油水界面检测

油水界面检测（共4篇）

油水界面检测 篇1

随着我国采油厂现代化管理水平的提高[1],传统的油罐原油计量检测方式不仅效率低、误差大、安全性低,而且人力浪费严重。因此,设计开发一种新型油水界面检测系统是急需解决的难题。此外,采油厂也需要一种投资少、安装方便、可靠性高,并且效率高、计量准确的原油储罐油水界面测量系统。

1 油水界面检测原理

在一定的空间内,介质的变化会引起电场和磁场物理量的变化,电场和磁场物理量的变化能够间接地反映并代表该介质的单位体积和介质特性的变化。原油和水的介电常数相差很大,常温下水的相对介电常数约为80,而纯净原油的约为2.3。电磁波吸收型液位计就是运用不同介质对电磁波的吸收程度不同的原理进行检测的,它由变送器和测量杆两部分组成,电磁波经测量杆向外辐射,不同介质吸收电磁波的能力不同。当介质确定后,电磁波能量的消耗就可以反映液位的深度。因此,电磁波吸收型液位计既可以检测油中的含水量,也可用于液位的检测[2]。

运用这一原理,设计矩阵式分布的电磁探极检测系统(图1),它由多段微波发射串接各自的发射电极,并与罐壁之间构成n个层面检测横断面,每个横断面中的微波传输衰减强度都和介质的性质有关,水中最大、混合层次之、纯油层再减小、空气中最小。在CPU的控制下,油水界面测量仪工作时通过矩阵式探极结构,自上而下地发出带有防错识别码的横向恒定扫描微波信号。与此同时,接收端开始接收经过被测介质衰减后的回波信号。测量仪把接收到的微弱回波信号转化为电流脉冲信号,经过特殊的抗干扰电路过滤掉环境本身叠加的无效电场的电流信号,将纯净有效的测量信号经过解调器还原为与发射时波形相同但幅度不同的防错识别码脉冲电压信号,最后经过高精度的调整,模数转换电路转换为数字信号并加以存储。接着,界面仪进行下一个矩阵点数据的收集,直至完毕。对所有的数据信息进行分析和计算,按一定的规律进行量化处理、转化和归一化处置,即可得到液位和油水界面位置的信息。

根据上述测量原理和测量数据的处理方法,使用矩阵式分布的电磁探极结构,由多段微波电磁串接各自的检测电极,与罐壁之间构成n个层面的检测电磁量,单片机逐段扫描检测各段电磁量,将检测结果以标准485信号输出,构成原油储罐油水界面测量仪,实现对油、水和油水混合物的检测。

2 系统总体方案

新型油水界面检测系统的设计主要包括系统构成、连接系统硬件的各个单元、构建现场测控装置和主控计算机的RS485通信网络,其结构如图2所示。它集先进传感器、数据采集、现代通信[3]及计算机控制等技术于一体,由主控计算机、RS485通信网络及现场测控装置等设备组成[4]。主控计算机由工业PC机和相应的软件系统组成,通过RS485/232连接到RS485通信网络上[5];RS485通信网络通过RS485通信接口与现场的多台测控装置连接[6];现场测控装置包括数据通信与信号处理单元、单片机、数据采集单元[7,8]、单片机输出驱动模块、测量阵列探极外套清洗单元、空高探测单元和多相界面断层扫描单元。

3 系统总体结构

油水界面测量仪由阵列式探极,微波电磁串组扫描与检测模块、信号调理模块、数模转换模块、RS485通信接口和AT89C51单片机组成。油水界面测量仪采用矩阵电磁传感器通过在线检测油水界面的方法,把油水界面的变化转换为电信号的变化。测量电路是把被测对象对应的电磁信号转变成为电信号的电路。数据采集模块包含分段式矩阵电磁传感器、电磁检测电路、恒流源电路、555定时器组成的方波产生电路、放大电路和A/D转换电路。单片机通过RS485通信网络获取测量指令之后,控制探极扫描检测模块,逐一测量矩阵式探极上的每一个探极数值,采集参数经由信号调理与数模转换模块传输给单片机,电磁信息采集完毕之后,按照规定的通信协议组织数据,通过RS485网络回传监测中心计算机。其总体结构如图3所示。

