脉冲电场和离心力场耦合作用下的油水乳状液破乳界面现象及动力学描述

油水乳状液的破乳分离是充分利用石油资源、提高原油及油品产量和质量，节能减排、保护环境等的最为关键的环节之一。脉冲电场和离心场耦合作用下乳状液破乳分离技术具有处理量大、脱水效率高、速度快和能耗低等优点而成为乳状液脱水技术新的发展方向，国内外对此项技术的理论研究方面尚处于探索阶段。本项目针对在脉冲电场与离心场耦合作用下，分析油水乳状液液滴的动力学行为和液滴界面传递现象，建立数学模型，揭示脉冲电场与离心场耦合作用下油水乳状液液滴运动和聚结的破乳规律。利用自制新型脉冲电场与离心场耦合破乳装置，通过实验得出电特性参数（脉冲频率、电压、脉宽等）和其他主要参数（油水体积比、流速、离心转速和结构尺寸等）对破乳率的影响规律。通过理论和实验研究对各参数进行优化得到最佳破乳方式，从乳状液滴运动的动力学角度对破乳机理进行阐释，为耦合破乳装置的设计和破乳优化操作等进一步的应用研究提供理论依据。

作为主要战略能源之一的石油资源，对于一个国家发展经济、维持社会稳定，起着至关重要的作用。近年来，世界上大多数油田已经进入高含水期，而各种原油开采技术的应用，造成原油乳状液的形式将会在原油的采出液中大量存在。脉冲电场和离心场耦合作用相比于单独使用电场技术或者离心场具有更高的破乳效率。本项目分析了乳状液的界面张力与附加压力、分散相界面电势与电荷密度的关系、外加电场条件下分散相液滴的界面电势，计算得出了油水乳状液分散相液滴的双电层势、感应电势、范德华势能的具体关系表达式。以胶体与界面化学、电化学、流体力学为基础，从理论上研究了油水乳状液在电场、离心场条件下的液珠运动与聚结机理。分析液滴在转鼓旋转产生的离心场作用下的受力及其运动、转鼓内流体的切向速度分布，并利用fluent对离心场进行数值模拟。同时，基于Cahn-Hilliard方程的相场方法，建立了在匀强电场作用下液滴的变形和破裂行为模型。从微观角度研究分散相液滴变形过程中电荷密度、电场强度和电场力的分布规律，以及流场和电场分布，探讨了微观液滴变形机理。采用数值模拟方法研究了电场强度、液滴直径和界面张力对液滴变形的影响，分析了液滴的两种主要破裂方式，其破裂主要取决于连续相和分散相物性条件。此外，设计并加工了新型离心－脉冲电场破乳装置，该装置可以实现“一机多能”；加工并调试离心－脉冲电场破乳装置实验系统，该系统可实现温度、流量、转速、电压、频率等影响破乳效果因素的精确控制。在自行研制的实验台上开展了多参数的分离实验，通过实验研究了脉冲电场和离心场耦合作用下乳状液破乳规律以及电场和离心场单独作用下对破乳率破乳规律的影响。这些实验结果和结论为油水乳状液高效分离提供了依据，也为工业应用打下基础。