油田含油污水空化破乳实验研究.pdf

油田含油污水空化破乳实验研究 王波赵会军王小兵单如健 常州大学 江苏省油气储运技术重点实验室， 江苏 常州 213016 摘要 以系统有、 无孔板破乳元件在每个相同流量下除油率的比较来表征孔板空化破乳效果， 并通过比较装有孔板破 乳元件的系统在各孔径和流量下的除油率， 确定实验最佳孔径和流量。结果表明 孔板空化破乳法对于乳化液的破坏 是有效的， 且效果显著; 在孔径为 8 mm， 流量为 3. 85 m3/h 时， 系统破乳效果最好， 除油率可达 97， 孔径偏大或偏小 及流量偏高或偏低均会影响空化破乳效果。 关键词 物理破乳; 除油率; 空化; 孔板破乳元件 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403005 EXPEＲIMENTAL STUDY ON DEMULSIFICATION OF OILFIELD OILY SEWAGE BY CAVITATION Wang BoZhao HuijunWang XiaobingShan Ｒujian Jiangsu Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Technology， Changzhou University，Changzhou 213016， China AbstractThe comparison in de- oiling efficiency of system with or without orifice demulsification component with the same flow was taken to uate demulsification perance by cavitation， and by comparing de- oiling efficiencies of system with orifice demulsification component under different flow rates and bore diameters，experimental optimal bore diameter and flow rate were determined． The results showed that the effects of demulsification by cavitation were remarkable． Demulsification perance of system was the best one when bore diameter was 8 mm and flow rate was 3. 85 m3/h ， with the de- oiling efficiency reaching 97． Too large or too small bore diameters and flow rates all affected demulsification perance． Keywordsphysical demulsification;de- oiling efficiency;cavitation;orifice demulsification component 收稿日期 2013 －06 －01 0引言 含油污水是油田污水污染源之一， 通常含有大量 的油类、 悬浮物、 重金属等物质 ［1 ］。由于油田含油污 水油水分离难度大， 处理不彻底不仅会给油气开采、 运输等过程带来一系列问题［2 ］， 还会造成土壤、 水源 的污染 ［3 ］。因此， 对于油田含油污水的处理已成为 各大油田必须解决的问题之一。 目前， 应用于油田含油污水的物理破乳技术主要 是通过对乳化液施加外力或依靠乳状液内部分子之 间的力， 导致液珠发生碰撞使油水界面膜破裂， 释放 出来的水相互接触聚集， 并最终使油水分离［4 ］。常 见的物理破乳法包括施加电场 电处理 、 离心、 过滤 以及微波辅助破乳等［5 ］。上述破乳方法具有需要动 力设备， 增加处理能耗或需要加入破乳剂， 增加成本 等缺点。 空化破乳是一种新型的物理破乳技术， 克服了 上述传统物理破乳方法的不足， 表现出良好的发展 前景。本实验采用空化破乳法， 含油污水中的乳化 液以一定速度通过装有孔板破乳元件的管路， 根据 文丘里原理， 含油污水中的乳化液在经过孔板时， 若孔口处的压力低于当时温度下水的饱和蒸汽压， 乳化液内部会发生气体空泡的形成、 发展和溃灭的 过程， 整个过程时间短， 溃灭压力大［6］。