電場-旋流場耦合強化乳化液脫水技術研究進展

摘 "要""以油包水乳化液為對象，闡述了電場-旋流場耦合作用下液滴聚結和強化分離機理，介紹了現階段耦合裝置結構的發展，分析了速度、電壓幅值、頻率及乳化液特性等操作參數對液滴聚結、破碎及油水兩相分離性能的影響。同時指出了現階段研究的局限，探討了今后的研究方向，為耦合場下液滴聚結特性和操作參數的研究提供借鑒。

關鍵詞""乳化液 "脫水 "電場-旋流場耦合 "聚結 "強化分離

中圖分類號""TE624.1 """""""""""""文獻標識碼 "A"""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2023）01-0000-00

現階段由于技術手段和使用設備的影響，石油化工生產過程中會產生大量的油包水乳化液，增加了油水兩相分離的難度^[1]。水力旋流器是利用流體高速旋轉過程中不同密度的不混溶相產生的離心力不同將油水兩相分離，因具有結構簡單穩定、分離效果好、處理速度快及成本低等優勢在石油化工、工藝制造及廢水廢氣處理等領域廣泛應用^[2]，但由于乳化液的粘度較高且分散相粒徑尺寸普遍在微米級，常規水力旋流器無法有效分離^[3]。目前，電場-旋流場耦合強化分離技術已經在破乳脫水、食品工業、除塵及顆粒精細分級和沉積等領域展開研究和應用，相較于單一的油水分離技術，其旋流分離性能有很大提升^[4～6]，因此有必要對此技術進行深入探討。筆者從電場-旋流場耦合強化乳化液脫水機理、耦合裝置結構和操作參數3個方面總結近年來電場-旋流場耦合強化乳化液分離技術的研究進展，為今后電場-旋流場耦合強化脫水技術相關研究提供借鑒，對油田建設和污水處理具有積極意義。

1 "耦合場脫水機理研究進展

1.1""聚結及分離機理

關于電聚結理論，研究學者已經做了很多研究，目前普遍認為，將一定形式的電場作用于油水乳化液中，利用油水電導率差，使液滴產生極化和形態的改變，液滴在電場力作用下發生相對運動，破壞界面的穩定性，使液滴間液膜變薄直至破裂，液滴發生聚結^[7]。無論液滴是否呈電中性，電場都能使其產生極化和遷移行為，同時液滴中溶解少量鹽離子可以增強電場對液滴的作用，促進聚結進程^[8，9]。除聚結作用外，高電場也會增加剪切速率下的剪切應力，增大液滴變形和破碎的幾率。

近年來，研究學者從微觀角度提出液滴聚結由液滴橋間的壓力和液滴內部壓力的相對關系決定，并從壓力演化角度解釋了小液滴產生的機制，用壓力關系可以解釋液滴在高電壓下發生聚結，低電壓下發生極化和成鏈但不發生聚結，電場關閉后液滴恢復到初始隨機狀態的行為^[10～12]。EOW J S等^[13]、倪玲英等^[14]通過實驗研究發現，兩液滴在耦合場下的聚結過程分為3個階段：首先液滴在耦合力場下相互靠近，然后液滴間油膜變薄直至破裂，最后兩液滴聚結，具體聚結過程如圖1所示。當施加電場過大時液滴會發生破碎現象，在一定條件下的乳化液體系中存在使液滴破碎的臨界電場強度和最大液滴粒徑^[15]。

液滴的碰撞聚結率由碰撞頻率和聚結效率決定，聚結效率指液滴碰撞下的聚結概率，主要取決于液滴形狀和界面遷移率^[16]。低剪切和高剪切條件下都會發生湍流誘導的聚結，但由于液滴接觸和聚結的延遲效應，單靠湍流產生的聚結率并不高，特別是對具有穩定界面的乳化液^[17]。高電場可以使聚結的時間延遲效應大幅降低，提高碰撞的聚結效率。同時湍流導致液滴之間的高聚集性，可以縮短液滴之間的距離，提高電聚結率^[18]。因此耦合場對液滴聚結有雙向促進作用，具有快速和高聚結率的特點。電場-旋流場耦合強化乳化液脫水原理如圖2所示，乳化液進入旋流器后，小液滴在高電場作用下迅速聚結變大，聚結后的大液滴在離心力作用下向旋流器邊壁運動，實現相間分離，最后水相由底流口流出，油相由溢流口流出，實現油水兩相的分離^[19]。

