超声雾化破乳技术研究

韩 冰，陆胤君，刘海丽，于惠娟，刘东杰，陆诗建

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

当前国内油水分离一般采用三相分离器，并使用填料让碰撞聚结。波纹板填料容易堵塞，更换填料不经济且会耽误生产。如果乳化油黏度大，油温低，则会削弱碰撞聚结作用，使传统的三相分离器几乎不起作用。

超声的加入使油水分离作用有了新的能量场，超声作用下短期分离效率为传统三相分离器的百倍以上。且能耗低，结构简单易维护，可靠性高，安全环保。

1 工程参数

来液性质：来液含水：93%；处理温度：42℃；密度：0.967 kg/m3；工况黏度：2900 mm2/s；破乳剂：1%稀释量低温破乳剂溶液。

超声波发生器产生的超声波参数：初始频率f=25000 MHz，初始振幅(生波金属头的机械振幅)A=5 μm。

2 理论基础

首先需要测定超声波在采出液中某作用点的真实强度，然后根据作用时间长短和处理后的出水量(或含水量)，综合对比得出超声的作用效果。

(1)因超声波在采出液中存在衰减，要测定任意一点的真实强度，需要通过测量和计算间接得出。考虑到超声波为纵波，纵波在油水中的传播及削弱符合波的传播符合准驻波效应：

A=A0(1+R)e-ax……(1)

其中，R为反射系数，α为介质的衰减系数。

建立超声波在液体中传播数学模型，假设超声波源处于坐标系原点，入射超声波沿X轴正方向传播，那么波动方程为：

A0exp[i(wt-yx)]……(2)

其反射波的波动方程为：

y=RA0exp{i[wt+y(x-2x)]}……(3)

其中，R为反射系数，y=k-iα为波的传播系数，α是介质的衰减系数，k=2π/λ是波矢。入射波和反射波在0～x0区间叠加，合成波的波动方程为：

y=A0exp[i(wt-yx) ]+RA0exp{i[wt+y(x-2x)]}……(4)

合成波个点均做简谐运动，振幅分布为：

A=[e-2ax+R2e2a(x-x0)+2Re-2ax0cos 2k(x-x0) ]0.5……(5)

因超声波发生器和接收器是同一材料制成，所以有：

其中U0是信号发生器输出电压数值，U为示波器显示电压数值。

将多次试验的测量值记入表格，得出强度Ax(或电压Ux)、时间t、含水量Wx之间的对应关系表并拟合成Ax(Ux)-t-Wx曲线，得出连续的超声波强度分布图，表格和曲线用于在得出强度/时间/含水量关系时备查用。

(2)实验分为6组，因为有了Ax-t-Wx表格及曲线，只需要控制每组的作用时间t，并测量作用后的采出液含水量Wx，即可得出在任何强度区间下的时间-含水量关系。

3 设计优化

为了尽量使超声波能最大的作用在采出液，根据声场优化流场，是其中的一个重点。使用基于NX Nastranthermal/flow的CAE技术，用hyper-opt对流场进行结构优化，使流动效率提升86%，并使用流体带走由超声尖端效应产成的热量，同时对NVH(Noise/Vibration/Harshness)设计了减震结构，降低了超声设备运行时的噪音和振动约75%。

NVH分析之后得出的实验数据更加符合无外场干扰和无衰减的理想情况，可以当做理论模型进行标准化使用。

4 实验结果及结论

实验结果如表1。

表1 实验结果

结论如下：

(1)使用超声可使采出液快速脱水，30 min前为超声主导，60 min后为药剂主导。超声和药剂同时使用时需注意超声作用时间，60 s的作用时间后期脱水率比30 s作用时间脱水率更低，原因是超声作用时间太长容易造成反向乳化，从而降低脱水效率。

(2)由于超声波在采出液中有衰减，所以同一个容器内含水量并不是一致的，有一定分布规律，基本符合上述Ax-t-Wx曲线。实际使用中，建议增大流动性，使流场内各处的超声作用时间及作用强度都能保持一致，避免某些区域因超声作用时间太长而反向乳化。

(3)传统方式中只使用药剂进行油水分离，需要时间过长，会严重降低脱水效率。故将高效低温破乳剂与超声破乳技术有机结合，形成物化耦合强化破乳技术，室内沉降2 h的脱水率较单一药剂作用提高约20个百分点，同时优化超声作用时间，从工业应用角度将作用时间进行转化，功率为1 kW的超声发生器处理1 m3原油所需的时间约为4000 s。

(4)只使用重力法进行油水分离，实际生产中几乎不可行。

(5)超声的加入可以明显提高前120 min的脱水速度和脱水率。但在整个工艺流程中，破乳剂依然无法被完全替代。总的来看，超声的加入使脱水速度超过传统重力法油水分离约67倍，脱水率超过重力法约8倍，性能优异。