4 数据采集

软件系统的设计与开发是实现该油水界面智能监测仪正常工作运行的灵魂,软件系统以C语言为主、汇编语言为辅进行设计。其设计方法与硬件设计相对应,划分为相应的程序模块,便于设计和调试,增强了程序的可移植性。整个软件系统的工作过程主要由初始自检、数据采集[9]、数据滤波、数据运算处理及修正值排序等子程序组成。整个软件系统的流程如图4所示。

5 通信协议

油水界面测量仪的通信协议采用Modbus RTU协议,本协议规定了应用系统中主机与油水界面测量仪在应用层的通信协议[10,11,12],使信息和数据在上位机(主站)和油水界面测量仪之间有效地传递,允许系统访问油水界面测量仪的所有测量数据,油水界面测量仪可实时采集现场数据。为了满足罐群监控系统的要求,系统还设置了一个RS485通信口,系统采用RS485作为连接上位机的主通信口,使用与其对应的标准接线端子。信息传输为异步方式,起始位1位,数据位8位,停止位1位,无校验,数据传输缺省速率为9.6kb/s[13]。下面从通信协议的规则、数据打包方式、数据帧结构及传输格式等方面对油水界面测量仪与计算机系统间的通信协议作一介绍。

5.1 规则

回路控制器和其它串行通信回路中设备的通信协议规则如下:

a. 所有回路通信应遵照主/从方式;

b. 主站将初始化和控制所有在通信回路上传递的信息;

c. 无论如何都不能从一个从站开始通信;

d. 所有环路上的通信都以“打包”方式发生。

5.2 数据打包方式

所有回路上的传送均分为主/从传送和从/主传送两种打包方式。若主站或任何从站接收到含有未知命令的包裹,则该包裹将被忽略,且接收站不予响应。

5.3 数据帧结构

每个数据帧的组成为:地址-功能代码-数据数量-数据1-…-数据n-CRC-16位校验。每一个数据用两个字节整数表示,高位在前,低位在后。其传输格式为命令报文格式,具体见表1、2。

现以系统读矩阵点数据的命令进行举例说明:

a. 下发命令的格式为“01 04 xxxx yyyy cccc”,即系统开始读从数据起始地址为xxxxH开始的yyyy个矩阵点数据。其中01为地址号,根据实际测量仪地址修改;04为功能代码,不可变;xxxx为读取数据的起始地址(0至最大矩阵点数,由具体产品决定);yyyy为读取的数据个数(0至最大矩阵点数);cccc为CRC校验码。如,01040000001d3003即为读从数据起始地址为0000H开始的(001d)29个矩阵点数据。

b. 油水界面测量仪返回命令的格式为“01 04 yy 数据1H数据1L,数据2H数据2L…数据60H数据60L,CRCL,CRCH”。其中01为地址号;04为功能代码;yy为返回数据字节数;数据1H数据1L,数据2H数据2L…数据nH数据nL为返回的矩阵点数据;CRCL和CRCH为CRC校验码。如,01043d{…}3003,即为返回从数据起始地址为0000H开始的(003d)60个矩阵点数据。

上位机读取油水界面测量仪数据每次间隔时间不小于5s,保证测量仪有足够的时间刷新内部的测量数据和温度值。

6 现场投运

系统于2009年5月和8月在陕北庙湾选油站和观亭选油站、陕北寨子洼和刘坪集输站投入使用,在实际工作中检测得到的储罐油水界面的实际结果与标准要求见表3。

7 结束语

笔者设计的新型油水界面测量仪主要是针对分散式布局井场开发的。实际运行结果表明,该系统能够准确地对原油的油位、水位、油水混合液位和总液位进行实时测量,减少了工人的操作时间,创造了较大的经济,市场应用前景良好。

摘要：针对传统原油检测计量效率低及测量误差大等实际问题,根据油水界面的特点,基于电磁波在多相介质中传播的差异特性,提出了一种新型原油储罐油水界面测量系统,采用矩阵电磁传感器来实现对原油层、油水混合层和水层的检测。实际投运表明,该系统能够在线实时对储罐液面进行测量,液面总高度的测量误差为±5mm,多相介质界面参数的测量误差为0.25%。

