王 亮,馮永訓(xùn),董守平,張 建,郭長會(huì),余忠俊

(1.中國石油大學(xué),北京 102249;2.勝利油田勝利工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司山東東營 257026)

0 引 言

為了更好地研究高效破乳技術(shù),必須對(duì)現(xiàn)有的離心場(chǎng)、電場(chǎng)破乳技術(shù)機(jī)理以及作用場(chǎng)中乳化液的行為有一個(gè)比較深入的了解。國內(nèi)外科研工作者[1,2,3,6,7]及本實(shí)驗(yàn)室[4,5]在前期的工作中針對(duì)這幾方面都已做了大量的工作,取得了一定的成果。主要針對(duì)電場(chǎng)破乳進(jìn)一步深入探討,通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建適合本研究特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置,從微觀角度研究電場(chǎng)破乳機(jī)理,觀察高壓直流電場(chǎng)作用下分散相液滴的動(dòng)力學(xué)行為,包括其變形、破裂、碰撞、聚合及運(yùn)動(dòng)等方面的內(nèi)容,并做了相關(guān)的理論分析,主要目的是為今后相關(guān)研究和液滴形變精確數(shù)學(xué)模型的建立打下前期基礎(chǔ),獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及方案簡介

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：ThermoHaake流變儀、JJ2000A旋轉(zhuǎn)滴界面張力測(cè)量儀、高壓直流電源、高速CCD、數(shù)碼相機(jī)、微距鏡頭等;

實(shí)驗(yàn)材料：二甲基硅油(525±10 mpa?s)、染色水、曲拉通x100等;

相關(guān)軟件：實(shí)驗(yàn)室自編圖像處理軟件、matlab等。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Sketch of experimental platform

實(shí)驗(yàn)的液滴觀察系統(tǒng)如圖1所示,主體部分為置入電極的乳化液槽和高壓直流電源。實(shí)驗(yàn)中使用硅油作為連續(xù)相介質(zhì),紅墨水染色水為分散相液滴介質(zhì),采用配有微距鏡頭的數(shù)碼相機(jī)和高速CCD作為圖像采集工具。同時(shí),為了反映不同物性及操作參數(shù)對(duì)液滴行為的影響,液滴粒徑設(shè)置為三個(gè)級(jí)別,各級(jí)偏差小于2%;使用曲拉通x100作為表面活性劑,實(shí)現(xiàn)兩級(jí)液滴界面張力的調(diào)節(jié);通過調(diào)節(jié)高壓電源操作參數(shù),實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度從0～2000V/cm的無級(jí)調(diào)節(jié);整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況如表1所示,共計(jì)300余個(gè)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況情況Table 1 The selection of experimental condition

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

電破乳的基本原理是：給待分離的乳化液施加適當(dāng)外電場(chǎng),促使分散相液滴在電場(chǎng)作用下極化變形、運(yùn)動(dòng)并相互作用,小液滴逐漸聚合為大液滴并電泳沉降與水相融合,最終實(shí)現(xiàn)油水兩相的分離。探討分散相液滴在電場(chǎng)中的受力狀況和動(dòng)力學(xué)行為對(duì)研究破乳機(jī)理有很重要的意義。以往的研究,大多都是針對(duì)破乳效果進(jìn)行宏觀實(shí)驗(yàn),對(duì)發(fā)生在乳狀液內(nèi)部的微觀液滴的行為缺乏準(zhǔn)確的描述和探討,通過專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),彌補(bǔ)了此點(diǎn)不足。

2.1 形變

圖2是使用高速CCD拍攝的液滴在電場(chǎng)中隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化而變形的整個(gè)過程,液滴粒徑為3.15 mm,無活性劑添加,電場(chǎng)強(qiáng)度從 0逐漸增加到1200Vcm。如圖所示,施加外電場(chǎng)后,初始狀態(tài)為球形的液滴發(fā)生變形,在較弱電場(chǎng)作用下呈橢球形狀態(tài),隨著電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加,液滴偏離橢球形態(tài)逐漸過渡到兩端帶尖的“棗核型”臨界狀態(tài),此時(shí)再繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度,液滴發(fā)生破裂。

圖2 高速CCD拍攝液滴變形過程圖Fig.2 The droplet deformation process recorded by the high-speed CCD

