超声驻波场下W/O乳状液分离特性研究

2019-07-08王余宝曹聚杭罗小明

中国石油大学胜利学院学报 2019年2期

王余宝,曹聚杭,罗小明

(1.中国石油大学胜利学院,山东东营 257061; 2.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580)

目前利用20 kHz ～ 10 MHz的超声场分离悬浮液与乳状液已得到极大的关注和广泛的研究。与电场作用下液滴的电泳现象类似,声驻波场作用下连续相中的分散相将产生声泳现象[1]。在超声驻波场中,由于分散相与连续相的密度和压缩性存在差异,分散相将受到主声力[2]的作用。在主声力的作用下,分散相迁移至压力波节或压力波腹平面,聚集形成液滴条带[3],迁移的方向取决于声泳系数的正负[4]。随后,在压力波节或压力波腹平面聚集的液滴在液滴间作用力(次声力和范德华力)的影响下发生碰撞和聚并,并在重力或浮力的作用下加速沉降或上浮,从而加速悬浮液和乳状液的相分离。单液滴的运动规律是研究超声驻波场下乳状液分离特性的关键。孙宝江等[5-6]从理论上分析了油中水滴粒子在超声波辐照下的位移效应,给出了超声波促进油水分离的理论依据。Mathew[7]等人通过建立超声驻波场中颗粒运动的2D模型分析了不同因素对颗粒稳定聚集区的影响。Pangu等人建立了驻波场中双液滴的碰撞模型[2]与群液滴的聚结模型[8],并进行了试验验证。超声场下乳状液分离过程的影响因素众多,主要分为两大类:声场参数和两相物化性质。声场参数包括声场类型[9-10]、声强[11-12]、频率、辐照方式和辐照时间[13]等;两相的物化性质包括两相比例[14]、界面张力、黏度等;其他操作条件如温度[15]等也对超声场乳状液分离过程产生一定的影响。Luo等[16]研究了油中双液滴的聚并过程,指出液滴聚并存在最优声强,且在最优声强下双液滴呈正弦振荡运动。Nii[17]通过测量吸光度量化研究了声强和辐照时间对乳状液分离效率的影响。Check[18]研究了两段超声驻波乳状液处理方式对乳状液脱水脱盐效率的影响,试验结果证实两段超声辐射方式的脱水脱盐效果优于连续超声辐射方式。Garcia-Lopez等[19]在不同的谐振腔内构建驻波场对矿物油和机油的乳状液进行分离研究,发现即使对黏度较大的机油乳状液超声驻波也可以实现分离,但发现施加过高的功率将会产生声流和声空化。Trujillo等[20]综述了声波导致液滴分离的物理原理以及液滴分离过程的数学模型,并指出大型化声分离装置的难点在于如何控制声流的扰动。笔者在前人研究基础上建立油中水滴的位移模型,以矿物油乳状液为研究对象,研究超声驻波场下声强、辐照时间、频率、油水界面张力和油品黏度对矿物油乳状液分离特性的影响,分析模型与试验结果的差异,为超声驻波场乳状液分离技术提供理论依据。

1 液滴位移模型

由于液滴与连续相的密度和压缩性存在差异,液滴在驻波场中将受到主声力的作用,向压力波节或压力波腹移动。液滴在一维声驻波场中受到的主声力表达式为[21]

(1)

声场能量密度Eac[22]

(2)

式中,ρo为连续相密度;co为连续相中的声速;Pa为声波的压力振幅。

(3)

液滴在主声力的作用下移动到波腹或波节平面后,液滴将在次声力的作用聚并,次声力的表达式为[23]

(4)

式中,下标1和2分别代表液滴1与液滴2;V为液滴的体积;r为液滴的中心间距。

液滴在连续相中受到重力和浮力的作用,这里将重力和浮力联合起来得到净重力Fg的表达式为

(5)

液滴在连续相中受到的黏滞力采用Hadamard-Rybczynski公式:

(6)

