CN101343556B - 原油电脱水器的辉光荷电电极极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板，包括正电极极板和负电极极板，所述正电极极板和负电极极板中，其中一个是线阵列极板，另一个是用于与所述线阵列极板形成辉光通道的尖缘阵列极板。所述尖缘阵列极板可以为针阵列极板、片阵列极板或针片组合阵列极板。与现有技术的网状极板结构相比，本发明基于针电极或片电极的直流辉光放电具有更加均匀的空间分布，提高了最大可注入功率，增加了辉光放电的功率密度，使水珠荷电，进而导致原油电脱水器以电泳脱水为主体。应用本发明可开发基于直流电源的辉光放电装置，这对脉冲辉光放电装置制造困难和成本高既是合理回避，又具有很高的商业应用价值。

Description

原油电脱水器的辉光荷电电极极板

技术领域

本发明涉及一种原油电脱水器装置中的电极装置，特别是一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板。 

背景技术

在油田生产中，从油井中生产出的原油总是含有水或盐，需通过电脱水器将水或盐脱离掉，达到净化原油的目的，因此电脱水器是原油生产过程中必不可少的重要设备。现有技术原油电脱水器的原理是静电分离，即利用电场的静电力，使水珠从原油中分离出来，而静电分离存在两种形式： 

第一种是偶极聚结。置于电场中的油包水型乳化液的水珠，由于受电场的诱导而产生偶极极化，使正电荷和负电荷分别处于水珠的两端，相邻两个水珠的靠近一端恰好成为异性，相互吸引，结果使两个水珠合并为一体。由于电场是连续的，这种过程的发生呈连锁反应，当水珠粒径增大到其重力足以克服乳化液的稳定性时，水珠即自原油中沉降分离出来。 

第二种是电泳聚结。在原油进入脱水罐的过程中，由于电离、吸附和摩擦接触等因素的影响，一些水珠本身带有一定的电荷，在直流电场的作用下，水珠产生了不平衡的电场力作用，使其向符号相反的电极极板方向运动，即产生了电泳脱水。在电泳运动过程中，一部分颗粒大的水珠会因带电多而速度快，速度不等会使大小不等的水珠发生相对运动，在相对运动中发生碰撞合并增大，当水珠粒径增大到一定程度后即从原油中沉降分离出来。其它未发生碰撞或碰撞后还不够大的带电水珠，会一直电泳到符号相反的电极极板表面，并在电极极板表面聚结或聚集(碰撞而未合并)在一起，然后从原油中分离出来。直流电场的破乳聚结主要是在电极极板附近的有限区域内进行， 由于电极极板对颗粒的强烈吸引与排斥作用而形成的相互碰撞和堆积，并由于电场方向始终不变，所以脱水效率高，利于深度脱水，提高净化质量。 

实际应用表明，现有技术原油电脱水器尽管在直流电场的作用下有电泳和偶极聚结的共同作用，但粒径小而未带电的水珠往往失去合并的对象，无法聚结增大，难以从油中脱出，特别是对于油田后期采出的原油含水量高和部分特殊地区的稠油，脱水更加困难，原油含水指标难以满足石化工业要求。 

目前，现有技术原油电脱水器提供的电场均是由电源和两个电极极板组成，两个电极极板均采用金属板拉网或金属丝编网结构形式，这种电极极板由于是密集的网状结构，所形成的电场基本等效于两个平行金属板结构形式的电场。 

中国专利ZL00202051.3提出了一种原油电脱水器组合式极板，主要由边框和极板构成，而极板是由长料和短料制成的极板片，并组合安装在边框中。该组合式极板提高了极板的平直牢固性，增强了极板的表面积，增加了场强，增强了处理各种不同性质原油的能力。中国专利ZL200620117990.8提出了一种复合式原油电脱水极板，极板由正电极板、负电极板、栅板式电极组成，正电极板和负电极板是直条圆钢按等距平行焊接在各自的边框上，栅板式电极由栅板等距倾斜焊接在其边框上，栅板式电极置于正电极板和负电极板的下方并作为接地极。该复合式极板增强了预脱水能力，可产生高梯度电场，使进入电场的原油含水率降低，脱水速度加快，效率得到提高。中国专利ZL200720021235.4提出了一种绝缘电极网，由金属导体构成主体，在金属导体的外表设置绝缘层，金属导体编制成网状。当石油的含水很高时或者乳化程度很高时，对于电场局部因原油性质变化引起的电场破坏，电脱水器仍不会受到影响。 

