油水乳化液分散相動力學的研究進展

劉 閣，陳 彬，張賢明，黃 朗

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

油水乳化液分散相動力學的研究進展

劉 閣，陳 彬，張賢明，黃 朗

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

根據乳化液分散相液滴的發展歷程以及運動狀態，從分散相液滴受力變形、聚集、碰撞及其聚結與破裂等幾個方面綜述了乳化液分散相動力學的研究進展。并就分散相幾種運動狀態的界定條件、液滴聚結與破裂機理以及系統全面的研究方法等亟待解決的問題提出了分散相動力學的研究思路。

乳化液；分散相；動力學；液滴

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

近年來，對乳化液分散相動力學的研究普遍認為，在不同的外場（旋流場、離心場、電磁場等）作用下，分散相的動態特征在理論上是一個非常復雜的難題［1-3］。這是因為：一方面，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也能吸附在油水界面上，使乳化液更加穩定，給乳化液滴聚結造成了動力學障礙。另外乳化液油水界面膜的穩定與許多因素有關，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、碰撞及其聚結與破裂等幾個方面綜述了乳化液分散相動力學的研究進展，并就亟待解決的問題提出分散相動力學研究的思路。

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值研究、建模研究和實驗研究的主題，主要是在穩定的剪切或拉伸流場中對液滴穩定性進行研究。分散相液滴受到壓力作用產生變形，表現在軸向拉長或扁平化兩種形式，且與外加場的強度、液滴大小和相界面張力有關。

Pangu等［4］利用Marston有關液滴受到的徑向力結論以及表面張力建立了液滴變形方程，在實驗范圍內預測到液滴的變形最大為9%，認為此變形量可以忽略不計。在雷諾數為零的線性剪切或拉伸流場中，Li等［5］應用數值模擬的方法研究了在連續相中不溶解的表面活性劑對一個球形液滴的瞬間變形和形狀的影響，認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）、表面張力對表面活性劑濃度變化的敏感度（Elasticity number）和瞬間流場的強度。張建等［6-8］引進了變形液滴長短徑比（γab）的概念，作為液滴破裂準則。認為液滴γab愈大，分散相液滴在連續相的剪切流作用下，所承受的剪切應力也越大；當γab→∞時，意味著液滴的完全乳化。龔海峰［9］采用乳膠粒子穩態變形力學模型，得到的變形乳膠粒子在電場中拉伸比的數值解。王亮等［10］通過圖像處理軟件提取了高壓靜電場中液滴圖像的長短軸的具體參數，進行數據統計與分析，認為變形度隨電場強度及液滴粒徑單調遞增，隨界面張力遞減。林長志等［11］采用擴散界面方法數值模擬了剪切流動條件下液滴變形和斷裂的過程，計算得到的穩態條件下液滴變形參數與前人的理論分析和實驗結果符合較好。

2 分散相液滴的聚集、碰撞

液滴的聚集和碰撞根據不同的外加場有不同的觀點。

Tchoukov等［12］認為促進液滴聚集是相鄰粒子受電場以及粒子自身的表面張力共同影響的結果，當外場對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揮作用，這些粒子就聚合成大粒子。Aboobaker等［13］建立了聲場作用下分散相液滴的動力學模型，并實驗驗證了計算結果，2 μm粒徑的液滴在聲力作用下向壓力波節遷移，20 s后產生聚集。駱廣生等［14］研究了有機微孔膜的破乳，認為O/W型乳狀液中的分散相在膜表面潤濕，并發生不同程度的鋪展，在一定的壓差推動下，液滴之間發生不同程度的聚集，超過一定范圍時，液滴不可逆地聚結成大液滴。孫寶江等［15-16］利用穩定性理論分析了超聲波破乳中液滴的聚集效應——位移效應，認為液滴將不斷向波腹或波節移動、聚集并發生碰撞，生成直徑較大的水滴，然后在重力作用下與油分離；同時指出一些參數，如聲強、頻率、聲波輻射時間、表面張力、黏度等對液滴的聚集有很大的影響。Pangu等［4］認為超聲駐波場中，分散相液滴會在主聲輻射力作用下向波腹聚集，且在次聲輻射力下產生聚結，并實驗驗證了數學模型的計算結果。

3 分散相液滴碰撞后聚結與破裂

液滴聚結是指兩液滴碰撞前后的質量是一致的，當兩液滴碰撞時界面膜厚度達到一個臨界值就會出現聚結。兩液滴在外場作用下由于體力和相互作用力而產生聚集，如果在這個聚集過程中液滴間的界面膜被驅除就可以形成穩定聚結。

