物理法原油破乳研究进展

摘 要：介绍了超声波破乳法、微波破乳法、电破乳法、研磨破乳法、膜破乳法等近几年较热门的油水乳状液物理破乳方法，综述了各方法的破乳机理和国内外研究进展，着重分析了超声波破乳法和微波破乳法的研究现状和发展方向，表明两者是最具前景的物理破乳法，指出未来原油破乳的发展趋势是高效、节能、环保。

关 键 词：油水乳状液；物理破乳法；超声波破乳；微波破乳

中图分类号：TE 866 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）05-0946-04

Research Progress in Physical Demulsification of Crude Oil

LU Yang

（Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology， China University of Petroleum （Beijing），

Beijing 102249， China）

Abstract： Physical demulsification methods for emulsion including ultrasonic demulsification method， microwave demulsification method， electric demulsification method， grinding demulsification method， membrane demulsification method were introduced. The demulsification mechanism and research progress of each method were reviewed respectively. Recent advances and research directions of ultrasonic demulsification method and microwave demulsification method were analyzed. It’s pointed out that the development trend of the demulsification of crude oil is high efficiency， energy saving， environmental protection.

Key words： emulsion； physical demulsification； ultrasonic demulsification； microwave demulsification

目前实验室和工业生产所采用的破乳方法分为化学法、物理法、生物法以及各方法的联用[1]。化学法应用广泛，但对环境污染大；生物法效率低、适应性弱；物理法简单高效、环保，是今后破乳方法的主要发展方向。

物理破乳法，即采用物理的方法破坏油水界面膜而实现破乳，包括超声破乳法、微波破乳法[2]、电破乳法、膜破乳法、加热破乳法、离心破乳法、研磨破乳法等。随着乳状液的类型、结构越来越复杂，传统物理破乳法如加热法、离心法等难以满足破乳要求。本文对近几年较热门，前景较好的几种物理破乳方法进行分析和阐述。

1 超声波破乳法

1.1 超声破乳机理

超声波在介质中传播，会产生力学、热学、光学和电学等一系列效应[3]，简单来说，可分为热效应和非热效应，其中非热效应包括空化作用和位移效应。理论推导与可视化实验证明超声波破乳的声强必须控制在空化阈之下，否则超声波会起致乳作用[4]。因此，超声波破乳主要利用超声波的热效应及非热效应中的位移效应。

（1）热效应可以减小油水界面膜的强度，使其更易破裂[5]；还能降低油的粘度，减小了水滴下降的阻力，利于油水分离。

（2）超声波的机械振动作用可使水滴产生位移效应，能量辐射到油水乳状液中，水滴不断地向波节或波腹移动，碰撞聚结成较大的水滴，在重力作用下沉降分离[6]。

1.2 超声破乳研究现状

Antes F G[7]等在不添加化学破乳剂的情况下，探讨低频超声原油破乳的可行性。实验所用油水乳状液的含水率为12%、35%、50%，不同含水率的乳状液均有3种不同的液滴粒径分布5、10、25μm。在频率35 kHz的超声波作用下，评估温度、超声时间、超声功率对破乳效果的影响。实验发现，含水50%、液滴粒径10μm的油水乳状液，在温度45℃，超声功率160 W，超声时间15 min的条件下，达到最大破乳效率65%。

孙宝江[4]等针对O/W型乳化原油，进行了超声波破乳研究，发现处理后的污水含油率明显下降，除油率最大可达98%，污水中的绝对含油量降至40 mg/L；而在相同条件下，自然沉降分离后污水中的含油量约为200 mg/L。可见，超声波破乳分离O/W型乳状液是可行的，且效果非常明显。

1.3 超声破乳影响因素

油水乳状液超声波破乳效果的影响因素有很多，如超声波频率、声强、辐射时间、温度、沉降时间、原油粘度等[8]，其中最主要的研究对象是频率和声强。

声强必须控制在空化阈以下，过大反而会致乳，即油水两相形成更加稳定的乳状液。由于不同原油乳状液的性质差异较大，破乳时所对应的最优声强也就不同。超声波的频率在一定量级的范围内只影响“粒子”向波腹或波节运动所走的距离，对破乳效果的影响在一定范围内不明显[4]。Kotyusov从理论上推算出“粒子”发生凝聚所对应的最佳超声波频率范围为21～25 kHz[9]。