实践表明，由于现有技术上述技术方案的脱水机理都是基于偶极聚结原理，极板分布难以使水珠荷电，难以实现电泳聚结，因此脱水效果不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板，有效解决现有原油电脱水器脱水效果不理想的技术缺陷。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板，包括正电极极板和负电极极板，所述正电极极板和负电极极板中，其中一个是网状极板，另一个是用于与所述网状极板形成辉光通道的尖缘阵列极板。 

一个尖缘阵列极板可以平行设置在一个网状极板的一侧，或一个尖缘阵列极板平行设置在二个网状极板之间，或一个网状极板平行设置在二个尖缘阵列极板之间。 

在上述技术方案基础上，所述尖缘阵列极板为针阵列极板，所述针阵列极板包括针电极框架和针电极，所述针电极框架为网状框架结构，数个针电极依次设置在网状框架结构的表面上，且每个针电极垂直于针电极框架的平面。进一步地，针电极针尖的半径小于或等于0.01毫米。 

在上述技术方案基础上，所述尖缘阵列极板为片阵列极板，所述片阵列极板包括片电极框架和片电极，所述片电极框架为网状框架结构，数个薄片状的片电极依次设置在网状框架结构的表面上，且每个片电极的平面垂直于片电极框架的平面。进一步地，片电极边缘的厚度小于或等于0.01毫米。 

在上述技术方案基础上，所述尖缘阵列极板为针片组合阵列极板，所述针片组合阵列极板包括框架、针电极和片电极，所述框架为网状框架结构，数个针电极和片电极组合设置在网状框架结构的表面上，且每个针电极垂直于框架的平面，每个片电极的平面垂直于框架的平面。 

本发明提供了一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板，采用了原油乳状液中辉光放电使水珠荷电的机理，荷电后的水珠在电场力作用下吸附在电极极板上，达到原油电泳脱水的目的。与现有技术的网状极板结构相比，本发明基于针电极或片电极的直流辉光放电具有更加均匀的空间分布，提高了最大可注入功率，增加了辉光放电的功率密度，使水珠荷电，进而导致原油电脱水器以电泳脱水为主体，达到理想的脱水效果。通过改变阵列规模还可以得到不同的脱水效果，具有广阔的应用前景。应用本发明可开发基于直流电源的辉光放电装置，这对脉冲辉光放电装置制造困难和成本高既是合理回避，又具有很高的商业应用价值。 

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

图1为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第一实施例的结构示意图； 

图2为本发明针阵列极板的结构示意图； 

图3为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第二实施例的结构示意图； 

图4为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第三实施例的结构示意图； 

图5为本发明片阵列极板的结构示意图； 

图6为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第四实施例的结构示意图。 

附图标记说明： 

1—线阵列极板；　　　　　　　2—针阵列极板；　　　　　3—片阵列极板； 

21—针电极框架；            22—针电极；             31—片电极框架； 

32—片电极。 

具体实施方式

研究表明，在直流电场的作用下，在原油电脱水器内部，运动的自由电子在两个电极极板之间形成了微弱电流。电压越高，电场强度越大，电极极 板附近自由电子的运动速度越快。高速运动的自由电子撞击原油乳状液中所含的中性气体分子使之电离，产生大量正离子、负离子和自由电子，形成等离子体，使电极极板间电流(电晕电流)急剧增大，在电极极板附近发生电晕辉光放电，形成电晕区。负离子和自由电子受电场力的作用向正电极极板移动，移动时与水珠乳化膜碰撞而结合在一起，使水珠荷电。带负电荷的水珠在电场力的驱动下向正电极极板转移，最后吸附在正电极极板上而与原油分离。同理，正离子向负电极极板移动，移动时与水珠乳化膜碰撞而结合在一起，使水珠荷电。带正电荷的水珠在电场力的驱动下向负电极极板转移，最后吸附在负电极极板上而与原油分离。由此可见，水珠运动在很大程度上决定了脱水效果，而水珠荷电是水珠运动的前提，而电晕辉光放电能产生有效高能电子使水珠荷电，因此电晕辉光放电在很大程度上决定了脱水效果。 