其中， 在乳 化液内部空泡溃灭产生的高压导致乳化液液膜破 裂从而达到破乳目的。经压力破乳后的含油污水 进入聚结罐， 不仅加快油珠上浮， 促进小油珠的聚 结， 还可去除不易上浮的油珠， 提高油水分离效 率［10］， 最终实现油水分离。 1实验部分 1. 1实验流程 实验装置如图 1 所示。某油田采出液经过三相 91 水污染防治 Water Pollution Control 分离器 1 分离处理后的含油污水， 经曝气沉淀罐 2 做 曝气预处理， 可以去除含油污水中游离状态的油、 絮 状物和固体颗粒以及硫等还原性物质［7 ］。处理后的 含油污水经水泵 4 给其提供输送能量， 然后再经不同 孔径的孔板破乳元件 8 做乳化液空化破乳处理。经 破乳后的小油滴在聚结罐 9 中快速聚结成大油滴实 现油水分离。破乳前后的压力由压力表 1 和压力表 2 测得。 图 1实验装置流程 Fig． 1Flow chart of experiment 1. 2实验原理 实验管路中管径取 D 20 mm。根据伯努力方 程 Z1 P1 γ V12 2g H Z2 P2 γ V22 2g hf， 可以计算 出 P2， 即孔口处的压力。当 P2 ＜ P0 P0取30 ℃时水 的饱和蒸汽压 时， 孔口处含油污水的乳化液发生空 化现象， 利用空化产生的压力实现破乳。 1. 3实验方法 本实验额定处理量为3.8 m3/h， 来水温度 ＜60 ℃， 来水压力 ＜0. 6 MPa。 为了研究孔板破乳元件的破乳效果， 分别设定系 统的处理量 通过调节变频器， 改变离心泵的排量来 实现 为 3， 3. 3， 3. 5， 3. 8， 4 m3/h。具体实验过程中， 在最佳处理效果突变处， 加密流量实验点。 1. 3. 1取样 开启系统运行， 调节流量计至预定流量， 将取样 阀打开， 待水流以50 ～70 L/min 流速畅流3 min 后依 次在各取样口取样。 1. 3. 2测定含油量 将从水样中用石油醚萃取到的液体转入具塞刻 度比色管中并贴上标签， 使用哈希 DＲ2800 分光光度 计读取萃取液的吸光度， 通过计算得到污水中的含油 量。含油量计算公式见式 1 。 C0 97. 09N － 0. 136 V 1 式中C0 被测水样的含油量， mg/L; N 被测水样的吸光度; V 被测水样的体积， L。 1. 4破乳效果评价 空化破乳法与其他一些破乳方法相似， 不能直接 得出破乳率， 必须引入相关指标间接表征其破乳效 果。例如， 管金发等 ［8 ］以浓相体积变化分数随时间 的变化关系表征破乳效果。蔡文斌 ［9 ］以聚合物溶液 黏度随流量的变化关系表征破乳效果。 由于聚结罐主要用于浮油和分散油的处理 ［10 ］， 孔板破乳元件用于乳化油的处理， 所以本文采用对比 实验间接说明孔板元件的空化破乳效果。A 组为孔 板破乳分系统与油水聚结分系统组合工作时， 在不同 处理量 流量和孔径 条件下的除油率; B 组为油水 聚结分系统单独工作时， 在不同处理量 流量 条件 下的除油率。通过对比两组实验在每个相同流量下 的除油率， 表征孔板元件的空化破乳效果， 即若 A 组 除油率大于 B 组除油率， 说明孔口处发生了空化破 乳。并且， 差值越大， 孔板空化破乳效果越好。除油 率计算公式见式 2 。 η M1－ M2 M1 100 2 式中η 除油率; M1 系统进口含油量， mg/L; M2 系统出口含油量， mg/L。 2实验结果与分析 使用红外温度计和压力表对每一个实验条件下 的进口含油污水温度及破乳前后压降进行测试， 测试 结果为温度在 28 ～32 ℃， 压降在 0. 21 ～0. 25 MPa。 2. 1未装孔板破乳元件的系统对破乳效果的影响 图 2 为未装孔板破乳元件的系统对破乳效果的 影响。从图 2 可以看出 当流量较小时， 未装孔板破 乳元件的系统除油率保持在较高水平。随着流量增 大， 系统除油率持续降低。流量为 3 m3/h 时， 系统除 油率最大可达 75. 8。这是因为在低流量条件下， 流速对油滴在聚结罐中的停留时间 ［11 ］影响不大， 油 滴可以聚结、 上浮， 但随着流量的增大， 较大流速影响 了油滴在聚结罐中的停留时间， 所以除油率呈持续下 降趋势。 2. 2装有孔板破乳元件的系统对破乳效果的影响 图 3 为装有孔板破乳元件的系统对破乳效果的 影响。 02 环境工程 Environmental Engineering 图 2不装孔板破乳元件下的系统除油率 Fig．