杨东海;何利民;叶团结;罗小明;吕宇玲
【摘 要】以白油和水为实验介质,利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对高压交流电场(AC)作用下水滴在油中的振荡特性进行了研究,考察了电场强度、频率、油品黏度、介电常数、油-水界面张力以及液滴直径对液滴伸缩变形幅度的影响.结果表明,交流电场作用下液滴变形度呈周期性变化,且变形度变化频率是电场变化频率的2倍；液滴变形度主要受电场强度、液滴直径、油-水界面张力等因素的影响,而液滴伸缩变形幅度受电场频率、油品黏度和油-水界面张力的影响明显；在50～300 Hz的交流电场中,电场频率越大、油品黏度越高、油-水界面张力越低,液滴的伸缩变形幅度越小；电场强度和直径对液滴伸缩变形幅度的影响不明显.%With a micro high-speed camera system and image processing technology, the oscillation characteristics of single water droplet in high voltage AC electric field were studied with white oil and distilled water as experimental materials. The effects of electric field strength and frequency, viscosity of oil, electric constant, interfacial tension of oil-water and droplet diameter on the deformation of droplet were investigated. The results indicated 陶瓷运输that the deformation of droplet in AC electric field was periodic and the frequency of deformation was twice of electric field frequency. The deformation of droplet was mainly affected by electric field strength, drop diameter and interfacial tension of oil-water, while the oscillation amplitude of droplet was mainly affected by electric filed frequency, viscosity of oil and interfacial tension of oil-water. In the AC electric field of 50 ~ 300 Hz, higher frequency, higher oil viscosity and lower interfacial tension of oil-water would lead to smaller oscillation amplitude. The effect of electric field strength and droplet diameter on oscillation amplitude was not so obvious.
【期刊名称】《石油学报（石油加工）》
【年(卷),期】2012(028)004
【总页数】7页(P676-682)
【关键词】交流电场;液滴;变形;振荡幅度
【作 者】杨东海;何利民;叶团结;罗小明;吕宇玲
涡轮压缩机
【作者单位】中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555;中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555;中国石油北京油气调控中心,北京100007;中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555;中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ021
油包水多相分散体系广泛存在于石油、化工等工业生产过程中，采用高强电场促进水滴聚结是一种常用的物理分离方法［1］。交流电场（AC）是原油脱水中最为常用的电场形式。在交流电场作用下，水滴发生取向极化，变形度发生周期性变化，并不断发生振荡，促使相邻微水滴迅速聚结、长大和沉降分离。
交流电场是一种常用的电场形式。Harpur等［2］研究了交流电场对油包水乳化物的破乳效果。Eow等［3－5］研究发现液滴变形的形状与电导率、连续相黏度、界面张力以及密度有关，并且连续相介电常数越小，界面张力越高，液滴的变形越小。朱岳麟等［6］在显微分析系统观察了高频电脱盐过程中水珠聚集的形态和迁移的微观过程，但对其微观机理
