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烃类气体对泡沫液膜稳定性影响的微观机制

中国石油大学学报（自然科学版） 2023年第1期47卷 125-133页

作者：王志华朱超亮杨恒彭宝亮史博文东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室黑龙江大庆163318 海洋石油工程股份有限公司天津300461 中国石油大庆油田有限责任公司第六采油厂黑龙江大庆163114 中国石油勘探开发研究院北京100083

利用分子动力学方法构建气相层-表面活性剂/聚合物分子层-含无机盐离子的水相夹层模拟体系,微观揭示烃类气体类型对水基泡沫液膜排液特性与Ostwald熟化作用的影响机制。结果表明:相比于N2泡沫,烃类气体产生水基泡沫的液膜稳定性降低,且... 详细信息

利用分子动力学方法构建气相层-表面活性剂/聚合物分子层-含无机盐离子的水相夹层模拟体系,微观揭示烃类气体类型对水基泡沫液膜排液特性与Ostwald熟化作用的影响机制。结果表明:相比于N2泡沫,烃类气体产生水基泡沫的液膜稳定性降低,且随着碳数增加,表面张力逐渐增大,界面形成能绝对值逐渐减小,泡沫液膜排液能力增强,第一水化层内水分子扩散系数从CH4水基泡沫体系的1.73×10^(-5)cm^(2)/s增大到C3H8水基泡沫体系的2.40×10^(-5)cm^(2)/s,相应界面水层厚度、水化层内水分子配位数则分别从10.93A和2.11减小到7.72A和1.96;由气体分子界面聚集引起的Ostwald熟化作用是影响泡沫液膜稳定性的关键;同时对于碳数高的烃类气体分子,更易渗透其所形成的泡沫液膜而诱发泡沫衰变与破裂,反映出表面活性剂分子的界面吸附构型直接影响着Ostwald熟化作用。

关键词：液膜排液熟化作用分子扩散水基泡沫分子动力学

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人工地震波强化泡沫稳定性微观动力学模型

石油勘探与开发 2021年第1期48卷 185-192页

作者：刘静夏军勇刘玺吴飞鹏蒲春生中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油大学(华东)非常规油气开发教育部重点实验室山东青岛266580 大庆油田采油工程研究院黑龙江大庆163453 陕西延长油田股份有限公司志丹采油厂陕西延安717500

针对低频人工地震波对泡沫稳定性的协同强化效应,基于垂直液膜排液模型和波动理论,建立了低频人工地震波激励下泡沫稳定性微观动力学模型;采用高阶偏微分方程组无因次变换、隐式和显式差分方法对该模型进行复合求解并验证了模型的可靠性... 详细信息

针对低频人工地震波对泡沫稳定性的协同强化效应,基于垂直液膜排液模型和波动理论,建立了低频人工地震波激励下泡沫稳定性微观动力学模型;采用高阶偏微分方程组无因次变换、隐式和显式差分方法对该模型进行复合求解并验证了模型的可靠性,对低频人工地震波作用下的泡沫液膜厚度、表面活性剂浓度分布及排液速度等进行了定量化分析。研究表明,低频振动可降低排液后期泡沫液膜中表面活性剂浓度最大值与最小值之差,强化Marangoni效应的作用效果,提高了泡沫液膜的稳定性。当振动频率接近泡沫液膜固有频率时振动效果最佳,最佳振动频率约为50 Hz。振动加速度越大,泡沫液膜中表面活性剂浓度的恢复速度越快,Marangoni效应延缓泡沫液膜排液的能力越强,稳泡性能越好,但振动加速度并非越大越好,最佳振动加速度约为0.5倍重力加速度。合理的振动参数会大幅提高Marangoni效应的作用效果,表面活性剂初始浓度越小,振动提高Marangoni效应效果越好。