圖3 大液滴平均粒徑3.13mm,不加活性劑,電場(chǎng)強(qiáng)度(0,50,80,110)×10.7V/cmFig.3 Average diameter 3.13mm,w ithout surfactant,electric strength(0,50,80,110)×10.7V/cm

圖5 小液滴平均粒徑2.21mm,加活性劑,電場(chǎng)強(qiáng)度(0,50,80,110)×10.7V/cmFig.5 Average diameter 2.21mm,with surfactant,electric strength(0,50,80,110)×10.7V/cm

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度與變形度關(guān)系示意圖Fig.6 The relationship between electric field strength and deformation degree

除電場(chǎng)強(qiáng)度外,液滴變形還受到其它因素的影響,圖3和4對(duì)比了界面張力的影響效果,加入活性劑后,界面張力的減弱,使得液滴抵抗變形,維持原始形態(tài)的能力變?nèi)?相同電場(chǎng)強(qiáng)度下液滴變形程度明顯增大;另一方面,圖4和5則體現(xiàn)了粒徑對(duì)變形的影響效果,液滴粒徑越大,相同電場(chǎng)強(qiáng)度的拉伸作用效果越明顯。

2.2 破裂

如圖2所示,存在一個(gè)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度,使得液滴變形達(dá)到臨界狀態(tài),小于臨界場(chǎng)強(qiáng),電壓的調(diào)節(jié)僅僅引起液滴變形程度的改變,當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增加至超過此臨界點(diǎn),液滴開始發(fā)生破裂。電破乳的目的是通過促進(jìn)分散相液滴間的聚合而將分散相與連續(xù)相分離開來,破裂現(xiàn)象是破乳的逆過程,會(huì)大大影響破乳效果,因此對(duì)其進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),液滴破裂方式可以分為兩類,一類是前面提到的,在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度下,液滴自身形態(tài)調(diào)整無法平衡電場(chǎng)力作用時(shí)的破裂過程,如圖7所示,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度略高于臨界場(chǎng)強(qiáng),小液滴開始從母體的兩個(gè)尖端脫離,同時(shí)隨著母體粒徑減小又重新達(dá)到臨界狀態(tài),不再有小液滴脫離;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí),液滴兩尖端釋放出的子液滴粒徑也明顯較大;若直接施加遠(yuǎn)大于臨界場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),液滴被迅速拉斷,分離也不僅僅在尖端發(fā)生,現(xiàn)象較劇烈。

圖7 大液滴加活性劑,電場(chǎng)強(qiáng)度(120,140,160)×10.7V/cmFig.7 The large droplet with surfactant,electric field strength(120,140,160)×10.7V/cm

另一類分裂過程如圖8所示,主要在液滴電泳至接觸電極,發(fā)生快速反彈的過程中發(fā)生。液滴接觸電極反彈后,部分電荷被電極中和,成為帶有一定自由電荷的被極化個(gè)體,一方面因自由電荷的存在液滴整體受到與運(yùn)動(dòng)方向相同電場(chǎng)力作用,另一方面,因極化電荷的存在液滴兩端點(diǎn)又受到不同方向的拉力作用,導(dǎo)致液滴各部分受力不均,運(yùn)動(dòng)加速度不一致,當(dāng)界面張力無法維系這種加速度產(chǎn)生的慣性力的差異時(shí)液滴發(fā)生破裂。高速CCD記錄的分裂過程顯示,液滴接觸電極后,出現(xiàn)劇烈反彈,液滴各部分運(yùn)動(dòng)速度不一致,在界面張力的維系下,先是保持一個(gè)整體,呈現(xiàn)被拉長的狀態(tài),其后當(dāng)慣性力超過了界面張力所能承受的界限,出現(xiàn)小的子液滴從母體前端分離;隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的加強(qiáng),實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),反彈也更加劇烈,母液滴兩端都出現(xiàn)子液滴分離,其中前端分離出的液滴粒徑較尾端更大,但尾端液滴數(shù)量較多。

圖8 高速CCD,大液滴加活劑,反彈分裂全過程,Δt=0.1～0.2sFig.8 The whole process of rebound and splitting of the large droplets with surfactantrecorded by the high-speed C CD,Δt=0.1～0.2s