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，認為由于液滴的破裂機制以及添加劑含量降低了液滴的聚結率和O/W界面膜的穩定等原因，導致分散相粒徑均值的降低，乳化程度增加。Kwon 等［18-19］認為液滴有瞬時聚結和永久聚結兩種，當碰撞動能超過永久聚結時的能量就會出現瞬時聚結，引起分裂或破碎。破裂是指碰撞后液滴的數量與碰撞的總液滴數量一致的情況，且它們的質量相同，碰撞動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 乳化液滴瞬時聚結和永久聚結的過程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）和沖擊速度對其穩定性的影響，認為液滴碰撞后聚結與分裂取決于韋伯數和b。對于一個正碰（即b=0），需要克服一個最小動能破壞液滴的表面張力而使液滴呈破碎狀態，此時如果韋伯數一定，增大b，動能消耗轉化為液滴的振動能，液滴進入穩定聚結狀態；b持續增大，克服液滴的表面張力多出的動能將轉化為旋轉能且由于離心力作用而使兩液滴被拉長。鄧志安等［22］對水洗流場中液滴的界面膜剪切破裂機理進行了分析，認為水洗流場中控制著液滴產生變形和剪切破裂的無因次群有3個，其中韋伯數控制著液滴的破裂。張黎明等［23-24］進行的電脈沖破乳的實驗結果表明，施加適當的外電場可以明顯地提高液滴的聚結效率，但電場強度并非越大越好，分別存在能使液滴破裂和阻止液滴聚結的兩類臨界場強，其中后者遠小于前者。姜雪梅等［25-26］探討剪切流場中牛頓型W/O型乳狀液的分散相液滴破裂機理及臨界破裂條件，總結出分散相液滴破碎的原因：黏性剪切力主要使液滴發生形變;雷諾剪切力使之破碎。范永平等［27］認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，導致油水分離。趙冬建等［28］通過對連續相湍流導致的液滴聚結和破裂現象的合理模化，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方程，對沿實驗段軸向的相界面濃度變化進行了預測，預測結果與實驗數據吻合很好。Duan等［29］在臨界韋伯數附近，對液滴的破裂進行了研究。實驗結果表明，兩種無量綱數：韋伯數和Ohnesorge數對液滴的破裂行為起著主要的影響，而雷諾數在所有的破裂機制中幾乎對破裂沒有影響。

4 結語

縱觀國內外的研究現狀，目前乳化液分散相動力學的研究主要針對以下問題：在分散相受到外力場作用下，液滴的遷移、聚集的原起因， 液滴為什么能夠產生碰撞， 液滴碰撞后是聚結還是破裂。對于乳化液分散相，需在以下幾個方面進行深入研究。

（1）利用多相流體力學、物理學等學科的前沿理論，不僅對乳化液分散相單一階段（如變形或破裂等）運動特征進行探索，而且要從分散相內在發展歷程：遷移→聚集→碰撞→聚結（或破裂）為主線，以液滴對到液滴群為輔線采用系統、遞進方法進行分散相運動狀態全過程的理論研究。

（2）以概率密度函數以及擴散界面法等技術為基礎，建立液滴內外流場中的運動方程，需要確定液滴表面的邊界條件以及液滴形狀等，涉及到多學科技術的綜合運用進行數值分析求解，結合實驗驗證。

（3）從乳化的原因尋求破乳方法，進行乳化液分散相的碰撞時間和界面膜破裂時間、分散相的聚結與破裂臨界條件以及碰撞率、聚結率等方法體系的研究，揭示乳化液分散相聚結的內在規律，較好地對分散相的動態進行定量分析，詮釋水擊諧波作用下乳化液的聚結與破裂機理。

（4）提出先進的破乳方法，豐富物理破乳理論體系，以期在工業現場得到推廣和應用，以緩解能源短缺的壓力，實現有限資源利用的最大化，使環境污染最小化，使潤滑油行業符合清潔生產、科學發展、可持續發展、和諧發展的要求。

［1］ 劉閣，陳彬，張賢明. 化工管路系統的耦合振動瞬態特性研究［J］. 機械科學與技術，2010，29（3）：312 - 317.

［2］ 陳彬，劉閣，張賢明. 基于動邊界的閥控缸系統水擊振動傳輸特性分析［J］. 機械科學與技術，2010，29（1）：123 - 128.

［3］ 陳彬，劉閣. 化工管路系統的耦合振動的主動控制研究［J］.振動與沖擊，2009，28（8）：158 - 162.

［4］ Pangu G D，Feke D L. Droplet Transport and Coalescence Kinetics in Emulsions Subjected to Acoustic Fields［J］. Ultrasonics，2007，46（4）：289 - 302.

［5］ Li Xiaofang，Pozrikidis C. The Effect of Surfactants on Drop Deformation and on the Rheology of Dilute Emulsions in Stokes Flow［J］.J Fluid Mech，1997，341（8）：65 - 194.

