混沌脉宽调制电场激励油中液滴振动动力学特性分析

常用的恒定脉冲电场进行破乳脱水处理过程中,由于乳化油中液滴粒径的动态变化导致了电场最佳破乳频率的不确定,使得电场破乳效果受到了影响,进而提出了运用混沌脉宽调制电场实现乳化油高效破乳处理。以油中单液滴为研究对象,建立了液滴混沌脉宽调制电场振动动力学模型,数值分析了液滴的振动特性。结果表明：电场频率对液滴振动产生了直接影响,当施加的电场频率等于或接近液滴共振频率时,液滴发生共振;当电场频率小于液滴共振频率一半时,液滴振动频率高于电场频率;反之,液滴振动频率与电场频率一致。此外,不同粒径的液滴在混沌脉宽调制电场中的振动响应均存在滞后现象,粒径越大,其响应滞后越明显,混沌振动程度也会随之降低。     

基于EHD理论的油包水液滴在脉冲电场作用下的振动变形研究

油包水液滴在高压脉冲电场作用下发生振动伸缩变形,对乳化油液的聚结破乳具有良好地促进作用。运用电流体动力学(EHD)理论,建立液滴在脉冲电场中的电介质物理学模型,得到液滴内外极化电场分布和极化电场力,完成了液滴内外速度场与流动应力分析。通过脉冲电场谐波分量作用下液滴伸缩变形稳态分量和振动分量的计算,得到了液滴载电场中振动伸缩变形表达式。结果表明,理论计算得到的液滴振动伸缩变形量与实验结果相近,证实了运用EHD理论预测脉冲电场作用下油中液滴的振动变形是合理可靠的,对丰富和完善电场破乳动力学机理研究具有一定意义。     

脉冲电场作用下界面张力对乳化油液滴变形振动的影响

乳化油中液滴在高压脉冲电场作用下发生变形振动,油-水界面张力为液滴振动提供了回复力,对液滴振动产生重要影响。通过建立液滴振动动力学模型,解得液滴振动振幅一次近似解,以分析界面张力对液滴变形振动的影响。由仿真计算结果发现,乳化油中液滴振动振幅峰值随油-水界面张力的减小而增大,在小界面张力区域内,液滴发生不稳定振动,但可通过增大电场频率来改善;液滴共振频率随着界面张力的增大而增大,因此较大界面张力的乳化油在高频电场中破乳效果较好。实验结果对高效破乳的脉冲电场选择具有指导意义。     

脉冲电场下液滴极化变形的数值模拟

为深入探究脉冲电场下的电脱水机制,基于COMSOL技术,采用电场和流场耦合的相场方法,建立了在脉冲电场下油包水乳状液液滴极化变形的二维模型,研究了液滴极化变形的影响规律。研究结果表明:随着电场强度的增加,液滴振荡变形的幅值增大,液滴变形度曲线上升沿的过冲现象逐渐减弱,下降沿的过冲现象逐渐增强;随着液滴界面张力的减小,液滴抵抗电场极化变形的能力大幅降低,其极化变形程度以及随脉冲电场的振荡幅度显著增大;随着电场频率增加,乳状液容性负载变化,液滴受到的偶极聚结力小幅增大,极化变形程度提高,液滴变形周期缩短;随着液滴粒径的增大,施加于液滴两端的电场力增大,液滴内外压差减小,液滴的变形度及振荡幅度增大。研究结果可为脉冲电场静电破乳机理的深入研究提供理论依据。     

高频脉冲电场作用下液滴行为特性研究

电化学破乳是一项重要的原油脱水技术。目前对高频脉冲电场作用下分散相液滴行为的了解十分有限。结合数字图像处理技术,通过试验研究高频脉冲电破乳机理。结果表明:在高频脉冲电场作用下,分散相液滴存在变形、破裂、碰撞、聚合、分离等行为,其表观特征与高压直流电场作用下液滴行为相似;电源脉冲频率及电场强度对液滴行为有着显著的影响;相对于高压直流电场,高频脉冲电场破乳技术具有显著优势。     

高频脉冲电场下乳状液中液滴运动行为研究

本文采用光学显微镜和CCD摄像机结合CG400 Performance Versionl．0采集卡，对在脉冲电场作用下用模拟油配置的W／O型中乳状液液滴的运动行为进行了观察研究。由实验结果可以看出：电压较小时，液滴的变形程度很小，电压越大，液滴的变形越大；脉冲电场有振动作用及剪切作用：液滴被电场偶极极化而沿电场强度的方向排列成链。     

高压交流电场中单液滴振荡特性实验

 以白油和水为实验介质,利用显微高速摄像系统结合图像处理技术对高压交流电场(AC)作用下水滴在油中的振荡特性进行了研究,考察了电场强度、频率、油品黏度、介电常数、油-水界面张力以及液滴直径对液滴伸缩变形幅度的影响。结果表明,交流电场作用下液滴变形度呈周期性变化,且变形度变化频率是电场变化频率的2倍;液滴变形度主要受电场强度、液滴直径、油-水界面张力等因素的影响,而液滴伸缩变形幅度受电场频率、油品黏度和油-水界面张力的影响明显;在50~300 Hz的交流电场中,电场频率越大、油品黏度越高、油-水界面张力越低,液滴的伸缩变形幅度越小;电场强度和直径对液滴伸缩变形幅度的影响不明显。     