并未深入分析。龚海峰等［7－8］利用面元积分法计算了外电场对被极化乳胶粒子产生的力，并推导出电场中乳胶粒子变形力学模型的解析表达式。张黎明等［9］研究得出，电压是影响静电聚结的主要因素，但他们仅限于宏观的分析而没有进行微观的理论研究。
石材背栓前人对油包水乳状液中水滴在均匀电场下变形的研究，主要集中在定性描述和理论分析上，对交流电场作用下液滴变形幅度研究很少，但单液滴的变形幅度对多液滴聚结和液滴破裂起着关键作用。笔者利用50～400Hz的正弦交流电场对单液滴在电场中的变形特性进行了实验研究，考察了电场强度及频率、油品黏度、油－水界面张力以及液滴直径对液滴在电场中变形幅度的影响。
1 液滴在电场中变形的理论
单个液滴在电场中所受的力和变形情况如图1所示。从图1（a）可以看出，单个液滴受到的力主要包括电场力FE、由界面张力引起的附加压力Δp、重力G、浮力FB、运动过程中的受到黏滞阻力FD以及附加质量力FA。处于电场中的水滴，其两端会在电场作用下感应出不同极性的电荷而形成偶极子，受电场力的作用拉伸，呈椭球形，如图1（b）所示。
图1 单液滴在均匀电场中受力及变形示意图Fig.1 Forces and deformation of single water droplet in uniform electric field（a）Forces acting on droplet；（b）Deformation of droplet
球形液滴周围介质中的电场强度为E，连续相相对介电常数为εc，假设球面任一点B的坐标为（x，y，z），并且该点半径和水平电场所成角度为ζ，则该点的感应电荷面密度φB表达式如式（1）所示［10］。
式（1）中，ε0为真空介电常数，ε0＝8.8542×10－12 F／m。该点处单位面积ΔS上所受到的电场力FE的表达式如式（2）所示。
从式（2）可知，液滴球面电荷密度在与极轴相交处（0和π）最大。施加电场之后，液滴受到电场力作用导致表面压力分布不均，从而引起液滴变形，其形状沿电场方向变为椭球体。此时，椭球面上某点的面电荷密度和该点处的曲率成正比，因此两长轴端曲率最大，面电荷密度最大，短轴处面电荷密度最小（如图1（b）所示）。离心率e、液滴受到的附加压力Δp和黏滞阻力FD的表达式分别见式（3）～（5）。
式（3）～（5）中，a和b为椭球长轴和短轴的长度，m；r0为液滴初始半径，m；γ为界面张力，N／m；CD为拖曳系数，无量纲数；Ap是液滴的投影面积，m2；ρ为连续相密度，kg／m3。在斯托克斯区拖曳力系数CD＝24／Re，黏度越大，雷诺数Re越小，则FD越大。
Geoffrey［11］对直流电场中理想导体球（εd→∞）变形后的电场强度与离心率之间的关系进行了理论推导，得到直流电场中理想导体球变形的模型式（6）。
统一认证管理系统式（6）中，
Gunnar等［12］考虑了非理想导体的影响，对式（6）进行了改进，得到直流电场中非理想导体球变形的模型式（7）。
龚海峰等［8］考虑了极化电荷在内部形成的极化电场，建立了直流电场中液滴变形模型，其表达式如式（8）所示。式（8）中的T由式（9）计算。
上述几个模型都是针对直流电场中液滴的变形过程受力模型，形式虽然不同，但可以发现液滴的变形主要受介电常数、电场强度、界面张力的影响。在交流电场中，液滴的变形还
会受到频率的影响。液滴两端电荷会随着电场的变化而变化，偶极子转向极化对外场的响应时间较长，并且对不同介质，响应时间也不相同（约为10－8～10－2s）。偶极子表面电荷变化速率是受分散相驰豫时间的影响［13］，如果驰豫时间足够短，可以认为是近似瞬时。
本实验中分散相的弛豫时间τd＝εd／κd＝（80× 8.85×10－12）／（4.6×10－4）＝1.53×10－6s，其中εd为分散相相对介电常数，κd为电导率。最高频率为300Hz时其周期是3×10－3s，可见τd≪1／f（其中f为电场的频率，Hz），可认为是瞬时变化。在电场频率不高和驰豫时间不长的情况下，极化强度和时间的变化规律与电场强度相同且二者同相。
2 实验部分
2.1 实验介质促进剂ns
实验介质为3种不同黏度的白油（No.1、No.2和No.3，燕昌石化产品）和蒸馏水。采用的乳化剂为OP－10，化学纯，天津市化学试剂三厂产品。
2.2 高压交流电场中单液滴振荡特性实验系统
温度远程监控高压交流电场中单液滴振荡特性实验系统由高压电源、高速摄像系统、实验样槽和光源等组成［14］。高压电源可以输出频率为50～400Hz、0～20kV的正弦交流电。实验时，保持室内恒温并用恒温水浴维持油品温度为15.0℃，在微观样槽中加入油品后，利用微量移液器在实验样槽中间位置注入一定直径的单液滴，然后施加一定频率的高压电场，用高速摄像仪进行同步观察和采集照片。结合图像处理软件得到液滴直径等相关参数。
