CN112062216A - 基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法和装置 - Google Patents

基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法和装置 Download PDF

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    • C10G33/06—Dewatering or demulsification of hydrocarbon oils with mechanical means, e.g. by filtration

Abstract

本发明提供了一种基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法，所述破乳方法包括：使含有双乳液滴的乳液以一定的速度通过亲水/亲油组合纤维流动，基于亲油疏水纤维和亲水疏油纤维对油水两相的极性力差异捕获双乳液滴，同时在乳液流动形成的剪切流场的驱动下，被纤维捕获的液滴沿着所在纤维顺流迁移并发生内循环流动，当液滴迁移至纤维异质结处时，双乳液滴实现破乳分离。本发明同时提供了一种应用所述破乳方法的破乳装置。所述破乳方法和装置分离过程简单、时间短、处理量大、工作高效稳定、能耗低、破乳分离深度高，可广泛应用于油气开采、石油化工、煤化工等行业的油水分离过程。

Description

基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法和装置
技术领域
本发明属于油水破乳分离技术，具体地，涉及基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法和装置。
背景技术
在石油开采、石油化工、煤化工等行业生产中，经常会产生大量高度乳化的含油污水，其中包含的双乳液滴是目前污水处理中的难点。针对此类污水，当前普遍采用的方法有化学法和物理法等，其中投加化学药剂的破乳方法，成本高、产生油泥会造成二次污染，且随水质变化，药剂更换频繁、普适性差。而物理法破乳具有普适性强、污油回收性好、无二次污染的优点，但是，目前的物理破乳技术主要是通过施加电、超声、微波、热、离心等外能量场进行破乳，装置复杂、能耗高，难以大规模应用。因此，开发结构简单、能耗低的机械式物理破乳方法和装置，对含油污水的处理与资源化利用具有重要意义。
CN103952853A公开了一种适用于油水分离的X型纤维编织方法，该方法将亲水疏油纤维与亲油疏水纤维采用X型编织方式，通过调节亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织角度，进而满足对不同油水分离过程的要求。CN103952852A公开了一种适用于油水深度分离的Ω型纤维编织方法，该方法将亲水疏油纤维与亲油疏水纤维采用Ω型编织方式，通过调节亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的组合方式，进而满足对不同油水深度分离过程的要求，但这两种方法仅针对油包水液滴或水包油液滴的破乳分离。CN201978540U公开了一种采用纤维破乳的前级油水分离器，利用纤维快速物理破乳和重力分离原理，对油中的水分进行分离处理，但存在分离深度低、后续处理难的缺点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于亲油疏水纤维和亲水疏油纤维对油水两相的极性力差异，并结合双乳液滴的内循环流动的破乳方法和装置，以达到对双乳液滴高效深度的破乳分离的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法，所述破乳方法包括：
使含有双乳液滴的乳液以一定的速度通过亲水/亲油组合纤维流动，所述亲水/亲油组合纤维中的亲油疏水纤维和亲水疏油纤维基于对油水两相的极性力差异捕获双乳液滴，同时，在乳液流动形成的剪切流场的驱动下，被纤维捕获的液滴沿着所在纤维顺流迁移并发生内循环流动，当液滴迁移至纤维异质结处时，在液滴内循环流动的驱动下，双乳液滴内包含的水相、油相分别被亲水疏油纤维和亲油疏水纤维捕获并沿其附着的纤维迁移，从而实现液滴的破乳分离。
根据本发明的优选实施例，所述亲水/亲油组合纤维由单层纤维堆叠而成，所述亲水/亲油组合纤维的单层纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:1～1:3。
根据本发明的优选实施例，所述亲水/亲油组合纤维中相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的2～5倍。
根据本发明的优选实施例，所述亲水/亲油组合纤维根据所处理的乳液内双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴的粒径分布，分为三段亲水/亲油组合纤维：
第一段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在10～20μm粒径分布范围内的乳液；第二段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在6～10μm粒径分布范围内的乳液；第三段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在0.1～6μm粒径分布范围内的乳液。
进一步的，所述第一段亲水/亲油组合纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织夹角为50°～75°；所述第二段亲水/亲油组合纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织夹角为50°～75°；所述第三段亲水/亲油组合纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织夹角为30°～60°。
进一步的，所述亲水/亲油组合纤维根据所需处理的乳液内双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴的粒径分布，单段或多段组合使用。
进一步的，所述亲水/亲油组合纤维多段组合使用时，每段之间亲油疏水纤维与亲水疏油纤维的编织夹角相同或不同。
根据本发明的优选实施例，所述乳液的流动速度为0.001m/s～0.02m/s。
本发明还提供了一种应用上述任一项破乳方法的基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳装置，其特征在于，包括分离器，所述分离器上设有乳液进口，油相出口和水相出口，其中分离器内依次设有若干段亲水/亲油组合纤维。
