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油水分离是原油生产中一个非常基本而又重要的环节.油井产出液在输送管道和分离设备中因剪切作用使分散相液滴破碎成更小液滴,甚至发生乳化现象,严重影响了油水分离设备的效率.本文开展乳状液分散相液滴的力学行为和特征研究,分析剪切破乳规律,为油水分离设备的剪切力场的合理分布提供理论依据和指导作用.
针对油包水型乳状液在Couette双圆筒装置中的剪切流动实验,运用统计分析和微观图像的形态学方法研究了剪切规律及其影响因素.实验发现,剪切流动有利于液滴聚合破乳,但必须控制在有效剪切范围内;液滴粒径基本服从高斯分布;不同油水比的乳状液都存在一个有效剪切范围和最佳内筒转速;加入乳化剂仅使液滴初始粒径减小,不影响有效剪切范围;不同实验介质在剪切流场中的变形和破裂模式不同;液滴变形大小随剪切率和初始粒径的增大而增大;经肉眼观察,变形液滴不断发生碰撞,随后瞬间聚合形成较大液滴,直至沉降分离.
分析球形液滴在粘性剪切流场中的受力和动力学特征,建立仿射形变、剪切形变和三维形变三种液滴变形模型,并以仿射形变为基础,分析由液滴变形引发的惯性力和变形阻力.基于剪切流场的群体平衡方程研究多液滴体系形态变化的动力学问题,探讨湍流场和剪切流场中液滴破裂频率模型、液滴平均破裂时间和最大子液滴数模型.通过分析气固两相流的颗粒碰撞和湍流场的液滴碰撞,运用类比方法建立了剪切流场中的球形液滴和仿射形变液滴的碰撞频率模型.
研究分散相液滴的稳定性,总结湍流场和剪切流场中液滴破碎和聚合的机理.确定剪切流场中液滴破裂或聚合的临界粒径,由此将液滴可能存在的状态划分成四个区域,提出了根据给定乳状液粒径在这四个区域上的分布情况来描述乳状液稳定性的全新方法,并经实验验证了该方法的有效性和合理性.
探讨旋流器中液滴破碎机理,分析入口流量和分流比对液滴粒径变化的影响规律,根据旋流器内流场中典型截面的速度和压力的数值模拟结果,运用剪切流场中液滴临界破裂粒径公式预测旋流器中分散相液滴的临界破裂粒径,与临界We理论的预测结果符合较好,可用于预测旋流器中液滴的破裂状态.