乳化油液水擊諧波破乳技術(shù)的機理研究

劉 閣，陳 彬，張賢明，黃 朗

(重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

乳化油液水擊諧波破乳技術(shù)的機理研究

劉 閣，陳 彬，張賢明，黃 朗

(重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

對水擊諧波破乳的機理進行了分析，在此基礎(chǔ)上建立了分散相液滴的力學(xué)平衡方程，并進行了水擊諧波破乳實驗。分析和討論了在水擊諧波場中分散相液滴由于受到水擊諧波強迫振動力而相互聚集的原因和特點，從分散相液滴的聚集、變形、碰撞和聚結(jié)等幾個階段探討了水擊諧波破乳的機理，得到分散相液滴在水擊諧波場作用下的運動規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在水擊諧波場中分散相液滴在一定波長范圍相互聚集，水擊諧波的頻率對分散相液滴聚集有一定的影響;隨分散相液滴粒徑和密度的增大，分散相液滴聚集能力增強，有利于破乳。

乳化油液;破乳機理;水擊諧波

隨著能源和環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，廢潤滑油的資源化再生和利用已經(jīng)受到越來越多的重視。潤滑油中水分的存在不僅破壞潤滑油的理化性能，而且會影響整個系統(tǒng)的正常工作，極易乳化、加速油的氧化過程和降低油的潤滑性，是僅次于固體顆粒物的一種污染。目前用于乳化油液破乳的技術(shù)常見的有微波破乳、超聲波破乳以及離心破乳等多種破乳技術(shù)，這些破乳技術(shù)具有成本低、效果好、無污染、便于后續(xù)處理等優(yōu)點。但這些方法基本上都是通過施加外界能量進行破乳的，有著較強的針對性;而且對這些破乳方法還缺乏充分、有力的實驗證據(jù)支持現(xiàn)有的破乳理論。所以至今人們還沒有找到一種工業(yè)化程度高、能夠適合各種潤滑油破乳脫水的新技術(shù)。

水擊諧波理論的研究是目前航空航天、石油化工、水利電力、液壓傳動等工業(yè)領(lǐng)域中的前沿性課題。在化工機械、石油儲運以及工程機械中，水擊諧波是一種有害的現(xiàn)象，它會隨著開關(guān)元件工作狀態(tài)的改變，使液體流速發(fā)生急劇變化而引起系統(tǒng)內(nèi)壓強大幅度波動，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生強烈震動、噪聲和空蝕［1－2］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水擊諧波的分析理論也不斷得到完善和進步［3－4］。

水擊諧波頻率高(一般為10 kHz左右)、波長短，同時還具有方向性好、功率大、穿透力強以及能引起空化作用等特性，可用于乳化油液的破乳［5－7］。

本工作對水擊諧波破乳機理進行了研究，在分散相液滴受力分析的基礎(chǔ)上，建立了水擊諧波場中分散相液滴的動力學(xué)方程，并采用實驗方法對方程進行了驗證，討論了水擊諧波的頻率和分散相的物性參數(shù)對水擊諧波破乳過程的影響，通過控制條件可以提高破乳的效率。

1 水擊諧波破乳機理

1.1 水擊諧波場中分散相液滴的變形

在水擊諧波場中，分散相液滴受到水擊壓力的作用產(chǎn)生變形，使液滴界面形狀發(fā)生改變，表現(xiàn)在軸向拉長或壓扁兩種形式，變形程度與水擊諧波的強度、液滴大小和相界面張力有關(guān)。通過建立液滴變形方程，在實驗范圍內(nèi)預(yù)測到液滴的變形最大為9%［8］，因而認(rèn)為在水擊諧波場中液滴變形量可以忽略不計。

1.2 水擊諧波場中分散相液滴的受力分析

液滴的聚集很大程度上與液滴的界面形狀有關(guān)，而界面形狀的改變與其在水擊諧波場中的受力有關(guān)。圖1為分散相液滴在水擊諧波場中的受力分析。

圖1 分散相液滴的受力分析Fig.1 Stress analysis of dispersed droplets.

