高壓脈沖電場破乳研究現(xiàn)狀及展望

陳凌，龔海峰，張賢明，劉先斌，歐陽平

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

隨著我國化工、冶金、汽車等基礎(chǔ)工業(yè)的迅速發(fā)展，我國原油消耗急劇增加，同時(shí)廢油產(chǎn)生量巨大。對于原油加工、廢油再生等工藝來說，油液的脫水凈化是其首要解決的關(guān)鍵問題。油液脫水凈化的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于破乳，對于原油乳狀液等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含水量較高的W/O型乳化油的脫水凈化，多采用破乳效率高、結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低的電破乳工藝進(jìn)行處理，后續(xù)再根據(jù)工藝需求配備真空加熱脫水等工序進(jìn)行剩余微水的脫除。

電破乳工藝按電場形式可分為直流電破乳、交流電破乳和脈沖電場破乳三類，其中，相較于直流電破乳和交流電破乳而言，脈沖電場破乳可有效地增加油液中液滴的振動(dòng)和碰撞，提高液滴聚結(jié)效率，具有較好的破乳效果，且可根據(jù)具體油液工況調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度、脈沖頻率、占空比等參數(shù)以獲得最優(yōu)的破乳效果，近年來已成為電破乳工藝研究的重點(diǎn)，大量學(xué)者針對高壓脈沖電場破乳進(jìn)行了研究。基于此，本文對高壓脈沖電場破乳的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出了進(jìn)一步研究的建議。

1 高壓脈沖電場破乳機(jī)理

乳化油破乳的關(guān)鍵在于乳狀液中液滴的聚結(jié)。高壓脈沖電場作用下乳化油液滴的聚結(jié)與乳化油工況、電場參數(shù)、流場參數(shù)等多種因素相關(guān)，具體的聚結(jié)機(jī)理目前尚沒有完善的理論體系，其中，較為經(jīng)典的兩種理論如下：(1)Bailes等提出的介電松弛理論[1]，該理論認(rèn)為高壓脈沖電場作用下乳狀液中液滴的聚結(jié)主要由受電介質(zhì)的松弛過程(即脈沖電場間歇期)決定，且存在一個(gè)使破乳效果最好的最優(yōu)脈沖頻率，同時(shí)液滴在聚結(jié)前必先被完全極化并形成水鏈。(2)與介電松弛理論不同，Taylor等提出了誘導(dǎo)電荷內(nèi)部電場理論[2]，該理論認(rèn)為高壓脈沖電場作用下乳狀液中液滴的聚結(jié)主要受介電物質(zhì)的電導(dǎo)率和脈沖電場頻率影響，且乳狀液必須分為連續(xù)相和分散相進(jìn)行考慮，脈沖電場頻率較低時(shí)液滴的聚結(jié)受電導(dǎo)率影響較大，脈沖電場頻率較高時(shí)電導(dǎo)率對液滴聚結(jié)的影響可以忽略。

基于上述介電松弛理論和誘導(dǎo)電荷內(nèi)部電場理論，國內(nèi)外學(xué)者針對高壓脈沖電場作用下乳化油液滴的聚結(jié)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究[3-5]，在綜合考慮上述兩種理論的基礎(chǔ)上形成了較為統(tǒng)一的看法：高壓脈沖電場作用下，乳化油中的液滴(分散相)的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于油相介質(zhì)(連續(xù)相)，液滴被極化后通過碰撞迅速完成聚結(jié)，同時(shí)脈沖電場的松弛過程也與乳化液的破乳機(jī)理有著重要的關(guān)系，脈沖電場中液滴形成的誘導(dǎo)偶極子之間的吸引對液滴的碰撞聚結(jié)也有著相應(yīng)的作用。另外，高壓脈沖電場的瞬時(shí)重復(fù)作用性產(chǎn)生的振動(dòng)，可以有效地增加液滴的振幅和碰撞機(jī)率，并加劇液滴界面的振動(dòng)導(dǎo)致界面膜的強(qiáng)度、厚度降低，促進(jìn)乳化油液滴間的相互聚結(jié)。

2 電場參數(shù)對高壓脈沖電場破乳的影響

從上述高壓脈沖電場破乳的機(jī)理分析可知，高壓脈沖電場作用下乳化油液滴的聚結(jié)與電場強(qiáng)度、電場頻率和占空比等電場參數(shù)密切相關(guān)，現(xiàn)將各參數(shù)的影響分析如下。

2.1 電場強(qiáng)度對高壓脈沖電場破乳的影響

電場強(qiáng)度對乳化油破乳的影響主要在于對乳化油液滴偶級力的影響，通常來說，電場強(qiáng)度越大，油水界面膜的破裂越快，液滴的聚結(jié)速度越快，但同時(shí)電場強(qiáng)度過大會(huì)導(dǎo)致已聚結(jié)的液滴破碎產(chǎn)生電分散現(xiàn)象，形成二次乳化。