关键词：油水界面检测系统,矩阵式电磁传感器,数据采集单元,Modbus RTU协议

油水界面检测 篇2

关键词：油罐计量,油水界面自动检测,γ射线含水仪

在石化部门, 油罐自动计量是人们非常关注的课题。众所周知, 原油从油井里被打出来后, 经过加热, 送到采油站进行计量, 再经过中转站进行分离后进入联合站。在联合站, 经过计量、加热, 而后将原油送至一级沉降罐 (60℃左右) 沉降分离, 经过脱水后再加热进入二级沉降罐 (80℃左右) 沉降, 最后送到成品罐, 需要进行油水界面测量的是一级沉降罐和二级沉降罐。经过一级沉降罐沉降以后的原油送去二级沉降罐, 水送到污水罐。原油经过二级沉降罐的进一步沉降, 达到外输的要求, 才送至净油外输总管。如图1所示, 一级沉降罐和二级沉降罐的罐高一般在13米左右, 罐底设有一个排水孔, 罐上部大约在11米左右的位置设有一个溢流孔, 原油进料口一般从底部伸到罐的中部, 大约在7米左右的位置。当原油进入到罐中时, 由于破乳剂及重力和浮力等因素的影响, 密度较小的原油会向上升, 密度较大的水会向下沉降。从理论上讲, 经过一定时间的沉降可以得到一个清晰的原油与水的分界面。这个分界面就是需要检测的油水界面[1]。

但是, 在实际应用中, 现场情况复杂得多。由于不同产地的原油密度不同, 再加上进料带来的扰动、破乳剂和沉降时间等诸多因素, 导致在原油层与水层中间存在一个厚薄不一、密度梯度不定的过渡层, 习惯上称之为乳化层。在乳化层中存在水包油 (W/O) 、油包水 (O/W) , 甚至水/油/水 (W/O/W) 或油/水/油 (O/W/O) 分层等更为复杂的体系, 正是由于存在这一如此复杂的乳化层, 使绝大多数油水界面检测仪无法准确测量出油水界面, 而γ射线原油含水仪因为其独特的测量原理, 能够很好地解决油水界面的自动测量问题。

1 射线对原油含水率的检测

γ射线穿过物质时, 它的强度按指数规律衰减, 当一束原来强度为N0的γ射线通过厚度为d, 吸收系数为μ (吸收系数μ与物质种类和γ射线光子能量大小有关) 及密度为ρ的物质后, 强度将减弱为N, N值可按下式计算[2]:

N=N0e-μρd

当γ射线射过密度不同的相时, 较密的相能吸收较多的射线, 因而当射线通过密相后, 射线的减弱程度比通过稀相时大, γ射线减弱法就是利用射线通过不同密度的两相时, 减弱程度不同的特点来测定各相含量。当一定能量的γ射线穿过油, 气, 水所占体积不同的混合液时, 透射γ射线的强度将随体积百分数不同而变化。只要精确测量出在一定时间间隔内的γ射线透射计数, 经过数学分析推导, 就可精确计算出原油的含水率, 进而确定油水界面。

若设γ射线能量为Ei, 当它穿过原油时, Δt在时间内所测的透射计数为:

N=N0exp[-∫${}_0^d$μ (x) dx] (1)

N0是没有测量介质时的Δt时间内初始计数, μ (x) 是油, 气, 水混合液对射线的线性衰减系数, d是被测介质的有效厚度[3]。将上式积分得:

N=N0exp[- (d油μ油+d水μ水+d气μ气) ] (2)

因为d油+d水+d气=d, 代入 (2) 式得:

N=N0exp[-d (μ油p油+μ水p水+μ气p气) ] (3)

p油=d油/d, p水=d水/d, p气=d气/d, 且有:p油+p水+p气=1, 则:

N=N水exp[p油ln (N油/N水) +p气ln (N气/N水) ] (4)

N水, N油, N气分别是一定能量的射线在分别穿过厚度为d的纯水、纯油、纯气时在时间内的透射计数。将 (4) 式两边取对数, 则有:

ln (N/N水) =p油ln (N油/N水) +p气ln (N气/N水) (5)

