交流電場下液滴形變及聚結(jié)影響因素分析

陳慶國，鄭天宇，梁雯，宋春輝，劉增，趙忠山，魏新勞（.哈爾濱理工大學工程電介質(zhì)及其應用教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 50080；.大慶油田設計院，黑龍江大慶 637）

交流電場下液滴形變及聚結(jié)影響因素分析

陳慶國1，鄭天宇1，梁雯1，宋春輝1，劉增2，趙忠山2，魏新勞1
（1.哈爾濱理工大學工程電介質(zhì)及其應用教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2.大慶油田設計院，黑龍江大慶 163712）

∶為了研究原油電脫水過程中油中液滴的形變聚結(jié)特性，借助仿真手段，采用流體場和電場相耦合的方法研究外加交流電場情況下原油乳化液中單液滴的形變和雙液滴的聚結(jié)行為，并仿真分析了電場強度、界面張力、液滴直徑等因素對聚結(jié)速率的影響。利用實驗室中小型脫水系統(tǒng)開展了交流電場下原油乳化液的脫水試驗，并通過高速攝像機對不同條件下乳化液中液滴的形變和聚結(jié)規(guī)律進行了觀測與分析，驗證了仿真結(jié)果的準確性。研究結(jié)果表明∶電場強度、界面張力、液滴直徑是影響乳化液脫水速率的重要因素；提高電場強度、降低界面張力和增大液滴直徑可以提高乳化液中液滴的聚結(jié)速率，但過高的電場強度容易造成液滴的電分散。

∶電流體動力學；液滴；形變；聚結(jié)；乳化液

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長、對能源需求日益提高，石油供應已成為影響國家經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略問題。原油電脫水是原油加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，其脫水原理是在電場作用下使原油乳化液中的小水滴合并成大水滴，并在重力作用下沉降，從而實現(xiàn)油和水的分離。目前國內(nèi)陸上油田多采用電、化學脫水方法。隨著油田進人高含水期開采階段，各油田普遍應用三次采油技術。在三元復合驅(qū)油的電脫水過程中，由于加人了堿/表面活性劑/聚合物三元復合劑，使原油導電性增加、粘度加大，并帶來原油脫水的難度增加、脫水速率下降和脫水電場經(jīng)常出現(xiàn)倒塌等問題。因此，開展高效原油電脫水機理及關鍵技術研究對提高原油脫水速率、保障油田正常生產(chǎn)具有重要的學術及應用價值。

含水原油主要以“油包水”型乳化液狀態(tài)存在著，這種乳化液所具有的穩(wěn)定性嚴重影響著原油與水的自然分離。所以，多年來人們對原油脫水技術的研究，主要是針對破壞“油包水”型乳化液這個關鍵問題而進行的，并開展了大量脫水機理方面的研究［1-5］，其中微觀層面上大多是采用高速攝像機記錄液滴的運動變形行為［6-10］。近年來，隨著仿真技術的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為一種重要的研究方法。國外學者通過仿真手段對電場作用下液滴動力學行為的研究已取得了一定的進展［11-13］，Taylor［14］建立了一種懸浮在導電介質(zhì)中的導電液滴模型，這是研究電場變形理論的基石，后人通過對這一模型的分析與擴展，模擬了單液滴的變形行為以及周圍流體的變化情況［15-17］；國內(nèi)學者的研究大都集中在近幾年，他們主要模擬了單液滴在電場中的運動軌跡、電場分布、液滴破裂以及液滴的變形失穩(wěn)等問題［18-20］。前述的模擬中均未對雙液滴的聚結(jié)情況進行深人研究，且通過仿真手段分析影響液滴形變聚結(jié)因素的研究鮮有見到。

基于以上問題，本文采用將流體場和電場相耦合的方法，模擬了交流電場下單液滴的形變特性和雙液滴的聚結(jié)情況，考察了不同因素對液滴形變和聚結(jié)速率的影響，并通過微觀拍攝和宏觀試驗加以驗證，研究成果可用于指導原油生產(chǎn)過程中脫水條件的改變，以提高原油電脫水速率。