針對電場強(qiáng)度過高時(shí)乳化油液滴發(fā)生的電分散現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者圍繞液滴的受力、變形、破裂與電場強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究：Feng[6]、耿孝恒[7]、Yan[8]、Hu[9]、陳慶國等[10-11]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真分析對液滴電場作用下的變形和破裂進(jìn)行了研究，認(rèn)為存在液滴變形至破裂的臨界場強(qiáng)，當(dāng)電場強(qiáng)度大于臨界場強(qiáng)時(shí)，乳化油中的液滴會(huì)發(fā)生破碎產(chǎn)生電分散，形成二次乳化；在臨界場強(qiáng)基礎(chǔ)上，孫治謙等[3]進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化研究，提出臨界場強(qiáng)分為臨界破乳場強(qiáng)和臨界乳化場強(qiáng)，電場強(qiáng)度低于臨界破乳場強(qiáng)時(shí)無法有效破乳，電場強(qiáng)度高于臨界乳化場強(qiáng)時(shí)會(huì)發(fā)生電分散產(chǎn)生二次乳化，只有當(dāng)電場強(qiáng)度在臨界破乳場強(qiáng)與臨界乳化場強(qiáng)之間時(shí)才能保證乳化油中液滴的有效聚結(jié)。

上述電分散現(xiàn)象主要發(fā)生在交流電或直流電破乳過程中，與交流電或直流電不同，高壓脈沖電場的作用具有瞬時(shí)性和重復(fù)性，一個(gè)脈沖周期內(nèi)液滴積累的能量將在脈沖周期的松弛階段發(fā)生消散，使得液滴無法獲得足夠的能量產(chǎn)生破裂，進(jìn)而減少或避免電分散的發(fā)生。對于高壓脈沖電場而言，液滴在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的能量積累與消散，與高壓脈沖電場的頻率和占空比密切相關(guān)，合適的電場頻率和占空比可以有效地防止高電場作用下的電分散，充分保證高電場作用下的聚結(jié)效果，基于此，關(guān)于電場強(qiáng)度對高壓脈沖電場破乳影響的研究應(yīng)與電場頻率、占空比結(jié)合進(jìn)行更為合理。

2.2 電場頻率對高壓脈沖電場破乳的影響

電場頻率對高壓脈沖電場破乳的影響主要體現(xiàn)在脈沖電場的不斷重復(fù)作用引起的液滴運(yùn)動(dòng)方面，大量的研究表明[12-13]，高壓脈沖電場破乳存在最佳電場頻率。

目前，關(guān)于電場頻率對高壓脈沖電場破乳的影響機(jī)理主要分兩類：(1)一類是在Bailes等的介電松弛理論[1]和Taylor等的誘導(dǎo)電荷內(nèi)部電場理論[2]基礎(chǔ)上，將乳化油與電極絕緣層視為RC等效電路(電阻-電容等效電路)，液滴的聚結(jié)效果與等效電阻、等效電容與分散相的性質(zhì)密切相關(guān)，電場頻率的大小主要影響作用于乳化油的電場強(qiáng)度及液滴的極化效果[14]，當(dāng)電場頻率過低時(shí)，電壓分配由電容決定，乳化油電容大，作用電壓小，電場強(qiáng)度低，對液滴的電場作用力小，液滴聚結(jié)效率較低；當(dāng)電場頻率過高時(shí)，脈沖保持段作用時(shí)間短，液滴極化時(shí)間不足，極化效果差，液滴聚結(jié)效果不好；對于特定的電場強(qiáng)度，存在最佳電場頻率，使得作用于乳化油的電場強(qiáng)度和液滴的極化效果達(dá)到最優(yōu)。(2)另一類是認(rèn)為電場頻率與乳化油液滴固有頻率的關(guān)系是決定破乳效果的關(guān)鍵，兩者越接近破乳效果越好，對于特定的電場強(qiáng)度，液滴的固有頻率與乳化油表面張力、液滴直徑等具體工況相關(guān)。為確定最佳電場頻率，張建等[15]認(rèn)為高壓脈沖電場作用下乳化油液滴的變形為大變形，并基于大變形條件提出了液滴的大變形自由振動(dòng)頻率，電場頻率與液滴大變形自由振動(dòng)頻率越接近，乳化油的破乳效果越好；另外，陳慶國等[10]在水滴受力模型及振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型研究基礎(chǔ)上，建立了水滴發(fā)生共振時(shí)的電場頻率表達(dá)式，認(rèn)為最佳電場頻率與水滴固有頻率及水滴運(yùn)動(dòng)阻力相關(guān)。

