電場破乳分散相液滴行為研究

王 亮,馮永訓,董守平,張 建,郭長會,余忠俊

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

0 引 言

為了更好地研究高效破乳技術,必須對現有的離心場、電場破乳技術機理以及作用場中乳化液的行為有一個比較深入的了解。國內外科研工作者[1,2,3,6,7]及本實驗室[4,5]在前期的工作中針對這幾方面都已做了大量的工作,取得了一定的成果。主要針對電場破乳進一步深入探討,通過設計和構建適合本研究特點的實驗裝置,從微觀角度研究電場破乳機理,觀察高壓直流電場作用下分散相液滴的動力學行為,包括其變形、破裂、碰撞、聚合及運動等方面的內容,并做了相關的理論分析,主要目的是為今后相關研究和液滴形變精確數學模型的建立打下前期基礎,獲取相應的實驗及數據支持。

1 實驗平臺及方案簡介

實驗設備：ThermoHaake流變儀、JJ2000A旋轉滴界面張力測量儀、高壓直流電源、高速CCD、數碼相機、微距鏡頭等;

實驗材料：二甲基硅油(525±10 mpa?s)、染色水、曲拉通x100等;

相關軟件：實驗室自編圖像處理軟件、matlab等。

圖1 試驗平臺示意圖Fig.1 Sketch of experimental platform

實驗的液滴觀察系統如圖1所示,主體部分為置入電極的乳化液槽和高壓直流電源。實驗中使用硅油作為連續相介質,紅墨水染色水為分散相液滴介質,采用配有微距鏡頭的數碼相機和高速CCD作為圖像采集工具。同時,為了反映不同物性及操作參數對液滴行為的影響,液滴粒徑設置為三個級別,各級偏差小于2%;使用曲拉通x100作為表面活性劑,實現兩級液滴界面張力的調節;通過調節高壓電源操作參數,實現電場強度從0～2000V/cm的無級調節;整個實驗設計工況如表1所示,共計300余個。

表1 實驗工況情況Table 1 The selection of experimental condition

2 實驗結果及分析

電破乳的基本原理是：給待分離的乳化液施加適當外電場,促使分散相液滴在電場作用下極化變形、運動并相互作用,小液滴逐漸聚合為大液滴并電泳沉降與水相融合,最終實現油水兩相的分離。探討分散相液滴在電場中的受力狀況和動力學行為對研究破乳機理有很重要的意義。以往的研究,大多都是針對破乳效果進行宏觀實驗,對發生在乳狀液內部的微觀液滴的行為缺乏準確的描述和探討,通過專門設計的實驗,彌補了此點不足。

2.1 形變

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

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,電場強度(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,電場強度(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 電場強度與變形度關系示意圖Fig.6 The relationship between electric field strength and deformation degree

除電場強度外,液滴變形還受到其它因素的影響,圖3和4對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,維持原始形態的能力變弱,相同電場強度下液滴變形程度明顯增大;另一方面,圖4和5則體現了粒徑對變形的影響效果,液滴粒徑越大,相同電場強度的拉伸作用效果越明顯。

2.2 破裂

如圖2所示,存在一個臨界電場強度,使得液滴變形達到臨界狀態,小于臨界場強,電壓的調節僅僅引起液滴變形程度的改變,當場強增加至超過此臨界點,液滴開始發生破裂。電破乳的目的是通過促進分散相液滴間的聚合而將分散相與連續相分離開來,破裂現象是破乳的逆過程,會大大影響破乳效果,因此對其進行研究具有非常重要的意義。

實驗中發現,液滴破裂方式可以分為兩類,一類是前面提到的,在較高的電場強度下,液滴自身形態調整無法平衡電場力作用時的破裂過程,如圖7所示,當電場強度略高于臨界場強,小液滴開始從母體的兩個尖端脫離,同時隨著母體粒徑減小又重新達到臨界狀態,不再有小液滴脫離;當電場強度明顯高于臨界場強時,液滴兩尖端釋放出的子液滴粒徑也明顯較大;若直接施加遠大于臨界場強的電場強度時,液滴被迅速拉斷,分離也不僅僅在尖端發生,現象較劇烈。

