Зарядка капель воды в нефтепродукте

Процесс удаления капель из нефтепродукта под действием электрического поля определяется величиной заряда капель. Для суждения о возможном механизме зарядки капель воды в нефтепродукте рассмотрим ионный состав нефтепродуктов.

Вода и нефтепродукты характеризуются следующими значениями диэлектрической проницаемости ε, удельной проводимости γ и коэффициента динамической вязкости μ:

1. вода	ε ≈ 80	γ ≈10^-2÷10^-4 1/Ом·м	μ = 10^-3 кг/м·с
2. сырая нефть	ε ≈ 4÷5	γ ≈10^-6÷10^-9 1/Ом·м	μ = (1÷10)10^-2 кг/м·с
3. светлые нефтепродукты	ε ≈ 2,2	γ ≈10^-10÷10^-12 1/Ом·м	μ = (1÷10)10^-2 кг/м·с

Под воздействием сильных электрических полей в диэлектрических жидкостях - нефти и нефтепродуктах - начинается процесс диссоциации - образования положительных и отрицательных ионов.

Электрическое поле заставляет двигаться разноименно заряженные ионы в объеме жидкости. В результате около электродов создаются области с избыточным содержанием ионов одного знака. С ростом концентрации ионов в объеме увеличивается вероятность столкновений разноименно заряженных частиц, сопровождающихся рекомбинацией. Устанавливается динамическое равновесие между образующимися и рекомбинирующими ионами.

Движение ионов в нефти, которая имеет гораздо большую вязкость, чем вода, вызывает движение жидкости и в ее объеме образуются электрогидродинамические потоки. Это происходит потому, что движение ионов в вязкой жидкости передается нейтральным частицам, а это, в свою очередь, приводит к интенсивному перемешиванию жидкости, увеличивая интенсивность взаимодействия капель.

Капли в нефтепродукте могут приобретать заряд по контактному механизму или в результате осаждения ионов в электрическом поле в объеме нефтепродукта.

Капля воды при контакте с электродами в электрическом поле приобретает заряд, совпадающий по знаку с полярностью электрода. Как только капля оторвется от электрода, заряд с нее начинает стекать благодаря проводимости нефти.

Постоянная времени стекания заряда
Для нефти наибольшая величина τ равна

Из приведенной оценки видно, что капля воды в нефти быстро теряет свой заряд и в этом случае индукционная зарядка неэффективна.

Для светлых нефтепродуктов оценка времени релаксации дает значение τ = 2с. Здесь индукционная зарядка становится эффективной, так как капля не успевает потерять заряд.

В соответствии с теорией индукционной зарядки частиц, сферическая частица на электроде моделируется полуэллипсоидом вращения с соотношением осей в / а = с / а = 0,5 (а - длина полуоси в направлении перпендикулярном электроду и в - радиус сферической частицы) и величина заряда такой модели равна

(1.10)

Кроме того, известна более точная формула, относящаяся непосредственно к сфере радиуса в.

(1.11)

 

Различие между значениями заряда по (1.10) и (1.11) составляет 12%.

Рассмотрим зарядку капель воды в объеме нефтепродукта в электрическом поле. В общем случае в объеме нефтепродукта находятся и положительные и отрицательные ионы. За счет их осаждения на капле воды происходит зарядка. В соответствии с теорией ионной зарядки предельный заряд капли воды равен

(1.12)

где q_m =12 πε ₀ a ² E, a - радиус капли, γ _v+= en ₊ k ₊= ρ ₊ k ₊ γ _v-= en _- k _-= ρ _- k _- - удельные проводимости, определяемые соответственно положительными и отрицательными ионами. Результирующая проводимость γ _v = γ _v+ + γ _v-.

Подвижности положительных и отрицательных ионов примерно равны, т.е. k ₊= k _-. Кроме того, представим плотность объемного заряда ионов в следующем виде

ρ ₊= ρ _ср и ρ _-= ρ _ср+Δ ρ,

где ρ _ср- часть плотности объемного заряда одинаковая для положительных и отрицательных ионов; Δ ρ - превышение плотности заряда одного из видов ионов, в данном случае, отрицательных ионов.

Тогда (11.11) перепишется в виде:

(1.13)

 

Если

, то (1.13) упрощается:

 

(1.14)

Учтем увеличение проводимости среды за счет диссоциации в электрическом поле, т.е.

(1.15)

где γ _vo - проводимость среды при отсутствии поля, k _ус(Е) - коэффициент увеличения проводимости за счет диссоциации.

Воспользуемся далее моделью одномерного слоя объемного заряда плотностью Δ ρ и толщиной h, чтобы записать выражение для напряженности этого слоя

(1.16)

Если напряженность поля, создаваемая избыточным зарядом, соизмерима со средним полем в установке, т.е. Е _ср= Е _сл то из (1.14) и (1.15) получим

(1.17)

В табл. 1.2 представлены значения заряда по отношению к максимально возможному (предельному) q / q _m в зависимости от проводимости среды при следующих условиях h = 0,05 м, Е _ср= 5·10⁵ В/м, k _ус(Е) = 2,5.

Таблица 1.2
γ vo,Ом/м	10^-13	10^-12	10^-11	10^-10
Δ ρ/ρ ср			0,3	0,03
q / q m	0,7	0,33	0,07	0,007

Из представленных в таблице данных следует, что на каплях воды в нефти не может накапливаться сколь-нибудь значительный заряд. Объемная зарядка капель воды эффективна для светлых нефтепродуктов с высоким удельным сопротивлением. Для нефти можно рекомендовать коалесценцию в электрическом поле с участием механизма поляризации.