此外,針對(duì)不同粒徑,界面張力的液滴進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,粒徑愈小,界面張力越大,液滴分裂所需要的臨界場(chǎng)強(qiáng)就越高,圖7中各曲線的終止電壓即約為電分裂現(xiàn)象產(chǎn)生的臨界電壓,液滴粒徑和界面張力對(duì)分裂的影響效果在圖中也得到了清晰的體現(xiàn)。

2.3 碰撞、聚合

分散相液滴的碰撞聚合行為在油水分離過程中占據(jù)著毋庸置疑的核心地位,對(duì)分離效果起著至關(guān)重要的作用。實(shí)驗(yàn)對(duì)電場(chǎng)作用下的碰撞聚合現(xiàn)象做了初步探討,實(shí)驗(yàn)表明只有適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度才可非常有效的促進(jìn)液滴的碰撞聚合。

圖9 無外電場(chǎng)情況,t=0.00,10.00sFig.9 The case without external electric field,t=0.00,10.00 s

圖9顯示了兩個(gè)近距離液滴在無外加電場(chǎng)情況下的狀態(tài),經(jīng)過10s,液滴僅僅因重力作用在縱向位置上發(fā)生了基本等距的位移。圖10是高速CCD拍攝的在適當(dāng)外加電場(chǎng)作用下液滴聚合瞬間的情況,可以看到液滴相互吸引,在約0.2s的時(shí)間內(nèi),完成液膜接觸、排液、融合并恢復(fù)球形的整個(gè)聚合過程。實(shí)驗(yàn)還顯示,電場(chǎng)促進(jìn)聚合的效果與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān),存在臨界場(chǎng)強(qiáng),在臨界場(chǎng)強(qiáng)以下,液滴相互吸引,碰撞后聚合;超過臨界場(chǎng)強(qiáng),液滴行為如圖11所示,先是相互吸引直至接觸,接觸瞬間并沒有聚合發(fā)生,而是迅速彈開,且速度明顯大于液滴相互接近的速度,受到較大的反力作用。同時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明,液滴碰撞聚合的臨界場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于2.2所討論的液滴破裂臨界場(chǎng)強(qiáng)。

圖10 適當(dāng)強(qiáng)度外電場(chǎng)情況,Δt=0.01sFig.10 The case with appropriate-intensity external electric field,Δt=0.01s

圖11 高強(qiáng)度外加電場(chǎng)情況,t=0.00,0.50,1.00sFig.11 The case with high-intensity external electric field,t=0.00,0.50,1.00 s

此現(xiàn)象可作如下解釋,如圖12所示液滴在外電場(chǎng)作用下發(fā)生極化,兩端帶有不同性質(zhì)的電荷,相鄰兩個(gè)液滴則形成電偶極子,在電場(chǎng)作用下會(huì)相互吸引直至發(fā)生碰撞,此時(shí)接觸點(diǎn)異種電荷發(fā)生中和,兩液滴作為一個(gè)整體受到電場(chǎng)的極化作用,兩端帶有不同性質(zhì)電荷,一方面受到電場(chǎng)的拉伸作用,另一方面液膜界面張力在接觸點(diǎn)起到促進(jìn)液滴向一個(gè)整體融合作用。于是,當(dāng)外加電場(chǎng)小于臨界場(chǎng)強(qiáng),界面張力的融合作用強(qiáng)于電場(chǎng)的拉伸作用,液滴順利發(fā)生聚合;反之則會(huì)出現(xiàn)重新分離,且因接觸點(diǎn)電荷中和,分離后兩液滴帶有異性自由電荷,在電場(chǎng)的作用下向不同電極快速電泳,形成類似液滴反彈的現(xiàn)象。由于接觸點(diǎn)液膜較小,而界面張力作用效果又同液膜邊界周長成正比,碰撞聚合臨界場(chǎng)強(qiáng)相比液滴破裂臨界場(chǎng)強(qiáng)較小可得到較好的解釋。

以上分析還能解釋界面張力系數(shù)對(duì)液滴碰撞聚合的影響,界面張力系數(shù)越大,界面張力的作用效果就越強(qiáng),在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下,越傾向于聚合。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,加入活性劑前后小液滴對(duì)應(yīng)的臨界場(chǎng)強(qiáng)分別約為1300V/cm和400V/cm,差別非常明顯。

