CN108088963B - 可使乳化油液滴高效结聚的电场施加型式判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可使乳化油液滴高效结聚的电场施加型式判定方法，包括：根据乳化油液滴在电场中的非线性振动动力学模型，得到液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)；在相关参数已知的条件下，计算Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)值；电场施加型式判据为：若Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)≤0，则判定施加高压直流恒定电场可使乳化油液滴高效结聚；若Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＞0，则判定施加高压单向脉冲方波电场可使乳化油液滴高效结聚。本发明通过函数公式计算并结合判据即可判定在高压单向脉冲方波电场和直流恒定电场中选择施加何种电场可使对应的乳化油液滴高效结聚，简单方便，避免了通过对比实验进行判定需要投入对应设备和人员的问题，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于物理测量、测试技术领域，具体涉及一种可使乳化油液滴高效结聚的电场施加型式判定方法。
背景技术
目前，电场破乳脱水的方法及相关技术被广泛应用在W/O(油包水)型乳状液破乳脱水处理。根据国内外研究现状发现，脉冲电场法作为一种新型破乳脱水的方法，能够让油中的液滴相发生伸缩变形振动，液滴界面膜机械强度降低，微小颗粒液滴在变形碰撞过程中发生结聚的机率大为增加，液滴粒度增大，从而易于从混合液中脱除。其中，高压单向脉冲方波电场以其瞬间电压高、结构简单、避免短路等优点而备受关注，在电场破乳技术领域占有重要地位。然而，由于乳化油自身系统参数的不同，并不是在施加高压单向脉冲方波电场时乳化油液滴的结聚效果就一定比传统施加直流恒定电场时的要好。那么，如何在高压单向脉冲方波电场和直流恒定电场中合理的选择一种电场施加型式，将直接影响到乳化油破乳脱水的效果。如果通过进行前期对比实验的方式来判定针对某一种乳化油的适合的电场施加型式，然后再对应的进行选择，势必造成对比实验设备设施的投入、对比实验实施周期的消耗，需要投入较高的前期人力物力成本。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可使乳化油液滴高效结聚的电场施加型式判定方法，避免通过对比实验进行判定需要投入对应设备和人员的问题，取得仅通过已知参数的带入计算并结合判据即可判定在高压单向脉冲方波电场和直流恒定电场中选择施加何种电场可使对应的乳化油液滴高效结聚的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
可使乳化油液滴高效结聚的电场施加型式判定方法，包括：
根据乳化油液滴在电场中的非线性振动动力学模型，得到液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)；
在参数ρ、μ、R、γ、ε2、E已知的条件下，计算Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)的值；
电场施加型式判据为：若Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)≤0，则判定施加高压直流恒定电场可使乳化油液滴高效结聚；若Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＞0，则判定施加高压单向脉冲方波电场可使乳化油液滴高效结聚；
Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)中，ρ为水的密度，μ为油液动力黏度，R为液滴平均粒径，γ为油水界面张力，ε2为油液相对介电常数，E为电场强度。
进一步完善上述技术方案：
其中：
ε0为真空介电常数＝8.8542×10-12F.m-1。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明在已知水的密度、油液动力黏度、液滴平均粒径、油水界面张力、油液相对介电常数和电场强度的条件下，带入函数公式计算并结合判据即可判定在高压单向脉冲方波电场和直流恒定电场中选择施加何种电场可使对应的乳化油液滴高效结聚，简单方便，相关参数在对应的油品上均有介绍说明，获取方便；本发明避免了通过对比实验进行判定需要投入对应设备和实验操作人员的问题，节约了时间，节省了成本。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
通过对比实验方式的实验判定结果与本发明判定方法的判定结果相符说明本发明判定方法的可行性。
实验仪器：高压脉冲电源(可选用天津慧达电子原件厂生产)，电压输出范围为0～20kV，频率输出范围0～2000Hz，脉冲占空比10％～60％可调；Motic系列显微镜，具备四档放大倍数物镜，带有摄像拍照功能的数据采集装置；实验池，规格为48mm×46mm×20mm，材料为透明有机玻璃；纯铜电极，规格为48mm×20mm×2mm，电极间距20mm；数字示波器(可选美国泰克TDS1001C-SC型)，用于校正高压脉冲电源；磁力搅拌器；秒表、玻璃器皿、微量注射器等若干。
实验样品：实验油样为抚顺150SN基础油和南充基础油，在上述两种基础油中，注入一定量的蒸馏水，加入少量span80(山梨糖醇酐油酸酯)，运用磁力搅拌器充分搅拌30min，配成含水体积百分数φ＝2％的W/O型乳化油，通过微量注射器分别取样于玻璃器皿内并放入实验池中，实验介质的相关参数见表1。
表1实验介质的相关参数
| 实验介质 | 蒸馏水 | 抚顺150SN基础油 | 南充基础油 |