本发明的有益效果在于：
所述破乳方法为机械式破乳法，具有分离过程简单、分离时间短、处理量大、工作高效稳定、能耗低、破乳分离深度高及绿色节能环保等优点，克服了传统大多数破乳方法装置复杂、成本高、效率低、引入二次污染或难以大规模应用的难题，可广泛应用于油气开采、石油化工、煤化工等行业的油水分离过程。
附图说明
图1为本发明的破乳装置的示意图；
图2为双乳液滴状态示意图；
图3为O/W液滴破乳过程示意图；
图4为W/O液滴破乳过程示意图；
图5为本发明的亲水/亲油组合纤维的堆叠示意图。
图号说明：
10、分离器；11、乳液进口；12、油相出口；13、水相出口；
14、亲水/亲油组合纤维；
1、油滴；2、水滴；3、亲水疏油纤维；4、亲油疏水纤维。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的技术构思为：提供一种基于亲油疏水纤维和亲水疏油纤维对油水两相的极性力差异，并结合双乳液滴的内循环流动的破乳方法和装置，以达到对双乳液滴高效深度的破乳分离的目的。
其中，所述亲油疏水纤维和亲水疏油纤维编织成亲水/亲油组合纤维，所述亲油疏水纤维和亲水疏油纤维的相交处为纤维异质结；所述双乳液滴指分散相液滴中包裹着更小液滴的高度结构化流体，如水包油包水(W/O/W)液滴和油包水包油(O/W/O)液滴，以W/O/W液滴为例，其破乳过程是通过对W/O/W液滴中的O/W液滴和W/O液滴分别破乳实现的，因此W/O/W液滴的破乳可具体为O/W液滴和W/O液滴的破乳；所述内循环流动指双乳液滴在乳液流动形成的剪切流场的驱动下，沿着确定方向的自转运动。
具体而言，乳液流动过程中，亲水/亲油组合纤维中的亲油疏水纤维可捕获油滴及W/O液滴，亲水疏油纤维可捕获水滴及O/W液滴；同时，在乳液流动形成的剪切流场的驱动下，被纤维捕获的液滴会沿着所在纤维顺流迁移，并同时发生内循环流动，当液滴迁移至纤维异质结处时，在液滴内循环流动的驱动下，W/O液滴和O/W液滴内包含的分散相水滴、油滴将分别被亲水疏油纤维和亲油疏水纤维捕获并沿其附着的纤维迁移，从而实现液滴的破乳分离。破乳分离后，由于重力作用，液滴从纤维上脱落。通过控制亲水/亲油组合纤维的编织方式和乳液的流速，实现对不同粒径范围液滴的破乳分离，从而实现双乳液滴的深度高效的破乳分离过程。
实施例1
图1显示了本发明所使用的双乳液滴的破乳分离装置。由图可见，本发明的破乳分离装置包括一分离器10，所述分离器10上设有乳液进口11，油相出口12和水相出口13，其中分离器10内依次设有若干段亲水/亲油组合纤维14。
含有双乳液滴的乳液以一定的速度通过所述乳液进口11进入分离器10，并通过所述亲水/亲油组合纤维14破乳分离，经破乳分离后的油相和水相分别经油相出口12和水相出口13排出。所述双乳液滴的破乳是对连续相包裹分散相的液滴和尺寸更小的分散相包裹连续相的液滴分别破乳实现的，因此双乳液滴的破乳可具体为O/W液滴和W/O液滴的破乳。由图2所示，(a)为双乳液滴的示意图，此处为W/O/W液滴，该液滴的破乳过程可具体为(b)中O/W液滴和(c)中W/O液滴的破乳。其中，O/W液滴随乳液流动时，如图3所示其分离过程，O/W液滴以逆时针方向内循环流动，沿着亲水疏油纤维向下迁移至纤维异质结点，完成破乳分离，分离后的水相沿亲水疏油纤维流动，油相沿亲油疏水纤维流动；W/O液滴随乳液流动时，如图4所示其分离过程，W/O液滴以顺时针方向内循环流动，沿着亲油疏水纤维向上迁移至纤维异质结点，完成破乳分离，分离后的水相沿亲水疏油纤维流动，油相沿亲油疏水纤维流动。
进一步的，所述亲水/亲油组合纤维14根据所需处理的乳液内双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴的粒径分布，分为三段亲水/亲油组合纤维14。第一段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在10～20μm粒径分布范围内的乳液；第二段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在6～10μm粒径分布范围内的乳液；第三段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在0.1～6μm粒径分布范围内的乳液。所述亲水/亲油组合纤维14根据所需处理的乳液内分散相包裹连续相的液滴的粒径分布，可单段或多段组合使用。
进一步的，所述亲水/亲油组合纤维14由单层纤维堆叠而成，且所述亲水/亲油组合纤维14的亲水疏油纤维和亲油疏水纤维按照一定的编织角度，间距和数量比编织，如图5所示，(a)为所述亲水/亲油组合纤维整体结构示意图，(b)为编织和堆叠纤维结构的放大示意图。
实施例2
某油田采出水含一定量的双乳液滴，该含油污水中含油量约为2500mg/L，其中所述双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴，即W/O液滴的粒径分布如下：约10％的粒径为0.1～6μm，约30％的粒径为6～10μm，约60％的粒径为10～20μm。要求：污水经分离后水中含油量小于80mg/L。
采用实施例1的破乳装置和方法进行处理，具体工艺条件如下：
操作温度为40℃，含油污水的流速控制为0.02m/s，由于W/O液滴的粒径分布包括所述三个范围，因此采用三段亲水/亲油组合纤维。
第一段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为50°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的2倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:1；
第二段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为50°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的2倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:1；
第三段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为30°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的2倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:1。
经过以上步骤，测量出口水相中的含油量，为20mg/L，远低于目标分离指标80mg/L，该处理方法达到预期效果，满足要求。