由于现有技术的辉光荷电电极极板为线阵列极板(也称网状极板)，辉光放电中，电离只在网状极板周围很小的区域中进行，而且直至火花击穿才出现极少的辉光区域。发明人的研究表明，辉光放电区域能使水珠的乳化膜带电，即能使水珠荷电，而非辉光放电区域不能使水珠的乳化膜带电，即不能使水珠荷电。因此，由于现有技术网状极板结构只出现极少的辉光区域，水珠荷电效果微弱，其脱水原理只能是以偶极聚结脱水为主体。尽管在原油进入脱水罐过程中由于摩擦等作用，水珠本身带有一定的电荷，可以产生一定的电泳脱水，但在实际脱水过程中，这种自然形成的带电水珠数量非常少，因而很难产生理想的脱水效果。 

图1为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第一实施例的结构示意图，为一种二层辉光荷电电极极板结构。如图1所示，本实施例辉光荷电电极极板包括平行设置的正电极极板和负电极极板，其中正电极极板为线阵列极板(也称网状极板)1，负电极极板为针阵列极板2，形成本实施例针阵列电极极板结构。本实施例中，线阵列极板1和作为尖缘阵列极板的针阵列极板2用于形成辉光通道，以产生较多的有效高能电子，使水珠荷电几率加大。 针阵列极板2包括针电极框架21和针电极22，针电极框架21为网状框架结构，其平面与线阵列极板1的平面平行，数个针电极22依次设置在网状框架结构一侧的表面上，且每个针电极22垂直于针电极框架21的平面。图2为本发明针阵列极板的结构示意图。如图2所示，数个针电极22依次排列成一条直线，针电极框架21上网状框架结构的长度为L，表示针阵列极板一个的模块的长度，由针电极框架21的网格大小决定；相邻针电极22之间的距离为a，该参数越小越好，但不能为零；针电极22的长度为b，该参数主要取决于电场强度；针电极22可以采用不锈钢类的金属针，针尖半径小于或等于0.01毫米。上述参数均可根据实际工程实施情况确定。 

如图1所示，线阵列极板1中的线平行于线阵列极板的平面，如果极板2也是线阵列极板，这种电极极板属于石油行业最传统和最经典的电极极板结构。研究表明，这种结构即使电场很强也很难形成辉光放电。 

下面通过本实施例针阵列电极极板结构的作用机理进一步说明本实施例的技术方案。随着电场的逐渐加强，针阵列极板中针电极附近的电场也在不断增强。当针阵列极板附近的电场都达到辉光的阈值场强时，全部针电极都能够引发辉光。随着电场的进一步加强，辉光整体进一步增强，直至最后击穿。发明人的研究结果表明，辉光放电充满了针阵列极板和另一电极极板之间，能使水珠荷电。因为针阵列电极极板结构中二个电极极板之间的电场是一种极不均匀的电场，在针阵列极板的尖端附近的电力线比较集中，所以产生的电场强度很高，形成明亮的放电通道向另一个电极极板延伸，因而能产生较多的有效高能电子，使水珠荷电几率加大，荷电时间缩短，而被迅速带电。这样，与现有技术线阵列极板电极结构完全不同的是，本实施例这种针阵列电极极板结构能使电场区域的水珠荷电，进而导致原油电脱水器以电泳脱水为主体。 

在实际应用中，也可以采用负电极极板为线阵列极板、正电极极板为针阵列极板的针阵列电极极板结构，针阵列极板中的框架形状可以为正方形、 矩形、平行四边形、菱形、梯形、三角形、圆形或椭圆形，也可以为本领域技术人员惯常采用的形状。施加在正电极极板和负电极极板的电源不仅可以是直流电源，还可以是交流电源或脉冲电源，而且脉冲电源所形成的脉冲电场具有更好的脱水效果。 