| ρ(10<sup>3</sup>kg/m<sup>3</sup>) | 0.9980 | 0.8678 | 0.8794 |
| R(mm) | － | 0.295 | 0.290 |
| ε<sub>2</sub> | 81.00 | 3.10 | 2.49 |
| γ(mN/m) | － | 12 | 5 |
| μ(10<sup>-3</sup>p<sub>a</sub>.s) | － | 31.94 | 25.19 |
在纯铜电极间施加高压脉冲电场，电场强度幅值选取200kV/m，脉冲占空比为50％，施加电场的频率f分别为0Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz和50Hz。在每个作用频率下，电场施加时间为10秒，然后分别利用显微镜随机进行观察，并记录各自液滴结聚后的平均粒径，得到不同频率电场作用下两种乳化油液滴平均粒径R值见表2。
表2不同频率电场作用下两种乳化油液滴平均粒径R(mm)
抚顺150SN基础油和南充基础油配置的乳化油，分别在6组不同频率电场作用下乳化油液滴的平均粒径如表2所示，可见：对于150SN基础油配置的乳化油，随着电场频率的升高，液滴粒径有持续增大的趋势，那么施加高压单向脉冲方波电场对150SN基础油乳化油的结聚破乳效果更好；对于南充基础油配置的乳化油，随着电场频率的升高液滴粒径有明显减小的趋势，在电场频率f＝0时即高压直流恒定电场，结聚效果最好，那么施加高压直流恒定电场对南充基础油乳化油的结聚破乳效果更好。
在实验中，两种乳化油系统的相关物理参数ρ、μ、R、γ、ε2、E、ε0是已知的，将上述参数带入本发明判定方法的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)中进行计算；
计算抚顺150SN基础油乳化油的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)，过程如下：
已知ρ＝0.998×103kg/m3，μ＝31.94×10-3Pa·S，R＝0.295×10-3m，γ＝12×10- 3N/m，ε2＝3.1，E＝2×105V/m，ε0＝8.8542×10-12F.m-1，
通过算式
求得c＝0.3247，进一步通过算式
求得b＝-372.665，进一步通过算式
求得α＝0.028，进一步通过算式
求得Γ＝0.2064。
抚顺150SN基础油乳化油的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＞0。
计算南充基础油乳化油的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)，过程如下：
已知ρ＝0.998×103kg/m3，μ＝25.19×10-3Pa·S，R＝0.29×10-3m，γ＝5×10-3N/m，ε2＝2.49，E＝2×105V/m，ε0＝8.8542×10-12F.m-1，
通过算式
求得c＝0.3262，进一步通过算式
求得b＝-375.6406，进一步通过算式
求得α＝0.0528，进一步通过算式
求得Γ＝-0.0228。
南充基础油乳化油的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＜0。
根据电场施加型式判据，抚顺150SN基础油乳化油的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＞0，判定施加高压单向脉冲方波电场可使其液滴高效结聚；南充基础油乳化油的液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＜0，判定施加高压直流恒定电场可使其液滴高效结聚。
可见，通过本发明的判定方法得出的判定结论与对比实验的实验判定结论完全相符，本发明的判定方法有效可行。
实施时，进一步地，相关参数除了在对应的油品上有介绍说明、电场强度根据实际施加值确定外，还可以采用计算和设备检测等方式获取。如可采用运动黏度测定仪(可选大连北方分析仪器有限公司BF-03型)和密度测定仪(可选BF-18A型)，分别测定基础油在温度(T)为20℃时的运动黏度(v)和密度(ρ)，再计算其油液动力黏度μ＝v·ρ；采用界面张力仪(可选普惠公司JZY-180型)，可测得油水界面张力(γ)；采用介电常数测定仪(可选中西公司WRT27-AYJ型)，可测得油液相对介电常数(ε2)；可在显微镜下随机多处采点观察记录并计算液滴平均半径(R)。
Claims (1)
1.可使乳化油液滴高效结聚的电场施加型式判定方法，其特征在于，包括：
根据乳化油液滴在电场中的非线性振动动力学模型，得到液滴振动幅频特征函数Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)；
在参数ρ、μ、R、γ、ε2、E已知的条件下，计算Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)的值；
电场施加型式判据为：若Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)≤0，则判定施加高压直流恒定电场可使乳化油液滴高效结聚；若Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)＞0，则判定施加高压单向脉冲方波电场可使乳化油液滴高效结聚；
Γ(ρ,μ,R,γ,ε2,E)中，ρ为水的密度，ρ的单位为kg/m3，μ为油液动力黏度，μ的单位为Pa·S，R为液滴平均粒径，R的单位为m，γ为油水界面张力，γ的单位为N/m，ε2为油液相对介电常数，E为电场强度，E的单位为V/m；
其中：
ε0为真空介电常数，ε0的单位为F/m。
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