高壓脈沖靜電破乳過程水滴的破碎臨界電場(chǎng)參數(shù)

孫治謙,金有海,王振波

(中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

高壓脈沖靜電破乳過程水滴的破碎臨界電場(chǎng)參數(shù)

孫治謙,金有海,王振波

(中國(guó)石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

通過顯微試驗(yàn)考察水滴在高壓高頻脈沖電場(chǎng)作用下的極化變形及失穩(wěn)破碎過程,研究水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)、占空比及電場(chǎng)頻率的變化規(guī)律。結(jié)果表明:隨占空比的增加,作用于水滴的電場(chǎng)能隨之增大,同一脈沖周期內(nèi)電場(chǎng)施加時(shí)間增長(zhǎng),水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)減??；隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,水滴的極化變形效應(yīng)愈加明顯,水滴的變形弛豫時(shí)間縮短,破碎臨界占空比減小,臨界占空比最小值所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率逐漸降低；電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí),隨占空比的增大,水滴的破碎臨界頻率呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)；電場(chǎng)強(qiáng)度、占空比及電場(chǎng)頻率三者共同決定了水滴的極化弛豫狀態(tài)、作用于水滴的電場(chǎng)能以及水滴的振蕩頻率,其交互作用對(duì)水滴的破碎具有重要影響。

水處理；脈沖；靜電破乳；極化；臨界電場(chǎng)參數(shù)

高壓靜電聚結(jié)脫水技術(shù)廣泛應(yīng)用于油田地面工程以及石油石化領(lǐng)域中原油乳狀液的脫水、脫鹽處理過程[1-2]。然而,隨著各大油田進(jìn)入采油中后期,油田采出液的物性日趨復(fù)雜,乳狀液破乳分離難度大大增加,靜電聚結(jié)脫水技術(shù)面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-4]。Bailes[5]提出了脈沖靜電聚結(jié)技術(shù),對(duì)于高壓高頻脈沖靜電聚結(jié)過程中水滴的破乳聚并微觀機(jī)制,尚未得到深入而全面的分析[6-11]。水滴在高壓脈沖電場(chǎng)作用下的破碎,是靜電破乳過程發(fā)生的重要現(xiàn)象之一。水滴的聚并破乳、電分散等過程均伴隨著水滴破碎、扯裂、油水界面膜破裂等現(xiàn)象的出現(xiàn)[12-13]?；诖?筆者通過顯微試驗(yàn)考察水滴在高壓高頻脈沖電場(chǎng)作用下的極化變形及失穩(wěn)破碎過程,在此基礎(chǔ)上總結(jié)水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)、占空比及電場(chǎng)頻率的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置與方法

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200×10-6的OP-10蒸餾水溶液作為分散相,透光性較好的導(dǎo)熱油作為連續(xù)相,常溫下導(dǎo)熱油的密度為856.0 kg/m3,表觀黏度為89.6 mPa·s。采用電壓、頻率和占空比連續(xù)可調(diào)的高壓高頻矩形波脈沖脫水電源,其電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為1.2～7.0 kV,脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍為1.8～6.3 kHz,占空比調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.875。試驗(yàn)單元采用85 mm×11 mm×11 mm的雙絕緣平板電聚結(jié)單元,電極材料為銅片,電極形式為平板電極,聚結(jié)單元上部不封口,其主體材質(zhì)和絕緣材料為玻璃,通過調(diào)節(jié)電壓幅值,可改變測(cè)試單元內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度。顯微成像系統(tǒng)由鳳凰光學(xué)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的PH50型數(shù)碼顯微鏡、計(jì)算機(jī)以及PHMIAS2008顯微圖像處理分析軟件組成,用以記錄試驗(yàn)過程中的圖像信息,并通過后處理軟件量化試驗(yàn)結(jié)果。

