油水乳化液分散相动力学的研究进展

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）

油水乳化液分散相动力学的研究进展

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）

根据乳化液分散相液滴的发展历程以及运动状态，从分散相液滴受力变形、聚集、碰撞及其聚结与破裂等几个方面综述了乳化液分散相动力学的研究进展。并就分散相几种运动状态的界定条件、液滴聚结与破裂机理以及系统全面的研究方法等亟待解决的问题提出了分散相动力学的研究思路。

乳化液；分散相；动力学；液滴

石油产品在使用中极易混入水分，这会降低石油产品的性能。润滑油性能恶化的主要原因之一是水进入油液中。当油液中的水分超过0.05%（w）时，随着油液的流动，在水分、胶质、能量作用下形成了大量的乳化液。而乳化液是一个多相体系，是一种热力学不稳定体系。油液乳化后，可改变油液黏度，降低油液的润滑性能；在低温工作条件下，油液中的微粒水珠凝结成冰粒，堵塞控制元件的间隙或小孔，引起系统故障等。因此，油液一旦乳化，其性能就要发生改变，失去原有的功能而成为“废油”。对油液乳化需要深入分析分散相的动态特征。

近年来，对乳化液分散相动力学的研究普遍认为，在不同的外场（旋流场、离心场、电磁场等）作用下，分散相的动态特征在理论上是一个非常复杂的难题［1-3］。这是因为：一方面，油水乳化液形成牢固的界面膜；另一方面，油液中的各种添加剂带来的表面活性物质也能吸附在油水界面上，使乳化液更加稳定，给乳化液滴聚结造成了动力学障碍。另外乳化液油水界面膜的稳定与许多因素有关，如油水两相量比、分散相粒径大小及分布特征、温度、表面张力、界面黏度等。

本文从分散相液滴受力变形、聚集、碰撞及其聚结与破裂等几个方面综述了乳化液分散相动力学的研究进展，并就亟待解决的问题提出分散相动力学研究的思路。

1 分散相液滴的变形

乳化液分散相液滴的变形过程一直是过去许多数值研究、建模研究和实验研究的主题，主要是在稳定的剪切或拉伸流场中对液滴稳定性进行研究。分散相液滴受到压力作用产生变形，表现在轴向拉长或扁平化两种形式，且与外加场的强度、液滴大小和相界面张力有关。

Pangu等［4］利用Marston有关液滴受到的径向力结论以及表面张力建立了液滴变形方程，在实验范围内预测到液滴的变形最大为9%，认为此变形量可以忽略不计。在雷诺数为零的线性剪切或拉伸流场中，Li等［5］应用数值模拟的方法研究了在连续相中不溶解的表面活性剂对一个球形液滴的瞬间变形和形状的影响，认为液滴的形变主要受以下几种因素影响：表面活性剂的分散能力（贝克来数）、表面张力对表面活性剂浓度变化的敏感度（Elasticity number）和瞬间流场的强度。张建等［6-8］引进了变形液滴长短径比（γab）的概念，作为液滴破裂准则。认为液滴γab愈大，分散相液滴在连续相的剪切流作用下，所承受的剪切应力也越大；当γab→∞时，意味着液滴的完全乳化。龚海峰［9］采用乳胶粒子稳态变形力学模型，得到的变形乳胶粒子在电场中拉伸比的数值解。王亮等［10］通过图像处理软件提取了高压静电场中液滴图像的长短轴的具体参数，进行数据统计与分析，认为变形度随电场强度及液滴粒径单调递增，随界面张力递减。林长志等［11］采用扩散界面方法数值模拟了剪切流动条件下液滴变形和断裂的过程，计算得到的稳态条件下液滴变形参数与前人的理论分析和实验结果符合较好。

2 分散相液滴的聚集、碰撞

液滴的聚集和碰撞根据不同的外加场有不同的观点。

Tchoukov等［12］认为促进液滴聚集是相邻粒子受电场以及粒子自身的表面张力共同影响的结果，当外场对粒子施加的吸引力大到足以使相邻粒子“挤掉”它们之间的界面分子，使得水/水体系的分子间力发挥作用，这些粒子就聚合成大粒子。Aboobaker等［13］建立了声场作用下分散相液滴的动力学模型，并实验验证了计算结果，2 μm粒径的液滴在声力作用下向压力波节迁移，20 s后产生聚集。骆广生等［14］研究了有机微孔膜的破乳，认为O/W型乳状液中的分散相在膜表面润湿，并发生不同程度的铺展，在一定的压差推动下，液滴之间发生不同程度的聚集，超过一定范围时，液滴不可逆地聚结成大液滴。孙宝江等［15-16］利用稳定性理论分析了超声波破乳中液滴的聚集效应——位移效应，认为液滴将不断向波腹或波节移动、聚集并发生碰撞，生成直径较大的水滴，然后在重力作用下与油分离；同时指出一些参数，如声强、频率、声波辐射时间、表面张力、黏度等对液滴的聚集有很大的影响。Pangu等［4］认为超声驻波场中，分散相液滴会在主声辐射力作用下向波腹聚集，且在次声辐射力下产生聚结，并实验验证了数学模型的计算结果。

3 分散相液滴碰撞后聚结与破裂

液滴聚结是指两液滴碰撞前后的质量是一致的，当两液滴碰撞时界面膜厚度达到一个临界值就会出现聚结。两液滴在外场作用下由于体力和相互作用力而产生聚集，如果在这个聚集过程中液滴间的界面膜被驱除就可以形成稳定聚结。

