油水乳化液分散相動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展

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）

油水乳化液分散相動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展

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）

根據(jù)乳化液分散相液滴的發(fā)展歷程以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從分散相液滴受力變形、聚集、碰撞及其聚結(jié)與破裂等幾個(gè)方面綜述了乳化液分散相動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展。并就分散相幾種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的界定條件、液滴聚結(jié)與破裂機(jī)理以及系統(tǒng)全面的研究方法等亟待解決的問題提出了分散相動(dòng)力學(xué)的研究思路。

乳化液；分散相；動(dòng)力學(xué)；液滴

石油產(chǎn)品在使用中極易混入水分，這會(huì)降低石油產(chǎn)品的性能。潤(rùn)滑油性能惡化的主要原因之一是水進(jìn)入油液中。當(dāng)油液中的水分超過0.05%（w）時(shí)，隨著油液的流動(dòng)，在水分、膠質(zhì)、能量作用下形成了大量的乳化液。而乳化液是一個(gè)多相體系，是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。油液乳化后，可改變油液黏度，降低油液的潤(rùn)滑性能；在低溫工作條件下，油液中的微粒水珠凝結(jié)成冰粒，堵塞控制元件的間隙或小孔，引起系統(tǒng)故障等。因此，油液一旦乳化，其性能就要發(fā)生改變，失去原有的功能而成為“廢油”。對(duì)油液乳化需要深入分析分散相的動(dòng)態(tài)特征。

近年來，對(duì)乳化液分散相動(dòng)力學(xué)的研究普遍認(rèn)為，在不同的外場(chǎng)（旋流場(chǎng)、離心場(chǎng)、電磁場(chǎng)等）作用下，分散相的動(dòng)態(tài)特征在理論上是一個(gè)非常復(fù)雜的難題［1-3］。這是因?yàn)椋阂环矫?，油水乳化液形成牢固的界面膜；另一方面，油液中的各種添加劑帶來的表面活性物質(zhì)也能吸附在油水界面上，使乳化液更加穩(wěn)定，給乳化液滴聚結(jié)造成了動(dòng)力學(xué)障礙。另外乳化液油水界面膜的穩(wěn)定與許多因素有關(guān)，如油水兩相量比、分散相粒徑大小及分布特征、溫度、表面張力、界面黏度等。

本文從分散相液滴受力變形、聚集、碰撞及其聚結(jié)與破裂等幾個(gè)方面綜述了乳化液分散相動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展，并就亟待解決的問題提出分散相動(dòng)力學(xué)研究的思路。

1 分散相液滴的變形

乳化液分散相液滴的變形過程一直是過去許多數(shù)值研究、建模研究和實(shí)驗(yàn)研究的主題，主要是在穩(wěn)定的剪切或拉伸流場(chǎng)中對(duì)液滴穩(wěn)定性進(jìn)行研究。分散相液滴受到壓力作用產(chǎn)生變形，表現(xiàn)在軸向拉長(zhǎng)或扁平化兩種形式，且與外加場(chǎng)的強(qiáng)度、液滴大小和相界面張力有關(guān)。

Pangu等［4］利用Marston有關(guān)液滴受到的徑向力結(jié)論以及表面張力建立了液滴變形方程，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)預(yù)測(cè)到液滴的變形最大為9%，認(rèn)為此變形量可以忽略不計(jì)。在雷諾數(shù)為零的線性剪切或拉伸流場(chǎng)中，Li等［5］應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究了在連續(xù)相中不溶解的表面活性劑對(duì)一個(gè)球形液滴的瞬間變形和形狀的影響，認(rèn)為液滴的形變主要受以下幾種因素影響：表面活性劑的分散能力（貝克來數(shù)）、表面張力對(duì)表面活性劑濃度變化的敏感度（Elasticity number）和瞬間流場(chǎng)的強(qiáng)度。張建等［6-8］引進(jìn)了變形液滴長(zhǎng)短徑比（γab）的概念，作為液滴破裂準(zhǔn)則。認(rèn)為液滴γab愈大，分散相液滴在連續(xù)相的剪切流作用下，所承受的剪切應(yīng)力也越大；當(dāng)γab→∞時(shí)，意味著液滴的完全乳化。龔海峰［9］采用乳膠粒子穩(wěn)態(tài)變形力學(xué)模型，得到的變形乳膠粒子在電場(chǎng)中拉伸比的數(shù)值解。王亮等［10］通過圖像處理軟件提取了高壓靜電場(chǎng)中液滴圖像的長(zhǎng)短軸的具體參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，認(rèn)為變形度隨電場(chǎng)強(qiáng)度及液滴粒徑單調(diào)遞增，隨界面張力遞減。林長(zhǎng)志等［11］采用擴(kuò)散界面方法數(shù)值模擬了剪切流動(dòng)條件下液滴變形和斷裂的過程，計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)條件下液滴變形參數(shù)與前人的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。