圖12 液滴碰撞示意圖Fig.12 Schematic diagram of droplet collision

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明,液滴碰撞聚合效果還同液滴間距及液滴粒徑有關(guān),相同電場(chǎng)強(qiáng)度下,間距越大,液滴偶極引力越微弱,液滴越不容易發(fā)生碰撞接觸;粒徑愈大,臨界場(chǎng)強(qiáng)則愈低,碰撞結(jié)果愈傾向于分離。

2.4 運(yùn)動(dòng)

由于油水介電常數(shù)的差異,除極化變形外,電場(chǎng)作用下的液滴不會(huì)呈現(xiàn)完全的電中性,而是帶有微量的自由電荷,表現(xiàn)為液滴沿著電場(chǎng)方向發(fā)生電泳。實(shí)驗(yàn)中,不同工況的電泳差異體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)速度的不同,其影響因素主要有電場(chǎng)強(qiáng)度、連續(xù)相粘度和液滴粒徑。實(shí)驗(yàn)表明,電泳速度隨電場(chǎng)強(qiáng)度和液滴粒徑單調(diào)遞增,隨連續(xù)相粘度單調(diào)遞減。

2.5 綜述

通過分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律,可以對(duì)電脫水提供相應(yīng)的操作工藝參照,實(shí)驗(yàn)表明施加適當(dāng)?shù)耐怆妶?chǎng)可以明顯地提高液滴的聚合效率,然而電場(chǎng)強(qiáng)度并非越大越好,分別存在使得液滴破裂和阻止液滴聚合的兩類臨界場(chǎng)強(qiáng),其中后者遠(yuǎn)小于前者,在脫水工藝中將電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)控制在第二類臨界場(chǎng)強(qiáng)之下才能有效提高分離效率;另外對(duì)于不同的界面張力和液滴粒徑也存在不同的臨界場(chǎng)強(qiáng),其影響規(guī)律如前文所述,工業(yè)應(yīng)用也必須綜合考慮;同時(shí),對(duì)于電脫水分散相液滴電泳及沉降速度也影響脫水效率,其主要受到液相粘度的影響?？傊?電脫水效率受到電場(chǎng)強(qiáng)度,界面張力,液滴粒徑及液相粘度的影響,因此電脫水工藝操作中要根據(jù)待處理液特點(diǎn)選擇合適的電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)置,如分層雙電場(chǎng)設(shè)置。并配合適當(dāng)處理液相特性,如降低粘度的措施來提高分離效率。

3 液滴行為的力學(xué)初探

本質(zhì)上講液滴的各種行為是對(duì)作用于其上的各種外力做出的反應(yīng),要深入地了解電場(chǎng)作用下分散相液滴的各種行為,就必須對(duì)其受力情況有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。就本文的研究而言,認(rèn)為液滴行為主要受到電場(chǎng)力、界面張力、內(nèi)外壓差三種類型的外力控制。

圖13 變形液滴受力示意圖Fig.13 The force on the deformed droplet

一般認(rèn)為液滴在均勻電場(chǎng)作用下發(fā)生仿射變形,可將液滴當(dāng)作一個(gè)回轉(zhuǎn)體,如圖13所示,設(shè)其回轉(zhuǎn)母線為：y=f(x),可在液滴表面相應(yīng)微元面積上建立平衡方程

平衡方程左邊表示如圖13所示的界面張力λl,τ代表油水界面張力系數(shù);右邊第一項(xiàng)表示界面張力λr;第二項(xiàng)表示作用在微元上的電場(chǎng)力,其中q(x)代表液滴表面電場(chǎng)力的分布密度;第三項(xiàng)則表示因液膜內(nèi)外壓強(qiáng)差產(chǎn)生的作用力,其中Δp=pin-pout,且pin＞pout。另外,方程內(nèi)部存在以下關(guān)系

將(1)～(4)式聯(lián)立,可得如下微分方程

對(duì)于液滴內(nèi)外壓差 Δp和液滴所受到的電場(chǎng)力f,可作如下表示[8]

