（化工过程机械专业论文）脉冲电场作用下乳状液液珠运动与聚结机理研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 0 2 8 8学科分类号一 53 0 5 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 6 9密级公开 学位授予单位代 1 0 0 10学位授予单位名称北京化工大学 码 作者姓名刘科学号 2 0 0 9 0 0 0 6 6 9 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自然科学基金研究方向油水分离 脉冲电场作用下乳状液液珠 论文题目 运动与聚结机理研究 关键词油水乳状液，聚结，破乳，电场，脉冲电场 论文答辩日期2 0 1 2 年5 月2 6 日木论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师王奎升教授北京化工大学石油机械 评阅人1周俊波教授北京化工大学化工机械 评阅人2颜廷俊教授北京化工大学石油机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席周俊波教授北京化工大学化工机械 中国石油 答辩委员1陈香凯高工石油机械 长城钻井公司 答辩委员2张有忱教授北京化工大学机械工程 答辩委员3颜廷俊教授北京化工大学石油机械 答辩委员4赵惠清副教授北京化工大学机械工程 答辩委员5 张杨副教授北京化工大学石油机械 答辩委员6马润梅讲师北京化工大学化工机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与 代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 脉冲电场作用下乳状液液珠运动与聚结机理研究 摘要 作为主要战略能源之一的石油资源，对于一个国家高速发展经济、维 持社会稳定，起着至关重要的作用。近年来，世界上现有的很多油田已经 逐渐进入高含水期，而大量应用各种原油开采技术，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破乳技术 相比于单独使用电场技术或者离心场技术具有更高的破乳效率，更好的破 乳效果。对其破乳机理的研究，将会为提高油水乳状液破乳效率提供理论 指导和实验依据。 本文以胶体与界面化学、电化学、流体力学为基础研究了油水乳状液 在电场、脉冲电场条件下的液珠运动与聚结机理。分析了油水乳状液的基 本性质：外观性质、粘度、电性质、稳定性。 研究了油水乳状液在电场作用下所受界面张力、附加压力，分析了分 散相液滴在电场作用下的受力行为，得出临界电场强度、油水两相开始分 离时问的具体计算公式。同时，研究了油水乳状液分散相液滴界面电荷密 度和界面电势之间的关系；推导了分散相液滴界面电势的具体计算公式。 对于在外加电场条件下，给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。本文认为，只有外加电场所提供的 能量大于上述三项势能之和，处于分散相中的液滴才会克服阻止液滴聚集 的势垒，聚结，达到较好的破乳效果。 北京化工大学硕士学位论文 油水乳状液在脉冲电场条件下，分散相液滴主要以偶极聚结和振荡聚 结为主。本文对影响偶极聚结和振荡聚结的关键因素进行了研究，分析了 油水乳状液在脉冲电场作用条件下所表现出来的动力学行为，包括动力学 函数、摄动势函数、流体力函数的具体变化规律。分析了油水乳状液在脉 冲电场作用条件下，由于偶极矩的变化所引起的电势、电场强度的变化关 系，进而引起电动作用力的变化规律。 本文的研究结果将会为提高油水乳状液破乳效率提供理论指导和实 验依据，为进一步研究油水乳状液的破乳机理，优化电特性参数方面具有 重要的指导作用。 关键词：油水乳状液，聚结，破乳，电场，脉冲电场 i l a b s t r a c t t h es t u d yo nt h em o v e m e n ta n dco a l es c e n c e m e c h a n i s mo fe m u l s i o nd r o p l e t su n d e rp u l s e d e l e c t i u cf i e l d a b s t r a c t o i l ，a sa l li m p o r t a n ts t r a t e g i ce n e r g y ，p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei na c o u n t r y ss o c i a ls t a b i l i t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t r e c e n ty e a r s ，m o s to ft h e o i lf i e l dd e v e l o p m e n te n t e r i n ga h i g hw a t e rc u t ，c r u d eo i li sp r o d u c e do nt h e f o r mo fe m u l s i o n sw i t hav a r i e t yo fm i n i n gt e c h n o l o g y t h ed e m u l s i f i c a t i o n t e c h n o l o g yo ft h ej o i n tf i e l do fp u l s e de l e c t r i cf i e l da n dc e n t r i f u g a lf i e l d c o m b i n e st h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e s ，n o to n l yh a v i n gs h o r t e re n e r g y , l e s st i m e ， h i g h e re f f i c i e n c yt h a nt r a d i t i o n a le l e c t r i cd e m u l s i f i c a t i o nm a i n t a i n i n gt h es a m e d e m u l s i f i c a t i o n d e h y d r a t i o ne f f i c i e n c y t h ed e m u l s i f i c a t i o nm e c h a n i s m s t u d i e dw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n d e x p e r i m e n t a