施加水擊諧波場后，對液滴的水擊諧波作用力進行分析，得到液滴任一點的速度時域表達(dá)式為：

液滴的作用力平衡方程(液滴慣性等于作用在液滴上的各種力)在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(y方向)可描述為：

通過對分散相液滴的受力分析可得出：當(dāng)K≠0時，液滴將向諧波波節(jié)運動和聚集。當(dāng)λ/4＜y0＜3λ/4時，分散相液滴運動軌跡見圖2。由圖2可見，在水擊諧波波節(jié)的±λ/4范圍內(nèi)，分散相液滴經(jīng)過一定的時間發(fā)生了聚集，且呈對稱分布;距離波節(jié)較遠(yuǎn)的液滴到達(dá)波節(jié)平衡位置的時間較長，如y0=0.121，0.143時，液滴到達(dá)波節(jié)平衡位置的時間分別為 62，86 s。

1.3 水擊諧波場中分散相液滴的碰撞

在水擊諧波場中，分散相液滴受到機械振動、熱和空化的作用，使得乳化液滴在水擊諧波場中受到浮升力、拖曳力、重力和水擊諧波強迫振動力等以及乳化液分散相間作用力的共同影響，促使分散相液滴相互接近，并在最近的波腹(或波節(jié))處聚集。當(dāng)液滴接近到一定程度時，水擊諧波強迫振動力使分散相液滴產(chǎn)生聚集并發(fā)生碰撞，生成直徑較大的液滴，然后在重力作用下與連續(xù)相分離，兩個液滴的碰撞示意見圖3。圖3中，r1和r2為兩個不同液滴的粒徑，V1和V2為兩個液滴的速度，碰撞參量b表示一個液滴中心到另一個液滴中心的相對速度矢量的距離，U為r1和r2的相對速度，當(dāng)兩個液滴碰撞時液膜厚度達(dá)到臨界值(1 nm)時就會出現(xiàn)聚結(jié)。

圖2 分散相液滴向波節(jié)聚集Fig.2 Gathering of droplets in the dispersed phase onto the wave section.

圖3 兩個液滴的碰撞Fig.3 Impact between two droplets.

在水擊諧波場中，液滴在水擊諧波波節(jié)的±λ/4范圍內(nèi)發(fā)生聚集而碰撞的現(xiàn)象見圖4。由圖4可見，分散相液滴處于λ/4＜y0＜λ/2位置時，速度隨位置、時間的變化。在水擊諧波波節(jié)的±λ/4范圍內(nèi)，分散相液滴的運動速度呈對稱分布，最大速度出現(xiàn)在3λ/8位置處。這是由于水擊諧波作用力在此處達(dá)到最大值，使液滴對連續(xù)相阻力作用較大的緣故。

圖4 液滴速度與位置、時間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of droplet speed，its position and time.

1.4 水擊諧波場中分散相液滴的聚結(jié)

在水擊諧波場中，當(dāng)兩個液滴相遇接觸時，液滴之間形成薄的液膜或稱滑動的夾層，由于膜的某些部位受水擊諧波場條件變化的影響，液膜厚度會發(fā)生波動，局部區(qū)域會變薄，液膜被破壞而形成較大的液滴，這個過程稱為聚結(jié)。聚結(jié)為不可逆過程，導(dǎo)致液滴尺寸變大、液滴數(shù)目減少，極限的情況就是完全破乳，實現(xiàn)油水分離。

聚結(jié)過程是復(fù)雜的，一般需要考慮液滴之間界面膜作用力的性質(zhì)，這些力的相互作用決定界面膜是熱力學(xué)穩(wěn)定的，還是亞穩(wěn)定的，或是不穩(wěn)定的;另一方面應(yīng)考慮與液膜局部厚度和彈性的波動(熱或機械作用因素引起)等有關(guān)的動力學(xué)因素。在水擊諧波場中，一旦液滴相互接近，水擊諧波對相互接近的液滴的聚結(jié)力有重要影響，水擊諧波作用下的聚結(jié)力為：

水擊諧波聚結(jié)力作用方向是兩液滴的中心線，與二者距離的平方成反比，兩液滴的距離越近，聚結(jié)力越大。采用乳化油液滴動態(tài)圖像采集儀所采集到的分散相液滴在水擊諧波場中的聚結(jié)過程見圖5。由圖5可見，在水擊諧波場中存在液滴的聚結(jié)，而且液滴聚結(jié)過程受水擊諧波場強度的影響，隨水擊諧波場強度變化，有些液滴聚集后并沒有聚結(jié)，反而有較大的反彈，液滴能否聚結(jié)主要取決于其動能與表面能的比值。

圖5 分散相液滴在水擊諧波場中的聚結(jié)過程Fig.5 Ccoalescence process of emulsion droplets in the water hammer harmonic field.