2 微波破乳法

2.1 微波破乳机理

微波是频率范围约为300 MHz～300 GHz（波长1 mm～1 m）的电磁波。微波破乳法同传统破乳法的机理有较大的区别，是微波热效应和非热效应的共同作用[10]。

（1）热效应：微波加热相较于传统加热方式无滞后效应，加热更快、更均匀。因为水分子吸收微波的能力比油分子强，水滴膨胀使得油水界面膜受压变薄；同时油的溶解度因受热而增大，使得界面膜强度减弱而更容易破裂[11]。

（2）非热效应：极性水分子和带电液珠随电场变化而迅速转动或产生电荷位移，打乱了液—液界面间电荷的有序排列，破坏了双电层结构，导致ζ电位急剧减小。当ζ电位对水分子的作用减弱后，小水滴相互碰撞、聚结，从而与油分离。此外，微波形成的高频磁场将非极性的油分子磁化，并形成与油分子轴线成一定角度的涡旋电场，该电场能减小分子间的引力，降低油相粘度，利于油水分离[12]。

2.2 微波破乳研究进展

原油微波破乳是一种新型、高效的破乳方法，目前国内外研究人员的工作重点主要针对两方面开展：一是微波破乳的机理，二是破乳效率的影响因素。

Nour A H[13]利用响应面分析确定微波破乳的最佳条件。实验结果表明，胶质/沥青质的比例越大，乳状液越容易破乳；微波作用后乳状液粘度明显降低，颗粒直径增大；微波加热乳状液时的升温速率在低温时基本保持不变，在高于50 ℃后逐渐减小。Ferreira B M S[14]在微波破乳实验中发现试样是否包裹聚四氟乙烯对加热后的温度无影响，但乳状液老化会降低常规加热和微波加热破乳的效率。实验结果显示，含水40%的100 mL乳状液，经800 W的微波加热40 s后，温度升至60 ℃，沉降5 min后脱水率为100%。Binner E R[15]等研究了连续流微波系统对O/W型乳状液沉降性能的影响，沉降时间取决于功率、流速和输入的能量。实验结果表明，含水20%的乳状液在功率12 kW，流速6 L/min，沉降时间100 min的处理条件下，达到最大分离效率20%，此时所需的能量要低于将水加热至100 ℃的热量；相较于低流速的处理效果，高流速时紊流现象较为严重，脱水率更低，沉降时间更长；还发现当输入能量相同时，功率越大，脱水率越高。

国内对原油微波破乳的研究始于上世纪90年代，傅大放[16]等初步探讨了原油微波破乳的机理。分别测试了微波辐射和电炉加热后样品的ζ电位，发现微波作用后样品的ζ电位降幅更大，而ζ电位随温度的变化呈无规则状态。实验结果证明了微波加热具有电中和作用，进一步揭示了非热效应的存在，ζ电位的降低，加速了分散相颗粒的聚结，提高了破乳效率。王海鹏等[17]采用均匀设计试验方法，研究了微波处理低含油乳化液的脱油率与微波功率、脱油温度、油的质量分数之间的关系。结果表明，脱油率随微波功率的增大呈负指数规律增加，随脱油温度的升高呈线性增加，随油的质量分数的增加呈2次关系减小；脱油温度与油的质量分数存在交互效应，含油率的升高会减小脱油温度对脱油率的影响，而脱油温度的升高会增大油的质量分数对脱油率的影响；当微波功率为247 W/（60 mL）、脱油温度为90 ℃、油的质量分数为5%时，根据拟合公式得到静置30 min乳化液的脱油率达到最大22.2%。

3 其他破乳法

超声波破乳法和微波破乳法都是利用波的能量破坏油水乳状液，虽然两者破乳效率高、绿色环保、节能，但要应用于工业还有很多技术难题要解决。现阶段，物理破乳法中技术较为成熟，相比传统破乳法又更高效的有电破乳法、研磨破乳法和膜破乳法等。

