由图 2 可见 ,污油脱水后水含量先随声强的增 大而减小 , 然后随声强的增大而增大 , 在声强为 1. 168～1. 250 W/ cm2 时脱水量有一个最大值 , 此 时声强即为试验中的临界阈值 。声强超过此值 ,超 声波对污油产生较大的空化作用 ,使凝聚的水粒子 重新分散 , 产生新的乳化 , 声强越强 , 乳化越严重 , 造成污油脱水量急剧下降 。在临界阈值以下 ,辐照 时间长的污油脱水较快 ; 临界阀值以上 , 辐照时间 长的污油重新乳化也较快 。

　　收稿日期 :2003203224 ; 修改稿收到日期 :2003206214 。 作者简介 : 张玉梅 , 现为南京工业大学硕士研究生 , 主要从事 超声波化工应用研究 。

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　　从图 5 可见 ,经超声波处理过的污油的水滴沉 降速率大于无超声波处理的污油的沉降速率 ,可以 在较短的沉降时间内达到较长时间热沉降才能实 现的效果 ,表明超声波对污油脱水有相当明显的促 进作用 。图 5 表明 ,超声波处理后污油沉降时间为

　　方面 ,界面摩擦使油水分界处温度升高 , 使界面膜 容易破裂 ; 另一方面 , 污油吸收部分声能转换成热 能 ,降低了污油的粘度 。从而有利于水滴聚并 , 使 油水分离 。 3 实验部分

　　试验仪器有 D GCI21200 型超声波发生器 ( 两 边分别置有频率为 40 k Hz 和 28 k Hz 两种压电陶 瓷换能器 ,功率各为 0 ～ 1 kW) 、 超级恒温水浴 、 原 油水含量测定仪 、 水听器 、 SR8 示波器等 。试验油 样为中国石化扬子分公司炼油厂提供的脱水乳化 污油 ,初始水含量的体积分数为 5. 4 % , 试验油样 体积为 400 mL , 所用破乳剂为 NS22003 。恒温水 槽保持污油处理温度 。试验时可分别选用 2 个不 同处理频率及功率 , 用水听器测定声功率 , 采用国 家标准 GB/ T 8929 — 1988 分析污油水含量 。试验 装置示意图见图 1 。 3. 2 试验方法 将污油置于恒温水槽中加热到易流动状态 ,加 入破乳剂 NS22003 ,机械搅拌 2 min ,使破乳剂分布 均匀 , 放入清洗槽超声波处理器内处理 , 处理过 的油样置于恒温水浴中沉降 ,分析水含量 ,并和未

　　降低 ,但是 ,由于超声波声强处于空化阈值附近 ,经 长时间辐照后 , 油水界面容易出现乳化 , 造成脱水 效果下降 ,因此 , 用超声波处理污油的时间必须在 最佳辐照时间以内 。在本试验条件下 ,从脱水速度 和脱水量来考虑 , 辐照时间在 10 ～ 15 min 比较合 理。 沉降时间对污油破乳脱水的影响趋势和辐照 时间的影响类似 。图 5 表示沉降时间和污油脱水 的关系 ,试验条件同图 4 。图 5 表明 , 随着沉降时 间的延长 ,污油中水含量不断降低 , 曲线也越来越 平缓 ,在试验中比较适宜的沉降时间为 2～4 h 。

　　( 1. 南京工业大学化工学院超声化学工程研究所 ,南京 210009 ; 2. 中国石化扬子分公司炼油厂)

　　看到 ,污油脱水后水含量随破乳剂用量的增大而降 低 ,但随着破乳剂用量的增大 , 降低的趋势越来越 平缓 ,表明破乳剂的用量逐步接近临界值 , 同时也 验证了文献的结论 。图 6 表明破乳剂用量以 375 μg/ g 为好 。NS22003 破乳剂处理污油的用量 ( 375 μg/ g) 远大于炼油厂用于原油破乳的破乳剂用量 ( 约 40 μg/ g) ,其原因 : ①可能是污油中杂质 、 电解 质较多 ,使污油破乳剂用量的临界值远大于一般原 油 ; ②炼油厂原油破乳过程也是电脱盐的过程 ,故 可不用较大的破乳剂量 。虽然污油脱水所用破乳 剂量较原油多 , 但脱过水的污油水含量很低 , 可以 掺入原油回炼 ,相对于作为燃料廉价出售处理还是 有很高的利用价值 。

　　长 ,则两者区别逐渐缩小 。 4. 5 破乳剂用量对污油脱水量的影响 原油破乳的关键是改变油水界面的性质 ,降低 界面张力和膜的强度 。破乳剂是改变原油乳状液 稳定性的关键因素之一 。界面活性越高 ,降低油水 界面张力和膜强度能力越强的破乳剂 ,其破乳脱水 效果越好 。 在试验中所采用的破乳剂为中国石化扬子分 公司炼油厂提供的 NS22003 。丁德磐 [ 9 ] 等人指出 , 破乳剂的用量不是越大越好 , 而是存在一个临界 值 ,破乳剂浓度在达到临界值以前 , 破乳脱水效果 随破乳剂使用浓度的增大而提高 ; 超过临界值 , 破 乳效果不变或下降 。 图 6 表示试验过程中破乳剂用量和破乳效果 的关 系 。试 验 条 件 为 : 温 度 70 ℃, 声 强 1. 168