关键词：人工地震波泡沫稳定性液膜排液波动理论动力学模型振动参数

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颗粒气泡黏附科学——微纳尺度下颗粒气泡黏附试验研究进展

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煤炭学报 2019年第6期44卷 1857-1866页

作者：邢耀文桂夏辉韩海生孙伟曹亦俊刘炯天中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心江苏徐州221116 中南大学资源加工与生物工程学院湖南长沙410083 郑州大学河南资源与材料产业河南省协同创新中心河南郑州450000

自20世纪30年代始,微纳尺度下的颗粒气泡黏附就引起了学者的广泛关注并逐渐涌现出一系列试验技术探索颗粒气泡黏附机理。在宏观尺度下颗粒气泡黏附研究进展的基础上,系统的对微纳尺度下颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学试验技... 详细信息

自20世纪30年代始,微纳尺度下的颗粒气泡黏附就引起了学者的广泛关注并逐渐涌现出一系列试验技术探索颗粒气泡黏附机理。在宏观尺度下颗粒气泡黏附研究进展的基础上,系统的对微纳尺度下颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学试验技术研究进展进行综述。技术总体上可以分为两类:力测量法及排液法。排液法是通过光学显微干涉技术直接获得气液界面变形及排液动力学数据,通过耦合扩展DLVO理论及排液方程求解作用力信息,如单气泡撞板显微干涉技术、薄膜压力平衡技术及表面力分析仪等。力测量法则主要是借助胶体探针原子力显微镜(AFM)测试颗粒气泡间表面力及流体阻力,通过流体力学排液模型模拟液膜薄化破裂动力学行为。排液法和力测量法均发现疏水力是颗粒气泡间液膜快速薄化并破裂的根本原因,其中排液法所获得的疏水力倾向于一种长程作用力,而力测量法得到的疏水力为短程作用力,造成这种差异的原因仍不明确。随着AFM-反射干涉对比显微镜联用、变形体系力分析仪和薄液膜力分析仪等技术的问世,作用力和液膜排液的同步测试已经成为一种技术趋势,充分助力了浮选颗粒气泡黏附基础研究。基于现有研究进展应进一步开展颗粒气泡间疏水力的系统研究,通过借助不同检测技术的优势互补及分子动力学模拟等手段,有望从根本上阐明这一科学问题。

关键词：颗粒-气泡作用力液膜排液显微干涉 AFM

超细石英粉对煤颗粒浮选行为的影响及机理研究

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中国矿业大学学报 2019年第5期48卷 1020-1028页

作者：李懿江夏文成牛晨凯谢广元彭耀丽中国矿业大学化工学院江苏徐州221116

以疏水低灰煤粒为研究对象,采用Zeta电位、表面张力、表观黏度、泡沫层性质测定和浮选实验等探究不同含量超细石英粉对煤颗粒浮选的影响及其机理.结果表明:石英粉与煤粒之间的相互作用力以斥力为主;随着石英粉的增加,石英粉悬浮液的表... 详细信息

以疏水低灰煤粒为研究对象,采用Zeta电位、表面张力、表观黏度、泡沫层性质测定和浮选实验等探究不同含量超细石英粉对煤颗粒浮选的影响及其机理.结果表明:石英粉与煤粒之间的相互作用力以斥力为主;随着石英粉的增加,石英粉悬浮液的表面张力先降低后升高,泡沫层最大高度和半衰期先升高后降低,悬浮液的表观黏度逐渐增加,煤粒-气泡间液膜的计算排液速率急剧下降.其中m石英粉∶m煤粒为5%时,出现最小表面张力和最大泡沫层高度/半衰期.浮选精煤产率随着石英粉的增加,先略有增加,而后逐渐降低,精煤产率在m石英粉∶m煤粒为5%时最高.煤颗粒浮选行为与表面张力、表观黏度、泡沫层性质、液膜排液速率等存在显著的相关性.

