高压脉冲电场破乳研究现状及展望

陈凌，龚海峰，张贤明，刘先斌，欧阳平

(重庆工商大学 废油资源化技术与装备工程研究中心，重庆 400067)

随着我国化工、冶金、汽车等基础工业的迅速发展，我国原油消耗急剧增加，同时废油产生量巨大。对于原油加工、废油再生等工艺来说，油液的脱水净化是其首要解决的关键问题。油液脱水净化的重点和难点在于破乳，对于原油乳状液等结构复杂、含水量较高的W/O型乳化油的脱水净化，多采用破乳效率高、结构简单、能耗较低的电破乳工艺进行处理，后续再根据工艺需求配备真空加热脱水等工序进行剩余微水的脱除。

电破乳工艺按电场形式可分为直流电破乳、交流电破乳和脉冲电场破乳三类，其中，相较于直流电破乳和交流电破乳而言，脉冲电场破乳可有效地增加油液中液滴的振动和碰撞，提高液滴聚结效率，具有较好的破乳效果，且可根据具体油液工况调节电场强度、脉冲频率、占空比等参数以获得最优的破乳效果，近年来已成为电破乳工艺研究的重点，大量学者针对高压脉冲电场破乳进行了研究。基于此，本文对高压脉冲电场破乳的研究现状进行了总结，并提出了进一步研究的建议。

1 高压脉冲电场破乳机理

乳化油破乳的关键在于乳状液中液滴的聚结。高压脉冲电场作用下乳化油液滴的聚结与乳化油工况、电场参数、流场参数等多种因素相关，具体的聚结机理目前尚没有完善的理论体系，其中，较为经典的两种理论如下：(1)Bailes等提出的介电松弛理论[1]，该理论认为高压脉冲电场作用下乳状液中液滴的聚结主要由受电介质的松弛过程(即脉冲电场间歇期)决定，且存在一个使破乳效果最好的最优脉冲频率，同时液滴在聚结前必先被完全极化并形成水链。(2)与介电松弛理论不同，Taylor等提出了诱导电荷内部电场理论[2]，该理论认为高压脉冲电场作用下乳状液中液滴的聚结主要受介电物质的电导率和脉冲电场频率影响，且乳状液必须分为连续相和分散相进行考虑，脉冲电场频率较低时液滴的聚结受电导率影响较大，脉冲电场频率较高时电导率对液滴聚结的影响可以忽略。

基于上述介电松弛理论和诱导电荷内部电场理论，国内外学者针对高压脉冲电场作用下乳化油液滴的聚结机理进行了大量的研究[3-5]，在综合考虑上述两种理论的基础上形成了较为统一的看法：高压脉冲电场作用下，乳化油中的液滴(分散相)的电导率远大于油相介质(连续相)，液滴被极化后通过碰撞迅速完成聚结，同时脉冲电场的松弛过程也与乳化液的破乳机理有着重要的关系，脉冲电场中液滴形成的诱导偶极子之间的吸引对液滴的碰撞聚结也有着相应的作用。另外，高压脉冲电场的瞬时重复作用性产生的振动，可以有效地增加液滴的振幅和碰撞机率，并加剧液滴界面的振动导致界面膜的强度、厚度降低，促进乳化油液滴间的相互聚结。

2 电场参数对高压脉冲电场破乳的影响

从上述高压脉冲电场破乳的机理分析可知，高压脉冲电场作用下乳化油液滴的聚结与电场强度、电场频率和占空比等电场参数密切相关，现将各参数的影响分析如下。

2.1 电场强度对高压脉冲电场破乳的影响

电场强度对乳化油破乳的影响主要在于对乳化油液滴偶级力的影响，通常来说，电场强度越大，油水界面膜的破裂越快，液滴的聚结速度越快，但同时电场强度过大会导致已聚结的液滴破碎产生电分散现象，形成二次乳化。

针对电场强度过高时乳化油液滴发生的电分散现象，国内外学者围绕液滴的受力、变形、破裂与电场强度的关系进行了大量的研究：Feng[6]、耿孝恒[7]、Yan[8]、Hu[9]、陈庆国等[10-11]结合实验和仿真分析对液滴电场作用下的变形和破裂进行了研究，认为存在液滴变形至破裂的临界场强，当电场强度大于临界场强时，乳化油中的液滴会发生破碎产生电分散，形成二次乳化；在临界场强基础上，孙治谦等[3]进行了进一步的细化研究，提出临界场强分为临界破乳场强和临界乳化场强，电场强度低于临界破乳场强时无法有效破乳，电场强度高于临界乳化场强时会发生电分散产生二次乳化，只有当电场强度在临界破乳场强与临界乳化场强之间时才能保证乳化油中液滴的有效聚结。

