3乳狀液油水分層預測模型

在高含水率下,乳狀液油水分層過程受多個因素的影響,包括液滴聚并、界面不穩定性、黏度變化等。傳統Stokes定律主要適用于低含水率乳狀液,但在高含水率下,液滴運動行為復雜,需對Stokes模型和經驗模型進行修正。

高含水率下乳狀液油水分層的影響機制:當含水率高時,水滴間的相互作用強,導致小粒徑液滴容易發生聚并,形成較大粒徑液滴,沉降速率與粒徑的二次方成正比(Stokes沉降理論),因此會加速油水分層;當含水率增加時,油水兩相界面張力下降,導致破乳劑的破乳效果減弱,相界面趨于不穩定,界面不穩定性的加劇促使水滴更快聚并,進而加快沉降速率;當含水率增加時,乳狀液從W/O型乳狀液向O/W型乳狀液轉變,該轉變直接影響液滴的沉降行為;油相黏度隨含水率的增加呈非線性變化,且高含水率下分層過程的流動形態可能從Stokes層流轉變為湍流，因此需對流動阻力系數進行修正以適應不同流動狀態。

基于上述高含水率對乳狀液油水分層的影響,引入液滴聚并效應修正項fc、界面不穩定修正項fi、含水率W、經驗常數k4、比例系數A,對Stokes模型和經驗模型進行修正,模型中界面與含水率修正項的設置與已有穩定性表征方法的結論相符。

1)液滴聚并效應修正。聚并效應導致有效液滴粒徑增加,可引入修正因子de,其表達式為:

de=d0(1+k1W)

式中:d0為初始液滴粒徑,由實驗測定,μm;W取值為0~60%;k1為經驗常數,通過實驗數據擬合得到。

2)針對高含水率下界面不穩定性對沉降速率的強化作用,引入界面不穩定修正項fi,其表達式為:

fi=1+k2W

式中:k2為經驗常數,通過實驗數據擬合得到。

3)高含水率下乳狀液黏度呈非線性變化,引入有效黏度ηeff,其表達式為:

ηeff=η0(1+k3W)

式中:η0為初始黏度,mPa·s;k3為經驗常數,通過實驗數據擬合得到,用于表征含水率對乳狀液黏度的影響。

綜合上述修正項,最終建立高含水率下的析水速率修正模型:

v=A·{[g(ρd-ρc)d02(1+k1W)2(1+k2W)]/[18η0(1+k3W)]·(1-e^(-k4W))}

式中:v為油水分層速率,m/s;ρd為水相密度,kg/m3;ρc為油相密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2。

采用非線性最小二乘法對40組實驗數據進行擬合,得到最優參數:A=0.92,k1=0.15,k2=0.08,k3=0.12,模型的擬合決定系數R2=0.956>0.900,表明修正模型的預測值與實驗數據吻合良好。為進一步驗證模型的有效性,選取乳狀液含水率為40%~60%的10組獨立實驗數據進行了驗證,結果如圖8所示。由圖8可知,預測值與實測值的平均相對誤差為8.7%,最大誤差不超過12.3%,總體預測誤差可控制在10.0%以內,表明該修正模型可用于高含水率下的油水分層速率計算。

目前所建模型是假設乳狀液粒徑已知,且是基于靜態條件下的實驗數據建立的。然而,在實際生產過程中乳狀液的粒徑分布可能受溫度、壓力、CO2飽和濃度等因素的影響發生變化。此外,本模型未考慮流動條件下的影響因素。為了使模型更廣泛適用于動態流動條件,后續研究將進一步考慮流動阻力系數的修正和粒徑變化對模型預測結果的影響。

4結論

1)在低攪拌轉速(400~500r/min)下，剪切力較弱，液滴破碎受限，液滴粒徑較大，易發生聚并和沉降，乳狀液穩定性較差;在中等攪拌轉速(600~700r/min)下，剪切力可滿足液滴均勻分散需求，不僅可有效降低液滴粒徑，還可增強界面膜穩定性，乳化效果最佳;在高攪拌轉速(800r/min)下,剪切力雖可進一步降低液滴粒徑，但過高的剪切力會破壞液滴界面，誘發液滴聚并，導致乳狀液穩定性下降。經綜合分析,600~700r/min的攪拌轉速為優化攪拌轉速區間，在此區間可形成粒徑較小且穩定性優良的乳狀液。

2)當含水率升高至40%~50%時，液滴間相互作用顯著增強，導致液滴沉降行為偏離傳統Stokes定律，需采用修正的經驗模型對其沉降行為進行描述。模型預測結果表明，高含水率下析水速率整體較低，但液滴聚并和界面不穩定性等因素會導致乳狀液局部析水現象趨緩，有利于維持短期內的油水分層穩定性。

3)CO2過飽和處理可顯著降低油水界面張力，優化乳化劑在界面的吸附，從而使液滴形態趨于規則、粒徑減小，提升乳狀液的穩定性，但過高的CO2濃度可能誘發界面失穩，加劇液滴聚并。

4)通過對低含水率的Stokes方程和高含水率的經驗模型進行修正，拓展了模型的含水率適用范圍，使其可對低、中、高含水率乳狀液的析水速率進行預測。驗證結果表明，該模型的總體預測誤差可控制在10%以內，能夠有效表征乳狀液在靜態條件下的穩定性。

5)當前模型存在兩項假設:一是乳狀液液滴的粒徑已知，二是模型建立基于靜態實驗數據。在實際應用中，隨流動條件與溫度的變化，模型需進一步修正流動阻力系數以匹配實際流態，并考慮粒徑的動態變化。后續研究將圍繞流動條件下的模型適用性、流動阻力系數的修正、粒徑變化的影響，對模型進行進一步的優化和驗證。