关键词：煤泥浮选表面张力表观黏度液膜排液

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油中水滴静电聚并微观机理研究

应用基础与工程科学学报 2011年第6期19卷 877-885页

作者：张黎明张凯 Majtaba.Gadiri Ali Hassanpour 陈小飞中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266555 I School of Process Environmental and Materials EngineeringUniversity of Leeds 长庆油田采气一厂陕西靖边718500

利用电场对多相体系进行分离处理广泛应用于石油化工等行业,电场力作用下液滴间的相互运动聚并是聚结的基础和前提条件.本文从液滴间静电力学模型出发,通过动态微观实验对液滴的聚并过程进行了完整的记录和分析,确定不同实验条件下液滴... 详细信息

利用电场对多相体系进行分离处理广泛应用于石油化工等行业,电场力作用下液滴间的相互运动聚并是聚结的基础和前提条件.本文从液滴间静电力学模型出发,通过动态微观实验对液滴的聚并过程进行了完整的记录和分析,确定不同实验条件下液滴的聚并方式和角度,以及液滴从静止状态到发生相对运动时的临界条件.结果发现当两等大液滴间距与液滴半径之比大于1时,液滴间中心连线与电场力夹角θ125.3°,两液滴间作用力表现为吸引力,当液滴间距较小时,能产生聚结的最大倾角增大为81.3°.液滴间相对距离增大时,移动临界电场强度迅速升高,较大液滴发生相对移动所需的场强低于小颗粒液滴.实验结果验证了相关理论,进一步完善了静电聚结机理.

关键词：静电聚结偶级感应液膜排液临界场强相对距离

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三元复合驱采出液分散相油滴聚并机理研究

三元复合驱采出液分散相油滴聚并机理研究

作者：徐彬天津大学

学位级别：硕士

三元(碱、表面活性剂、聚合物)复合驱油技术发展迅速,并取得了良好的现场试验效果。但三元复合驱采出液含水量较高,乳化严重,油滴表面由于吸附溶液中的阴离子表面活性剂而带电,使油滴间斥力增加,难以聚并。分离难度比水驱和聚合物驱采... 详细信息

三元(碱、表面活性剂、聚合物)复合驱油技术发展迅速,并取得了良好的现场试验效果。但三元复合驱采出液含水量较高,乳化严重,油滴表面由于吸附溶液中的阴离子表面活性剂而带电,使油滴间斥力增加,难以聚并。分离难度比水驱和聚合物驱采出液的分离难度明显提高,油水乳状液中油滴的聚并对油水分离效率有很大影响,因此很有必要对油滴聚并的机理进行研究。本文建立了描述两油滴间所夹液膜排液过程的理论模型,首次将油滴间双电层斥力因素引入模型,系统考察了各影响因素对油滴聚并过程的影响,得到以下主要结论:双电层斥力对油滴聚并起到阻碍作用,双电层斥力越大,液膜排液速度越慢,液膜内压力越小,油水界面表面活性剂分布越均匀。范德华引力的作用效果与双电层斥力相反,它是推动液膜破裂的主要因素之一。油滴靠近速度对液滴聚并也有影响,油滴低速靠近有利于液膜排液,高速靠近时阻碍液膜排液。液膜破裂主要有三种方式:中心破裂、液膜保持稳定和边缘破裂。低靠近速度、弱双电层斥力和强范德华引力容易导致中心破裂;高靠近速度、强双电层斥力和弱范德华引力容易导致液膜不破裂;当靠近速度、双电层斥力和范德华引力处于中间状态时,液膜会排液变形,产生边缘破裂。Peclet数与分散相和连续相粘度比都是通过改变油水界面的界面速度来影响排液。Peclet数越大,Marangoni效应越显著,排液越慢。粘度比越大,界面速度越小,排液越慢。油水界面表面活性剂初始浓度也会延缓液滴聚并。初始浓度越高,液膜破裂所需时间就越长。用本文模型计算油滴在平行油膜上的聚并时间,结果比描述纯净系统的模型能更好地与试验值吻合。