上述电分散现象主要发生在交流电或直流电破乳过程中，与交流电或直流电不同，高压脉冲电场的作用具有瞬时性和重复性，一个脉冲周期内液滴积累的能量将在脉冲周期的松弛阶段发生消散，使得液滴无法获得足够的能量产生破裂，进而减少或避免电分散的发生。对于高压脉冲电场而言，液滴在一个脉冲周期内的能量积累与消散，与高压脉冲电场的频率和占空比密切相关，合适的电场频率和占空比可以有效地防止高电场作用下的电分散，充分保证高电场作用下的聚结效果，基于此，关于电场强度对高压脉冲电场破乳影响的研究应与电场频率、占空比结合进行更为合理。

2.2 电场频率对高压脉冲电场破乳的影响

电场频率对高压脉冲电场破乳的影响主要体现在脉冲电场的不断重复作用引起的液滴运动方面，大量的研究表明[12-13]，高压脉冲电场破乳存在最佳电场频率。

目前，关于电场频率对高压脉冲电场破乳的影响机理主要分两类：(1)一类是在Bailes等的介电松弛理论[1]和Taylor等的诱导电荷内部电场理论[2]基础上，将乳化油与电极绝缘层视为RC等效电路(电阻-电容等效电路)，液滴的聚结效果与等效电阻、等效电容与分散相的性质密切相关，电场频率的大小主要影响作用于乳化油的电场强度及液滴的极化效果[14]，当电场频率过低时，电压分配由电容决定，乳化油电容大，作用电压小，电场强度低，对液滴的电场作用力小，液滴聚结效率较低；当电场频率过高时，脉冲保持段作用时间短，液滴极化时间不足，极化效果差，液滴聚结效果不好；对于特定的电场强度，存在最佳电场频率，使得作用于乳化油的电场强度和液滴的极化效果达到最优。(2)另一类是认为电场频率与乳化油液滴固有频率的关系是决定破乳效果的关键，两者越接近破乳效果越好，对于特定的电场强度，液滴的固有频率与乳化油表面张力、液滴直径等具体工况相关。为确定最佳电场频率，张建等[15]认为高压脉冲电场作用下乳化油液滴的变形为大变形，并基于大变形条件提出了液滴的大变形自由振动频率，电场频率与液滴大变形自由振动频率越接近，乳化油的破乳效果越好；另外，陈庆国等[10]在水滴受力模型及振动动力学模型研究基础上，建立了水滴发生共振时的电场频率表达式，认为最佳电场频率与水滴固有频率及水滴运动阻力相关。

上述两类看法中，将乳化油与电极绝缘层视为RC等效电路的看法较为合理，其综合考虑了电场强度与液滴极化的影响。从液滴固有频率出发确定最佳电场频率的方法仅考虑了液滴本身的属性，未考虑电场强度、液滴极化程度等方面的影响，应在相关计算中引入与电场强度、液滴极化程度等相关的参数更为合理。

2.3 占空比对高压脉冲电场破乳的影响

占空比表示在一个脉冲周期内脉冲高电平占整个周期的比例。对于高压脉冲电场破乳来说，占空比主要影响乳化油液滴对电场能量的吸收，占空比过低时，液滴吸收能量较少，极化程度不足，聚结效果较差，同时有研究表明[3]占空比过低时，液滴在脉冲松弛阶段趋于保持球形，不利于液滴的变形和聚结；占空比过大时，脉冲松弛过程较短，液滴能量消散程度低，当电场强度较大时容易发生电分散现象。另外，有学者[16]在Bailes等提出的介电松弛理论[1]基础上，研究了占空比对液滴成链的影响，认为占空比的关键在于保证水链在脉冲松弛阶段的消散以避免形成短路造成能量散失，合适的占空比应综合考虑脉冲高电平阶段的液滴成链和脉冲松弛阶段的水链消散。

上述关于占空比对高压脉冲电场破乳的影响研究大都基于一定的电场强度及电场频率进行，对于乳化油液滴来说，其在一个脉冲周期内的极化、能量的吸收以及成链是占空比、电场强度、电场频率等因素的综合作用造成的，应在占空比的影响研究中加入电场强度、电场频率的因素更为合理。

3 高压脉冲电场破乳器的研究设计

目前，针对高压脉冲电场破乳技术的研究主要侧重于破乳机理、影响因素等方面，且大都基于静态间歇式实验设备为主，缺乏关于连续动态实验装置方面的研究，对于高压脉冲电场破乳技术的工业化应用方面的研发较为不足，关于高压脉冲电场破乳器研究设计的现状如下。