新型原油脱水方法

1．高频脉冲电脱水法 高频脉冲电脱水法是基于常规电脱水的基础上发展起来的。其机理比较一致的看法是：由于连续相（油）和分散相（水）的电导率相差很大，液滴能被外电场极化，极化液滴通过碰撞在极短时间内完成聚结过程。直流脉冲电场如同交流电场有诱导偶极子，松弛过程作为乳状液破乳机理的一部分，其电场中不仅有液滴的极化，也有相互吸引、碰撞导致的聚结。由于脉冲电场的振动，分散相周围或内部的流体速率发生变化，界面张力诱导界面流动。分散相中两相的电导率、介电常数不连续，也导致界面电荷的累积，根据P．j．Bailes等人的观点，面电荷的累积有利于碰撞聚结。在电场中，特别是施加交流电、直流脉冲电的情况，增加了液滴接触、相遇的频率，液滴界面振动加剧，界面膜容易破裂，从而加速液滴间的相互聚结。     

电场破乳分散相液滴形变力学初探

从微观角度对电场中乳化液的极化液滴进行受力分析,并对其形变进行了深入的研究,给出了电场力与液滴大小、表面张力及变形形态之间的数学关系式,分析了影响液滴变形的各种因素,建立了相关数学模型,通过数值求解模拟液滴在拉伸电场作用下的变形形态,与实际液滴变形及现有的椭球形模型进行对比和相应的理论分析,较好地解释了液滴尖端变形现象。     

油液黏度对脉冲电场最佳破乳频率的影响

通过建立油中乳胶粒子在脉冲电场作用下的非线性振动动力学模型,研究了粒子非线性参激共振及其条件,得出脉冲电场最佳破乳频率关系式。结果表明,油中乳胶粒子最佳破乳频率及其共振振幅随油液黏度的增大而减小。利用模型得出的乳胶粒子振动幅频特性关系在理论上解释了油液黏度对最佳破乳频率产生的影响,以及最佳破乳频率偏离粒子振动固有频率的成因。     

电场作用下W/O乳化液中水颗粒的形变模拟研究与动力学分析

采用COMSOL Multipysics^TM软件,对W/O乳化液中分散相水颗粒在电场作用下的变形特性进行数值模拟,并结合已开展的室内实验,讨论电场强度(E)、电压波形、电场频率(f)、水颗粒半径(r)和连续相黏度(μ_c)对单个水颗粒变形的影响。结果表明:增加电场强度、增大水颗粒半径、降低连续相黏度会加剧水颗粒变形,电场强度存在上临界值;当电场频率较低时其值变化对水颗粒变形影响不明显,频率较高时则影响显著,但总体来看存在一个最优电场频率(2000 Hz);交流矩形波对水颗粒变形的影响强于交流锯齿波、直流脉冲波、交流三角波、交流正弦波等波形。当E为3~4 kV/cm、r为0.25~0.5 mm、使用交流矩形波时,水颗粒的拉伸发生增速变形,从而缩短水滴间的碰撞时间和W/O乳化液的电场破乳时间。     

An investigation into the deformation, movement and coalescence characteristics of water-in-oil droplets in an AC electric field

Drop-drop coalescence is important in electric dehydrators used for oil-water separation in the oil industry.The deformation degree,angle between the electric field and the center line of two drops,effects of intensities and frequencies of the electric field have been studied by analyzing droplet images.However,seldom have people investigated the movement and the relative velocity in the process of dropdrop coalescence.In this paper forces acting on a single droplet and horizontal water droplets in an AC electric field were analyzed,and experiments were carried out to investigate the deformation,movement and coalescence characteristics of droplets with white oil and water.With a micro high-speed camera system and image processing technology,the droplet images were collected and analyzed.The results indicate that the deformation is mainly affected by the electric field intensity,frequency,droplet diameter and the oil viscosity.High field strength and large diameter facilitate deformation of drops in the electric field.The effect of frequency and oil viscosity is not obvious.Higher frequency and higher oil viscosity will lead to smaller oscillation amplitude.The effect of electric field intensity and droplet diameter on oscillation amplitude is not obvious.When the center-to-center distance between droplets is large,the forces acting on droplets in the horizontal direction are mainly dipole-dipole attraction and drag forces.There is also the film-thinning force when droplets get closer.The forces are simplified and derived.Based on force analysis and Newton’s second law,the relative movement is analyzed in different parts,and the relationship of center-to-center distance and time is in accordance with an explinear function at different stages.According to experimental data,the movement of 145 μm double droplets before coalescence can be fitted well with an explinear function at two stages.In addition,the whole movement process is investigated and can be estimated with a fourth order polynomial curve,from which the relative velocity of droplet movement can also be obtained.With an increases in electric field intensity and droplet diameter and a decrease in oil viscosity,the relative velocity increases.Only when the oil-water interfacial tension is obviously high,can it influence the relative movement significantly.The coalescence is mainly dipole coalescence and chain coalescence under influence of the AC electric field.     