［6］ 張建，董守平，甘琴容. 高頻脈沖電場作用下乳狀液液滴動力學模型［J］. 化工學報， 2007，58（4）：875 - 880.

［7］ 張紅光，董守平，姜雪梅. 剪切流場中液滴形變模型的理論研究［J］. 科學技術與工程，2006，6（19）：3028 - 3031.

［8］ 張紅光，董守平，劉國彪，等. 剪切流場中液滴形變的三維力學模型初探［J］. 試驗流體力學，2007，21（2）：13 - 16.

［9］ 龔海峰，涂亞慶，宋世遠，等. 電場作用下乳化液中乳膠粒子的穩態變形力學模型［J］. 石油學報：石油加工，2010，26（4）：600 - 604.

［10］ 王亮，童新華，董守平，等. 電場破乳分散相液滴形變力學初探［J］. 石油化工設備，2009，38（5）：5 - 8.

［11］ 林長志，郭烈錦. 剪切流動條件下液滴變形和斷裂的數值模擬［J］. 工程熱物理學報， 2006，17（1）：79 - 81.

［12］ Tchoukov P，Czarnecki J，Dabros T. Study of Water-in-Oil Thin Liquid Films：Implications for the Stability of Petroleum Emulsions［J］.Colloids Surf，A，2010，372（1/3）：15 - 21.

［13］ Aboobaker N，Blackmore D，Meegoda J. Mathematical Modeling of the Movement of Suspended Particles Subjected to Acoustic and Flow Fields［J］.Appl Math Model，2005，29（6）：515 - 532.

［14］ 駱廣生，鄒財松，孫永. 濾膜破乳技術的研究［J］. 膜科學與技術，2001，21（2）：62 - 65.

［15］ 孫寶江，顏大椿，喬文孝. 乳化原油的超聲波脫水研究［J］.聲學學報，1999，24（3）：327 - 331.

［16］ 孫寶江，喬文孝，付靜. 三次采油中水包油乳狀液的超聲波破乳［J］. 石油學報，2000，21（6）：97 - 101.

［17］ Khalil A，Puel F，Chevalier Y，et al. Study of Droplet Size Distribution During an Emulsification Process Using in Situ Video Probe Coupled with an Automatic Image Analysis［J］.Chem Eng J，2010，165（ 3）：946 - 957.

［18］ Kwon W，Park K，Han S D，et al. Investigation of Water Separation from Water-in-Oil Emulsion Using Electric Field［J］.J Ind Eng Chem，2010，16（5）：684 - 687.

［19］ Orme M. Experiments on Droplet Collisions，Bounce，Coalescence and Disruption［J］.Progr Energ Combust Sci，2007，23（1）：65 - 79.

［20］ 劉閣，陳彬，張賢明，等. 乳化油液水擊諧波破乳技術的機理研究［J］. 石油化工，2011，40（6）：619 - 624.

［21］ Adam J R，Lindblad N R，Hendricks C D. The Collision，Coalescence，and Disruption of Water Droplets［J］.J Appl Phy，1968，39（11）：5173 - 5180.

［22］ 鄧志安，張峰，肖榮鴿. 油水分離器中水洗流場液滴破裂特性初探［J］. 石油機械，2006，34（6）：28 - 31.

［23］ 張黎明，張凱，李曉帆. 高強電場中液滴靜電運動特性［J］.石油學報，2011，32（3）：687 - 690.

［24］ 王亮，馮永訓，董守平，等. 電場破乳分散相液滴行為研究［J］. 試驗流體力學，2010，24（2）：28 - 33.

［25］ 姜雪梅，董守平，張紅光，等. 剪切流場中W/O乳狀液分散相液滴破裂的臨界條件［J］. 試驗流體力學，2008，22（1）：61 - 64.

［26］ 姜雪梅，董守平，張紅光. 液-液旋流器中分散相液滴破碎機理研究［J］. 石油天然氣學報，2005，27（S1）：305 -307.

［27］ 范永平，王化軍，張強. 油田沉降罐中間層復雜乳狀液微波破乳-離心分離［J］. 過程工程學報，2007，7（2）：258 -262.

［28］ 趙冬建，郭烈錦，胡曉瑋. 油水兩相分散流的相界面濃度輸運方程研究［J］. 工程熱物理學報，2007，18（4）：615 - 618.

［29］ Duan Riqiang，Koshizuka S，Oka Y. Two-Dimensional Simulation of Drop Deformation and Breakup at Around the Critical Weber Number［J］.Nucl Eng Des，2003，225（1）：37 - 48.

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目（KJ100722）；重慶市自然科學基金計劃項目（cstc2011jjA90001）；重慶市科技攻關重點項目（cstc2009AB3234）；重慶高校創新團隊項目（KJTD201019）；重慶高校優秀成果轉化資助項目（KJZH11211）。

（編輯 李治泉）