乳化油液水击谐波破乳技术的机理研究

刘 阁，陈 彬，张贤明，黄 朗

(重庆工商大学 废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067)

乳化油液水击谐波破乳技术的机理研究

刘 阁，陈 彬，张贤明，黄 朗

(重庆工商大学 废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067)

对水击谐波破乳的机理进行了分析，在此基础上建立了分散相液滴的力学平衡方程，并进行了水击谐波破乳实验。分析和讨论了在水击谐波场中分散相液滴由于受到水击谐波强迫振动力而相互聚集的原因和特点，从分散相液滴的聚集、变形、碰撞和聚结等几个阶段探讨了水击谐波破乳的机理，得到分散相液滴在水击谐波场作用下的运动规律。实验结果表明，在水击谐波场中分散相液滴在一定波长范围相互聚集，水击谐波的频率对分散相液滴聚集有一定的影响;随分散相液滴粒径和密度的增大，分散相液滴聚集能力增强，有利于破乳。

乳化油液;破乳机理;水击谐波

随着能源和环保形势的日益严峻，废润滑油的资源化再生和利用已经受到越来越多的重视。润滑油中水分的存在不仅破坏润滑油的理化性能，而且会影响整个系统的正常工作，极易乳化、加速油的氧化过程和降低油的润滑性，是仅次于固体颗粒物的一种污染。目前用于乳化油液破乳的技术常见的有微波破乳、超声波破乳以及离心破乳等多种破乳技术，这些破乳技术具有成本低、效果好、无污染、便于后续处理等优点。但这些方法基本上都是通过施加外界能量进行破乳的，有着较强的针对性;而且对这些破乳方法还缺乏充分、有力的实验证据支持现有的破乳理论。所以至今人们还没有找到一种工业化程度高、能够适合各种润滑油破乳脱水的新技术。

水击谐波理论的研究是目前航空航天、石油化工、水利电力、液压传动等工业领域中的前沿性课题。在化工机械、石油储运以及工程机械中，水击谐波是一种有害的现象，它会随着开关元件工作状态的改变，使液体流速发生急剧变化而引起系统内压强大幅度波动，导致系统发生强烈震动、噪声和空蚀［1－2］。随着科学技术的不断发展，水击谐波的分析理论也不断得到完善和进步［3－4］。

水击谐波频率高(一般为10 kHz左右)、波长短，同时还具有方向性好、功率大、穿透力强以及能引起空化作用等特性，可用于乳化油液的破乳［5－7］。

本工作对水击谐波破乳机理进行了研究，在分散相液滴受力分析的基础上，建立了水击谐波场中分散相液滴的动力学方程，并采用实验方法对方程进行了验证，讨论了水击谐波的频率和分散相的物性参数对水击谐波破乳过程的影响，通过控制条件可以提高破乳的效率。

1 水击谐波破乳机理

1.1 水击谐波场中分散相液滴的变形

在水击谐波场中，分散相液滴受到水击压力的作用产生变形，使液滴界面形状发生改变，表现在轴向拉长或压扁两种形式，变形程度与水击谐波的强度、液滴大小和相界面张力有关。通过建立液滴变形方程，在实验范围内预测到液滴的变形最大为9%［8］，因而认为在水击谐波场中液滴变形量可以忽略不计。

1.2 水击谐波场中分散相液滴的受力分析

液滴的聚集很大程度上与液滴的界面形状有关，而界面形状的改变与其在水击谐波场中的受力有关。图1为分散相液滴在水击谐波场中的受力分析。

图1 分散相液滴的受力分析Fig.1 Stress analysis of dispersed droplets.

施加水击谐波场后，对液滴的水击谐波作用力进行分析，得到液滴任一点的速度时域表达式为：

液滴的作用力平衡方程(液滴惯性等于作用在液滴上的各种力)在笛卡尔坐标系下的形式(y方向)可描述为：

通过对分散相液滴的受力分析可得出：当K≠0时，液滴将向谐波波节运动和聚集。当λ/4＜y0＜3λ/4时，分散相液滴运动轨迹见图2。由图2可见，在水击谐波波节的±λ/4范围内，分散相液滴经过一定的时间发生了聚集，且呈对称分布;距离波节较远的液滴到达波节平衡位置的时间较长，如y0=0.121，0.143时，液滴到达波节平衡位置的时间分别为 62，86 s。

1.3 水击谐波场中分散相液滴的碰撞

在水击谐波场中，分散相液滴受到机械振动、热和空化的作用，使得乳化液滴在水击谐波场中受到浮升力、拖曳力、重力和水击谐波强迫振动力等以及乳化液分散相间作用力的共同影响，促使分散相液滴相互接近，并在最近的波腹(或波节)处聚集。当液滴接近到一定程度时，水击谐波强迫振动力使分散相液滴产生聚集并发生碰撞，生成直径较大的液滴，然后在重力作用下与连续相分离，两个液滴的碰撞示意见图3。图3中，r1和r2为两个不同液滴的粒径，V1和V2为两个液滴的速度，碰撞参量b表示一个液滴中心到另一个液滴中心的相对速度矢量的距离，U为r1和r2的相对速度，当两个液滴碰撞时液膜厚度达到临界值(1 nm)时就会出现聚结。

图2 分散相液滴向波节聚集Fig.2 Gathering of droplets in the dispersed phase onto the wave section.