上述兩類看法中，將乳化油與電極絕緣層視為RC等效電路的看法較為合理，其綜合考慮了電場強(qiáng)度與液滴極化的影響。從液滴固有頻率出發(fā)確定最佳電場頻率的方法僅考慮了液滴本身的屬性，未考慮電場強(qiáng)度、液滴極化程度等方面的影響，應(yīng)在相關(guān)計(jì)算中引入與電場強(qiáng)度、液滴極化程度等相關(guān)的參數(shù)更為合理。

2.3 占空比對高壓脈沖電場破乳的影響

占空比表示在一個(gè)脈沖周期內(nèi)脈沖高電平占整個(gè)周期的比例。對于高壓脈沖電場破乳來說，占空比主要影響乳化油液滴對電場能量的吸收，占空比過低時(shí)，液滴吸收能量較少，極化程度不足，聚結(jié)效果較差，同時(shí)有研究表明[3]占空比過低時(shí)，液滴在脈沖松弛階段趨于保持球形，不利于液滴的變形和聚結(jié)；占空比過大時(shí)，脈沖松弛過程較短，液滴能量消散程度低，當(dāng)電場強(qiáng)度較大時(shí)容易發(fā)生電分散現(xiàn)象。另外，有學(xué)者[16]在Bailes等提出的介電松弛理論[1]基礎(chǔ)上，研究了占空比對液滴成鏈的影響，認(rèn)為占空比的關(guān)鍵在于保證水鏈在脈沖松弛階段的消散以避免形成短路造成能量散失，合適的占空比應(yīng)綜合考慮脈沖高電平階段的液滴成鏈和脈沖松弛階段的水鏈消散。

上述關(guān)于占空比對高壓脈沖電場破乳的影響研究大都基于一定的電場強(qiáng)度及電場頻率進(jìn)行，對于乳化油液滴來說，其在一個(gè)脈沖周期內(nèi)的極化、能量的吸收以及成鏈?zhǔn)钦伎毡取㈦妶鰪?qiáng)度、電場頻率等因素的綜合作用造成的，應(yīng)在占空比的影響研究中加入電場強(qiáng)度、電場頻率的因素更為合理。

3 高壓脈沖電場破乳器的研究設(shè)計(jì)

目前，針對高壓脈沖電場破乳技術(shù)的研究主要側(cè)重于破乳機(jī)理、影響因素等方面，且大都基于靜態(tài)間歇式實(shí)驗(yàn)設(shè)備為主，缺乏關(guān)于連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置方面的研究，對于高壓脈沖電場破乳技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用方面的研發(fā)較為不足，關(guān)于高壓脈沖電場破乳器研究設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀如下。

3.1 高壓脈沖電場破乳器電極材料及形式

高壓脈沖電場破乳器的電極材料通常采用鋁電機(jī)、銅電極、鋼電極、石墨電極等，在具體應(yīng)用中，為防止單純采用裸電極造成的短路、電耗增加及電極損耗等問題，實(shí)際的高壓脈沖電場破乳器通常采用絕緣電極，即在上述導(dǎo)電材料的電極外面包裹絕緣材料，形成絕緣電極。為促進(jìn)高壓脈沖電場破乳器的工業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者針對電極絕緣材料進(jìn)行了大量的研究，其中，鑒于聚四氟乙烯等高分子材料兼具絕緣性、阻燃性、耐高溫等特點(diǎn)，目前高壓脈沖電場破乳器電極絕緣材料以聚四氟乙烯材料為主[17]，除聚四氟乙烯外，環(huán)氧樹脂、乙烯-丙烯氟化聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)等高分子材料也被用于高壓脈沖電場破乳器的電極絕緣材料[18]；此外，有學(xué)者提出采用陶瓷等高介電常數(shù)的材料作為電極絕緣材料[19]，以避免采用聚四氟乙烯等電極絕緣材料時(shí)涂層腐蝕、脫落以及加工精度要求高等方面的問題，是當(dāng)前電極絕緣材料研究的一個(gè)新方向。

對于高壓脈沖電場破乳器來說，其電極主要形式有平行平板電極、同軸圓柱電極、同心圓球電極，其中同心圓球電極由于加工難度較大且油水分層后的電場梯度問題難以解決，在實(shí)際應(yīng)用中多以平行平板電極和同軸圓柱電極為主。平行平板電極電勢分布均勻，電極加工、放大難度低，工業(yè)化應(yīng)用較為方便，在實(shí)際應(yīng)用中電極安放位置對破乳效果影響較大，綜合來說，電極采用豎放方式布置較平放方式為好，可以有效地利用電極面積，同時(shí)利于水滴沉降；同軸圓柱電極產(chǎn)生電場為非均勻電場，通常來說，電場非均勻系數(shù)[20]越大，乳化油破乳脫水效果越好，但過大的非均勻系數(shù)容易導(dǎo)致電分散現(xiàn)象的發(fā)生。在高壓脈沖電場破乳器實(shí)際工作過程中，乳化油隨著液滴的沉降會(huì)出現(xiàn)分層，同時(shí)含水量的變動(dòng)會(huì)使得乳化油的分層呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，使得實(shí)際的電場分布及變化較為復(fù)雜，因此，高壓脈沖電場破乳器的電極設(shè)計(jì)需綜合考慮破乳脫水過程中的電場動(dòng)態(tài)變化等因素。