塔河油田酸化油高频脉冲电脱水实验研究及现场应用

针对塔河油田酸化油乳化程度高,常规方法无法实现深度脱水的问题,通过高频脉冲电脱水单因素实验,考察脱水电压、频率、脉宽比和温度4个因素对脱水性能的影响。实验结果表明,高频脉冲电脱水的最佳参数为电压1 300 V、频率16 kHz、脉宽比70%。现场试验表明,高频脉冲电脱水装置在设计处理量以内运行时,能有效地将酸化油、老化油含水率降低至1%以下,经济效益显著。     

海洋油田原油乳化液高频/高压交流电脱水实验

采用自行设计的矩形波高频/高压脉冲交流电源和静电聚结器,以取自海洋油田原油配制的含水率分别为5%和20%的2种W/O型原油乳化液为研究对象,对原油乳化液进行了高频/高压静态电脱水实验,与工频/高压交流电源的脱水效果作对比,并测量了乳化液在施加电场前后的电导率。结果表明,相比工频交流电场,高频/高压脉冲交流电场对原油乳化液具有更好的破乳脱水效果;W/O型原油乳化液最佳脱水频率范围在1400~1500 Hz;高频/高压脉冲电场对W/O型乳化液的电导率参比值有明显影响,乳化液在电场作用后的电导率明显高于施加电场前的电导率,同时电导率参比值随电场强度和频率的变化也会发生变化,因此也可以作为评价原油乳化液脱水效果的指标。     

电力振动器激振作用下的套管串振动特性

振动固井是一种能够明显提高固井界面胶结强度的新方法,但推广使用该方法则需要解决水泥浆候凝阶段如何使固井管柱产生井下径向振动的问题。为此,研制了电力振动器。该振动器由高温电机振动组件把电能转化为机械能,电机振动组件通过输出轴带动偏心块旋转形成激振源,对套管串底部产生一个沿轴向方向旋转的激振力;然后运用主坐标分析法,分析激振力在直井套管串产生的振动特性,得出电力振动器振动对套管串产生的动响应模型;最后以某井井身结构设计为依据,分析了不同套管串长度、不同激振力和不同振动频率对套管串最下端的振动幅值的影响。研究结果表明:(1)套管串长度与套管串最下端的振动幅值呈反比关系;(2)激振力与套管串最下端的振动幅值呈正比关系;(3)振动频率的平方与套管串最下端的振动幅值呈反比关系。该研究成果可为在不同井深和不同振幅需求的固井现场应用振动固井技术提供理论支撑。     

高频/高压脉冲交流电场破乳技术及其原油电脱盐应用研究

劣质原油的电脱盐预处理是当前炼油企业普遍面临的一个技术难题。通过系统介绍世界范围内原油乳化液电场破乳技术的发展历程,指出高频/高压脉冲交流电场应该引起国内业界的关注。实验室内可行性实验和工业侧线试验结果均表明,高频/高压脉冲方波交流电场的破乳效果优于常规工频/高压交流电场,获得最佳破乳效果的电场频率应该依据原油乳化液的具体理化特性(如水含量、乳化程度、破乳温度等)筛选确定,且一般在1 500 Hz以上。BIPTHFAC-Ⅲ型高频/高压脉冲方波交流电源的现场测试结果表明,在最佳电场频率区间内的电脱盐率均高于同期参照对象的平均电脱盐率,同时还能缩短水力停留时间以及节省加热成本。高频/高压脉冲交流电场破乳技术为炼油企业应对复杂劣质原油的脱盐难题提供了一条切实可行的解决方案,值得进一步开展工业应用研究。     

双场耦合破乳脱水装置中乳化油液滴聚结与破碎的数值分析

针对依靠单一的破乳方法或手段,难以对乳化油进行有效地脱水净化处理的问题,运用一种集成电场破乳和旋流离心脱水于一体的双场耦合破乳脱水装置,使油中液滴在电场中聚结增大,在旋流离心场的作用下快速实现油-水分离。由于乳化油中液滴在双场耦合装置中的动态聚结和破碎,对装置的油-水分离性能影响较大,且过程复杂,通过电聚结核函数和破碎核函数,建立群体平衡模型,模拟了双场耦合脱水装置中乳化液滴的聚结和破碎。计算结果表明：外加电压对液滴聚结产生重要影响,随着电压升高,液滴平均粒径和分离效率先增大,随后保持稳定;当U=11 kV时,相对于无电场条件,液滴平均粒径增大了60%,分离效率提高了27.5%;较低的入口流速虽对液滴聚结有利,但降低了油-水在装置中的分离效果,因此存在最佳入口流速。计算结果对装置参数设计与选择具有较好的指导意义。