圖7 大液滴加活性劑,電場強度(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,發生快速反彈的過程中發生。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體,一方面因自由電荷的存在液滴整體受到與運動方向相同電場力作用,另一方面,因極化電荷的存在液滴兩端點又受到不同方向的拉力作用,導致液滴各部分受力不均,運動加速度不一致,當界面張力無法維系這種加速度產生的慣性力的差異時液滴發生破裂。高速CCD記錄的分裂過程顯示,液滴接觸電極后,出現劇烈反彈,液滴各部分運動速度不一致,在界面張力的維系下,先是保持一個整體,呈現被拉長的狀態,其后當慣性力超過了界面張力所能承受的界限,出現小的子液滴從母體前端分離;隨著電場強度的加強,實驗中發現,反彈也更加劇烈,母液滴兩端都出現子液滴分離,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,針對不同粒徑,界面張力的液滴進行的對比實驗表明,粒徑愈小,界面張力越大,液滴分裂所需要的臨界場強就越高,圖7中各曲線的終止電壓即約為電分裂現象產生的臨界電壓,液滴粒徑和界面張力對分裂的影響效果在圖中也得到了清晰的體現。

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著毋庸置疑的核心地位,對分離效果起著至關重要的作用。實驗對電場作用下的碰撞聚合現象做了初步探討,實驗表明只有適當的電場強度才可非常有效的促進液滴的碰撞聚合。

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

圖9顯示了兩個近距離液滴在無外加電場情況下的狀態,經過10s,液滴僅僅因重力作用在縱向位置上發生了基本等距的位移。圖10是高速CCD拍攝的在適當外加電場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的時間內,完成液膜接觸、排液、融合并恢復球形的整個聚合過程。實驗還顯示,電場促進聚合的效果與電場強度有關,存在臨界場強,在臨界場強以下,液滴相互吸引,碰撞后聚合;超過臨界場強,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,實驗數據還表明,液滴碰撞聚合的臨界場強遠小于2.2所討論的液滴破裂臨界場強。

圖10 適當強度外電場情況,Δt=0.01sFig.10 The case with appropriate-intensity external electric field,Δt=0.01s

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

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

以上分析還能解釋界面張力系數對液滴碰撞聚合的影響,界面張力系數越大,界面張力的作用效果就越強,在相同的電場強度下,越傾向于聚合。以實驗數據為例,加入活性劑前后小液滴對應的臨界場強分別約為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

實驗數據還表明,液滴碰撞聚合效果還同液滴間距及液滴粒徑有關,相同電場強度下,間距越大,液滴偶極引力越微弱,液滴越不容易發生碰撞接觸;粒徑愈大,臨界場強則愈低,碰撞結果愈傾向于分離。

2.4 運動

由于油水介電常數的差異,除極化變形外,電場作用下的液滴不會呈現完全的電中性,而是帶有微量的自由電荷,表現為液滴沿著電場方向發生電泳。實驗中,不同工況的電泳差異體現在運動速度的不同,其影響因素主要有電場強度、連續相粘度和液滴粒徑。實驗表明,電泳速度隨電場強度和液滴粒徑單調遞增,隨連續相粘度單調遞減。

2.5 綜述

通過分析實驗規律,可以對電脫水提供相應的操作工藝參照,實驗表明施加適當的外電場可以明顯地提高液滴的聚合效率,然而電場強度并非越大越好,分別存在使得液滴破裂和阻止液滴聚合的兩類臨界場強,其中后者遠小于前者,在脫水工藝中將電場強度應控制在第二類臨界場強之下才能有效提高分離效率;另外對于不同的界面張力和液滴粒徑也存在不同的臨界場強,其影響規律如前文所述,工業應用也必須綜合考慮;同時,對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。總之,電脫水效率受到電場強度,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待處理液特點選擇合適的電場強度設置,如分層雙電場設置。并配合適當處理液相特性,如降低粘度的措施來提高分離效率。