图3为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第二实施例的结构示意图，为一种三层辉光荷电电极极板结构。如图3所示，本实施例是前述第一实施例的一种结构变形，包括平行设置的二个线阵列极板1和一个针阵列极板2，其中针阵列极板2设置在二个线阵列极板1之间，数个针电极22依次设置在框架二侧的表面上，且每个针电极垂直于框架的平面，形成三层的针阵列电极极板结构。本实施例针阵列电极极板结构的相关参数和工作机理与第一实施例相同，不再赘述。本实施例三层辉光荷电电极极板结构也可以采用一个线阵列极板1和二个针阵列极板2，其中线阵列极板1设置在二个针阵列极板2之间。进一步地，本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第一实施例和第二实施例的结合还可以形成新的多层电极实施方案。 

图4为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第三实施例的结构示意图，为一种二层辉光荷电电极极板结构。如图4所示，本实施例辉光荷电电极极板包括平行设置的正电极极板和负电极极板，其中正电极极板为线阵列极板(也称网状阵列极板)1，负电极极板为片阵列极板3，形成本实施例片阵列电极极板结构。本实施例中，线阵列极板1和作为尖缘阵列极板的片阵列极板3用于形成辉光通道，以产生较多的有效高能电子，使水珠荷电几率加大。片阵列极板3包括片电极框架31和片电极32，片电极框架31为网状框架结构，其平面与线阵列极板1的平面平行，数个薄片状的片电极32依次设置在网状框架结构一侧的表面上，且每个片电极32的平面垂直于片电极框架31的平面。图5为本发明片阵列极板的结构示意图。如图5所示，片电极32的基体采用尽可能薄的不锈钢类金属薄片，辉光由片状电极边缘引发。片电极32的长度为L，宽度为w，其边缘带有半径为R的倒角，镶嵌于长度为 L的片电极框架31的网状框架结构上，片电极边缘的厚度小于或等于0.01毫米。上述参数可根据实际工程实施情况确定，片电极的长度为L由片电极框架31的网格大小决定，原则上越短越好，但受到原油黏度特性的限制。 

下面通过本实施例片阵列电极极板结构的作用机理进一步说明本实施例的技术方案。随着外施电场的不断加强，辉光首先在片阵列极板中片电极的外侧开始出现，明亮的放电通道向另一个电极极板延伸。在电场进一步加强后，辉光开始从片电极边缘更多的位置出现。电场继续加强，辉光则会完全占满了片电极边缘，由片电极边缘延伸出的辉光通道形成了明亮的蓝色幕状放电区。在电场加强到一定值时，火花击穿发生，可以看到在薄片状的片电极所产生的辉光放电中，辉光通道具有更加均匀的空间分布，因而能产生较多的有效高能电子，使水珠荷电几率加大，荷电时间缩短，而被迅速带电。这样，现有技术线阵列极板电极结构完全不同的是，本实施例这种片阵列电极极板结构能使电场区域的水珠荷电，进而导致原油电脱水器以电泳脱水为主体。发明人的研究结果表明，本实施例采用薄片形成的片阵列电极极板结构能够使辉光分布更加均匀，有效降低了热不稳定性导致击穿的概率，允许更大的平均功率存在，使得最大放电功率密度显著升高。此外，本实施例片阵列电极极板结构具有结构简单、放电均匀强烈、工作稳定可靠和成本低等特点。发明人的研究结果进一步表明，由于在同样条件下片阵列电极极板结构的击穿电压更高，脉冲平均功率会随外施电压和放电电流的提高而提高，脉冲平均功率也更高。相对于第一、第二实施例的针阵列电极极板结构，片阵列电极极板结构更加改善了辉光分布的均匀性，克服了热不稳定性的影响，脉冲平均功率得以显著提高，从而提高了放电功率密度。 

在实际应用中，也可以采用负电极极板为线阵列极板、正电极极板为片阵列极板的片阵列电极极板结构，片阵列极板中的框架形状可以为正方形、矩形、平行四边形、菱形、梯形、三角形、圆形或椭圆形，也可以为本领域技术人员惯常采用的形状。施加在正电极极板和负电极极板的电源不仅可以 是直流电源，还可以是交流电源或脉冲电源，而且脉冲电源所形成的脉冲电场具有更好的脱水效果。 

