l和X随之增大。包括U、f和n在内的脉冲电场参数皆通过影响电场力进而影响水滴成链和聚并，由于成链和聚并是液滴受到电场力作用下的不同阶段，因此削弱电场力虽然能抑制水滴成链，但是同时也会抑制水滴聚并。因此，在图 5、6和7中，l和X都是保持同步变化。

3.5 含水率的影响

含水率是油包水乳状液的物性参数之一，原油脱水的目的就是降低含水率以满足原油外输的要求^[28]。由图 8可知，水滴初始粒径r₀和聚并后粒径r随着w的提高而增大，但是随着液滴聚并，当水滴间距增至一定值后，偶极吸引力急剧减小，水滴聚并速率随之减缓。此外，水滴间距也会因水滴数量的增加而减小。如图 9所示，在w较小时，随着w的增大，由于水滴粒径增大、间距缩小，偶极吸引力随之增大，水滴成链和聚并效果提升。但是，水滴聚并会使原本的水链“断裂”，形成数个大水滴，再随着大水滴的靠近形成较短的新水链，因此随着w进一步增大，水链长度反而降低。此外，当w增大至一定程度，由图 8可知，虽然水滴聚并后粒径并未随w的增大而减小，但是由式(1)可知，水滴初始粒径r₀的增大会使X减小，表明电聚结促进水滴粒径增加的作用会随着w的增大而减弱。

3.6 表面活性剂浓度的影响

由图 10可知，随着表面活性剂质量浓度ρ的增大，在相同乳化强度下，由于界面张力的减小，乳状液中初始水滴粒径r₀随之减小，但浓度到达一定值后，界面张力随ρ的变化趋于平缓，r₀的变化也趋于平缓^[29]。r₀的减小导致偶极吸引力、介电泳力等电场力的减小，进而导致r的减小，然而当ρ较高时，水滴最终粒径的曲线并未趋于平缓，这是因为即便界面张力不再减小，表面活性剂附着在液滴表面、对聚并的阻碍作用仍会随着ρ的增大而增强。如图 11所示，低表面活性剂浓度下，由于r₀减小的影响占主导，偶极吸引力减小，进而水链长度l减小，尽管水滴聚并后粒径r减小，但X反而增大；当ρ超过一定值后，r₀不再继续减小，表面活性剂阻碍聚并的作用开始占主导，l不断增大，由于r₀不再减小，X因聚并被抑制而减小。

4 结论

研究了同轴六边形-圆电极产生的非均匀电场中水滴成链和聚并规律。非均匀电场中，水滴沿着电场线方向成链，水链的数量和长度随着时间延长不断增加，且高场强的中心区域优先于低场强的中部和边缘区域成链。根据实验结果可知：

(1) 水链长度和水滴粒径增长率都随着场强、频率和脉宽比的增大而增大，由于水滴的成链和聚并均以电场力为动力，在电场力受电场参数的影响而改变时，水滴的成链和聚并会同时被促进或抑制。

(2) 低含水率下，含水率的提高，导致水滴粒径增大、偶极吸引力增强，促进了水滴的成链和聚并；高含水率下，随着含水率提高，水链长度反而因水滴聚并而缩短，而粒径增长率也会因水滴初始粒径的增大而减小。

(3) 低表面活性剂质量浓度(< 80 mg·L^-1)下，虽然提高表面活性剂浓度能减小水滴的初始粒径和增大表面活性剂阻碍作用，不利于水滴聚并和成链，但是由于水滴初始粒径减小，水滴粒径增长率反而增大；高表面活性剂质量浓度(> 80 mg·L^-1)下，水滴粒径的减小趋势减缓，此时表面活性剂阻碍作用占主导，水链长度增加、水滴粒径增长率减小。

综上所述，通过改变电场参数以抑制水滴成链，但是可能同时抑制水滴聚并；表面活性剂的使用或天然表面活性的存在，不仅会阻碍水滴聚并，还会使水链增长，增大设备短路的可能性；在适中的含水率下，水链的危害会达到最大。