2 實驗部分

水擊諧波破乳的實驗裝置見圖6。油包水型乳化油液通過液壓泵(1)輸送到蓄能器(2)中儲存，待蓄能器被充滿后，關(guān)閉泵前的截止閥，避免液壓泵的脈動對破乳過程的影響。利用蓄能器2對測試系統(tǒng)提供動力，乳化油液經(jīng)過流量傳感器(3)和水分測定儀(4)之后進入破乳罐體(8)。采用PC機(13)輸出高頻信號至可編程控制器(12)，驅(qū)動開關(guān)閥(9)使其實現(xiàn)高頻啟閉動作，在罐體(8)內(nèi)形成水擊諧波場。

乳化油液中的水滴受到水擊諧波的作用，向諧波的波腹(或波節(jié))聚集，并產(chǎn)生沉降，通過排水總管(6)中進入水槽收集。經(jīng)過破乳處理后的油液由水分測定儀(10)測定破乳后的水分含量，并與破乳前的水分含量進行比較。

通過三維可調(diào)的圖像采集裝置(11)，使安裝在垂直絲桿上工業(yè)數(shù)碼相機(7)對罐體(8)的某一范圍內(nèi)的乳化油液中的水滴運動狀態(tài)進行圖像采集，運用圖像分析軟件獲取水滴聚集的程度，從微觀上獲取測試分散相液滴的動態(tài)特征。結(jié)合罐體(8)兩端的水分測定儀的數(shù)據(jù)，通過設(shè)定的控制策略，由PC機(13)輸出對應(yīng)的信號至可編程控制器(12)，驅(qū)動開關(guān)閥(9)以改變動作頻率，達(dá)到較佳的破乳效果。

圖6 水擊諧波破乳實驗裝置Fig.6 Demulsification schematic diagram of water hammer harmonic.

以開關(guān)閥產(chǎn)生的初始水擊諧波作為入射波，通過透明的實驗段達(dá)到頂部，變?yōu)榉瓷洳?反射波與入射波相互作用，對輸入端的水擊進行放大和傳播，形成水擊諧波動態(tài)傳輸特性。解決聚結(jié)條件問題，再提升到整個乳化液分散相的聚結(jié)或破裂的動態(tài)研究，將分散相動態(tài)過程的多樣性問題通過對分散相運動過程進行系統(tǒng)、分步規(guī)劃得以控制，即通過界定聚結(jié)條件來預(yù)防油液乳化的出現(xiàn)。

將分散相液滴的運動軌跡模擬結(jié)果(采用式(2)進行計算的結(jié)果)與文獻［9－10］的測量結(jié)果進行對比，以驗證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。液滴在初始位置(y0=0.016 5 m)時運動軌跡的模擬與實驗結(jié)果的對比見圖7。由圖7可看出，分散相液滴經(jīng)過185 s在y0=0.109 0 m 處(波節(jié))出現(xiàn)了滯留，即達(dá)到平衡位置。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，偏差在1%之內(nèi)，說明所建立的分散相液滴的作用力模型(式(1))能表達(dá)液滴的實際運動軌跡。

在水擊諧波場中乳化油液滴的動態(tài)圖像見圖8。由圖8可見，采用水擊諧波可促使分散相液滴相互接近，以至于聚結(jié)，從而實現(xiàn)油水分離，完成破乳過程。

圖7 液滴運動軌跡的模擬與實驗結(jié)果的對比Fig.7 Comparison of the simulation result with the experimental data for the droplet trajectories.—— Calculated value● Experimental data

圖8 在水擊諧波場中乳化油液滴的動態(tài)圖像Fig 8 Dynamic image of the emulsified oil droplets in the water hammer harmonic field.

3 結(jié)果與討論

3.1 液滴聚結(jié)的條件

兩液滴在水擊諧波作用下由于體力(浮升力、拖曳力、重力和水擊諧波強迫振動力等)和相互作用力而產(chǎn)生聚集，并不是所有液滴在聚集時都可以產(chǎn)生聚結(jié)。因而必須控制合適的條件實現(xiàn)分散相液滴的穩(wěn)定聚結(jié)，液滴的穩(wěn)定聚結(jié)取決于We和b，如圖9所示。由圖9可見，We較小時，分散相液滴的穩(wěn)定區(qū)較大;We較大時，分散相液滴的穩(wěn)定區(qū)變小。

圖9 液滴碰撞后聚結(jié)的條件Fig.9 Coalescence conditions after the droplet collision.