1.2""電場形式

葉學民等對電場下液滴界面張力和動力學特征進行綜述，指出施加電場可以改變液滴的界面張力、形態和運動行為，不同類型的電場會對液滴有不同的作用形式^[20]。RODIONOVA G等通過實驗研究了交流電場-流場下液滴的聚結特性，結果表明液滴的聚結是流態和電壓共同作用的結果，其中電場形式決定液滴的聚結機制，不同性質的乳化需要不同形式的電場進行處理^[21]。O/W乳化液的水相導電性強，誘導成鏈所需的電流密度要比W/O乳化液大得多，故很難用電場進行分離，而脈沖電場產生的電流非常小，幾乎不會引起短路和水電解，目前已經證實對于處理O/W乳化液具有可行性^[22]。表1為不同電場形式下液滴的主要聚結機制和特點^[23，24]。

1.3""數值模型

電場-旋流場耦合脫水技術是利用液滴在高電場下的快速聚結和旋流器的高效分離特性，對乳化液進行油水兩相的分離。電場和流場耦合時，要綜合考慮電場和流場對液滴的運動和聚結作用影響，目前大多采用電聚結模型和湍流模型進行疊加計算，用以表示耦合場下液滴聚結及分離過程。近年來，為了描述耦合作用下液滴的運動、聚結及相分離等過程，研究學者提出了一些理論模型，如通過相場法、停留時間模型、偶極聚結模型等結合湍流模型建立電場和流場的耦合模型。HONG W P等通過相場法耦合電場和流場建立耦合場下單液滴模型，模擬運動液滴在連續相下的變形，結果表明液滴變形取決于電場和流場的耦合作用，包括流速、電場強度、液滴直徑及界面張力等^[25]。PODGóRSKA W和MARCHISIO D L結合多重分形破碎模型和PBE聚結模型（基于膜的排水和聚結效應）提出了湍流-靜電耦合模型，研究了離子表面活性劑對液滴粒徑分布的影響，表明添加少量鹽可以降低界面張力，增加液滴的破碎率^[26]。MELHEIM J A和CHIESA M用偶極力和膜變薄力表示電場的作用力，并結合離散相（DPM）模型研究了二維湍流和電場力耦合下液滴的聚結現象^[27]。

不同分散相含量的體系一般采用不同的電聚結模型描述，對于旋流器處理的含大量分散相液滴的乳化液系統，用偶極聚結模型（DID）可以對其液滴的相互作用進行較準確的描述^[28，29]。GONG H F等用偶極聚結率描述液滴在電場下的聚結行為，結合湍流系統中液滴的破碎函數構建耦合模型，研究裝置內液滴的動態特性和分離效率，結果表明此模型能較準確地預測液滴動態過程和油水分離效率^[19]。目前，研究學者主要以低強度的流動為研究對象，缺乏對高強湍流下電聚結過程的理論研究和數值分析，同時缺乏耦合場下動態測量的實驗驗證。

2 "耦合裝置結構研究進展

將電場-旋流場相結合處理乳化液是通過施加外力和場能的方式實現的，其結構主要包括串聯結構和耦合結構。串聯結構是在乳化液進入旋流器之前施加電場的作用，液滴經電場聚結后進入旋流器進行分離，耦合結構是在旋流器內部施加電場，乳化液進入旋流器后同時進行電聚結和離心分離過程。串聯結構可以讓液滴聚結為最大尺寸后再進行離心分離，分離效率更高，而耦合結構則聚結速度快、處理效率高、體積小、能有效防止電擊穿^[30]。

2.1""電極結構

HADIDI H等研究了不同結構電極對液滴聚結行為的影響，發現電極結構對液滴電聚結效率以及防止電分散有很大影響^[31]。LUO S等模擬了3種不同結構電極電場，發現同軸圓柱電極相比其他兩個可以提供中等模式的非均勻電場，同時指出場的不均勻性可以有效促進液滴的聚結^[32]。丁藝和陳家慶指出在同軸圓柱電場中，非均勻系數增大會促進相分離過程，但過大的非均勻系數易產生電分散，降低分離效率，因此在設計電極結構時，應考慮非均勻系數的影響^[33]。