1 液滴仿真模型

本文主要研究交流電場下液滴的形變和聚結(jié)情況。假設液滴的初始形態(tài)為球體并懸浮于原油乳化液中，其仿真模型如圖1所示。

圖1 液滴懸浮于油中的仿真模型Fig.1 Thecalculationmodelofdropletsuspendedinfluid

1.1 流體運動控制方程

電流體動力學中，流體運動受到耦合的慣性力、粘性力和電場力支配［19］。這些力直接影響流體的運動狀態(tài)。

假設液滴與周圍的油互不相容，且液滴和油均為不可壓縮流體，由流體運動的動量平衡定律和質(zhì)量守恒定律可得

式中∶ρ為流體密度；V為流體速度矢量；I為單位矩陣；τ為粘性切應力張量；Fst為單位體積界面張力矢量；F為電場力矢量。

粘性切應力張量τ可以表示為

式中μ為流體粘度。

將式（2）帶人式（3）可化簡為

τ=μ［?V+（?V）T］。 （4）

電場力矢量F可由麥克斯韋應力張量T表示

F=?.T。 （5）

麥克斯韋應力張量寫為以下形式

式中∶ε0為真空中介電常數(shù)；εr為流體相對介電常數(shù)；E為外施電場強度。

在二維仿真模式下，麥克斯韋應力張量可整理為

1.2 電場力模型

電流體動力學中產(chǎn)生的動態(tài)電流通常比較小，因此可以忽略磁效應的影響。在交流電場中，電流密度J可表示為傳導電流密度和位移電流密度之和，寫為以下形式

式中∶κ為流體電導率；ω為角頻率。

因此，場強E滿足的方程可整理為

其中，電場強度E可由電勢U求得

E=-?U。 （11）

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 液滴變形與聚結(jié)隨時間的變化

在仿真模型中，對平板電極間施加場強為5kV.cm-1，頻率為50Hz的正弦交流電壓，液滴直徑4mm，乳化液界面張力為29mN.m-1，一個周期內(nèi)單液滴形變?nèi)鐖D2所示。

圖2 單液滴形變圖Fig.2 Singledropletdeformationdiagram

從仿真結(jié)果可以看出，在電場作用下，液滴從開始的球形變?yōu)闄E球形，且沿電場線方向拉伸。液滴在5ms、15ms時形變量最大，10ms、20ms時基本恢復初始大小，這是因為在交流電場中，電場方向和場強大小都會隨時間發(fā)生周期性變化，液滴兩端極化電荷的極性和大小也會隨之改變，這使得液滴兩端所受外電場力不斷變化，液滴發(fā)生彈性伸縮［21］，當頻率為50Hz時，電場周期為20ms，液滴的伸縮周期為電場周期的1/2，即10ms。

液滴外部流體速度矢量分布如圖3所示。

從圖3可以看出，液滴形變過程中，周圍流體克服流動阻力從液滴左右兩端處流向上下端點處，進一步促進液滴發(fā)生形變。

相距5.48mm，直徑均為4mm的兩液滴在頻率50Hz，場強5kV.cm-1的交流電場中的聚結(jié)情況如圖4所示。

圖3 流體速度矢量分布圖Fig.3 Thefluidvelocityvectordiagram

圖4 雙液滴聚結(jié)圖Fig.4 Twodropletscoalescencediagram

從仿真結(jié)果可以看出，在電場作用下液滴沿電場線方向拉伸變形，且兩液滴逐漸靠近直至聚結(jié)。這是因為在交流電場中，液滴發(fā)生極化，液滴兩端形成等量異性電荷，在電場力作用下拉伸變形，相鄰兩液滴由于所帶電荷極性相反而相互吸引，并發(fā)生碰撞，聚結(jié)成大液滴，即偶極聚結(jié)過程［21］。

2.2 場強的影響

不同電場強度下，t=5ms（最大形變量）時單液滴形變?nèi)鐖D5所示。

圖5 不同場強下單液滴形變圖Fig.5 Singledropletdeformationdiagramunder differentelectricfieldintensity