实施例3
某油田采出水含一定量的双乳液滴，该含油污水中含油量约为3800mg/L，其中所述双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴，即W/O液滴的粒径分布如下：约15％的粒径为0.1～6μm，约35％的粒径为6～10μm，约50％的粒径为10～20μm。要求：污水经分离后水中含油量小于100mg/L。
采用实施例1的破乳装置和方法进行处理，具体工艺条件如下：
操作温度为40℃，含油污水的流速控制为0.015m/s，由于W/O液滴的粒径分布包括所述三个范围，因此采用三段亲水/亲油组合纤维。
第一段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为60°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的3倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:2；
第二段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为60°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的3倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:2；
第三段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为45°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的3倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:2。
经过以上步骤，测量出口水相中的含油量，为30mg/L，远低于目标分离指标100mg/L，该处理方法达到预期效果，满足要求。
实施例4
某油田采出水含一定量的双乳液滴，该含油污水中含油量约为2000mg/L，其中所述双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴，即W/O液滴的粒径分布如下：约20％的粒径为0.1～6μm，约40％的粒径为6～10μm，约40％的粒径为10～20μm。要求：污水经分离后水中含油量小于60mg/L。
采用实施例1的破乳装置和方法进行处理，具体工艺条件如下：
操作温度为40℃，含油污水的流速控制为0.01m/s，由于W/O液滴的粒径分布包括所述三个范围，因此采用三段亲水/亲油组合纤维。
第一段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为75°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的5倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:3；
第二段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为75°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的5倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:3；
第三段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为60°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的5倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:3。
经过以上步骤，测量出口水相中的含油量，为25mg/L，远低于目标分离指标60mg/L，该处理方法达到预期效果，满足要求。
实施例5
某油田采出水含一定量的双乳液滴，该含油污水中含油量约为2400mg/L，其中所述双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴，即W/O液滴的粒径分布如下：约30％的粒径为6～10μm，约70％的粒径为10～20μm。要求：污水经分离后水中含油量小于50mg/L。
采用实施例1的破乳装置和方法进行处理，具体工艺条件如下：
操作温度为40℃，含油污水的流速控制为0.02m/s，由于W/O液滴的粒径分布包括所述两个范围，因此采用第一段和第二段亲水/亲油组合纤维。
第一段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为75°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的3倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:2；
第二段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为60°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的3倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:2。
经过以上步骤，测量出口水相中的含油量，为15mg/L，远低于目标分离指标50mg/L，该处理方法达到预期效果，满足要求。
实施例6
某油田采出水含一定量的双乳液滴，该含油污水中含油量约为1800mg/L，其中所述双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴，即W/O液滴的粒径分布如下：约100％的粒径为0.1～6μm。要求：污水经分离后水中含油量小于50mg/L。
采用实施例1的破乳装置和方法进行处理，具体工艺条件如下：
操作温度为40℃，含油污水的流速控制为0.001m/s，由于W/O液滴的粒径分布包括所述一个范围，因此采用第三段亲水/亲油组合纤维。
第三段亲水/亲油组合纤维中亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的夹角为30°，相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的3倍，每层亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:2。
经过以上步骤，测量出口水相中的含油量，为20mg/L，远低于目标分离指标50mg/L，该处理方法达到预期效果，满足要求。