在圖9a中，在低 We數(shù)(We＜7.6)和高沖擊參量b(b/D ＞0.8)的情況下沒有出現(xiàn)聚結(jié)，說明液滴處于穩(wěn)定區(qū);在60≤We≤105范圍內(nèi)，有兩個b值對應(yīng)的液滴碰撞后處于分裂狀態(tài)。對于一個正碰撞，即b=0時，克服液滴的表面張力需要最小動能為We=60，液滴呈破碎狀態(tài)，此時如果We一定，增加b值，動能消耗在液滴的振動能上，液滴進入穩(wěn)定聚結(jié)狀態(tài)，b值持續(xù)增大，多出的動能將轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能且由于離心力作用而使兩液滴被拉長。從圖9b中也可得到相同的規(guī)律，并有大液滴出現(xiàn)，而且液滴的穩(wěn)定區(qū)域更大。

3.2 乳化油液的物理性質(zhì)對聚結(jié)的影響

隨液滴粒徑和密度的增大，液滴達(dá)到平衡位置的時間呈減小趨勢，表現(xiàn)為容易聚結(jié);連續(xù)相的黏度增大，液滴達(dá)到平衡位置的時間延長，聚結(jié)能力降低。隨水擊諧波頻率的增大，液滴的運動速度增大，液滴達(dá)到平衡位置的時間縮短，但速度過大液滴容易產(chǎn)生碰撞而反彈不利于液滴的聚集;頻率減小液滴達(dá)到平衡位置的時間延長，所以水擊諧波頻率變化對連續(xù)相的彈性模量有一定的影響，使水擊諧波的聚結(jié)力發(fā)生相應(yīng)的變化。

4 結(jié)論

(1)在對水擊諧波破乳機理進行分析的基礎(chǔ)上，建立了水擊諧波破乳的數(shù)學(xué)模型。對分散相液滴聚結(jié)的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的偏差在1%之內(nèi)。

(2)分散相液滴在水擊諧波強迫振動力作用下，可以在水擊諧波波節(jié)的±λ/4范圍內(nèi)發(fā)生聚集，并產(chǎn)生聚結(jié)，從而實現(xiàn)乳化油液的破乳。

(3)分散相液滴的粒徑和密度增大，有利于液滴的聚結(jié);連續(xù)相的黏度增大不利于液滴的聚結(jié);水擊諧波的頻率對液滴聚結(jié)有一定的影響，必須控制適宜的頻率才可以有效地進行破乳。

符號說明

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Mechanism of Demulsification of Emulsified Oil by Water Hammer Harmonic

Liu Ge，Chen Bin，Zhang Xianming，Huang Lang

(Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment，Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067 China)

Based on the mechanism of water hammer harmonic demulsification，a mechanics equilibrium equation for dispersed droplets was established，and the demulsification experiment under water hammer harmonic was carried out.Causes and characteristics of the dispersed droplet gathering in the water hammer harmonic field due to the water hammer harmonic vibration force were investigated.The demulsification mechanism was studied based on gathering，deformation，collision and coalescence of the dispersed droplets.The movement law of the dispersed droplets in the water hammer harmonic field was acquired.The experimental results showed that the dispersed droplets aggregated in a certain wavelength range under action of the water hammer harmonic and frequency of the water hammer harmonic influenced the aggregation;along with increases of the dispersed droplet size and the density，the gathering of the dispersed droplets was enhanced，which benefited the demulsification.

emulsified oil;demulsification mechanism;water hammer harmonic

1000－8144(2011)06－0618－06

TQ 028.4

A

2011－01－08;［修改稿日期］2011－03－03。

劉閣(1973—)，女，河南省南陽市人，碩士，講師，電話023－62768317，電郵 lycy9945@163.com。。

重慶市教委科技資助項目(KJ100722);重慶高校創(chuàng)新團隊項目(KJTD201019);廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心科學(xué)技術(shù)研究項目(FYKJ2009009)。

(編輯 李治泉)