其中

式中,μw为液滴的黏度;μo为连续相黏度;v为液滴的速度。

超声驻波场中液滴在连续相中的受力分析如图1所示。在声辐射面与声反射面之间存在一束波长为λ的驻波P(z)(红色实线),液滴在驻波声场中受到的主声力F1,ac(红色虚线)及其方向(红色实心箭头)标示在图中,主声力F2,ac的作用方向沿双液滴中心连线方向。

图1 超声驻波场中液滴在连续相中的受力分析

综合考虑液滴在连续相中的受力,对液滴运用牛顿第二定律

(7)

式中,z,v与m分别为液滴的位移,速度以及质量。

求解常微分方程(7),并探究声强、频率、液滴粒径、油品黏度对液滴聚集区的影响。其中分散相液滴的声速为1 462 m/s,密度为998 kg·m-3,黏度为1 mPa·s;连续相的声速为967 m/s,密度为876.8 kg·m-3。

(1)声强对液滴聚集区的影响。不同声强时液滴的位移图如图2所示,声强越大,液滴所受主声力越大。当声强较小时,液滴无法停留在聚集区;声强继续增大直至液滴恰好稳定停留在聚集区,此时的声强定义为临界声强Ic,在当前条件下可以看出临界声强Ic为4.62 W·cm-2;当声强超过临界声强Ic后继续增大,虽然液滴聚集区越来越接近压力波节,但是液滴聚集区位置改变量较小,理论上随着声强的增加液滴聚集区将无限接近压力波节。

图2 不同声强时液滴的位移

(2)频率对液滴聚集区的影响。不同频率时液滴的位移图如图3所示,20、28、40 kHz的声波压力波腹如图中黑色实线所示,随频率的升高,压力波腹与压力波节的距离缩短,根据式(1)可知,液滴受到的主声力增加,因此液滴到达聚集区的时间明显缩短,因此理论上较高频率的超声驻波有利于乳状液的分离。

图3 不同频率时液滴的位移

(3)液滴粒径对液滴聚集区的影响。不同液滴粒径时液滴的位移图如图4所示,不同粒径的液滴聚集区是相同的,这是因为虽然液滴粒径越大,液滴受到的主声力和净重力越大,但是主声力和净重力都与粒径的三次方成正比,因此聚集区的位置与粒径无关;但液滴粒径越大,液滴到达聚集区的时间越短。因此,连续相中分散液滴粒径较小将会需要更长的分离时间。

图4 不同液滴粒径时液滴的位移

(4)油品黏度对液滴聚集区的影响。不同连续相黏度时液滴的位移图如图5所示,不同连续相黏度时液滴的聚集区是相同的,因为聚集区的位置与液滴受到的主声力和净重力有关,而与黏滞力无关;模拟结果显示:连续相黏度对液滴到达聚集区所需的时间影响较大,当连续相黏度增加时,液滴到达聚集区所需的时间明显增加。因此,对于分离较大黏度连续相中的液滴时,需要的时间较长。

图5 不同连续相黏度时液滴的位移

根据上述液滴位移模型的结果推测:在超声驻波场下进行乳状液分离时,理论上声强越大、辐照时间越长、频率越高、液滴粒径越大以及连续相黏度越小分离效果越好。

2 试验系统及方法

超声驻波场下乳状液分离特性试验系统如图6所示。试验系统由信号发生器、功率放大器、高频功率计、超声波换能器、声室及水听器等组成。信号发生器(Rigol DG2041A)产生的超声波信号输入功率放大器(辉月 HFVA-62),经放大的超声信号激励超声波换能器产生超声波进入乳状液。当声辐射面与声反射面(即乳状液的高度)为声速在乳状液中半波长的整数倍时,入射波与反射波叠加形成驻波场。

图6 超声驻波场下乳状液分离特性试验系统

图中,Ⅰ为信号输入端口;Ⅱ为功率测量端口(+);Ⅲ为功率测量端口(-);Ⅳ为高压输出端口(-);Ⅴ为高压输出端口(+)。

功率通过高频功率计(HIOKI 3332)测得,声强I由水听器测得的声压振幅Pa根据式(8)计算得到:

(8)

式中,I为声强;Pa为水听器测得的声压振幅。

试验过程中,选取两种不同黏度的矿物油作为连续相,蒸馏水为分散相,其中Ⅰ号油品为白矿油LP15,Ⅱ号油品为白矿油LP14与LP15按1∶9体积比混合而成;通过添加表面活性剂(Aladdin)来改变乳状液中油水界面张力。试验温度稳定在20 ℃,试验材料的主要物理性质如表1所示。

表1 试验介质的主要物性(温度为20 ℃)

首先将试验用矿物油、蒸馏水按照9∶1的体积比例进行混合,经过搅拌器充分搅拌后,得到含水率为10%的W/O乳状液,然后将W/O乳状液转移到声室中,其乳状液高度为半波长的整数倍。利用水听器(CS-3B)测量声室内的声压分布,在20 kHz的条件下,声室Y轴中心平面(即图6中的声室内的黄色平面)的声压振幅分布如图7所示。Z轴的方向与声波传播方向一致,Z轴数值表示测量点距离声辐射面的高度,X轴数值表示测量点与YZ平面的距离。从图中可以看出,声压振幅在声辐射面处出现最大值,当Z大约为20 mm时出现最小值,声压振幅在Z方向表现出驻波的特点。但是在X方向上为非均匀分布,声压振幅在X中心位置最大,在X的边缘处逐渐减小。

图7 声室Y轴中心平面声压振幅分布图

试验中通过调节功率放大器改变声强,乳状液经超声波辐照一定时间后,将处理后的乳状液倒入50 mL尖底离心管,置于50 ℃的恒温水浴槽内沉降4 h,记录分离水的体积分数,分析超声驻波场下声强、辐照时间、频率、油水界面张力、连续相黏度等因素对乳状液分离特性的影响。

3 试验结果与讨论

3.1 声强的影响

图8为不同声强下Ⅰ号油品乳状液的脱水率图。当声波辐照时间较短时,如图中5min与10 min的曲线所示,脱水率随着声强的增加逐渐增大。这是因为声强的增加使液滴受到的主声力增大,液滴迁移至聚集区所需时间缩短。然而,当辐照较长时间时,如图中15 min与20 min的曲线所示,脱水率随着声强的增加先增大后减小,存在最优作用声强Io,使得脱水率达到最高。这与液滴位移模型的推测不符,此差异可由声空化(sound cavitation)现象解释。

根据声分离研究成果[24]可知,声空化的产生将严重影响声分离过程。液体中产生空穴的最小声强或声压称为空化阈,空化阈的大小取决于静压力Ph、液体本身的结构强度和状态,在结构完整(无缺陷)的液体中,产生半径为Rc的空穴,其阈值声压Pth为[25]：

(9)

式中,σ为液体表面张力系数。

将式(9)用于纯Ⅰ号油品,可认为油品分子距离增大到超过Van der Waal’s距离(Rc=4×10-10m)时,油品中就产生了空穴。由Ⅰ号油品的表面张力系数σ=31.5×10-3mN·m-1及静压力Ph=1.013×105Pa,从式(9)可算得Pth=6.07×107Pa。实际上,在任何实际液体样品中测得的阈值声压Pth都要明显低于这个数值,这表明理想的结构完整(无缺陷)的液体是难以获得的,液体中总会存在泡核,使得空化阈下降[26]。经过搅拌的乳状液本身已经成为结构不完整的液体,且其中存在较多的泡核,因此空化现象将更容易产生。

图8 脱水率随声强的变化

随着作用时间的延长和声强的增加,声空化现象开始出现,扰乱了液滴聚集区,使得聚集在一起的液滴重新被分散,从而脱水率出现随着声强增加而下降的趋势,而液滴位移模型中并未考虑声空化的影响,因此模型推测与试验不符,故实际操作时施加的声强需要在最优作用声强Io以下。