Claims (9)

1.一种基于纤维异质结的双乳液滴内循环流动的破乳方法，其特征在于，所述破乳方法包括：
使含有双乳液滴的乳液以一定的速度通过亲水/亲油组合纤维流动，所述亲水/亲油组合纤维中的亲油疏水纤维和亲水疏油纤维基于对油水两相的极性力差异捕获双乳液滴，同时，在乳液流动形成的剪切流场的驱动下，被纤维捕获的液滴沿着所在纤维顺流迁移并发生内循环流动，当液滴迁移至纤维异质结处时，在液滴内循环流动的驱动下，双乳液滴内包含的水相、油相分别被亲水疏油纤维和亲油疏水纤维捕获并沿其附着的纤维迁移，从而实现液滴的破乳分离。
2.根据权利要求1所述的破乳方法，其特征在于，所述亲水/亲油组合纤维由单层纤维堆叠而成，所述亲水/亲油组合纤维的单层纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的数量比为1:1～1:3。
3.根据权利要求1所述的破乳方法，其特征在于，所述亲水/亲油组合纤维中相邻亲水疏油纤维的间距为相邻亲油疏水纤维间距的2～5倍。
4.根据权利要求1所述的破乳方法，其特征在于，所述亲水/亲油组合纤维根据所处理的乳液内双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴的粒径分布，分为三段亲水/亲油组合纤维：
第一段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在10～20μm粒径分布范围内的乳液；
第二段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在6～10μm粒径分布范围内的乳液；
第三段亲水/亲油组合纤维处理分散相包裹连续相的液滴在0.1～6μm粒径分布范围内的乳液。
5.根据权利要求4所述的破乳方法，其特征在于，
所述第一段亲水/亲油组合纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织夹角为50°～75°；
所述第二段亲水/亲油组合纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织夹角为50°～75°；
所述第三段亲水/亲油组合纤维中，亲水疏油纤维与亲油疏水纤维的编织夹角为30°～60°。
6.根据权利要求4所述的破乳方法，其特征在于，所述亲水/亲油组合纤维根据所需处理的乳液内双乳液滴中分散相包裹连续相的液滴的粒径分布，单段或多段组合使用。
7.根据权利要求4所述的破乳方法，其特征在于，所述亲水/亲油组合纤维多段组合使用时，每段之间亲油疏水纤维与亲水疏油纤维的编织夹角相同或不同。
8.根据权利要求1所述的破乳方法，其特征在于，所述乳液的流动速度为0.001m/s～0.02m/s。
9.一种应用权利要求1-7中任一项破乳方法的破乳装置，其特征在于，包括分离器，所述分离器上设有乳液进口，油相出口和水相出口，其中分离器内依次设有若干段亲水/亲油组合纤维。
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