2 分散相液滴的聚集、碰撞

液滴的聚集和碰撞根據(jù)不同的外加場(chǎng)有不同的觀點(diǎn)。

Tchoukov等［12］認(rèn)為促進(jìn)液滴聚集是相鄰粒子受電場(chǎng)以及粒子自身的表面張力共同影響的結(jié)果，當(dāng)外場(chǎng)對(duì)粒子施加的吸引力大到足以使相鄰粒子“擠掉”它們之間的界面分子，使得水/水體系的分子間力發(fā)揮作用，這些粒子就聚合成大粒子。Aboobaker等［13］建立了聲場(chǎng)作用下分散相液滴的動(dòng)力學(xué)模型，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，2 μm粒徑的液滴在聲力作用下向壓力波節(jié)遷移，20 s后產(chǎn)生聚集。駱廣生等［14］研究了有機(jī)微孔膜的破乳，認(rèn)為O/W型乳狀液中的分散相在膜表面潤(rùn)濕，并發(fā)生不同程度的鋪展，在一定的壓差推動(dòng)下，液滴之間發(fā)生不同程度的聚集，超過一定范圍時(shí)，液滴不可逆地聚結(jié)成大液滴。孫寶江等［15-16］利用穩(wěn)定性理論分析了超聲波破乳中液滴的聚集效應(yīng)——位移效應(yīng)，認(rèn)為液滴將不斷向波腹或波節(jié)移動(dòng)、聚集并發(fā)生碰撞，生成直徑較大的水滴，然后在重力作用下與油分離；同時(shí)指出一些參數(shù)，如聲強(qiáng)、頻率、聲波輻射時(shí)間、表面張力、黏度等對(duì)液滴的聚集有很大的影響。Pangu等［4］認(rèn)為超聲駐波場(chǎng)中，分散相液滴會(huì)在主聲輻射力作用下向波腹聚集，且在次聲輻射力下產(chǎn)生聚結(jié)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果。

3 分散相液滴碰撞后聚結(jié)與破裂

液滴聚結(jié)是指兩液滴碰撞前后的質(zhì)量是一致的，當(dāng)兩液滴碰撞時(shí)界面膜厚度達(dá)到一個(gè)臨界值就會(huì)出現(xiàn)聚結(jié)。兩液滴在外場(chǎng)作用下由于體力和相互作用力而產(chǎn)生聚集，如果在這個(gè)聚集過程中液滴間的界面膜被驅(qū)除就可以形成穩(wěn)定聚結(jié)。

Khalil等［17］利用圖像分析方法研究了油水乳化液分散相粒徑分布狀態(tài)，認(rèn)為由于液滴的破裂機(jī)制以及添加劑含量降低了液滴的聚結(jié)率和O/W界面膜的穩(wěn)定等原因，導(dǎo)致分散相粒徑均值的降低，乳化程度增加。Kwon 等［18-19］認(rèn)為液滴有瞬時(shí)聚結(jié)和永久聚結(jié)兩種，當(dāng)碰撞動(dòng)能超過永久聚結(jié)時(shí)的能量就會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)聚結(jié)，引起分裂或破碎。破裂是指碰撞后液滴的數(shù)量與碰撞的總液滴數(shù)量一致的情況，且它們的質(zhì)量相同，碰撞動(dòng)能過大引起的破碎是指液滴最后分裂為大量的小液滴，如圖1所示［20］。

圖1 乳化液滴瞬時(shí)聚結(jié)和永久聚結(jié)的過程Fig.1 Unstable coalescence and stable coalescence of emulsion droplets.