其中,a表示圖13中所示p點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輪廓線曲率半徑,b表示其對(duì)應(yīng)的液滴短軸,即a、b表示了液滴表面p點(diǎn)的兩個(gè)垂直方向的主曲率半徑,其大小可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像由實(shí)驗(yàn)室編寫的相應(yīng)軟件準(zhǔn)確獲取。此時(shí),若電場(chǎng)力在液滴表面分布密度q(x)能夠得到確定,就能準(zhǔn)確的得到變形液滴的界面方程。

在目前的研究基礎(chǔ)上還不能給出q(x)的準(zhǔn)確形式,但可以對(duì)其兩類極限情況進(jìn)行簡單的模擬。第一種為q(x)=0的情況,經(jīng)過計(jì)算機(jī)求解(6)式可得液滴未受電場(chǎng)力作用時(shí)的形態(tài)特征。如圖14所示,此時(shí)液滴輪廓線為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓形,即液滴形態(tài)為球形,與實(shí)際情況相一致,在一定程度上驗(yàn)證了(6)式的正確性。

圖14 未受力液滴形態(tài)Fig.14 The undeformed droplet

另一方面,液滴在電場(chǎng)力作用下發(fā)生極化時(shí),表面電荷分布主要集中在液滴兩端,即q(x)分布中間小兩端大,假設(shè)最極端的情形,電場(chǎng)力作用僅施加于液滴的兩個(gè)端點(diǎn),液滴兩端點(diǎn)q(x)→∞,表面其它位置q(x)=0,(雖然實(shí)際情況中不會(huì)存在此分布狀態(tài),求解此狀態(tài)仍可以反映電場(chǎng)力作用下液滴變形的趨勢(shì))。此情況下液滴表面微分方程可簡化為：

進(jìn)一步聯(lián)立(3)(7)(8)式可得：

設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù),如α=2×10-3m,b=1×10-3m,若已知硅油水界面張力系數(shù),代入(8)式可得液滴受到的電場(chǎng)力,模擬結(jié)果如圖15所示。

圖15 受力變形液滴形態(tài)Fig.15 The deformed droplet

由于之前假設(shè)的模型存在缺陷,電場(chǎng)力不可能僅存在于液滴兩端,圖15中求解的曲線端點(diǎn)無法閉合,但仍然可以得到一定的輪廓線變化趨勢(shì),如圖所示,曲線中部呈現(xiàn)出橢圓趨勢(shì),反映了液滴在電場(chǎng)中下受拉伸作用;另一方面,如圖2所示,實(shí)驗(yàn)中可以看到,在受到較小電場(chǎng)力作用下,液滴呈橢球形態(tài),隨著電場(chǎng)力的增強(qiáng)液滴呈現(xiàn)兩端帶尖的“棗核型”狀態(tài),本實(shí)驗(yàn)室稱之為尖端效應(yīng),求解的曲線也在一定程度上反映了其產(chǎn)生原因,從曲線中部到兩端其斜率絕對(duì)值呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì),最后y′→0,結(jié)合實(shí)驗(yàn)及方程可推斷,電荷在液滴的尖端聚集是產(chǎn)生尖端效應(yīng)的原因。

由于尖端效應(yīng)的產(chǎn)生,當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng),一方面電場(chǎng)力變大,另一方面尖端部分y→0,液滴界面張力角 θτ→0,界面張力 λ=2πyτ cosθτ不能平衡電場(chǎng)力的變化,液滴就容易在尖端出現(xiàn)破裂,如圖7所示。

同樣,對(duì)于2.3所述的液滴聚合碰撞等行為,也可以建立相應(yīng)的接觸點(diǎn)的受力方程予以解釋,其分析思路與2.3所述一致,不再贅述。

4 結(jié) 論

(1)建立了一套適合液滴觀察的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)電場(chǎng)中分散相液滴行為進(jìn)行了詳盡的觀察和紀(jì)錄,創(chuàng)新性的從微觀角度研究電破乳;

(2)研究了分散相液滴在高壓靜電場(chǎng)中的變形、破裂、碰撞、聚合及運(yùn)動(dòng)等行為,并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析,同時(shí)探討了其對(duì)電破乳工藝的影響;

(3)通過受力分析建立液滴表面形態(tài)的微分方程,并對(duì)簡化的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解,結(jié)果顯示液滴在電場(chǎng)力作用下被拉伸,由于極化電荷分布不均導(dǎo)致所受電場(chǎng)力的集中,促使液滴發(fā)生尖端變形和破裂。

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