3 液滴行為的力學初探

本質上講液滴的各種行為是對作用于其上的各種外力做出的反應,要深入地了解電場作用下分散相液滴的各種行為,就必須對其受力情況有一個清晰的認識。就本文的研究而言,認為液滴行為主要受到電場力、界面張力、內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

一般認為液滴在均勻電場作用下發生仿射變形,可將液滴當作一個回轉體,如圖13所示,設其回轉母線為：y=f(x),可在液滴表面相應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;右邊第一項表示界面張力λr;第二項表示作用在微元上的電場力,其中q(x)代表液滴表面電場力的分布密度;第三項則表示因液膜內外壓強差產生的作用力,其中Δp=pin-pout,且pin＞pout。另外,方程內部存在以下關系

將(1)～(4)式聯立,可得如下微分方程

對于液滴內外壓差 Δp和液滴所受到的電場力f,可作如下表示[8]

其中,a表示圖13中所示p點對應的輪廓線曲率半徑,b表示其對應的液滴短軸,即a、b表示了液滴表面p點的兩個垂直方向的主曲率半徑,其大小可以根據實驗圖像由實驗室編寫的相應軟件準確獲取。此時,若電場力在液滴表面分布密度q(x)能夠得到確定,就能準確的得到變形液滴的界面方程。

在目前的研究基礎上還不能給出q(x)的準確形式,但可以對其兩類極限情況進行簡單的模擬。第一種為q(x)=0的情況,經過計算機求解(6)式可得液滴未受電場力作用時的形態特征。如圖14所示,此時液滴輪廓線為一個標準的圓形,即液滴形態為球形,與實際情況相一致,在一定程度上驗證了(6)式的正確性。

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

另一方面,液滴在電場力作用下發生極化時,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,假設最極端的情形,電場力作用僅施加于液滴的兩個端點,液滴兩端點q(x)→∞,表面其它位置q(x)=0,(雖然實際情況中不會存在此分布狀態,求解此狀態仍可以反映電場力作用下液滴變形的趨勢)。此情況下液滴表面微分方程可簡化為：

進一步聯立(3)(7)(8)式可得：

設置適當的參數,如α=2×10-3m,b=1×10-3m,若已知硅油水界面張力系數,代入(8)式可得液滴受到的電場力,模擬結果如圖15所示。

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

由于之前假設的模型存在缺陷,電場力不可能僅存在于液滴兩端,圖15中求解的曲線端點無法閉合,但仍然可以得到一定的輪廓線變化趨勢,如圖所示,曲線中部呈現出橢圓趨勢,反映了液滴在電場中下受拉伸作用;另一方面,如圖2所示,實驗中可以看到,在受到較小電場力作用下,液滴呈橢球形態,隨著電場力的增強液滴呈現兩端帶尖的“棗核型”狀態,本實驗室稱之為尖端效應,求解的曲線也在一定程度上反映了其產生原因,從曲線中部到兩端其斜率絕對值呈現出先減小再增大的趨勢,最后y′→0,結合實驗及方程可推斷,電荷在液滴的尖端聚集是產生尖端效應的原因。

由于尖端效應的產生,當電場進一步加強,一方面電場力變大,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不能平衡電場力的變化,液滴就容易在尖端出現破裂,如圖7所示。

同樣,對于2.3所述的液滴聚合碰撞等行為,也可以建立相應的接觸點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 論

(1)建立了一套適合液滴觀察的實驗系統,設計相應的實驗方案,對電場中分散相液滴行為進行了詳盡的觀察和紀錄,創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中的變形、破裂、碰撞、聚合及運動等行為,并對其影響因素進行了分析,同時探討了其對電破乳工藝的影響;

(3)通過受力分析建立液滴表面形態的微分方程,并對簡化的模型進行數值計算求解,結果顯示液滴在電場力作用下被拉伸,由于極化電荷分布不均導致所受電場力的集中,促使液滴發生尖端變形和破裂。

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