图3 两个液滴的碰撞Fig.3 Impact between two droplets.

在水击谐波场中，液滴在水击谐波波节的±λ/4范围内发生聚集而碰撞的现象见图4。由图4可见，分散相液滴处于λ/4＜y0＜λ/2位置时，速度随位置、时间的变化。在水击谐波波节的±λ/4范围内，分散相液滴的运动速度呈对称分布，最大速度出现在3λ/8位置处。这是由于水击谐波作用力在此处达到最大值，使液滴对连续相阻力作用较大的缘故。

图4 液滴速度与位置、时间的关系曲线Fig.4 Relationship of droplet speed，its position and time.

1.4 水击谐波场中分散相液滴的聚结

在水击谐波场中，当两个液滴相遇接触时，液滴之间形成薄的液膜或称滑动的夹层，由于膜的某些部位受水击谐波场条件变化的影响，液膜厚度会发生波动，局部区域会变薄，液膜被破坏而形成较大的液滴，这个过程称为聚结。聚结为不可逆过程，导致液滴尺寸变大、液滴数目减少，极限的情况就是完全破乳，实现油水分离。

聚结过程是复杂的，一般需要考虑液滴之间界面膜作用力的性质，这些力的相互作用决定界面膜是热力学稳定的，还是亚稳定的，或是不稳定的;另一方面应考虑与液膜局部厚度和弹性的波动(热或机械作用因素引起)等有关的动力学因素。在水击谐波场中，一旦液滴相互接近，水击谐波对相互接近的液滴的聚结力有重要影响，水击谐波作用下的聚结力为：

水击谐波聚结力作用方向是两液滴的中心线，与二者距离的平方成反比，两液滴的距离越近，聚结力越大。采用乳化油液滴动态图像采集仪所采集到的分散相液滴在水击谐波场中的聚结过程见图5。由图5可见，在水击谐波场中存在液滴的聚结，而且液滴聚结过程受水击谐波场强度的影响，随水击谐波场强度变化，有些液滴聚集后并没有聚结，反而有较大的反弹，液滴能否聚结主要取决于其动能与表面能的比值。

图5 分散相液滴在水击谐波场中的聚结过程Fig.5 Ccoalescence process of emulsion droplets in the water hammer harmonic field.

2 实验部分

水击谐波破乳的实验装置见图6。油包水型乳化油液通过液压泵(1)输送到蓄能器(2)中储存，待蓄能器被充满后，关闭泵前的截止阀，避免液压泵的脉动对破乳过程的影响。利用蓄能器2对测试系统提供动力，乳化油液经过流量传感器(3)和水分测定仪(4)之后进入破乳罐体(8)。采用PC机(13)输出高频信号至可编程控制器(12)，驱动开关阀(9)使其实现高频启闭动作，在罐体(8)内形成水击谐波场。

乳化油液中的水滴受到水击谐波的作用，向谐波的波腹(或波节)聚集，并产生沉降，通过排水总管(6)中进入水槽收集。经过破乳处理后的油液由水分测定仪(10)测定破乳后的水分含量，并与破乳前的水分含量进行比较。

通过三维可调的图像采集装置(11)，使安装在垂直丝杆上工业数码相机(7)对罐体(8)的某一范围内的乳化油液中的水滴运动状态进行图像采集，运用图像分析软件获取水滴聚集的程度，从微观上获取测试分散相液滴的动态特征。结合罐体(8)两端的水分测定仪的数据，通过设定的控制策略，由PC机(13)输出对应的信号至可编程控制器(12)，驱动开关阀(9)以改变动作频率，达到较佳的破乳效果。

图6 水击谐波破乳实验装置Fig.6 Demulsification schematic diagram of water hammer harmonic.

以开关阀产生的初始水击谐波作为入射波，通过透明的实验段达到顶部，变为反射波;反射波与入射波相互作用，对输入端的水击进行放大和传播，形成水击谐波动态传输特性。解决聚结条件问题，再提升到整个乳化液分散相的聚结或破裂的动态研究，将分散相动态过程的多样性问题通过对分散相运动过程进行系统、分步规划得以控制，即通过界定聚结条件来预防油液乳化的出现。

将分散相液滴的运动轨迹模拟结果(采用式(2)进行计算的结果)与文献［9－10］的测量结果进行对比，以验证数值计算的准确性。液滴在初始位置(y0=0.016 5 m)时运动轨迹的模拟与实验结果的对比见图7。由图7可看出，分散相液滴经过185 s在y0=0.109 0 m 处(波节)出现了滞留，即达到平衡位置。模拟结果与实验结果吻合较好，偏差在1%之内，说明所建立的分散相液滴的作用力模型(式(1))能表达液滴的实际运动轨迹。

在水击谐波场中乳化油液滴的动态图像见图8。由图8可见，采用水击谐波可促使分散相液滴相互接近，以至于聚结，从而实现油水分离，完成破乳过程。

图7 液滴运动轨迹的模拟与实验结果的对比Fig.7 Comparison of the simulation result with the experimental data for the droplet trajectories.—— Calculated value● Experimental data

图8 在水击谐波场中乳化油液滴的动态图像Fig 8 Dynamic image of the emulsified oil droplets in the water hammer harmonic field.