同軸圓柱電極存在的主要問題是接地一側電場作用太弱，無法對遠離中心電極的液滴進行有效聚結，可以通過對電極結構的改進使其具有更好的聚結效果。圖3為近年來研究學者提出的電極結構，其中圖3a為圓環電極^[34]，其優勢為將溢流管充當電極，避免了電極結構對流場的影響；圖3b為圓柱電極^[35]，其優勢為可以方便調節極間間距，使液滴可以更充分地受到高電場的作用；圖3c為螺旋葉片電極^[36]，相較于前兩者，它在聚結方面更有優勢。筆者認為可以結合螺旋流道旋流器結構進行多組葉片設計，組成成對電極-螺旋流道，提高聚結效果。

電極選材時主要考慮其導電性、導熱性、耐腐蝕性、強度及韌度等，通常選用銅、鋼、石墨及鋁合金等。乳化液含水率高時，裸電極易引發短路或電弧，在電極外圍添加絕緣層可以有效防止，保證電場的穩定性^[37]。由于電極放熱和流動沖蝕，絕緣材料需要有絕緣、耐高溫、耐磨等特點，適合做絕緣材料的有聚四氟乙烯、環氧樹脂、乙烯-丙烯氟化聚合物及有機玻璃等^[38]。但是絕緣層會削弱電場強度，一般情況下涂層越薄，電場越強，在保證電場穩定性的前提下，應選擇較小厚度的絕緣層^[39]。

2.2""裝置結構

耦合裝置根據有無運動部件可分為旋轉式和靜止式兩種。旋轉式結構可以主動調速、分離因數大、處理范圍寬，靜止式結構簡單緊湊、成本低、易操作，更適合狹小空間。王永偉等設計的旋轉式耦合裝置如圖4a所示^[30]，圓柱電極和轉鼓之間形成環形電場，旋流場靠軸轉動產生，液滴在高壓電場與旋流場的共同作用下發生聚結和相分離。圖4b為KWON W T等設計的靜止式耦合裝置，錐形結構為電源正極，中心銅棒和外側筒壁接地，形成兩個高壓電場區域，乳化液從入口進入后，在電場和旋流場下產生了初次分離，大部分的水相從下方出口流出，含少量水的油相會沿錐形電極內壁向上運動，在電場和旋流場下產生二次分離^[40]。近期有研究學者將微通道技術應用到電場-旋流場中，結合電場和微通道技術，對油包水乳化液進行了快速高效破乳^[41]。

為了避免電極結構對旋流器流場產生影響，有學者將旋流器部分本體充當電極結構。圖5a為GONG H F等設計的耦合結構，溢流管外壁充當電源正極，旋流腔內壁充當負極，乳化液由兩個切向入口流入耦合裝置內部，在溢流管壁段完成電聚結，在錐段進行油水兩相分離，隨后油相由左側溢流口流出，水相由右側底流口流出^[34]。圖5b為NO?K C等設計的耦合結構，兩個同心的圓柱筒壁作為電極，乳化液從切向入口進入裝置，在電場和旋流場共同作用下水相向邊壁運動，最終油相從左側出口流出，水相和少部分油從右側出口流出，實現兩相分離^[42]。

3 "操作參數研究進展

3.1""電壓幅值

電壓幅值很大程度上決定了液滴是否聚結以及聚結的程度。HUANG X等指出在一定電壓下液滴存在3種聚結模式：聚結、部分聚結和非聚結，隨著電壓幅值的增加，兩液滴從聚結向部分聚結轉變，再向非聚結轉變，因此電聚結過程存在一個最佳電場范圍，在此范圍內聚結效率才較高^[43]。在最大臨界電壓范圍內，電壓幅值越大，液滴靠近速度越快，液滴聚結時間越短。ZHANG J的研究表明，增加電壓幅值比延長電場作用時間更能有效提高聚結率，縮短旋流器內液滴停留時間，因此高電壓是促進聚結的最重要因素^[44]。電壓作用下液滴成鏈，低電壓下成鏈不聚結，當高于一定值后才發生聚結。圖6為不同場強下液滴聚結圖像（其中，例3對應的平均電場強度為134 kV/m，例4對應的平均電場強度為335 kV/m，圖6c對應的平均電場強度為467 kV/m），可以看到，低電壓下液滴成鏈不聚結，電壓幅值高于一定值后發生聚結，電壓過高時則會引起局部放電，液滴破碎^[45，46]。