3.1 电破乳法

电破乳法是通过电场作用，促进油水乳状液分散液滴碰撞、聚结，实现油水分离[18]。

葛卫学等[19]对不同物性参数下油水乳状液电破乳效率的联合作用规律进行了研究。归纳含水率、温度、无机盐、酸碱等参数对电破乳的作用，得到优化油水乳状液电破乳分离的物性参数：含水率过大易造成乳状液的电导率发生剧增，统筹考虑油水分离的电能耗，一般将含水率控制在25%为宜；避免分散液滴产生电分散，破乳剂达到浊点，以及热负荷增加，温度控制在70 ℃为佳；无机盐能降低油水乳状液的稳定性，但过高的含盐浓度，使得乳状液的电导率增加，能耗也有所上升；控制乳状液中固体微粒的粒径不小于几十微米，避免掺混与油湿润角小、具有亲油特性的固体微粒，易于电破乳的进程。

电破乳技术相对成熟，工业中已有不少应用，但若原油乳状液的含水率过高，两电极间容易产生导通电流，无法建立稳定的电场。因此，电破乳常作为脱水的最后一个环节。

3.2 研磨破乳法

研磨破乳分两步：过滤和研磨。油水乳状液的内相分散液滴与研磨剂互相摩擦、润湿，并在研磨剂表面形成一层液膜，当液膜达到一定厚度时，小液滴会自动聚结，该过程称为过滤破乳[20]；液滴受到来自研磨剂粒子间碰撞产生的摩擦力和剪切力，产生变形、碰撞，再与研磨剂表面的液膜层聚结，该过程称为研磨破乳[21]。

吴子生[22]、褚莹等[23]对吉林油田扶余采油三厂新采出的原油乳状液进行了研磨破乳试验。实验结果表明，高含水原油经研磨器5～10 min的处理后，能使原油含水率降至10%～15%，可直接供给下一步电脱水制得合格原油；系统考察了研磨破乳率的影响因素，合并成一项内在因素，即研磨剂粒子间的碰撞次数N，通过增加单位体积内粒子间的碰撞次数N来提高研磨破乳率，并归纳实验数据建立了适用于确定体系的研磨破乳率的计算式。

研磨破乳法普适性强、操作简单、成本低廉，但破乳效率不高，需要与电破乳技术相结合，才能得到较好的破乳效果，若将研磨破乳法作为单独的技术来用于原油破乳，尚需在破乳深度上进行更深入的研究。

3.3 膜破乳法

膜破乳法是油水乳状液通过微孔膜，使得分散液滴聚结，实现破乳。

A.Zaidi等[24]调研了使用微滤和超滤技术分离油田污水中的油滴和悬浮颗粒的研究现状，分别采用纳米级到微米级孔径的无机膜和有机膜处理油田含油污水。实验结果发现，所有膜都具有一定的分离效果，但通量都较小，有一些膜的初始通量较高，之后随着膜的使用次数增多会快速下降，而且在采用膜破乳法之前需对含油污水进行预处理。吕文峰等[25]对膜孔径、透膜压力等影响微孔膜破乳效果的因素进行了研究。实验结果表明，膜孔径与乳状液液滴粒径相近时，分散相液滴通过微孔膜不发生聚结或只有部分聚结。因此，膜孔径应尽量小；液体流速随透膜压力增大而加快，使得液滴在通过微孔膜时无法有效聚结。因此，透膜压力不宜太大。

膜破乳法是一种效率高、能量消耗低和适用范围广的新型破乳技术。但是膜成本过高，导致很多应用过程从技术上是完全可行的，而经济性稍差；单位膜面积的处理能力有限，膜破乳污染较为严重。

4 结束语

超声波破乳法适应性好、效率高，且能在较低温度甚至在室温下实现破乳，但缺乏成熟稳定的工业化设备；微波破乳法在国内仍处于实验室研究阶段，向实际工业生产转化，是微波技术进一步发展的方向；电破乳法的优点是破乳效率高、技术成熟，但难以处理高含水的原油乳状液，且能耗较大；研磨破乳法操作简单，易实现，但破乳效率不高；膜破乳法高效、节能，但有限的膜品种与复杂应用情况的匹配问题亟待进一步解决。

上述几种物理破乳方法各有优势，同时也均存在待解决的问题。综合比较，超声波破乳法和微波破乳法是最有前景的两种物理破乳方法，进一步深入认识破乳机理，开发稳定有效的工业化破乳设备是今后的研究重点。可见，物理法原油破乳凭借其低能耗、低成本、环保、高效的优势将成为未来原油破乳的发展趋势。

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