為了定量體現(xiàn)液滴變形和相關參數(shù)之間的關系，定義液滴變形度On為［22］

式中A、B分別為液滴的長、短軸。

仿真得到液滴變形度和電場強度關系曲線如圖6所示。

圖6 變形度與場強關系曲線Fig.6 Therelationshipbetweendeformationand electricfieldintensity

從仿真結(jié)果可以看出，液滴最大形變量受電場強度影響顯著。當電場強度較低時，液滴最大形變量隨電場強度的升高有明顯增大，這是由于液滴在電場作用下發(fā)生極化，極化電荷量為q的液滴受到的電場力可表示為F=Eq，所以當電場強度升高時，液滴所受電場力變大，液滴最大形變量增加；當電場強度升高到一定程度后，隨著電場強度的進一步增大，液滴最大形變量增加程度變緩，且液滴會因受到電場力過大導致形變過度甚至發(fā)生破裂，出現(xiàn)電分散現(xiàn)象［23］。

不同電場強度下t=200ms時兩液滴聚結(jié)情況如圖7所示。

圖7 不同場強下兩液滴聚結(jié)圖Fig.7 Twodropletscoalescencediagramunder differentelectricfieldintensity

從圖中可以看出，在200ms時刻，當場強較低時，兩液滴沒有發(fā)生聚結(jié)；當場強升高到6kV.cm-1，兩液滴發(fā)生聚結(jié)；當場強升高到7kV.cm-1，兩液滴在發(fā)生聚結(jié)的同時沿電場方向形變量更大。

兩液滴間的聚結(jié)力Fe可表示為［24］

式中∶ε1為連續(xù)相介電常數(shù)；r為液滴半徑；d為兩液滴間距離。

由式（13）可知當場強升高時，兩液滴間聚結(jié)力增大，因此液滴形變量變大，聚結(jié)速度變快。

2.3 界面張力的影響

不同界面張力下，t=5ms時單液滴形變圖如圖8所示，仿真得到變形度與界面張力關系圖如圖9所示。

圖8 不同界面張力下單液滴形變圖Fig.8 Singledropletdeformationdiagramunder differentinterfacialtension

圖9 變形度與界面張力關系圖Fig.9 Therelationshipbetweendeformationand interfacialtension

從仿真結(jié)果可以看出，界面張力越小，液滴抵抗外力引起變形的能力越弱，液滴在交流電場中的變形度越大。

不同界面張力下，兩液滴在t=200ms時的聚結(jié)情況如圖10所示。

圖10 不同界面張力下兩液滴聚結(jié)圖Fig.10 Twodropletscoalescencediagramunder differentinterfacialtension

從仿真結(jié)果可以看出，界面張力對液滴聚結(jié)速度有很大影響，當界面張力為29mN.m-1、25mN.m-1和23mN.m-1時，兩液滴在t=200ms時均未發(fā)生聚結(jié)，當界面張力降低到22mN.m-1時，兩液滴發(fā)生聚結(jié)，這是因為界面張力越低，界面膜強度越弱，液滴形變量越大，因此聚結(jié)時間越短。

2.4 液滴直徑的影響

不同液滴直徑下t=5ms時單液滴形變圖如圖11所示，液滴變形度與直徑關系圖如圖12所示。

圖12 液滴變形度與直徑關系圖Fig.12 Therelationshipbetweendeformationand dropletdiameter

從仿真結(jié)果可以看出，液滴直徑越大，變形度越大，這主要是由于直徑大的液滴在電場作用下極化電荷多、受到電場力增加所致。

不同直徑下，兩液滴在t=200ms時的聚結(jié)情況如圖13所示。

圖13 不同液滴直徑時兩液滴聚結(jié)圖Fig.13 Twodropletscoalescencediagramunder differentdropletdiameter

從圖13中可以看出，在t=200ms時，直徑3mm和4mm的兩液滴均未發(fā)生聚結(jié)，而當直徑增加到5mm時兩液滴發(fā)生聚結(jié)。即液滴直徑越大，在電場中的拉伸程度越大，聚結(jié)速度越快。