LESS S等通過流變儀測試了不同條件下的臨界場強，發現其他參數不變時，高剪切下的臨界場強高于低剪切的，高含水率下的臨界場強低于低含水率下的，高乳化率下的臨界場強高于低乳化率的^[47]。BRASIL T A等通過實驗發現，當外加電場在臨界場強以下時，分離效率隨外加電場強度的增大而增大，超過臨界場強液滴會發生破碎，影響油水分離效果^[48]。

3.2""頻率

頻率的變化會引起液滴振幅和頻率的變化，對聚結有重要影響。SUN Z等模擬了半正弦波電場條件下電場頻率等因素對液滴變形的影響，結果表明，在一定范圍內液滴的振動頻率與所施加的頻率大致成線性關系，且頻率對變形的影響弱于電壓和液滴初始直徑^[49]。當電場頻率持續增加時，電場變化時間小于液滴極化的弛豫時間，頻率對液滴變形的影響開始減小，甚至抑制液滴的振蕩變形。YIN S等發現，隨著頻率的改變，乳化液分散相電流和電勢也會相應改變，認為頻率通過影響液滴內部電勢來影響聚結進程^[50]。RODIONOVA G等通過測試不同頻率下的乳化液粘度發現，隨著頻率的增加乳化液粘度降低，直到達到一個最小值，當頻率高于一定值后，粘度變化很小^[21]。

分離效率最高時對應的最佳頻率，由實驗設備和介質條件決定，如果電極沒有絕緣層，則只有連續相決定最佳頻率，對于絕緣電極，絕緣層材料和厚度也影響最佳頻率，一般涂層越薄，最佳頻率越低^[7]。張建等從力學的角度出發分析推導出了最佳頻率的計算公式，并通過實驗證明了模型的準確性^[51]。YANG D H等發現，在低頻和高頻范圍內存在兩個最佳頻率，都有較高的聚結率，這可能與聚結機制的改變有關^[23]。

3.3""速度

FERNáNDEZ A研究發現，速度會影響液滴的形變，低剪切速度下液滴的變形主要由電場力決定，高剪切速度下主要由粘性力決定^[52]。LESS S等測試了不同速度下液滴的電聚結，揭示了低剪切和高剪切速度下液滴的形成過程^[47]，如圖7所示（HES、MES、LES分別表示高、中、低乳化率），可以看出，低剪切時先發生絮凝的累積，導致粘度增大隨后聚結，高剪切環境不發生絮凝，只出現聚結現象。BHARDWAJ A和HARTLAND S測試了不同速度下液滴電聚結效果發現，低速時液滴尺寸增長很快，隨著速度的增大液滴尺寸迅速降低，說明速度的增加會使液滴在旋流器內停留時間減少，降低電聚結效果^[53]。對于耦合場，增大速度會降低液滴在電場中的停留時間，影響電聚結效果，同時也會增加液滴的破碎率，在離心力增益和電聚結降低之間存在一個分離效率的最佳值^[19]。

3.4""乳化液特性

乳化液性質是進行油水兩相分離首先要考慮的，合理控制乳化液的物性條件可以有效促進分散相液滴的聚結，主要影響參數有液滴粒徑、乳化液含水率、粘度及溫度等，表2為近年來耦合場下油水分離實驗的相關參數。

EOW J S等指出對于電場-旋流耦合裝置，液滴尺寸大于一定值后才有明顯的分離效果，但是過高時易引發裝置短路^[57]。在一定電場強度下，聚結存在一個液滴尺寸和間距的閾值，低于閾值液滴不發生聚結，液滴達到聚結閾值后發生聚結，但也只有當粒徑大于一定值后才會顯著提高旋流器分離性能^[58]。SINAISKI E G和LAPIGA E J測試了不同粒徑液滴在一定條件下的聚結程度，結果如圖8所示，可以看出液滴的聚結率隨液滴相對粒徑的增大而增大，相同大小的液滴具有最大的聚結率^[59]。液滴尺寸不均勻度的增加可以提高液滴聚結的速率，這對提高旋流器的分離性能也是十分必要的^[49]。

KANG W等采用自行設計的微觀可視化模型研究了油包水乳液中液滴在交流脈沖電場作用下的聚結機理，實驗表明含水率較高時（超過30%），在相同電場強度下液滴聚結時間短，聚結率高^[60]。ZHANG Y等指出，含水率的提高會增加連續相與分散相之間的界面面積，降低乳化劑的濃度，利于乳化液的失穩^[61]。但是當含水率過高時，電極之間更容易形成鏈狀結構發生局部短路。由于水的高介電常數和導電性，高含水率乳化液比低含水率乳化液具有更高的介電常數，在相同的初始條件下，高介電常數導致液滴的強迫振動越強烈，聚結效應越明顯。

