以Dean二次流为基准的螺旋微通道破乳控制方法

摘要

本发明公开的是液‑液两相分离技术领域的一种以Dean二次流为基准的螺旋微通道破乳控制方法，其关键点在于调整注射泵或柱塞泵的流量时，以使螺旋微通道中形成最佳的Dean二次流为基准进行控制，当De数控制在6.5～8时，根据所采用的螺旋微通道的尺寸来控制流体流速，可使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流。本发明的有益效果是：以所采用的螺旋微通道的尺寸为基准来控制流体流经的速度，使螺旋微通道中Dean二次流的De数控制在6.5～8时，可使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流，从而避免了反复调节液体流速的操作，可直接确定出达到最佳破乳效果的液体流速，进一步提高了破乳效率和破乳质量。

说明书

技术领域

本发明涉及液-液两相分离技术领域，尤其涉及一种以Dean二次流为基准的螺旋微通道破乳控制方法。

背景技术

液-液两相分离是化工过程的重要操作单元，相应的高效分离设备是许多重要工艺必不可少的组成部分。液-液两相分离被广泛应用于原油采集、石油运输、反应分离、萃取、污水处理等多种重要的工艺过程。随着国家环保理念的提出以及现代工业的发展，具有适用范围广、环境友好、分离效率高、能耗低的新型破乳技术有了更高的需求。

目前比较先进的分离技术包括旋流分离、电破乳、斜板沉降、膜法、生物法等，其中比较具有代表性的是微通道破乳方法，如CN104001349A，该微通道破乳分离器采用了三维螺旋状的微通道、亲水通道板和疏水通道板，液液两相混合液沿着微通道盘旋前进，不断的经过亲水通道板和疏水通道板，促使分散相液滴的碰撞聚并，使得两相混合液最终分离。文中只提到了在螺旋状通道中具有Dean二次流耦合的液滴惯性迁移机理，但是并不清楚该机理对破乳的影响，不能完全发挥出三维螺旋微通道的破乳效果，因此有必要对此做进一步研究。

发明内容

为克服现有螺旋微通道没有考虑Dean二次流对破乳的影响，导致破乳效果不佳等不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种以Dean二次流为基准的螺旋微通道破乳控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

以Dean二次流为基准的螺旋微通道破乳控制方法，包括以下步骤：

a、组装三维螺旋微通道破乳装置，利用注射泵或柱塞泵将待处理液与破乳装置的进液孔连接，破乳装置的出液孔通过管道与储液容器连接；

b、启动注射泵或柱塞泵，使液体流经螺旋微通道，乳状液中的分散相液滴受到微通道的剪切力作用、螺旋微通道的涡流定向迁移作用以及亲水疏水面的界面作用，促进相邻液滴发生碰撞聚合形成大液滴，并从乳状液中沉降分离开来，实现破乳；

c、调整注射泵或柱塞泵的流量，以达到最佳的破乳效果，其中注射泵或柱塞泵的流量以使螺旋微通道中形成最佳的Dean二次流为基准进行控制，在螺旋微通道中Dean二次流的De数为：其中雷洛数Re为：

式中d_i为螺旋直径，d_c为管道当量直径，Re为雷诺数，ρ为乳状液密度，v为流体流速，μ为黏度系数，

当De数控制在6.5～8时，根据所采用的螺旋微通道的尺寸来控制流体流速，可使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流。

进一步的是，在进行破乳之前也可以流体流速作为定量，而通过选择适当尺寸的螺旋微通道来满足De数，从而使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流。

进一步的是，步骤c中的De数为7.2。

本发明的有益效果是：以所采用的螺旋微通道的尺寸为基础来控制流体流经的速度，使螺旋微通道中Dean二次流的De数控制在6.5～8时，可使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流，从而避免了反复调节液体流速的操作，可直接确定出达到最佳破乳效果的液体流速，进一步提高了破乳效率和质量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

以Dean二次流为基准的螺旋微通道破乳控制方法，包括以下步骤：

a、组装三维螺旋微通道破乳装置，利用注射泵或柱塞泵将待处理液与破乳装置的进液孔连接，破乳装置的出液孔通过管道与储液容器连接；

b、启动注射泵或柱塞泵，使液体流经螺旋微通道，水滴受到微通道的剪切力作用、螺旋微通道的涡流定向迁移作用以及亲水疏水面的界面作用，促进相邻水滴发生碰撞聚合形成大水滴，并从乳状液中沉降分离开来，实现破乳；

c、调整注射泵的流量，以达到最佳的破乳效果，其中注射泵的流量以使螺旋微通道中形成最佳的Dean二次流为目的进行控制，在螺旋微通道中Dean二次流的De数为：其中雷洛数Re为：

式中d_i为螺旋直径，d_c为管道当量直径，Re为雷诺数，ρ为乳状液密度，v为流体流速，μ为黏度系数，

当De数控制在6.5～8时，根据所采用的螺旋微通道的尺寸来控制流体流速，可使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流。

文中所述的三维螺旋微通道与公开号为CN104001349A的微通道结构大致相同，基本使用方法类似，但在通入处理液时，现有方法是通过观察储液容器中的分离情况来不断调整液体流速，直到分离情况稳定；而本申请中的液体流速，是以使三维螺旋微通道中出现De数在6.5～8的Dean二次流为基准。经过理论分析和大量对比试验得出，当De数在6.5～8的Dean二次流能够使破乳效果达到最佳。因此，在进行破乳操作时可以通过该De数和所采用的三维螺旋微通道的尺寸直接计算出液体的流速，不必再反复调整，可以大大提高破乳效率和破乳质量。

其中De数的峰值为7.2，即当De数小于7.2时随着De数的增加，可以促进液滴之间的聚并，破乳效率增加；当De数大于7.2时随着De数的增加，不利于液滴之间的聚并，破乳效率减小，在De等于7.2时破乳效率达到最高。

在进行破乳之前也可以流体流速作为定量，而通过选择适当尺寸的螺旋微通道来满足De数在6.5～8之间，从而同样使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流。

实施例：

螺旋状微通道采用：通道宽度5mm、通道高度200μm、螺旋直径为5mm的一种扁平的螺旋状微通道。按照上述公式进行计算得到：

在进口的体积流速为8mL/min时，De数为7.2，此时单次通过通道的破乳效率可以达到25％；

进口体积流速是4mL/min时，De数为3.6，此时单次通过通道的破乳效率可以达到16％；

在进口的体积流速为12mL/min时，De数为10.8，此时单次通过通道的破乳效率可以达到14％。

由此可见，当De数为7.2时破乳效率最高，到达峰值。

本发明以所采用的螺旋微通道的尺寸为基础来控制流体流经的速度，使螺旋微通道中Dean二次流的De数控制在6.5～8时，可使螺旋微通道中出现对破乳具有最佳效果的Dean二次流，从而避免了反复调节液体流速的操作，可直接确定出达到最佳破乳效果的液体流速，进一步提高了破乳效率和质量，具有很好的实用性和应用前景，同时也填补了该领域的技术空白，为类似研究提供了理论依据。