3 脫水試驗研究

為驗證上述仿真結(jié)果，本文在實驗室中開展了原油乳化液的脫水試驗。

3.1 試驗系統(tǒng)與方法

乳化液脫水試驗系統(tǒng)如圖14所示，該系統(tǒng)主要由溫控設備、調(diào)配罐、高速剪切乳化機、計量泵、可視化電脫水器和廢液罐組成。

圖14 乳化液脫水試驗系統(tǒng)Fig.14 Emulsiondehydrationtestsystem

試驗前，將白油與蒸餾水按9∶1的比例混合倒人調(diào)配罐中，加人體積分數(shù)0.7％的Span-80乳化劑，用剪切機將混合液體均質(zhì)乳化成含水率為10％的乳化液。實驗時，先利用循環(huán)加熱導熱油將乳化液加熱至50℃，然后開啟計量泵將乳化液泵人脫水器內(nèi)進行脫水。試驗過程中采用高速攝像機來觀測油中液滴的形變及聚結(jié)過程。

3.2 試驗結(jié)果與分析

交流電場作用下，一個周期內(nèi)單液滴形變圖如圖15所示。

圖15 單液滴形變圖Fig.15 Singledropletdeformationdiagram

從圖15中可以看出，液滴在電場作用下發(fā)生形變，且形變量會發(fā)生周期性變化，變化周期為電場周期的1/2。

向極板兩端施加交流電場后，液滴對聚結(jié)示意圖如圖16所示。

從圖16可以看出，液滴在電場作用下因產(chǎn)生異性極化電荷而相互靠近，液滴對在約0.2s的時間內(nèi)完成了接觸、排液和融合的整個聚結(jié)過程。

圖16 液滴對聚結(jié)圖Fig.16 Twodropletscoalescencediagram

3.2.1 不同電場強度下的脫水試驗

試驗得到頻率為50Hz不同交流電場強度下乳化液剩余含水量為1％時，脫水所需時間與外施電場強度的關系曲線如圖17所示。

圖17 脫水時間與場強的關系曲線Fig.17 RelationshipbetweentandE

從圖17可看出，當場強從4kV.cm-1增加到6kV.cm-1時，隨電場強度增加，乳化液含水率減小到1％的所需時間降低，即液滴聚結(jié)速率變快。當場強增加到7kV.cm-1時，含水率減小到1％的時間反而上升，說明當電場強度較大時，帶電液滴受到電分散作用，使得液滴聚結(jié)速率變慢，這一結(jié)論與仿真結(jié)果一致。

3.2.2 不同界面張力下的脫水試驗

為研究界面張力對脫水效果的影響，本文通過改變水溶性破乳劑SP169在乳化液中的加人量來實現(xiàn)，乳化液界面張力和SP169加人量的關系如表1所示。

表1 乳化液界面張力和SP169加入量的關系Table1 Relationshipbetweeninterfacialtensionof emulsionandtheamountofSP169

試驗得到乳化液含水量達到1％時所用的脫水時間與界面張力的關系曲線如圖18所示。

圖18 脫水時間與界面張力的關系曲線Fig.18 Relationshipbetweentandσ

從圖18可看出，界面張力越小，乳化液含水率達到1％的時間越短，這是由于界面張力的降低，使得油水界面膜強度降低，在電場作用下液滴更容易發(fā)生形變，因而聚結(jié)速度變快，脫水時間變短，驗證了仿真結(jié)果。