TAYLOR S E指出，電場作用下液滴的聚結行為與界面膜的性質有很大關系^[62]。WASAN D通過實驗研究了破乳劑對聚結進程的影響，結果表明破乳劑可以吸附在膜表面，提高傳質速率，抑制界面張力和提高界面的動態活性，有利于破乳過程^[63]。破乳劑通常要有低界面粘度以及高界面濃度和活性，才能有好的破乳效果。BAREGA E等發現，升高溫度會降低分散相與連續相之間的界面張力，影響液滴的尺寸和形態，降低乳化液體系的穩定性，有利于聚結進程^[64]。也有研究學者從溫度對水的導電性和熱運動的影響，解釋了增加溫度對聚結效率和聚結速率的促進作用^[65]。

4 "結論與展望

石油化工等行業在生產和運行過程中會產生大量油水乳化液，無論從經濟效益還是環保要求出發，油水乳化液的相分離都是需要迫切解決的問題，因此電場-旋流場耦合強化脫水技術有很大的研究價值和應用空間。筆者主要對電場-旋流場耦合強化脫水機理、耦合裝置結構和操作參數的研究現狀進行闡述和分析：

a. 研究學者進行了耦合場下乳化液相分離實驗，證明了電場-旋流耦合技術可以對乳化液進行有效分離。在旋流器內部施加一定電場后，液滴在一定的聚結形式下進行聚結和分離。旋流場產生的離心力可以使液滴間距變小，改善聚結效果，同時也能大幅降低電擊穿的風險，電場也能降低液滴碰撞聚結的停留時間，雙向促進聚結。為實現耦合場下液滴聚結和分離效果的模擬，研究學者提出了一些基于電場和流場的耦合模型，但缺乏高強湍流下電聚結模型的適應性分析和耦合場下液滴運動、聚結等動態特性的微觀測量。

b. 基于近期提出的幾種典型的耦合結構，指出了設計和優化耦合結構時要對電極結構和旋流器本體進行多因素分析，綜合考慮電場和流場對液滴聚結和相分離的影響。同時分析了耦合場下不同操作參數的研究進展，闡述了不同參數對聚結和相分離的影響機理。

c. 近年來，脈沖電場成為研究乳化液破乳的熱點，不僅因為相對于直流和交流電場具有高效、快速破乳聚結及防止短路等特點，還因為脈沖電場可以有效處理高含水O/W乳化液，打破了電聚結裝置難以處理高含水乳化液的局限，近期研究表明，脈沖電場處理高含水率乳化液具有可行性，為耦合場處理O/W乳化液提供了依據，也是未來的研究方向。

參""考""文""獻

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（收稿日期：2022-04-01，修回日期：2022-12-23）

Research Progress in Electric?Swirl Field Coupling Enhanced Emulsion

Dehydration Technology

GAO Bo1， JIANG Ming?hu1，2， ZHAO Li?xin1，2， ZHOU Long?da1， XU Bao?rui1，2

（1. School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University; 2. Heilongjiang Key Laboratory of Petroleum and Petrochemical Multiphase Treatment and Pollution Prevention）

Abstract" "Taking the water in oil emulsion as the object， the mechanism of droplet coalescence and enhanced separation under coupling action of electric field and swirl field was expounded， including development of coupling device structures at the present stage; in addition， the effects of velocity， voltage amplitude， frequency and emulsion characteristics on the droplet coalescence， fragmentation and phase separation were analyzed; the limitations of the current research were pointed out and the future research direction was discussed to provide a reference for the study of droplet coalescence characteristics and operating parameters at the coupled field.

Key words" " emulsion， dehydration， electric?swirl field coupling， coalescence， enhanced separation

基金項目：黑龍江省自然科學基金（重點）項目（ZD2020E001）；東北石油大學“龍江學者”配套科研經費資助項目（lj201803）。

作者簡介：高波（1996-），碩士研究生，從事流體機械與工程的研究。

通訊作者：趙立新（1972-），教授，從事流體機械與工程的研究，lx_zhao@126.com。

引用本文：高波，蔣明虎，趙立新，等.電場-旋流場耦合強化乳化液脫水技術研究進展[J].化工機械，2023，50（1）：000-000.