微觀試驗(yàn)測(cè)試裝置見圖1。試驗(yàn)前,將導(dǎo)熱油置于試驗(yàn)單元內(nèi),并通過醫(yī)用注射器向聚結(jié)單元內(nèi)油相中置入水滴,控制水滴的粒度在(550±20)μm內(nèi)。將試驗(yàn)單元置于PH50數(shù)碼顯微鏡的載物臺(tái)上,調(diào)好物鏡焦距,開啟數(shù)字?jǐn)z像頭,將其與計(jì)算機(jī)相連。試驗(yàn)時(shí),控制其他條件不變,緩慢升高所考察的電源參數(shù),直至水滴發(fā)生失穩(wěn)破碎,記錄破碎時(shí)的各電場(chǎng)參數(shù),同時(shí)利用PHMIAS2008顯微圖像處理分析軟件觀察試驗(yàn)現(xiàn)象、記錄試驗(yàn)過程中所需要的視頻和圖片。試驗(yàn)結(jié)束后,利用顯微圖像處理分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理工作。

圖1 微觀試驗(yàn)測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram experimental set-up of microscopic test

2 試驗(yàn)結(jié)果及其討論

圖2為高壓高頻脈沖電場(chǎng)作用下水滴的極化變形及失穩(wěn)破碎的顯微圖像。

圖2 水滴的極化變形及失穩(wěn)破碎Fig.2 Polarization and destabilization of water droplet

由圖2(a)可知,水滴在沒有施加電場(chǎng)的情況下呈球形。由于球形水滴的折射率沿徑向有所不同,水滴中間部位透光性強(qiáng),水滴在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出“環(huán)形”,不同的連續(xù)相和分散相種類、不同的透射光強(qiáng)以及不同的水滴粒度,均會(huì)導(dǎo)致水滴透光性質(zhì)的不同。施加高壓高頻脈沖電場(chǎng)后,水滴呈橢球形變形,隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,水滴的變形度隨之增大,如圖2(b)～(c)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增大,橢球形水滴上端的靜電拉應(yīng)力超過油水界面張力所形成的附加壓應(yīng)力,水滴出現(xiàn)尖端破碎現(xiàn)象,自破碎尖端噴射出一連串粒徑為1～3 μm的微小水滴(圖2(d)～(e))。伴隨著微小水滴的噴射,水滴的變形度略有降低,形成“反彈”效應(yīng),最終達(dá)到平衡狀態(tài)(圖2(f))。

2.1 水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)

保持高壓高頻脈沖電場(chǎng)的頻率和占空比不變,逐漸增大作用于水滴的電場(chǎng)強(qiáng)度,水滴的變形度將逐漸增加。當(dāng)水滴出現(xiàn)尖端破碎時(shí),所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度即為水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec。

圖3為不同電場(chǎng)頻率下水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)隨占空比的變化曲線。由圖3可知,隨占空比的增加,水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)減小。其原因在于,占空比增大,同一脈沖周期內(nèi)電場(chǎng)施加時(shí)間增長(zhǎng),作用于水滴的電場(chǎng)能隨之增大,水滴的極化變形及破碎趨勢(shì)愈加明顯,臨界電場(chǎng)強(qiáng)度隨之降低。低占空比、高頻條件下的水滴的破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)最高。其原因在于,高頻條件下水滴的極化電荷弛豫時(shí)間較短,水滴的振蕩變形效應(yīng)較弱,且低占空比時(shí)作用于水滴的電場(chǎng)能較低,兩因素共同作用下水滴的極化變形效應(yīng)受到抑制,水滴破碎所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增高。

圖3 不同頻率下臨界場(chǎng)強(qiáng)隨占空比的變化Fig.3 Critical field intensity variation with duty ratio in different frequency conditions

圖4 不同占空比下臨界場(chǎng)強(qiáng)隨頻率的變化Fig.4 Critical field intensity variation with frequency in different duty ratio conditions