3.2 辐照时间的影响

图9为Ⅰ号油品乳状液在不同超声辐照时间下脱水率变化图。由图可见,在同一声强作用下,随着超声辐照时间的增加,乳状液脱水率先增大后减小,存在最优辐照时间To。较短辐照时间(5～15 min)内,随声强的增加,乳状液脱水率逐渐增大。这是因为距离聚集区较远的液滴迁移至聚集区需要较长的时间,且低声强时,液滴受到的主声力较小,迁移速率低,这些将导致在短时间、低声强的超声驻波场下乳状液的脱水率随着时间和声强的增加而增大。辐照时间延长后,由于声波在近壁面长时间的剪切作用,使得乳状液内出现压力梯度,导致局部流动的出现,对声场产生扰乱作用,从而随着辐照时间增加脱水率略有下降。最优辐照时间To随声强的增大而缩短,这是因为声强的增大使乳状液中出现了声空化现象,声空化产生的气泡剪切液滴,扰乱声场,使得脱水率下降。

图9 脱水率随辐照时间的变化

3.3 界面张力的影响

图10 不同油水界面张力下乳状液脱水率变化

图10为Ⅰ号油品乳状液在不同油水界面张力时脱水率变化图。由图可见,乳状液在声强5.87 W·cm-2、超声频率20 kHz和辐照时间10 min的作用下,随着表面活性剂的不断加入,乳状液的油水界面张力不断减小,其脱水率先增大、后减小。当乳状液中表面活性剂含量达到70×10-6时,其油水界面张力为13.62 mN·m-1,此时乳状液脱水率达到最大值44.90%。其原因主要在于,较小的油水界面张力有利于乳状液中水滴的聚并,当油水界面张力减小到一定值时,乳状液中水滴将达到相对稳定的状态。随着表面活性剂含量的不断增加,表面活性剂吸附在油水界面上,形成具有一定强度的界面膜,而当油水界面膜强度较大时,反而不利于乳状液中水滴的聚并,从而导致油品乳状液脱水率的减小[28],影响脱水效果。

3.4 频率的影响

图11为不同频率超声波作用下Ⅰ号油品乳状液的脱水率对比图。

图11 不同频率超声波作用下乳状液脱水率对比

如图所示,油品乳状液在20 kHz频率超声波作用20 min、28 kHz频率超声波作用15 min以及40 kHz频率超声波作用10 min等三种情况下,其最佳脱水率分别为78.43%、60.20%和58.14%,且每种超声波频率和超声作用时间下,油品乳状液脱水效果最佳时存在最优作用声强。由图可见,随着超声波频率的增大,最优辐照时间减小,而最优作用声强减小,油品乳状液脱水率减小[27]。这与液滴位移模型推测存在较大的差异,液滴位移模型结果表明随频率的升高液滴到达聚集区的距离缩短,且液滴受到的主声力增大,这些都缩短了液滴到达聚集区的时间,因此理论上较高频率的超声驻波是有利于分散液滴的分离。此差异可由声波的衰减理论解释。从声波衰减系数α的理论公式[28](10)中可以看出,超声波的衰减系数随着频率的增加而增大,而声波的衰减将产生声流[29],对液滴产生剪切作用并扰乱液滴向聚集区移动。因此对于黏度较大的流体,声波频率的增加反而不利于乳状液的分离。

(10)

式中,f为声波频率;μ为切变黏滞系数,即连续相黏度;μ′为容变黏滞系数。

3.5 油品黏度的影响

图12为超声驻波作用下不同油品黏度乳状液脱水率图。由图可见,Ⅰ号油品乳状液中,随着作用声强的增加,其脱水率逐渐增大,当作用声强为6.26 W·cm-2时,脱水效果最好;Ⅱ号油品乳状液中,随着作用声强的增加,其脱水率先增大后减小,当作用声强为5.87 W·cm-2时,脱水效果最好。从图上可以看出,Ⅱ号油品乳状液的脱水率全部大于Ⅰ号油品乳状液的脱水率,其原因主要在于油品黏度越小,液滴到达聚集区所需的时间越短;而且油品黏度越小,越有利于水滴的重力沉降和分离,这个试验结果与液滴位移模型的推测是一致的。