2De- oiling efficiency of system without orifice demulsification component 图 3不同流量不同孔径下的系统除油率 Fig．3De- oiling efficiency of system under different flow rates and bore diameters 从图 3 可以看出 当系统装有不同孔径的孔板 时， 除油率均先随流量的增加而增大， 然后再缓慢减 小直至趋于稳定。这是因为相同孔径的孔板， 流量偏 大或相同流量， 孔板孔径偏小均减少油滴在聚结罐中 的停留时间， 影响破乳效果; 对于相同孔径的孔板， 流 量偏小或相同流量， 孔板孔径偏大均导致孔口处产生 较少的空泡甚至不产生空泡， 影响破乳效果。 选用孔径为 6. 5 mm 的孔板， 在相同流量下除油 率均较其他孔径的孔板小。为了说明孔板空化破乳 效果， 将系统未装孔板和装最小孔径 d 6. 5 mm 的 孔板在每个相同流量下的除油率进行对比， 结果如表 1 所示。 由表 1 可知 孔板破乳元件对含油污水的乳化液 起到了空化破乳的作用， 且破乳效果显著。 选用孔径为 8 mm 的孔板， 在相同流量下的除油 率均较其他孔径的孔板大， 确定 8mm 为实验最佳孔 表 1系统未装孔板和装最小孔径的孔板在不同 流量下除油率的比较 Table 1Comparison of de- oiling efficiency of system without orifice and with the smallest bore diameter orifice under different flows 流量/ m3 h －1 除油率/ 不加孔板d 6. 5 mm 3. 075. 877. 0 3. 370. 382. 8 3. 568. 187. 0 3. 865. 092. 1 4. 063. 392. 6 径; 且当流量为 3. 85 m3/h 时， 系统除油率达最大， 为 97， 确定 3. 85 m3/h 为实验最佳流量， 此时各取样 口含油污水的萃取液如图 4 所示。 图 4最佳孔径和流量下各取样口含油污水的萃取液 Fig．4Extract liquid of oily sewage at the sampling outlets under optimal bore diameter and flow rate 3结论 1通过对系统有、 无孔板破乳元件在相同流量下 的除油率进行对比， 结果表明孔板破乳元件对含油污 水的乳化液具有空化破乳的作用， 且破乳效果显著。 2空化破乳存在最佳孔径和最佳流量， 即孔径 为 8 mm， 流量为 3. 85 m3/h 时， 系统破乳效果最好， 除油率可达 97。孔径偏大或偏小及流量偏高或偏 低都会影响空化破乳效果。 参考文献 ［1］姜海洋， 陈进富． 油田含油污水达标外排生物处理影响因素研 究［J］． 环境工程， 2008， 26 3 71- 74. ［2］宋佳宇， 刘玉龙， 陈梅梅． 人工湿地技术处理油田含油污水的 应用［J］． 油气田环境保护， 2013， 23 1 43- 45. ［3］张建， 侯影飞， 周洪洋， 等． 活性半焦用于油田含油污水除油的 研究［J］． 环境工程学报， 2010， 4 2 355- 359. 下转第 64 页 12 水污染防治 Water Pollution Control 中载锆后的膨润土有较明显层剥离现象， 较大颗粒保 留层状结构和片状形态， 小颗粒片状结构分散较好。 这些特征与 XＲD、 IＲ 的分析结果一致， 为所制备的材 料能高效除磷提供理论依据。 图 8天然膨润土、 钠化膨润土、 锆改性膨润土 SEM 图 Fig． 8SEM spectra of zirconium- modified bentonite，sodium bentonite， original bentonite 3结论与建议 1以水合氧氯化锆为改性剂， 以钠基膨润土为 载体， 采用浸渍法成功制备出高效除磷复合材料， 去 除率可达 95。IＲ 分析表明钠化后的膨润土性能优 于钙基膨润土; XＲD 测试结果表明对水中的阴离子 有较强的吸附作用的锆能成功进入膨润土层间， SEM 表明载锆后的膨润土吸附性能提高。 2当改性土用量达到 0. 6 g 时， 吸附达到平衡， 吸附过程符合 Langmuir 等温模型。