不同占空比下水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)隨頻率的變化曲線見圖4。由圖4可知,隨電場(chǎng)頻率的增加,不同占空比條件下,水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的規(guī)律。高占空比(n=87.5%)條件下,隨著頻率增加,臨界破碎場(chǎng)強(qiáng)先升高后降低,當(dāng)頻率為4 kHz時(shí),臨界破碎場(chǎng)強(qiáng)存在最大值；中等占空比(n= 50.1%)條件下,隨頻率的增大,臨界破碎場(chǎng)強(qiáng)隨之減?。坏驼伎毡?n=19.9%)條件下,隨頻率的增大,臨界破碎場(chǎng)強(qiáng)先降低后升高,當(dāng)頻率為3 kHz時(shí),臨界破碎場(chǎng)強(qiáng)存在最小值?？梢?不同占空比條件下,電場(chǎng)頻率對(duì)水滴臨界破碎場(chǎng)強(qiáng)的影響十分顯著,占空比和頻率間的交互作用不可忽略。

2.2 水滴破碎臨界占空比

保持電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)頻率不變,逐漸升高占空比,水滴的變形度將逐漸增大。當(dāng)水滴出現(xiàn)尖端破碎時(shí),所對(duì)應(yīng)的占空比即為水滴破碎臨界占空比nc。圖5為不同頻率下臨界占空比隨場(chǎng)強(qiáng)的變化。由圖5可知,隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,水滴的破碎臨界占空比減小。其原因在于,隨著作用于水滴的電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,水滴的極化變形效應(yīng)愈加明顯,水滴的變形弛豫時(shí)間縮短,故水滴破碎所需的電場(chǎng)導(dǎo)通時(shí)間隨之減少。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度低于3.22 kV/cm時(shí),隨頻率的增大,臨界占空比減小；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于或等于3.2 kV/cm時(shí),頻率為6 kHz時(shí)的臨界占空比較大,而頻率為2 kHz和4 kHz的臨界占空比較小?？梢娫诘蛨?chǎng)強(qiáng)條件下,水滴的極化弛豫時(shí)間較長(zhǎng),隨頻率的增加,水滴破碎所需的電場(chǎng)能降低,臨界占空比較小；在高場(chǎng)強(qiáng)條件下,隨頻率的增加,水滴極化電荷的弛豫時(shí)間較短,水滴需要較高的電場(chǎng)能以維持其極化變形,故其破碎臨界占空比較大。

圖5 不同頻率下臨界占空比隨場(chǎng)強(qiáng)的變化Fig.5 Critical duty ratio variation with field intensity in different frequency conditions

圖6為不同場(chǎng)強(qiáng)下臨界占空比隨頻率的變化。由圖6可知,隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,水滴的破碎臨界占空比愈小。當(dāng)作用于水滴的電場(chǎng)強(qiáng)度為2.507 kV/ cm時(shí),隨電場(chǎng)頻率的增大,水滴破碎臨界占空比降低；當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)為3.581 kV/cm時(shí),隨頻率的增加,臨界占空比先減小、后增大；當(dāng)頻率為4 kHz時(shí),臨界占空比存在最小值15.4%。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)為4.298 kV/cm時(shí),隨頻率的增大,臨界占空比呈現(xiàn)小幅升高的趨勢(shì)?？梢?隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,臨界占空比最小值所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率逐漸降低,這是由極化電荷的弛豫狀態(tài)、水滴固有頻率及脈沖振蕩效應(yīng)所共同決定的。

圖6 不同場(chǎng)強(qiáng)下臨界占空比隨頻率的變化Fig.6 Critical duty ratio variation with frequency in different field intensity conditions

2.3 水滴破碎臨界頻率

固定電場(chǎng)強(qiáng)度和占空比,由低到高增加電場(chǎng)頻率,水滴的變形度將逐漸增大。當(dāng)水滴出現(xiàn)尖端破碎時(shí),所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率即為水滴破碎臨界頻率fc。圖7為不同場(chǎng)強(qiáng)下臨界頻率隨占空比的變化曲線。