　　一般来说 ,炼油厂回收的污油是污水中各种油 品的混合物 ,性质复杂 ,且脱水后含水量高 ,通常大 于 10 %[ 1 ] ,含水污油具有含胶质 、 沥青质高 , 乳化 能力强 , 杂质含量高 、 老化程度较严重的特点 。污 油中的杂质来自钻井泥浆 ,井下酸化 、 压裂液 ,原油 ( 破乳剂及污水处理剂 絮凝剂 、 混凝剂 、 阻垢剂 、 缓 蚀剂 、 杀菌剂 、 烧碱等 ) [ 2 ] 。由于污油成分复杂 , 含 较多电解质 ,稳定性好 , 通常采用加温沉降粗分离 的方法处理 ,处理后污油含水量小于 10 %即出售 , 降低了炼油厂的经济效益 。目前利用超声波处理 污油 ,降低污油含水量这一技术受到越来越多的重 视 。美国 Teksonix [ 3 ] 公司的超声波油水乳化物破 乳脱水装置及工艺已经取得了良好的效果 。许多 实验研究 [ 4 ,5 ] 证明用超声波使乳液脱水具有常规 方法不能比拟的优越性 。本课题探索了超声波参 数对炼油厂污油脱水效果的影响及一般规律 ,以期 该技术尽早实现工业应用 。 2 基本原理 一般认为超声波可使介质产生机械振动 、 空化 作用和热作用 ,用超声波进行污油脱水主要利用的 是机械振动作用和热作用 。 ( 1) 机械振动作用可促使水 “粒子” 产生位移 效应 ,然后根据碰撞效应使小水滴凝聚成大水滴 , 在重力作用下沉降分离 。 ( 2) 降低油水界面膜强度和污油的粘度 。一

　　影响 在超声波辐照下 , 小水滴相互碰撞 , 粘合变成 相对大的水滴 ,水滴不断碰撞 、 粘合 ,直到水滴足够 大时产生沉降作用 。这需要一个时间过程 。图 4 表示超声波辐照时间和污油脱水的关系 ,试验条件 为 : 声强 1. 168 W/ cm2 ,破乳剂用量 375 μg/ g ,温度 70 ℃,频率 40 k Hz ( 由于 28 k Hz 的仪器不太稳定 , 以下试验均采用 40 k Hz 条件) 。 从图 4 可以看出 , 在沉降时间相同的情况下 , 随着超声波辐照时间的延长 ,污油脱后含水量逐步

　　摘要 利用超声波对炼油厂含水 ( 体积分数) 为 5. 4 %的污油在实验室进行了破乳脱水回收试 验 ,考察了超声波参数对污油脱水的影响 。结果表明 ,超声波对污油脱水作用相当明显 ,在相同的 破乳剂用量 、 温度等条件下 ,污油脱水量与单纯热沉降相比可提高 2 倍左右 ; 温度是乳化污油脱水 的敏感因素 ,使用超声波处理污油可降低污油处理温度 ; 超声波的声强对污油脱水量有直接影响 , 超声波脱水的声强应在临界阈值以下 ; 破乳剂用量对污油脱水也有很大的影响 ,为了获得较好的脱 水效果 ,破乳剂用量应控制在临界值以下 。在声强 1. 168 W/ cm2 、 频率 40 kHz 、 作用时间 15 min 、 破 乳剂 NS22003 用量 375 μg/ g 、 温度 70 ℃、 沉降 4 h 的条件下 ,用超生波技术处理炼油厂污油 ,可使 脱后污油水含量在 0. 2 %以下 。 关键词 :超声波 废油 破乳化 脱水 实验室规模

　　超声波的衰减与频率的平方成正比 ,超声波的 频率越低 ,衰减越慢 ,破乳声场越均匀 ,而且在相同 的声强条件下相对低的频率可增大超声波破乳的 有效幅照距离 , 提高水滴位移振幅 , 有利于水滴凝 聚 。这表明 ,超声波污油脱水应使用低频超声场 。 Kotyusov[ 6 ] 从理论上导出水 “粒子” 在超声波作用 下产生凝聚的最佳频率在 21 ～ 25 k Hz 。本试验在 混响场中分别采用 40 k Hz 和 28 k Hz 的频率进行 超声波破乳 ,并对污油脱水效果进行了比较 。 试验条件为 : 声强 1. 168 W/ cm2 , 破乳剂用量 375 μg/ g ,沉降时间 2 h ,温度 70 ℃。 图 3 为不同辐照时间 、 不同频率对污油脱水量 的影响 。由图 3 可见 , 在相同声强条件下 , 频率为 28 k Hz 时 ,超声波对污油破乳的效果要比 40 k Hz 的好 ,这同文献 [ 7 ,8 ] 是相符的 。另外 ,超声波空化 阈值声强随频率的提高而升高 ,28 k Hz 的超声波 比较容易产生空化作用 , 同样的声强下 , 低频的更 接近空化阈值 。因此 ,低频超声波最佳辐照时间应 短于高频超声波辐照最佳时间 ,否则污油会重新乳 化。

　　经超声波处理的油样比较 。 4 结果与讨论 4. 1 声强对污油脱水量的影响 在污油破乳脱水试验中 ,声强是一个很重要的 可控参数 ,它决定水粒子的凝聚速度 。声强增强 , 水粒子的位移振幅加大 , 碰撞粘合的几率增大 , 从 而提高水粒子凝聚的速度 。 图 2 为声强与污油脱水的关系曲线 。试验条 件为破乳剂用量 375 μg/ g , 温度 70 ℃, 频率 40 k Hz ,采用 3 种不同的辐照时间 ( t ) : 5 ,10 ,15 min , 沉降时间为 2 h 。