lb a s i sf o ri m p r o v i n g t h ed e m u l s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eo i l w a t e re m u l s i o n t h ed r o p l e tm o v e m e n ta n dc o a l e s c e n c em e c h a n i s mi na ne l e c t r i cf i e l d a n dp u l s e de l e c t r i cf i e l d ，i ss t u d i e do nt h eb a s i so fc o l l o i da n di n t e r f a c e c h e m i s t r y , e l e c t r o c h e m i s t r y , a n df l u i dm e c h a n i c s t h eb a s i cp r o p e r t i e so ft h e o i l 。w a t e re m u l s i o n s ：t h ea p p e a r a n c eo f n a t u r e ，v i s c o s i t y , e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ， s t a b i l i t yi sa n a l y s e di nt h i sp a p e r t h ei n t e r f a c i a lt e n s i o na n da d d i t i o n a lp r e s s u r eo ft h eo i l w a t e re m u l s i o n ， i i i 北京化工大学硕士学位论文 一一 t h eb e h a v i o ro ft h ed i s p e r s e dd r o p l e t si nt h ee l e c t r i cf i e l ds t u d i e d ，w h i c h o b t a i n st h es p e c i f i cf o r m u l ao ft h ec r i t i c a le l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，t w o p h a s e so f o i l 。w a t e rb e g i n n i n gt os e p a r a t e ，t h i sp a p e r a tt h es a m e t i m e ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n t e r f a c ep o t e n t i a lo f d i s p e r s e dd r o p l e t si nt h eo i l w a t e re m u l s i o n a n di n t e r f a c ec h a r g ed e n s i t y , d i s p e r s e dd r o p l e t si n t e r f a c i a lp o t e n t i a lf o r m u l a a r er e s e a r c h e d t h ee x p r e s s i o no ft h ee l e c t r i cd o u b l e l a y e rp o t e n t i a lo ft h e d i s p e r s e dd r o p l e t so fo i l w a t e re m u l s i o n ，i n d u c e dp o l a r i z a t i o np o t e n t i a l ，v a n d e rw a a l sp o t e n t i a le n e r g yi nt h ec o n d i t i o n so ft h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l da r e o b t a i n e d t h i sp a p e ra r g u e st h a to n l yt h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l de n e r g yi s g r e a t e rt h a nt h ea b o v e - m e n t i o n e dt h r e ep o t e n t i a le n e r g y , t h ed i s p e r s e dp h a s e d r o p l e t sw i l lo v e r c o m et h eb a r r i e rt op r e v e n td r o p l e ta g g r e g a t i o na n d c o a l e s c e n c e ，t oa c h i e v eb e t t e rd e m u l s i f i c a t i o n t h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h eo i l w a t e re m u l s i o ni nap u l s e de l e c t r i cf i e l d c o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gk i n e t i cf u n c t i o n ，t h ep e r t u r b a t i o np o t e n t i a lf u n c t i o n ，f l u i d f u n c t i o ns p e c i f i cc h a n g e si nt h el a wa r es t u d i e d ，w h i c ha r ek e yf a c t o r st o d i p o l ec o a l e s c e n c ea n dt h eo s c i l l a t i o nc o a l e s c e n c e ，a st h ed i s p e r s e dp h a s e d r o p l e t so fo i l w a t e re m u l s i o ni nap u l s e de l e c t r i cf i e l dc o n d i t i o n s ，m a i n l yi na f o r mo f d i