关键词：油滴聚并双电层斥力液膜排液 Marangoni效应

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气泡聚并机理的实验及模型研究

气泡聚并机理的实验及模型研究

作者：闻昭权湘潭大学

学位级别：硕士

气-液两相流广泛存在于石油化工、食品加工、节能环保、生物制药等领域,气泡的聚并和破裂行为通常决定了分散相在流场内的尺寸分布和分散状况,因而对整个体系的传热、传质及反应性能有着重要影响。由于聚并过程通常具有强随机性、多尺... 详细信息

气-液两相流广泛存在于石油化工、食品加工、节能环保、生物制药等领域,气泡的聚并和破裂行为通常决定了分散相在流场内的尺寸分布和分散状况,因而对整个体系的传热、传质及反应性能有着重要影响。由于聚并过程通常具有强随机性、多尺度和非线性特征,因而非常复杂,如何深入研究气泡的聚并机理并建立合理的理论模型一直是国际多相流领域中的重点和难点问题。本文通过分析前人工作,认为聚并实验数据(聚并效率、聚并发生的临界碰撞速度等)的缺乏使得已有的聚并模型不能得到有效验证,是限制模型实际应用和造成聚并机理研究相对滞缓的主要原因之一。为此,本文设计了一套可用于测量两气泡的相对碰撞速度和聚并效率的实验装置。通过记录自由上升气泡与静止气泡的碰撞过程,重点研究了相对碰撞速度对碰撞结局(反弹或聚并)的影响,并统计得到了纯水体系中多种尺寸气泡的聚并效率实验数据。模型研究方面,本文认为气泡间的靠近接触过程和液膜排液减薄过程是不可分割的整体,在这个过程中,气泡的相对靠近速度、液膜厚度和相间作用力等均随时间发生改变。因此,本文基于平面膜假设构建了一个新的聚并效率模型。该模型由于是将两气泡的靠近接触、液膜排液减薄耦合为一个整体过程,因而不再需要像前人模型那样采用分解综合的方法(前人模型通常将聚并过程分解为两个互不干扰的排液减薄过程和靠近过程分别进行研究,得到不依赖于彼此的排液时间和接触时间)。此外,本文模型也不需要假定接触时间和排液时间之比服从指数分布(该假定虽已得到众多学者的采用,但实际上缺乏足够理论依据)。本文建立的聚并效率模型预测出了与实验数据相一致的演变趋势,但由于采用了平面膜假设,导致模型预测值与实验数据存在一定偏差。基于实验观察,本文进一步分析认为两气泡在靠近过程中所形成的液膜形状更接近于曲面,因此有必要考虑曲面膜的排液减薄过程。本文基于液膜内流体质量和动量守恒原理,建立了轴对称曲面膜模型并对其稳定性求解方法进行了探索。本文使用直线法求解模型中的偏微分方程组,并且利用多重网格算法解决数值振荡的问题。曲面膜模型预测的聚并时间与实验测量值较为接近,且模型所预测的聚并效率与实验数据的吻合性要好于平面膜模型。这些研究对未来构建更加完善合理的聚并机理模型具有指导意义。

关键词：气泡聚并实验液膜排液聚并机理聚并效率多重网格

混合表面活性剂强化低阶煤浮选泡沫稳定性机理研究

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混合表面活性剂强化低阶煤浮选泡沫稳定性机理研究

作者：郭芳余中国矿业大学

学位级别：硕士

浮选是利用颗粒表面疏水性差异实现煤与矸石的选择性分离,是细粒煤炭资源提质利用的重要途径,其中泡沫的形成与稳定是影响煤泥浮选回收率和选择性的重要因素。目前煤泥浮选主要采用杂醇类表面活性剂提高泡沫稳定性,研究表明短链与长链... 详细信息