3.2 高壓脈沖電場破乳器結(jié)構(gòu)

基于3.1節(jié)所述平行平板電極和同軸圓柱電極兩類電極形式，高壓脈沖電場破乳器的結(jié)構(gòu)主要分為方形結(jié)構(gòu)和圓柱結(jié)構(gòu)兩類，具體如下：

(1)方形結(jié)構(gòu)高壓脈沖電場破乳器

此類高壓脈沖電場破乳器以方形絕緣電極板為基準(zhǔn)電極板，通過多個(gè)基準(zhǔn)電極板的并行布置產(chǎn)生高壓脈沖電場，基準(zhǔn)電極板的安裝方向與乳化油流動(dòng)方向垂直，另外，實(shí)際應(yīng)用中通常在基準(zhǔn)電極板上開孔以保證乳化油的流動(dòng)性以及破乳脫水的均勻性[18]。此類高壓脈沖電場破乳器結(jié)構(gòu)簡單，通常采用模塊化設(shè)計(jì)，制造、安裝及工業(yè)化應(yīng)用方便。

(2)圓柱結(jié)構(gòu)高壓脈沖電場破乳器

此類高壓脈沖電場破乳器以圓柱內(nèi)軸和外壁作為電極，乳化油在內(nèi)軸與外壁之間形成的高壓脈沖電場通道內(nèi)流動(dòng)，完成破乳脫水的過程。同時(shí)，此類高壓脈沖電場破乳器通常通過旋流的方式產(chǎn)生離心力[21]，使得乳化油同時(shí)承受高壓脈沖電場和離心力的綜合作用，提高破乳脫水效果，其中，乳化油的旋流可通過轉(zhuǎn)筒或沿切向方向進(jìn)油產(chǎn)生。

上述兩類結(jié)構(gòu)的高壓脈沖電場破乳器中，圓柱結(jié)構(gòu)的高壓脈沖電場破乳器由于加入了旋流的作用，破乳脫水效果較好，但由于其以圓柱內(nèi)軸和外壁作為電極，一旦發(fā)生電極絕緣材料腐蝕、脫落等問題，修復(fù)及更換難度較大。相對來說，模塊化的方形結(jié)構(gòu)高壓脈沖電場破乳器的絕緣電極修復(fù)較為容易，只需將存在問題的基準(zhǔn)電極板進(jìn)行更換即可。

4 結(jié)論及展望

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含水較高的W/O型乳化油，油液破乳的關(guān)鍵在于乳狀液中液滴的聚結(jié)。高壓脈沖電場破乳可以有效地增加液滴的振幅和碰撞機(jī)率，提高液滴聚結(jié)效率，同時(shí)，高壓脈沖電場的瞬時(shí)作用性可減少或避免液滴能量積累造成的電分散現(xiàn)象，相較傳統(tǒng)的直流電破乳和交流電破乳優(yōu)勢明顯，是電破乳工藝發(fā)展的重要方向。近年來，大量學(xué)者針對高壓脈沖電場破乳進(jìn)行了研究，主要的研究集中在電場強(qiáng)度、電場頻率和占空比等單因素條件對高壓脈沖電場破乳的影響方面，關(guān)于各電場參數(shù)之間的耦合作用對高壓脈沖電場破乳影響的研究較少。同時(shí)，目前的研究大都基于靜態(tài)間歇式實(shí)驗(yàn)設(shè)備為主，缺乏關(guān)于連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方面的研究，且對于高壓脈沖電場破乳技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用方面的研發(fā)較為不足。

針對上述情況，基于連續(xù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，研究電場強(qiáng)度、電場頻率、占空比等電場參數(shù)的耦合作用對高壓脈沖電場破乳的影響，是高壓脈沖電場破乳技術(shù)研究發(fā)展的重要方向。另外，加強(qiáng)高壓脈沖電場破乳器結(jié)構(gòu)、電極材料及形式等方面的研究，尤其是絕緣電極的腐蝕、脫落及修復(fù)等方面，對于促進(jìn)高壓脈沖破乳技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用有著重要的實(shí)際意義。