如果两种不同能量的γ射线源, 分别求出各自的油、水、气的透射计数, 就可以获得一个方程组, 求含水率、含油率、含气率。

2 沉降罐自动检测系统

γ射线原油含水仪一直被广泛应用于管输原油的含水率自动检测当中, 它具有测量精度高, 实用性强等优点。由于它的这些优点, 将其应用到沉降罐的油水界面的测量当中, 同样会收到良好的测量效果。

①来自二次沉降罐的原油, 其含水率通常要求在5%以下, 再通过净油罐进一步沉降, 含水率至少为1%, 才达到外输的要求。因此只要精确测得原油的含水率就可以实现沉降罐自动检测。

②γ射线原油含水仪是基于射线吸收或散射的原理, 测量原油的含水率。由光子源发射出的射线, 被吸收后, 由探测器接收, 经过信号预处理电路和信号采集系统, 送入计算机进行分析计算, 得到含水率。

③如图2所示, 利用工业控制计算机系统控制移动探头的工作过程。智能油罐参数自动检测装置主要进行步长控制, 可以利用编码器控制电动机或者伺服电动机来实现其控制功能。测量时, 探头由距离沉降罐罐底1m处开始自下向上运动, 步长取5cm, 将每次测量的数据传送到计算机, 直到到达原油液面, 进行分析计算并输出和显示相应的结果, 然后再进行下一次循环。经过试验系统较准确地在线实时计量油罐储量, 实现了联合站原油储量的在线、实时自动计算和动态油量盘库工作。

3 结束语

油田联合站实时盘库 (实时统计原油储量) 系统是目前国内尚待解决的难题。而盘库系统的关键是精确计量各储罐的原油储量, 即实时检测沉降罐的油水界面及含水率、净油罐液面、联合站来油和净油外输的流量等。

γ射线原油含水仪采用非接触测量, 解决采用浮球、差压等方式测量时带来的钢索卡涩, 测量孔堵塞, 介质粘附等问题, 提高监控系统的可靠性及检测仪表的使用寿命和测量精度;实时检测沉降罐内液面、界面、温度及不同高度油层的含水率, 计算沉降罐油量;检测油水界面和原油液面以计算毛油罐油量;检测原油液面以计算净油罐油量;实现联合站原油储量的在线、实时自动计算和动态油量盘库工作。

参考文献

[1]刘华毅, 范世宇.分段式电容传感器及其应用[J].传感器技术学报, 2006, 19 (1) :196-198.

[2]孙奉先.241Am-Ag源原油含水分析仪[J].核技术, 1992, 15 (3) :173-180.

油水界面检测 篇3

1 电容传感器的油水界面测量原理

该装置采用电容传感器来检测储油罐内水面的高度,其结构为一根长度为L、直径为D圆柱形金属棒,金属棒外面有厚度为d的绝缘层,如图1所示。储油罐内的油和水的导电性能差别较大,可以认为油是不导电的绝缘体,油田的地下水矿化度远大于地表水,所以导电能力更强[1,2]。

其工作原理:设涂有绝缘层的金属电极垂直放在油水之中,电极的直径为D;在水中部分的长度为h;绝缘层的厚度为d;介电常数为ε;电极与水之间的电容C=εDh/d。当电极确定之后,ε,D,d均为固定常数。由上式可以看出,电容传感器的电容C与传感器电极在水中的长度h为线性正比关系,测出电容C的值即可求出h。为了提高测量精度,需要传感器有足够的灵敏度,根据电容灵敏度K=εD/d,可以从减小绝缘层的厚度上来提高传感器的灵敏度,从而提高测量精度。

2 装置的组成框图

该油水界面监测仪采用电容传感器把油水界面的变化转换为电信号的变化,实现油水界面的在线检测及水位的动态显示,测量系统采用51单片机做处理器,自控手控电路与远程计算机的控制构成了该智能监测仪的控制模块,既可实现集中控制又可实现单机手控操作。该监测装置采用典型的闭环控制,可单机独立工作,又可作为远程计算机控制的一个下位机,构成基于RS-485总线的多机监控系统。系统主程序默认进入远程计算机集中控制管理模式,按下单机工作功能键,系统进入单机工作模式。在单机工作模式下,该监测仪可以完成数据的处理、显示,并控制外设进行油罐的自动放水等功能。外设为步进电机驱动的自动放水系统和储油的进油系统等。油水界面的数据经过处理后通过显示模块显示油罐内水面的高度,该油水界面监测装置的整体框图,如图2所示。