浮选是利用颗粒表面疏水性差异实现煤与矸石的选择性分离,是细粒煤炭资源提质利用的重要途径,其中泡沫的形成与稳定是影响煤泥浮选回收率和选择性的重要因素。目前煤泥浮选主要采用杂醇类表面活性剂提高泡沫稳定性,研究表明短链与长链混合表面活性剂稳泡能力强,可获得更高的浮选回收率和选择性,但其内在泡沫稳定性机理仍未明晰。鉴于此,论文选取三种碳链长度不同的醇类表面活性剂(正戊醇;甲基异丁基甲醇,MIBC;仲辛醇)与长链聚乙二醇(PEG)按不同质量比进行混合,探索混合表面活性剂对煤泥浮选效果及三相泡沫稳定性的影响,通过研究混合溶液的宏观泡沫稳定性和微观尺度下气泡间液膜排液动力学,揭示混合表面活性剂强化低阶煤浮选泡沫稳定性机理,为煤泥浮选泡沫稳定性调控提供技术支持。研究了单一和混合表面活性剂对煤泥浮选效果的影响。当表面活性剂用量小于500 g/t时,三种短链醇的精煤产率和浮选速率高于PEG;随着药剂用量增加至1000 g/t,PEG浮选精煤产率和速率显著高于短链醇。造成该现象的原因可能是由于PEG非极性基碳链长,在药剂用量较低时,大量PEG分子吸附在煤表面,使得气泡表面的PEG分子数减少,导致对泡沫稳定性调节能力弱,因此浮选产率较低。混合表面活性剂浮选精煤产率明显高于短链醇低于PEG,其中正戊醇和PEG混合效果优于MIBC、仲辛醇,归因于正戊醇和PEG混合溶液三相泡沫稳定性最强。单一及混合表面活性剂条件下精煤灰分基本不变,浮选选择性相同。借助表面张力仪测试了单一和混合表面活性剂溶液的表面张力。溶液表面张力随表面活性剂浓度的增加而下降,表面活性从大到小依次为PEG>仲辛醇>MIBC>正戊醇。混合表面活性剂体系中,溶液表面张力随着PEG组分的增加而降低,表面张力值显著低于短链醇略大于PEG,正戊醇和PEG混合溶液降低溶液表面张力的能力最强。利用气泡形态观测系统进行气泡尺寸分布研究,发现去离子水中大气泡含量较多,表面活性剂的加入使得气泡尺寸减小。抑制气泡兼并是气泡尺寸减小的主要原因,抑制气泡兼并的能力与表面张力变化规律一致。混合表面活性剂溶液中气泡尺寸显著小于单一溶液,其中正戊醇和PEG混合溶液抑制气泡兼并的能力最强,因此泡沫稳定性最强,对低阶难浮煤浮选促进效果最好。通过泡沫稳定性试验装置研究了宏观泡沫稳定性。四种表面活性剂的起泡能力和稳泡能力按照PEG、仲辛醇、MIBC、正戊醇顺序递减。三种短链醇和PEG混合体系的泡沫稳定性显著强于短链醇弱于PEG,表明表面活性剂的混合具有一定的协同效应,且PEG性能占主导,其中正戊醇和PEG混合溶液泡沫稳定性最强,MIBC和PEG次之,仲辛醇和PEG混合溶液较差,这是导致混合表面活性剂下浮选回收率差异的主要原因。采用浮选液膜分析仪研究了单一和混合表面活性剂体系气泡间液膜排液动力学。去离子水中气泡间液膜薄化后在中心点处发生破裂,破裂时间为0.69 s,临界破裂厚度为18.65 nm。表面活性剂加入后可以显著减缓液膜薄化速率,增加液膜寿命,提高液膜稳定性,均是通过减小体系疏水力来实现。四种表面活性剂的稳泡能力依次为:PEG>仲辛醇>MIBC>正戊醇。混合表面活性剂溶液中液膜排液速率显著低于短链醇,与PEG接近,分析认为主要与混合表面活性剂抑制疏水引力的能力较强有关。其中正戊醇和PEG混合溶液泡沫稳定性最强,这是由于正戊醇和PEG表面活性差最大进而形成的表面张力梯度最大,表面活性剂分子回流作用强,因此提高了气液界面Gibbs-Marangoni效应使得泡沫稳定性增加。该论文有图73幅,表10个,参考文献96篇。

关键词：浮选混合表面活性剂泡沫稳定性协同效应液膜排液