3.1 高压脉冲电场破乳器电极材料及形式

高压脉冲电场破乳器的电极材料通常采用铝电机、铜电极、钢电极、石墨电极等，在具体应用中，为防止单纯采用裸电极造成的短路、电耗增加及电极损耗等问题，实际的高压脉冲电场破乳器通常采用绝缘电极，即在上述导电材料的电极外面包裹绝缘材料，形成绝缘电极。为促进高压脉冲电场破乳器的工业化应用，国内外学者针对电极绝缘材料进行了大量的研究，其中，鉴于聚四氟乙烯等高分子材料兼具绝缘性、阻燃性、耐高温等特点，目前高压脉冲电场破乳器电极绝缘材料以聚四氟乙烯材料为主[17]，除聚四氟乙烯外，环氧树脂、乙烯-丙烯氟化聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)等高分子材料也被用于高压脉冲电场破乳器的电极绝缘材料[18]；此外，有学者提出采用陶瓷等高介电常数的材料作为电极绝缘材料[19]，以避免采用聚四氟乙烯等电极绝缘材料时涂层腐蚀、脱落以及加工精度要求高等方面的问题，是当前电极绝缘材料研究的一个新方向。

对于高压脉冲电场破乳器来说，其电极主要形式有平行平板电极、同轴圆柱电极、同心圆球电极，其中同心圆球电极由于加工难度较大且油水分层后的电场梯度问题难以解决，在实际应用中多以平行平板电极和同轴圆柱电极为主。平行平板电极电势分布均匀，电极加工、放大难度低，工业化应用较为方便，在实际应用中电极安放位置对破乳效果影响较大，综合来说，电极采用竖放方式布置较平放方式为好，可以有效地利用电极面积，同时利于水滴沉降；同轴圆柱电极产生电场为非均匀电场，通常来说，电场非均匀系数[20]越大，乳化油破乳脱水效果越好，但过大的非均匀系数容易导致电分散现象的发生。在高压脉冲电场破乳器实际工作过程中，乳化油随着液滴的沉降会出现分层，同时含水量的变动会使得乳化油的分层呈现不稳定性，使得实际的电场分布及变化较为复杂，因此，高压脉冲电场破乳器的电极设计需综合考虑破乳脱水过程中的电场动态变化等因素。

3.2 高压脉冲电场破乳器结构

基于3.1节所述平行平板电极和同轴圆柱电极两类电极形式，高压脉冲电场破乳器的结构主要分为方形结构和圆柱结构两类，具体如下：

(1)方形结构高压脉冲电场破乳器

此类高压脉冲电场破乳器以方形绝缘电极板为基准电极板，通过多个基准电极板的并行布置产生高压脉冲电场，基准电极板的安装方向与乳化油流动方向垂直，另外，实际应用中通常在基准电极板上开孔以保证乳化油的流动性以及破乳脱水的均匀性[18]。此类高压脉冲电场破乳器结构简单，通常采用模块化设计，制造、安装及工业化应用方便。

(2)圆柱结构高压脉冲电场破乳器

此类高压脉冲电场破乳器以圆柱内轴和外壁作为电极，乳化油在内轴与外壁之间形成的高压脉冲电场通道内流动，完成破乳脱水的过程。同时，此类高压脉冲电场破乳器通常通过旋流的方式产生离心力[21]，使得乳化油同时承受高压脉冲电场和离心力的综合作用，提高破乳脱水效果，其中，乳化油的旋流可通过转筒或沿切向方向进油产生。

上述两类结构的高压脉冲电场破乳器中，圆柱结构的高压脉冲电场破乳器由于加入了旋流的作用，破乳脱水效果较好，但由于其以圆柱内轴和外壁作为电极，一旦发生电极绝缘材料腐蚀、脱落等问题，修复及更换难度较大。相对来说，模块化的方形结构高压脉冲电场破乳器的绝缘电极修复较为容易，只需将存在问题的基准电极板进行更换即可。

4 结论及展望

对于结构复杂、含水较高的W/O型乳化油，油液破乳的关键在于乳状液中液滴的聚结。高压脉冲电场破乳可以有效地增加液滴的振幅和碰撞机率，提高液滴聚结效率，同时，高压脉冲电场的瞬时作用性可减少或避免液滴能量积累造成的电分散现象，相较传统的直流电破乳和交流电破乳优势明显，是电破乳工艺发展的重要方向。近年来，大量学者针对高压脉冲电场破乳进行了研究，主要的研究集中在电场强度、电场频率和占空比等单因素条件对高压脉冲电场破乳的影响方面，关于各电场参数之间的耦合作用对高压脉冲电场破乳影响的研究较少。同时，目前的研究大都基于静态间歇式实验设备为主，缺乏关于连续动态实验方面的研究，且对于高压脉冲电场破乳技术工业化应用方面的研发较为不足。

针对上述情况，基于连续动态实验装置，研究电场强度、电场频率、占空比等电场参数的耦合作用对高压脉冲电场破乳的影响，是高压脉冲电场破乳技术研究发展的重要方向。另外，加强高压脉冲电场破乳器结构、电极材料及形式等方面的研究，尤其是绝缘电极的腐蚀、脱落及修复等方面，对于促进高压脉冲破乳技术的工业化应用有着重要的实际意义。