3 结果与讨论

3.1 液滴聚结的条件

两液滴在水击谐波作用下由于体力(浮升力、拖曳力、重力和水击谐波强迫振动力等)和相互作用力而产生聚集，并不是所有液滴在聚集时都可以产生聚结。因而必须控制合适的条件实现分散相液滴的稳定聚结，液滴的稳定聚结取决于We和b，如图9所示。由图9可见，We较小时，分散相液滴的稳定区较大;We较大时，分散相液滴的稳定区变小。

图9 液滴碰撞后聚结的条件Fig.9 Coalescence conditions after the droplet collision.

在图9a中，在低 We数(We＜7.6)和高冲击参量b(b/D ＞0.8)的情况下没有出现聚结，说明液滴处于稳定区;在60≤We≤105范围内，有两个b值对应的液滴碰撞后处于分裂状态。对于一个正碰撞，即b=0时，克服液滴的表面张力需要最小动能为We=60，液滴呈破碎状态，此时如果We一定，增加b值，动能消耗在液滴的振动能上，液滴进入稳定聚结状态，b值持续增大，多出的动能将转化为旋转能且由于离心力作用而使两液滴被拉长。从图9b中也可得到相同的规律，并有大液滴出现，而且液滴的稳定区域更大。

3.2 乳化油液的物理性质对聚结的影响

随液滴粒径和密度的增大，液滴达到平衡位置的时间呈减小趋势，表现为容易聚结;连续相的黏度增大，液滴达到平衡位置的时间延长，聚结能力降低。随水击谐波频率的增大，液滴的运动速度增大，液滴达到平衡位置的时间缩短，但速度过大液滴容易产生碰撞而反弹不利于液滴的聚集;频率减小液滴达到平衡位置的时间延长，所以水击谐波频率变化对连续相的弹性模量有一定的影响，使水击谐波的聚结力发生相应的变化。

4 结论

(1)在对水击谐波破乳机理进行分析的基础上，建立了水击谐波破乳的数学模型。对分散相液滴聚结的模拟结果与实验结果的偏差在1%之内。

(2)分散相液滴在水击谐波强迫振动力作用下，可以在水击谐波波节的±λ/4范围内发生聚集，并产生聚结，从而实现乳化油液的破乳。

(3)分散相液滴的粒径和密度增大，有利于液滴的聚结;连续相的黏度增大不利于液滴的聚结;水击谐波的频率对液滴聚结有一定的影响，必须控制适宜的频率才可以有效地进行破乳。

符号说明

［1］ Lin Yih-Hwang，Tsai Yau-Kun.Nonlinear Active Vibration Control of a Cantilever Pipe Conveying Fluid［J］.J Sound Vib，1997，202(4)：477－490.

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Mechanism of Demulsification of Emulsified Oil by Water Hammer Harmonic

Liu Ge，Chen Bin，Zhang Xianming，Huang Lang

(Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment，Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067 China)

Based on the mechanism of water hammer harmonic demulsification，a mechanics equilibrium equation for dispersed droplets was established，and the demulsification experiment under water hammer harmonic was carried out.Causes and characteristics of the dispersed droplet gathering in the water hammer harmonic field due to the water hammer harmonic vibration force were investigated.The demulsification mechanism was studied based on gathering，deformation，collision and coalescence of the dispersed droplets.The movement law of the dispersed droplets in the water hammer harmonic field was acquired.The experimental results showed that the dispersed droplets aggregated in a certain wavelength range under action of the water hammer harmonic and frequency of the water hammer harmonic influenced the aggregation;along with increases of the dispersed droplet size and the density，the gathering of the dispersed droplets was enhanced，which benefited the demulsification.

emulsified oil;demulsification mechanism;water hammer harmonic

1000－8144(2011)06－0618－06

TQ 028.4

A

2011－01－08;［修改稿日期］2011－03－03。

刘阁(1973—)，女，河南省南阳市人，硕士，讲师，电话023－62768317，电邮 lycy9945@163.com。。

重庆市教委科技资助项目(KJ100722);重庆高校创新团队项目(KJTD201019);废油资源化技术与装备教育部工程研究中心科学技术研究项目(FYKJ2009009)。

(编辑 李治泉)