由圖7(a)可知,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.865 kV/cm時(shí),隨占空比的增大,水滴的破碎臨界頻率先增大、后減小,當(dāng)占空比為40%時(shí),存在最大臨界頻率2.83 kHz。由圖7(b)可知,在電場(chǎng)強(qiáng)度為2.149 kV/cm條件下,隨占空比的增大,水滴的破碎臨界頻率也呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì),當(dāng)占空比為52.5%時(shí),存在最大臨界頻率4.45 kHz。對(duì)比圖7可知,電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí),水滴的極化變形效應(yīng)減弱,水滴最大臨界頻率值及其對(duì)應(yīng)的占空比值均有所增大,以保證水滴在足夠的電場(chǎng)能作用下發(fā)生破碎。此外,低場(chǎng)強(qiáng)條件下,占空比過低和過高時(shí),試驗(yàn)條件下(電場(chǎng)頻率1.8～6.3 kHz),水滴均未發(fā)生破碎現(xiàn)象；而高場(chǎng)強(qiáng)條件下,臨界頻率所對(duì)應(yīng)的占空比范圍較寬,這是水滴在高場(chǎng)強(qiáng)條件下更易于發(fā)生破碎現(xiàn)象的又一例證。

綜合水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)、占空比、頻率試驗(yàn)結(jié)果可知,高壓高頻脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度、占空比及電場(chǎng)頻率三者間相互關(guān)聯(lián)、相互影響,它們共同決定了水滴的極化弛豫狀態(tài)、作用于水滴的電場(chǎng)能以及水滴的振蕩頻率,其相互間的交互作用對(duì)水滴的破碎行為具有重要影響。

圖7 不同場(chǎng)強(qiáng)下臨界頻率隨占空比的變化曲線Fig.7 Critical frequency variation with duty ratio in different field intensity conditions

3 結(jié) 論

(1)隨占空比的增加,作用于水滴的電場(chǎng)能隨之增大,同一脈沖周期內(nèi)電場(chǎng)施加時(shí)間增長(zhǎng),水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)減小,低占空比、高頻條件下的水滴的破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)最高；不同占空比條件下,電場(chǎng)頻率對(duì)水滴破碎臨界場(chǎng)強(qiáng)的影響十分顯著,占空比和頻率間的交互作用不可忽略。

(2)隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,水滴的極化變形效應(yīng)愈加明顯,水滴的變形弛豫時(shí)間縮短,破碎臨界占空比減??；隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大,臨界占空比最小值所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)頻率逐漸降低。

(3)電場(chǎng)強(qiáng)度一定的條件下,隨占空比的增大,水滴的破碎臨界頻率呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)；試驗(yàn)范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)越高,水滴最大臨界頻率值及其對(duì)應(yīng)的占空比值均有所增大,且臨界頻率所對(duì)應(yīng)的占空比范圍越寬。

(4)電場(chǎng)強(qiáng)度、占空比及電場(chǎng)頻率三者間相互關(guān)聯(lián)、相互影響,它們共同決定了水滴的極化弛豫狀態(tài)、作用于水滴的電場(chǎng)能以及水滴的振蕩頻率,其交互作用直接影響水滴的破碎行為。

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(編輯 沈玉英)

Critical electric field parameters of water droplet broken-up in high voltage impulse electrostatic demulsification process

SUN Zhi-qian,JIN You-hai,WANG Zhen-bo
(College of Chemical Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Based on microscopic experiment,the polarization deformation and destabilization process of water droplet under high-voltage and high-frequency electric field were deeply investigated,and the variation characteristics of critical electric field parameters were summarized.The results show that,with duty ratio increasing,electric field energy acting on the droplet and acting time of electric field in a impluse cycle simultaneously increase,and the broken-up critical field intensity decreases.With electric field intensity increasing,the polarization deformation effect of water droplet becomes increasingly important,deformation relaxation time shortens,broken-up critical duty ratio decreases,and the electric field frequency corresponding to the minimum value of critical duty ratio gradually decreases.The critical frequency increases firstly and reduces afterward with the increase of duty ratio in condition of constant electric field intensity.The polarization and relaxation state, electric field energy acting on the droplet and droplet oscillation frequency are dependent on electric field intensity,critical duty ratio and field frequency.The interaction plays an important role in the destabilization behavior of water droplet.

water treatment；impulse；electrostatic demulsification；polarization；critical electric field parameter

TE 642.1

A

1673-5005(2013)01-0134-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.01.023

2012-04-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(27R1204021A)

孫治謙(1983-),男,講師,博士,從事多相流分離及油田地面工程等方面的研究。E-mail:iamsunzhiqian@163.com。