3 系统的软件设计

系统程序设计采用了流行的模块编程方法明确任务,实现具体的某个功能,每一个功能程序模块完成相应的任务。本部分主要介绍液位动态显示采用的控制算法单片机主程序流程图。

3.1 主程序流程图的设计

主程序主要将各子模块组成为一个有机的整体,主程序流程图,如图3所示。上电后单片机进行系统初始化,软件执行相应的自检程序,检测系统是否有故障,检测“单机工作”按键是否按下,若无按下,则进人系统默认的串行通讯工作模式,此时该监测仪作为下位机,构成基于RS485总线的油水界面智能监测系统,下位机把采集的数据进行基本的处理后经RS485总线送到PC机进行处理和分析,然后决定是否放水。若“单机工作”键按下,则进入单机工作模式。

本软件设计时采用单片机控制工作模式和PC集中管理模式,为系统的扩展提供了良好的接口。当作为一个下位机构成基于RS485总线的多机监测系统时,由于下位机为多个,如果程序默认进人单机工作模式,那么需要由工作人员逐个对每一个下位机进行设置,从而使工作效率大为降低。所以,系统程序设计时默认进行集中控制模式,从而方便了操作和提高了工作效率。

3.2 油水界面动态控制算法

对于储油罐内水位和放水阀组成的系统,当油水界面稳定之后水面确定,油罐内水的体积是一个常数,假设出水量为qout,油罐内水的体积为V,一般来说储油罐是一个圆柱体,假设其半径为r,从而放水过程中油罐内剩余水的体积与水面的高度h之间的关系式V=πr2h。利用动态模型的分析方法,可得到该系统的线性化模型。

液面高度的减小量与出水增量之间可以传递函数

其中,T1为被控对象的时间常数;τ被控对象的纯滞后时间常数;并令τ=NT;T为采样周期。这种一阶惯性系统的时滞性明显,在实际系统的设计过程中,采用大林算法,设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数Φ(s),相当于一个延迟环节和该装置油水界面的一阶惯性环节相串联,即令

并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象G(s)纯滞后时间相同[3]。

把G(s)与Φ(s)离散化之后根据方程

这是数字控制器的数学模型,此模型通过软件的编程即可实现,从而实现了放水过程中的水面液位的稳定动态控制及显示。

4 结束语

文中设计的基于电容传感器的油水界面监控装置。采用电容传感器来监测储油罐内的油水进行监测,既可以作为一个独立的检测系统独立使用,也可以作为PC控制的一个下位机,构成基于RS485总线的多机监控系统。设计采用电容传感器来检测油水界面信息,在放水工程中显示水面的高度,实现了油水界面的在线监测。

参考文献

[1]武洪涛.电容式油水界而检测仪[J].石油仪器,1996,10(2):24-26.

[2]宋文绪.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

油水界面检测 篇4

关键词：乳化炸药,乳化剂,表面张力,界面张力

乳化炸药是一种采用乳化技术制备的油包水(W/O)乳胶型抗水工业炸药,是一种特殊的乳状液[1]。它的内相是无机盐氧化剂的过饱和溶液,外相是碳质燃料组分,两相含量相差悬殊,形成的乳状液体系非常稠厚、不能流动。乳化炸药是热力学不稳定体系,一方面的原因是硝酸铵过饱和水溶液的性质,另一方面的原因是水相高度分散在油相中形成的高比表面能,导致体系的表面能较高[2]。在油水两相体系中加入表面活性剂(乳化剂),可以降低油水两相的界面张力,形成稳定的乳状液[3]。本文从表面化学特性角度研究乳胶基质稳定的影响因素。