p o l ec o a l e s c e n c ea n do s c i l l a t i o nc o a l e s c e n c e t h ev a r i a t i o no ft h e e l e c t r i cp o t e n t i a l ，e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h ee l e c t r i cf o r c ea r ea n a l y z e d ， w h i c ha r ed u et ot h ed i p o l em o m e n tc h a n g e si nt h ep u l s e de l e c t r i cf i e l d c o n d i t i o n s t h er e s u l to ft h i s p a p e r w i l l p r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e a n d i v a b s t r a c t e x p e r i m e n t a l b a s i st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h eo i l w a t e r e m u l s i o n d e m u l s i f i c a t i o n i th a sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eg u i d a n c ef o rf u r t h e rs t u d yo n t h e m e c h a n i s mo fd e m u l s i f i c a t i o no fo i l w a t e re m u l s i o n ，t oo p t i m i z et h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：o i l w a t e re m u l s i o n ，c o a l e s c e n c e ，d e m u l s i f i c a t i o n ， e l e c t r i cf i e l d ，p u l s e de l e c t r i cf i e l d v 原书空白页 不缺内容 目录 目录 第一章绪论1 1 1 油水分离概述2 1 1 1 油水分离的基本原理2 1 1 2 油水分离方法- 3 1 1 3 常用油水分离方法的特点6 1 2 油水乳状液破乳方法研究进展7 1 2 1 热处理方法7 1 2 2 物理破乳方法8 1 2 3 化学破乳方法1 0 1 2 4 生物破乳法一1 2 1 2 5 膜破乳法一1 2 1 2 6 研发趋势1 3 1 3 脉冲电场与离心场耦合作用破乳机理研究现状一1 3 1 3 1 国外研究成果1 3 1 3 2 国内研究现状一1 5 1 4 脉冲电场与离心场耦合作用破乳技术研究一1 6 1 4 1 电场脱水1 6 1 4 1 2 脉冲电场与离心场耦合作用脱水1 7 1 5 本文主要研究内容一l 7 第二章油水乳状液的基本性质1 9 2 1 油水乳状液概述1 9 2 1 1 油水乳状液形成原因1 9 2 1 2 油水乳状液的外观性质一2 0 2 2 油水乳状液的粘度2 2 2 2 1 乳状液粘度的具体计算一2 2 2 2 2 乳状液粘度的影响因素一2 4 2 3 油水乳状液的电性质2 6 2 3 1 介电常数一2 6 2 3 2 导电性一2 7 2 4 油水乳状液的稳定性一2 8 2 4 1 油水乳状液的稳定机理一2 8 2 4 2 油水乳状液稳定性的影响因素3 0 v 北京化工大学硕士学位论文 第三章油水乳状液在电场作用下的力学行为分析3 3 3 1 油水乳状液的界面张力3 3 3 2 油水乳状液的附加压力3 5 0 3 油水乳状液在电场作用下的受力分析一3 6 3 4 油水乳状液分散相液滴在电场作用下的势能分析一3 8 3 4 1 分散相液滴界面电势与界面电荷密度的关系一4 0 3 4 2 油水乳状液分散相液滴界面电势( 外加电场条件) j 4 3 3 4 3 外加电场条件下，油水乳状液分散相液滴的双电层势一4 4 3 4 4 外加电场条件下，乳状液分散相液滴之间的感应电势4 6 3 4 5 乳状液分散相液滴之间的范德华势能一4 8 3 4 6 计算示例一4 9 第四章油水乳状液在脉冲电场作用下的力学行为分析5 3 4 1 脉冲电场的傅里叶变换5 3 4 2 油水乳状液在脉冲电场作用下的聚结机理5 3 4 3 脉冲电场对分散相液滴转动扩散系数的影响关系一5 4 4 4 油水乳状液在脉冲电场作用下电泳淌度的计算一5 6 4 4 1 控制方程一5 7 4 4 2 边界条件5 8 4 4 3 控制方程的简化一5 9 4 4 4 电泳淌度的一般表达式一6 l 4 4 5 电泳淌度的简化表达式( k 岛1 ) 6 2 4 5 油水乳状液分散相液滴在脉冲电场作用下的动力学行为一6 4 4 5 1 油水乳状液分散相液滴在脉冲电场作用下的动力学函数6 4 4 5 2 边界条件一6 6 4 5 3 动力学函数的简化一6 8 4 6 油水乳状液在脉冲电场作用下偶极矩的变化7 2 4 6 1 控制方程7 2 4 6 2 控制方程解析一7 3 4 6 3 电动作用力的变化一7 4 第五章结论与展望7 7 5 1 结论7 7 5 2 展望7 8 参考文献7 9 致谢8 5 研究成果及发表的学术论文8 7 v i 目录 作者及导师简介8 9 i x 原书空白页 不缺内容 c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1o v e r v i e wo f t h eo i l w a t e rs e p a r a t o r 2 1 1 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo f o i l - w a t e rs e p a r a t i o n 2 1 1 2o i l w a t e rs e p a r a t i o nm e t h o d s 3 1 1 3 c h a r a c t e r i s t i c so f c o m m o no i l w a t e rs e p a r a t i o nm e t h o d s 6 1 2r e s e a r c hp r o g r e s so fo i l w a t e re m u l s i o nd e m u l s i f i c a t i o nm e t h o d s 7 1 2 1h e a tt r e a t m e n tm e t