锆改性膨润土对 磷的吸附主要发生在 60 min; 温度对吸附的影响不是 很大， 可以在室温下进行; 当磷初始浓度达 100 mg/L 时， 吸附量趋于平衡; 该复合材料对磷的吸附有较宽 的 pH 值范围， 有利于实际应用。 参考文献 ［1］程丽巍， 许海， 陈铭达， 等． 水体富营养化成因及防治措施研究 ［J］． 环境保护科学， 2007， 33 1 18- 21． ［2］Kim E H， Lee D W， Hwang H K， et al． Ｒecovery of phosphates from wastewater using converter slag Kinetics analysis of a completelymixed phosphorus crystallization process［ J］ ． Chemosphere， 2006， 63 2 192- 201． ［3］Hosni K，Moussa S B， Amor M B．Conditions influencing the removal of phosphate from synthetic wastewater Influence of the ionic composition［J］． Desalination， 2007， 206 1- 3 279- 285． ［4］翟由涛． 吸附法除磷研究进展［J］． 安徽农业科学， 2010，38 15 8154- 8158． ［5］易发成， 杨剑， 李虎杰， 等． 膨润土物化性能及其开发利用［J］． 中国矿业， 2005， 14 2 35- 37． ［6］杨敏． 改性膨润土的吸附剂的制备及其除磷脱氮性能研究 ［D］． 昆明 昆明理工大学， 2002 5- 10． ［7］和万芬， 杨敏． 膨润土对金银花的吸附研究［J］． 云南民族大学 学报． 自然科学版， 2008， 17 4 343- 344． ［8］王代芝， 许德厦． 钠基膨润土对氨氮废水的处理［J］． 化学工业 与工程技术， 2006， 27 1 22- 25． ［9］聂锦旭， 肖贤明， 刘立凡． 改性膨润土吸附废水中氨氮的试验研 究［J］． 非金属矿， 2006， 29 1 43- 45． ［ 10］潘嘉芬． 膨润土和沸石的改性及其在废水处理中的应用［J］． 矿产保护与利用， 2004 2 34- 37． ［ 11］董庆洁， 周学永． 锆、 铁水合氧化物对磷酸根的吸附［J］． 离子 交换与吸附， 2006， 22 4 363-368． ［ 12］黄丽玫， 陈红红． 载锆改性沸石对水中氟的吸附性能及动态除 氟效果［J］． 现代预防医学， 2011， 38 18 3733- 3737． 第一作者 穆凯艳 1988 － ，女，硕士，主要从事分离分析研究工作。 785597210 qq． com 通讯作者 王红斌 1966 － ，男，教授，主要从事分离分析的教学与 科研工作 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 。 上接第 21 页 ［4］王建明， 葛圣松， 郑衡． 油水乳液破乳研究发展［J］． 石油化工 腐蚀与防护， 2007， 24 5 10- 13. ［5］Tan W， Yang X G， Tan X F． Study on demulsification of crude oil emulsions by microwave chemical ［J］ ． Separation Science and Technoloy， 2007， 42 1367. ［6］龙新平， 何培杰． 射流泵气蚀问题研究综述［J］ ． 水泵技术， 2003 4 33- 38. ［7］邹茂荣， 于德爽． 沥青厂废水处理工程设计［J］ ． 给水排水， 2001， 27 1 43- 44. ［8］管金发， 邓松圣， 郭广东， 等． 乳化油废水自然沉降破乳实验研 究［J］． 化工机械， 2012， 39 4 443- 451. ［9］蔡文斌． 聚合物乳液水动力学及其注入工艺研究［D］． 东营 中国石油大学 华东 ， 2009 60- 64. ［ 10］王敏， 杨昌柱， 闫莉． 波纹板聚结油水分离器的研究［J］． 交通 环保， 2004， 25 1 26- 28. ［ 11］倪玲英， 何利民． 含聚结填料分离器的分离特性试验研究［J］． 石油矿场机械， 2007， 36 10 61- 64. 第一作者 王波 1986 － ， 男， 硕士， 主要从事乳化液物理破乳技术方 面的研究。wangbonuli163． com 46 环境工程 Environmental Engineering