图6为本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第四实施例的结构示意图，为一种三层辉光荷电电极极板结构。如图6所示，本实施例是前述第三实施例的一种结构变形，包括平行设置的二个线阵列极板1和一个片阵列极板3，其中片阵列极板3设置在二个线阵列极板1之间，数个片电极依次设置在框架二侧的表面上，且每个片电极垂直于框架的平面，形成三层的片阵列电极极板结构。本实施例片阵列电极极板结构的相关参数和工作机理与第三实施例相同，不再赘述。本实施例三层辉光荷电电极极板结构也可以采用一个线阵列极板1和二个片阵列极板3，其中线阵列极板1设置在二个片阵列极板3之间。进一步地，本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第三实施例和第四实施例的结合还可以形成新的多层电极实施方案。 

进一步地，本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第一实施例和第三实施例的结合还可以形成新的实施方案。该实施方案包括一个线阵列极板和一个针片组合阵列极板，针片组合阵列极板包括框架、针电极和片电极，框架为网状框架结构，数个针电极和片电极以组合方式设置在框架的表面上，且每个针电极垂直于框架的平面，每个片电极的平面垂直于框架的平面，形成针片组合阵列极板结构。本实施方案可以将针阵列极板和片阵列极板的优点有机地组合起来，最大限度地提高脱水效果。当然，本发明原油电脱水器的辉光荷电电极极板第二实施例和第四实施例的结合也可以形成各种各样的新的实施组合方案及多层实施组合方案。 

本发明上述实施例提供了针阵列电极极板结构、片阵列电极极板结构和针片组合阵列极板结构，采用了原油乳状液中辉光放电使水珠荷电的机理，荷电后的水珠在电场力作用下吸附在电极极板上，达到原油电泳脱水的目的。与现有技术的网状极板结构相比，本发明基于针电极或片电极的直流辉光放电具有更加均匀的空间分布，提高了最大可注入功率，增加了辉光放电的功 率密度，使水珠荷电，进而导致原油电脱水器以电泳脱水为主体，达到理想的脱水效果。通过改变阵列规模还可以得到不同的脱水效果，具有广阔的应用前景。应用本发明可开发基于直流电源的辉光放电装置，这对脉冲辉光放电装置制造困难和成本高既是合理回避，又具有很高的商业应用价值。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

本专利得到国家高技术研究发展计划(863计划)支持，项目名称：高效节能环保原油混沌脉冲电脱水器产业化关键技术研究(项目编号：2007AA05Z230)。

Claims (6)

1.一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板，包括正电极极板和负电极极板，其特征在于，所述正电极极板和负电极极板中，其中一个是网状极板，另一个是用于与所述网状极板形成辉光通道的尖缘阵列极板；所述尖缘阵列极板为片阵列极板，所述片阵列极板包括片电极框架和片电极，所述片电极框架为网状框架结构，数个薄片状的片电极依次设置在网状框架结构的表面上，且每个片电极的平面垂直于片电极框架的平面；

其中，片电极边缘的厚度小于或等于0.01毫米。

2.根据权利要求1所述的原油电脱水器的辉光荷电电极极板，其特征在于，一个尖缘阵列极板平行设置在一个网状极板的一侧。

3.根据权利要求1所述的原油电脱水器的辉光荷电电极极板，其特征在于，一个尖缘阵列极板平行设置在二个网状极板之间，或一个网状极板平行设置在二个尖缘阵列极板之间。

4.一种原油电脱水器的辉光荷电电极极板，包括正电极极板和负电极极板，其特征在于，所述正电极极板和负电极极板中，其中一个是网状极板，另一个是用于与所述网状极板形成辉光通道的尖缘阵列极板；所述尖缘阵列极板为针片组合阵列极板，所述针片组合阵列极板包括框架、针电极和片电极，所述框架为网状框架结构，数个针电极和片电极组合设置在网状框架结构的表面上，且每个针电极垂直于框架的平面，每个片电极的平面垂直于框架的平面；

其中，针电极针尖的半径小于或等于0.01毫米，片电极边缘的厚度小于或等于0.01毫米。

5.根据权利要求4所述的原油电脱水器的辉光荷电电极极板，其特征在于，一个尖缘阵列极板平行设置在一个网状极板的一侧。

6.根据权利要求4所述的原油电脱水器的辉光荷电电极极板，其特征在于，一个尖缘阵列极板平行设置在二个网状极板之间，或一个网状极板平行设置在二个尖缘阵列极板之间。

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