h o d 7 1 2 2 p h y s i c a ld e m u l s i f i c a t i o nm e t h o d 8 1 2 3c h e m i c a ld e m u l s i 】f i c a t i o nm e t h o d 1 0 1 2 4 b i o l o g i c a ld e m u l s i f i c a t i o nm e t h o d 1 2 1 2 5 m e m b r a n ed e m u l s i f i c a t i o nm e t h o d 1 2 1 2 6r&d t r e n d s 1 3 1 3r e s e a r c hs t a t u so fd e m u l s i f i c a t i o nm e c h a n i s mi nt h eu s eo ft h ej o i n tf i e l do fp u l s e d e l e c t r i cf i e l da n dc e n t r i f u g a lf i e l d 1 3 1 3 1r e s e a r c ha b r o a d 13 1 ：；2d o m e s t i cr e s e a r c h l ! ； 1 4t e c h n i c a lr e s e a r c hi nt h eu s eo ft h ej o i n tf i e l do fp u l s e de l e c t r i cf i e l da n dc e n t r i f u g a l f i e l d 1 6 1 4 】【d e h y d r a t i o ni nt h eu s eo f e l e c t r i cf i e l d 1 6 1 4 2 d e h y d r a t i o ni nt h eu s eo ft h ej o i n tf i e l do fp u l s e de l e c t r i cf i e l da n dc e n t r i f u g a l f i e l d 1 7 1 5 m a j o rr e a s e a r c hc o n t e n t so f t h ep a p e r 1 7 c h a p t e r2 b a s i cp r o p e r t i e so f o i l w a t e re m u l s i o n 1 9 2 1o v e r v i e wo f o i l w a t e re m u l s i o n 1 9 2 1 1c a u s e so f o i l w a t e re m u l s i o nf o r m a t i o n 1 9 2 1 2 p r o p e r t i e so f a p p e a r a n c eo f t h eo i l w a t e re m u l s i o n 2 0 2 2 v i s c o s i t yo f o i l w a t e re m u l s i o n 2 2 2 2 1 s p e c i f i cc a l c u l a t i o no f e m u l s i o nv i s c o s i t y 2 2 2 2 2f a c t o r sa f f e c t i n gt h ev i s c o s i t yo f e m u l s i o n 一2 4 2 3e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f o i l w a t e re m u l s i o n 2 6 2 3 1d i e l e c t r i cc o n s t a n t 2 6 2 3 2 c o n d u c t i v i t y 2 7 x t 北京化工大学硕士学位论文 2 4 s t a b i l i t yo f o i l - w a t e re m u l s i o n 2 8 2 4 1 s t a b i l i t ym e c h a n i s mo f o i l - w a t e re m u l s i o n 2 8 2 4 2f a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo f o i l - w a t e re m u l s i o n 3 0 c h a p t e r3a n a l y s i so ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f t h eo i l - w a t e r e m u l s i o nu n d e rt h ee l e c t r i cf i e l d 3 3 ：i 1i n t e r f a c i a lt e n s i o no fo i l w a t e re m u l s i o n 3 3 ： 2a d d i t i o n a lp r e s s u r eo f t h eo i l - w a t e re m u l s i o n 3 5 3 3m e c h a n i c a la n a l y s i so f o i l w a t e re m u l s i o n u n d e r t h ee l e c t r i cf i e l d 3 6 3 4p o t e n t i a la n a l y s i st od i s p e r s e dd r o p l e t so fo i l w a t e re m u l s i o ni nt h ee l e c t r i cf 论l d 3 8 3 4 1 r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r f a c i a le l e c t r i cp o t e n t i a la n di n t e r f a c i a lc h a r g ed e n s i t y 4 0 3 4 2i n t e r f a c i a lp o t e n t i a lo fo i l w a t e re m u l s i o nd i s p e r s e dd r o p l e t s ( e l e c t r i cf i e l d ) 4 3 3 4 3e l e c t r i c a ld o u b l el a y e rp o t e n t i a lo fo i l - w a t e re m u l s i o nd i s p e r s e dd r o p