本文通过对乳化炸药体系中碳质燃料、乳化剂的表面张力和油、水两相界面张力的测试,分析温度对碳质燃料及乳化剂的表面张力的影响;保持水相物质的组成不变,改变油相的组成,分析乳化剂的含量对油水界面张力的影响,同时测试了不同品种乳化剂对油水界面张力的影响。实验结果表明,乳化剂能够有效降低乳化炸药体系表(界)面张力,不同品种的乳化剂对界面张力降低程度不同。

1 实验部分

1.1 实验原理

实验中采用英国Camtel公司生产的CCA-100型接触角张力仪,该仪器的测量范围为0～999 mN/m,分辨率1 μN/m。接触角张力仪CCA-100是基于脱环法(Du Nouy法)和吊片法(Wihelmy法) [4]来进行表面张力和界面张力的测定。本次实验采用吊片法测量液体的表面张力及液液界面上的界面张力,表面张力和界面张力用γ表示。

(1)脱环法

通常用铂丝制成圆形挂环,将它挂在扭力秤或链式天平上并使环平面与液面恰好完全平行接触,然后测定挂环与液面脱离的最大拉力F。设拉起来的液体呈圆柱形,拉力就等于柱中液体重量(mg)。m表示拉起的液体质量,g表示重力加速度。若环的内半径为R′,r是环丝的半径,所以环的外半径为R′+2r。R是环的平均半径,即R=R′+r。则

F=mg=2πR′γ+2π(2r+R′)γ=4π(r+R′)γ

因为

F=W总-W环

式中:W总为挂环脱离液而时的最大拉力,W总扣去环的重量W环后,就是拉环拉起的液体重量mg,所以:

4πRγ=W总-W环

实际上,上式并不代表真实情况,由于所拉起的液体并不是圆柱形。因而在实际使用时,必须乘上一个校正因子。通过实验总结出的有校正因子的计算表面张力的经验公式为:

$\gamma =\frac{\Delta W}{4\pi R}\cdot f\left(\frac{R{}^3}{V},\frac{R}{r}\right)$

式中:ΔW=W总-W环

V——挂环拉起的液体体积

(2)吊片法

吊片法的原理实际与脱环法相似,它是测定从液面拉脱吊片时的最大拉力。当吊片(一般是经过打毛的铂片)的底边平行液面并刚好接触液面时的拉力,这时沿吊片周边作用的力F为:

F=2(l+l′)·γcosθ

式中:l及l′分别为吊片的宽度和厚度,2(l+l′)为吊片周长,θ也可以看作仪器常数, θ为接触角,是气-液界面通过液体与固-液界面所夹的角。吊片法的使用条件是接触角θ等于零,即cosθ=1。则:

γ=F/2(l+l′)

如果接触角大于零,则可以利用下式计算接触角数值

W=PγLVcosθ-Vρg

式中:W——吊片所受之力

P——吊片周长

V——吊片深入液面下的体积

ρ——液体的密度

Vρg——浮力校正项

改变吊片插入液面下的深度测定W,以W对吊片插入液面下的深度作图,外推到深度为零,得:

W=PγLVcosθ

若表面张力已知,即可计算接触角θ。

1.2 样品制备

乳胶基质的组成及配比如表1,水相的各种物质组成及含量不变,改变油相的组成及含量,油相物质由复合蜡、乳化剂组成。碳质燃料有乳化炸药专用复合蜡、柴油、机油,将复合蜡、柴油、机油按1:1:1的比例混合,制成混合油。实验所用的乳化剂有Span-80(即失水山梨糖醇单油酸酯)及T-152(聚异丁烯丁二酰亚胺)。

1.3 实验条件

碳质燃料、乳化剂表面张力以及水相与油相的界面张力的测量,均是将碳质燃料、乳化剂以及油相和水相配制好后,升高到测定温度,再放入恒温箱中,放置5～10 min后,迅速取出,按照要求测量表面(界面)张力。测量器皿设有保温层,实验室环境温度保持恒定的35 ℃,在同样的实验环境温度条件下,重复测量两次,且偏差不大于0.02 mN/m,取所测值的平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 温度对碳质燃料及乳化剂表面张力的影响