3.2.2 不同液滴直徑下的脫水試驗

為研究液滴直徑對脫水速率的影響，本文靠調(diào)節(jié)剪切機的剪切速率來控制液滴的直徑，圖19為不同剪切速率下利用高倍電子顯微鏡觀察到的液滴直徑大小。

圖19 不同剪切速度下液滴直徑大小Fig.19 Droplets'diameteratdifferentsheervelocity

從圖19可以看出，隨著剪切機剪切速度的升高，液滴平均直徑變小，通過計算得到不同剪切速度下液滴平均直徑如表2所示。

表2 不同剪切速度下液滴平均直徑Table2 Averagedroplets'diameteratdifferent sheervelocity

試驗得到乳化液含水量達到1％時所需的脫水時間與液滴直徑的關系曲線如圖20所示。

圖20 脫水時間與液滴直徑的關系曲線Fig.20 Relationshipbetweendandt

從圖20中可以看出，隨著液滴直徑的增大，乳化液含水率達到1％的時間變少。這是因為液滴直徑越大，相鄰液滴間距離越小，粒子間相互作用越強；且在同一電場強度下，液滴直徑越大，形變量越大，兩液滴越容易發(fā)生聚結(jié)，從而使脫水時間變短，這一實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文借助仿真手段，采用將流場和電場相耦合的方法，研究了單液滴的形變和雙液滴的聚結(jié)行為，對影響液滴聚結(jié)速率的因素進行了分析，并通過試驗對仿真結(jié)果進行了驗證，得到結(jié)論如下∶

1）電場強度、界面張力、液滴直徑是影響液滴聚結(jié)速率的重要因素，可通過提高電場強度、降低界面張力和增大液滴直徑等手段提高乳化液中液滴的聚結(jié)速率。

2）電場強度的提高有利于液滴的聚結(jié)，但當場強增大到一定程度后，乳化液中液滴易發(fā)生電分散現(xiàn)象，使得液滴聚結(jié)速率下降，脫水速率變慢。

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（編輯∶劉琳琳）

Analysisofinfluencingfactorsfordropletsdeformationand coalescenceinACelectricfield

CHENQing-guo1，ZHENGTian-yu1，LIANGWen1，SONGChun-hui1，LIUZeng2，ZHAOZhong-shan2，WEIXin-lao1
（1.KeyLaboratoryofEngineeringDielectricsandItsApplication，MOE，HarbinUniversityofScienceandTechnology，Harbin150080，China；2.DesignInstituteofDaqingOil-field，Daqing163712，China）

∶Inordertograspthedeformationandcoalescenceofwaterdropletsinoilduringtheprocessof electricdehydration，thestudyofdropletsdeformationandcoalescenceinACelectricfieldwerecarried outbythesimulationbasedonthemethodofflowfieldcoupledinelectricfield，andtheeffectsofelectric fieldstrength，interfacialtensionanddropletdiameteronthecoalescencerateweresimulated.TheexperimentalstudyonthecrudeoilemulsiondehydrationunderACelectricfieldwascarriedoutbyusingthe smallandmediumdehydrationtestsysteminlaboratory，andtheruleofdropletsdeformationandcoalescenceintheemulsionunderdifferentconditionswereobservedandanalyzedbythehigh-speedcamera，whichverifiedtheveracityofsimulationresults.Theexperimentalresultsshowthatelectricfield strength，interfacialtensionanddropletdiameteraretheimportantfactorsinfluencingtheemulsiondehydrationrate，thedropletscoalescencerateraiseswithenhancementofelectricfieldstrengthanddroplets diameteranddecreaseofinterfacialtension.However，theexcessivelyhighelectricfieldstrengthcauses theelectricdisperseofdroplets.

∶electrohydrodynamics；waterdroplet；deformation；coalescence；emulsion

∶TM930.2

∶A

∶1007-449X（2015）11-0051-08

∶2013-12-19

∶國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助（2012CB723308）；黑龍江省科技攻關項目（GZ11A210）

∶陳慶國（1970—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣、電氣設備絕緣檢測及高電壓應用新技術；

鄭天宇（1989—），女，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術；

梁 雯（1986—），女，博士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術；

宋春輝（1985—），男，博士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術；

劉 增（1970—），男，高級工程師，研究方向為原油集輸工藝及原油電脫水技術；

趙忠山（1973—），男，高級工程師，研究方向為油田油氣集輸及原油脫水技術；

魏新勞（1960—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為高電壓絕緣、電氣設備絕緣檢測及高電壓應用新技術。

∶鄭天宇

DOI∶10.15938/j.emc.2015.11.008