Khalil等［17］利用图像分析方法研究了油水乳化液分散相粒径分布状态，认为由于液滴的破裂机制以及添加剂含量降低了液滴的聚结率和O/W界面膜的稳定等原因，导致分散相粒径均值的降低，乳化程度增加。Kwon 等［18-19］认为液滴有瞬时聚结和永久聚结两种，当碰撞动能超过永久聚结时的能量就会出现瞬时聚结，引起分裂或破碎。破裂是指碰撞后液滴的数量与碰撞的总液滴数量一致的情况，且它们的质量相同，碰撞动能过大引起的破碎是指液滴最后分裂为大量的小液滴，如图1所示［20］。

图1 乳化液滴瞬时聚结和永久聚结的过程Fig.1 Unstable coalescence and stable coalescence of emulsion droplets.

Adam等［21］首次定量地分析了液滴碰撞过程中冲击参量（b）和冲击速度对其稳定性的影响，认为液滴碰撞后聚结与分裂取决于韦伯数和b。对于一个正碰（即b=0），需要克服一个最小动能破坏液滴的表面张力而使液滴呈破碎状态，此时如果韦伯数一定，增大b，动能消耗转化为液滴的振动能，液滴进入稳定聚结状态；b持续增大，克服液滴的表面张力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。邓志安等［22］对水洗流场中液滴的界面膜剪切破裂机理进行了分析，认为水洗流场中控制着液滴产生变形和剪切破裂的无因次群有3个，其中韦伯数控制着液滴的破裂。张黎明等［23-24］进行的电脉冲破乳的实验结果表明，施加适当的外电场可以明显地提高液滴的聚结效率，但电场强度并非越大越好，分别存在能使液滴破裂和阻止液滴聚结的两类临界场强，其中后者远小于前者。姜雪梅等［25-26］探讨剪切流场中牛顿型W/O型乳状液的分散相液滴破裂机理及临界破裂条件，总结出分散相液滴破碎的原因：黏性剪切力主要使液滴发生形变;雷诺剪切力使之破碎。范永平等［27］认为微波辐射减小了油水界面的Zeta电位，失去Zeta电位作用的水珠容易碰撞聚结，导致油水分离。赵冬建等［28］通过对连续相湍流导致的液滴聚结和破裂现象的合理模化，建立了适用于垂直上升管油水两相分散流的相界面浓度输运方程，对沿实验段轴向的相界面浓度变化进行了预测，预测结果与实验数据吻合很好。Duan等［29］在临界韦伯数附近，对液滴的破裂进行了研究。实验结果表明，两种无量纲数：韦伯数和Ohnesorge数对液滴的破裂行为起着主要的影响，而雷诺数在所有的破裂机制中几乎对破裂没有影响。

4 结语

纵观国内外的研究现状，目前乳化液分散相动力学的研究主要针对以下问题：在分散相受到外力场作用下，液滴的迁移、聚集的原起因， 液滴为什么能够产生碰撞， 液滴碰撞后是聚结还是破裂。对于乳化液分散相，需在以下几个方面进行深入研究。

（1）利用多相流体力学、物理学等学科的前沿理论，不仅对乳化液分散相单一阶段（如变形或破裂等）运动特征进行探索，而且要从分散相内在发展历程：迁移→聚集→碰撞→聚结（或破裂）为主线，以液滴对到液滴群为辅线采用系统、递进方法进行分散相运动状态全过程的理论研究。

（2）以概率密度函数以及扩散界面法等技术为基础，建立液滴内外流场中的运动方程，需要确定液滴表面的边界条件以及液滴形状等，涉及到多学科技术的综合运用进行数值分析求解，结合实验验证。

（3）从乳化的原因寻求破乳方法，进行乳化液分散相的碰撞时间和界面膜破裂时间、分散相的聚结与破裂临界条件以及碰撞率、聚结率等方法体系的研究，揭示乳化液分散相聚结的内在规律，较好地对分散相的动态进行定量分析，诠释水击谐波作用下乳化液的聚结与破裂机理。

（4）提出先进的破乳方法，丰富物理破乳理论体系，以期在工业现场得到推广和应用，以缓解能源短缺的压力，实现有限资源利用的最大化，使环境污染最小化，使润滑油行业符合清洁生产、科学发展、可持续发展、和谐发展的要求。

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Progress in Kinetics of Disperse Phase in Oil-Water Emulsion

Liu Ge，Chen Bin，Zhang Xianming，Huang Lang
（Engineering Research Centre for Waste Oil Recovery Technology and Equipment，Ministry of Education，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Research progresses in the kinetics of oil-water emulsion disperse phase including the deformation，congregation，collision，coalescence and breakup of liquid droplets in the disperse phase，are reviewed according to the development process and motion state of the dispersed droplets. The existing problems such as the determination conditions for the motion states and the coalescence and breakup mechanisms of the droplets are discussed. The research directions for the kinetics of the disperse phase in future are proposed.

oil water emulsion；disperse phase；kinetics；liquid droplet

1000 - 8144（2012）11 - 1333 - 04

TQ 028.4

A

2012 - 05 - 15；［修改稿日期］2012 - 08 - 27。

刘阁（1973—），重庆市人，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）；重庆市自然科学基金计划项目（cstc2011jjA90001）；重庆市科技攻关重点项目（cstc2009AB3234）；重庆高校创新团队项目（KJTD201019）；重庆高校优秀成果转化资助项目（KJZH11211）。

（编辑 李治泉）