l e t s u n d e rt h ee l e c t r i cf i e l d 4 4 3 4 4i n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c eo fo i l - w a t e re m u l s i o nd i s p e r s e dd r o p l e t su n d e r t h ee l e c t r i cf i e l d 4 6 3 4 5v a nd e r w a a l sp o t e n t i a le n e r g yb e t w e e nd i s p e r s e dd r o p l e t so f t h ee m u l s i o n 4 8 3 4 6c a l c u l a t i o ne x a m p l e 4 9 c h a p t e r4a n a l y s i so f t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eo i l w a t e r e m u l s i o nu n d e rp u l s e de l e c t r i cf i e l d 5 3 4 1f o u r i e rt r a n s f o r mo f p u l s e de l e c t r i cf i e l d 5 3 4 2c o a l e s c e n c em e c h a n i s mo f o i l w a t e re m u l s i o ni np u l s e de l e c t r i cf i e l d 一5 3 4 3i n f l u n c eo fp u l s e de l e c t r i cf i e l dt ot h er o t a t i o nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fd i s p e r s e d d r o p l e t s 5 4 4 4c a l c u l a t i o no fe l e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t yo fo i l w a t e re m u l s i o ni np u l s e de l e c t r i c f i e l d 5 6 4 4 1 g o v e r n i n ge q u a t i o n s 5 7 4 4 2 b o u n d a r yc o n d i t i o n s 5 8 4 4 3 g o v e r n i n ge q u a t i o n ss i m p l i f i e d 5 9 4 4 4g e n e r a le x p r e s s i o no f e l e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t y 6 1 4 4 5 s i m p l i f i e de x p r e s s i o no fe l e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t y ( k 局1 ) 6 2 4 5k i n e t i cb e h a v i o ro fd i s p e r s e dd r o p l e t so fo i l w a t e re m u l s i o nu n d e r p u l s e de l e c t r i c f e l d 6 4 4 5 1k i n e t i cf u n c t i o n so fd i s p e r s e dd r o p l e t so fo i l - w a t e re m u l s i o nu n d e r p u l s e d e l e c t r i cf i e l d 6 4 4 5 2 b o u n d a r yc o n d i t i o n s 6 6 x t l c o n t e n t s 4 5 3k i n e t i cf u n c t i o n ss i m p l i f i e d 6 8 4 6 c h a n g e so nt h ed i p o l em o m e m o fo i l - w a t e re m u l s i o nu n d e rp u l s e de l e c t r i cf i e l d 7 2 4 6 1 g o v e r n i n ge q u a t i o n s 7 2 4 6 2 g o v e r n i n ge q u a t i o n sr e s o l u t i o n 7 3 4 6 3 c h a n g e so fe l e c t r i cf o r c e 7 4 c h a p t e r5 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 7 7 5 1c o n c l u s i o n 一7 7 5 2 p r o s p e c t 7 8 r e f e r e n c e s 7 9 a c k n o w l e d g e m e n t 8 5 a c h i e v e m e n ta n dp u b l i s l l i n gp a p e r s 8 7 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n dt u t o r 8 9 原书空白页 不缺内容 符号说明 英文大写字母 4 一界面积，m 2 ； a n - - h a m a k e r 常数，j ： d 一电感量，h ： d 一扩散系数，m 2 s ： 口一转动扩散系数，m 2 s ； 珑一有效扩散系数，m 2 s ； e 一电场强度，v m 1 ： 昂外加电场强度，v m 1 ； e 一临界电场强度，v m - 1 ； e 双电层力，n ； 0 一摩擦阻力，n ； 一重力，n ； e 一流体动力，n ； 巴，一界面膜的粘性力， c 一剪切力，n ； g 一吉布斯函数，j ： 一极惯性矩，m 2 ； 一b o l t z m a n n 常量，j k ： 符号说明 三一液滴( 球形) 中心之间的距离，m ： m 摩尔质量，g m o l ： 一转速，r m i n l ； 。心- - a v o g a d r o 常数； m 一液滴的数量； 一界面附加压力，p a ； r 一液滴半径，m ： 忍一连续相液滴半径，r n ； 局一分散相液滴半径，m ； 屯一分散相液滴之间