Adam等［21］首次定量地分析了液滴碰撞過程中沖擊參量（b）和沖擊速度對(duì)其穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為液滴碰撞后聚結(jié)與分裂取決于韋伯?dāng)?shù)和b。對(duì)于一個(gè)正碰（即b=0），需要克服一個(gè)最小動(dòng)能破壞液滴的表面張力而使液滴呈破碎狀態(tài)，此時(shí)如果韋伯?dāng)?shù)一定，增大b，動(dòng)能消耗轉(zhuǎn)化為液滴的振動(dòng)能，液滴進(jìn)入穩(wěn)定聚結(jié)狀態(tài)；b持續(xù)增大，克服液滴的表面張力多出的動(dòng)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(zhǎng)。鄧志安等［22］對(duì)水洗流場(chǎng)中液滴的界面膜剪切破裂機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為水洗流場(chǎng)中控制著液滴產(chǎn)生變形和剪切破裂的無因次群有3個(gè)，其中韋伯?dāng)?shù)控制著液滴的破裂。張黎明等［23-24］進(jìn)行的電脈沖破乳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加適當(dāng)?shù)耐怆妶?chǎng)可以明顯地提高液滴的聚結(jié)效率，但電場(chǎng)強(qiáng)度并非越大越好，分別存在能使液滴破裂和阻止液滴聚結(jié)的兩類臨界場(chǎng)強(qiáng)，其中后者遠(yuǎn)小于前者。姜雪梅等［25-26］探討剪切流場(chǎng)中牛頓型W/O型乳狀液的分散相液滴破裂機(jī)理及臨界破裂條件，總結(jié)出分散相液滴破碎的原因：黏性剪切力主要使液滴發(fā)生形變;雷諾剪切力使之破碎。范永平等［27］認(rèn)為微波輻射減小了油水界面的Zeta電位，失去Zeta電位作用的水珠容易碰撞聚結(jié)，導(dǎo)致油水分離。趙冬建等［28］通過對(duì)連續(xù)相湍流導(dǎo)致的液滴聚結(jié)和破裂現(xiàn)象的合理模化，建立了適用于垂直上升管油水兩相分散流的相界面濃度輸運(yùn)方程，對(duì)沿實(shí)驗(yàn)段軸向的相界面濃度變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。Duan等［29］在臨界韋伯?dāng)?shù)附近，對(duì)液滴的破裂進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種無量綱數(shù)：韋伯?dāng)?shù)和Ohnesorge數(shù)對(duì)液滴的破裂行為起著主要的影響，而雷諾數(shù)在所有的破裂機(jī)制中幾乎對(duì)破裂沒有影響。

4 結(jié)語

縱觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，目前乳化液分散相動(dòng)力學(xué)的研究主要針對(duì)以下問題：在分散相受到外力場(chǎng)作用下，液滴的遷移、聚集的原起因， 液滴為什么能夠產(chǎn)生碰撞， 液滴碰撞后是聚結(jié)還是破裂。對(duì)于乳化液分散相，需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

（1）利用多相流體力學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的前沿理論，不僅對(duì)乳化液分散相單一階段（如變形或破裂等）運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行探索，而且要從分散相內(nèi)在發(fā)展歷程：遷移→聚集→碰撞→聚結(jié)（或破裂）為主線，以液滴對(duì)到液滴群為輔線采用系統(tǒng)、遞進(jìn)方法進(jìn)行分散相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)全過程的理論研究。

（2）以概率密度函數(shù)以及擴(kuò)散界面法等技術(shù)為基礎(chǔ)，建立液滴內(nèi)外流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程，需要確定液滴表面的邊界條件以及液滴形狀等，涉及到多學(xué)科技術(shù)的綜合運(yùn)用進(jìn)行數(shù)值分析求解，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）從乳化的原因?qū)で笃迫榉椒?，進(jìn)行乳化液分散相的碰撞時(shí)間和界面膜破裂時(shí)間、分散相的聚結(jié)與破裂臨界條件以及碰撞率、聚結(jié)率等方法體系的研究，揭示乳化液分散相聚結(jié)的內(nèi)在規(guī)律，較好地對(duì)分散相的動(dòng)態(tài)進(jìn)行定量分析，詮釋水擊諧波作用下乳化液的聚結(jié)與破裂機(jī)理。

（4）提出先進(jìn)的破乳方法，豐富物理破乳理論體系，以期在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到推廣和應(yīng)用，以緩解能源短缺的壓力，實(shí)現(xiàn)有限資源利用的最大化，使環(huán)境污染最小化，使?jié)櫥托袠I(yè)符合清潔生產(chǎn)、科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展、和諧發(fā)展的要求。

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Progress in Kinetics of Disperse Phase in Oil-Water Emulsion

Liu Ge，Chen Bin，Zhang Xianming，Huang Lang
（Engineering Research Centre for Waste Oil Recovery Technology and Equipment，Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Research progresses in the kinetics of oil-water emulsion disperse phase including the deformation，congregation，collision，coalescence and breakup of liquid droplets in the disperse phase，are reviewed according to the development process and motion state of the dispersed droplets. The existing problems such as the determination conditions for the motion states and the coalescence and breakup mechanisms of the droplets are discussed. The research directions for the kinetics of the disperse phase in future are proposed.

oil water emulsion；disperse phase；kinetics；liquid droplet

1000 - 8144（2012）11 - 1333 - 04

TQ 028.4

A

2012 - 05 - 15；［修改稿日期］2012 - 08 - 27。

劉閣（1973—），重慶市人，碩士，講師，電話 023 -62768317，電郵 lycy9945@163.com。

重慶市教委科技資助項(xiàng)目（KJ100722）；重慶市自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2011jjA90001）；重慶市科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2009AB3234）；重慶高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（KJTD201019）；重慶高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目（KJZH11211）。

（編輯 李治泉）