测定复合蜡,柴油,机油、混合油及乳化剂随着温度的升高,表面张力变化的情况,测量结果见表2。从表中数据可以看出,在液态下碳质燃料表面张力与温度变化呈线性关系,随着温度升高,表面张力呈下降趋势,混合油的表面张力介于各组分的最大值和最小之间。

Span-80及T-152是目前常用油包水型乳化剂,他们均属于油溶性的物质。乳化剂与碳质燃料互溶,在乳化炸药体系中共同形成乳胶粒子的油膜,包覆着氧化剂的液滴。表2数据可以得出,乳化剂表面张力随温度的升高,呈下降趋势,Span-80的表面张力低于T-152表面张力。由于在液体内部的任一个分子,皆处于同类分子的包围之中,平均来看,该分子与其周围分子间的吸引力是球形对称的,各个相反方向的力彼此相互抵消,其合力为零,故液体内部的分子可以无规则的运动而不消耗功。然而表面层中的分子,则处于力场不对称的环境中。液体内部分子对表面层中的分子的吸引力,远远大于液面上蒸气分子对它的吸引力,使表面层中的分子恒受到指向液体内部的拉力,因而液体表面的分子总是趋向于向液体内部移动,力图缩小表面积,从而产生了表面张力[6]。由于温度的升高,表面分子的动能也增加,有利于它们挣脱内部大块液体的吸引,使得表面分子与内部分子间距离增加,相互之间的吸引力下降,因而表面张力降低。

2.2 乳化剂含量对油水两相界面张力的影响

按照表1的配比,配制水相溶液,用乳化炸药专用复合蜡作为油相材料,在油相中加入不同含量和种类的乳化剂,配制成乳化剂含量和种类不同油相,测定100℃时,油水两相间的界面张力。试验结果如图1所示,图1中的曲线表明乳化剂的加入可以显著降低油水两相之间的界面张力。当乳化剂质量含量进一步增加至0.8%时,界面张力基本上保持恒定值。高分子量的T-152乳化剂对界面张力降低的程度低于低分子量的Span-80。

乳化炸药是一种特殊的乳状液,乳化炸药中的氧化剂水溶液呈微细液滴存在,氧化剂与可燃剂接触充分紧密。为使乳化炸药具有一定的稳定性,乳化炸药组分中,油包水型乳化剂是不可缺少的关键组分。通过表面活性剂的乳化作用把分散相的液滴比较稳定地保持在连续介质中所形成乳化分散体系。乳状液的形成过程中,分散相被切割成数量庞大的细小微粒,表面积大为增加,于是体系的表面自由能亦急剧增加,即界面张力增加。随着界面张力的增加,乳状液界面膜的破裂速度增大[5]。乳化剂是一种表面活性剂,它能够降低界面的张力。由于表面活性物质的结构特征——是由两种不同极性的原子基团组成,一种是亲水基团;另一种是亲油基团。表面活性剂在界面上,极性的亲水基团留在水相中,亲油基团指向油相中,在油水界面整齐的取向排列,形成一吸附层,使界面极性减弱,形成了低能界面,所以表面活性剂能降低油水界面张力。低界面张力有利于乳状液的稳定,界面张力的测量结果表明这两种乳化剂的临界浓度为0.8%,即这两种乳化剂在油水两相体系中的临界胶束浓度cmc为0.8%,这表明乳化剂质量含量为0.8%时,就能形成稳定的乳状液,但实际生产中乳化剂用量较高,这因为界面张力是形成稳定乳状液的重要因素,但不是唯一因素。采用高分子乳化剂时,油水界面张力值较高,这是由于丁二亚酰胺系列乳化剂中,亲油基团位于分子的两端,而且亲水基团数量较少,形成的界面能量比较高,但也能形成稳定的乳状液,这是由于丁二亚酰胺系列乳化剂具有高分子量框架结构,能形成强度较高的立体阻碍膜。这也充分说明了界面张力不是形成稳定乳状液的决定性因素。

3 结 论

通过对碳质燃料及乳化剂表面张力以及油水两相的界面张力的测定,表明碳质燃料及乳化剂表面张力随温度的升高,呈线性下降;在油水两相体系中加入乳化剂,能够显著降低油水两相的界面张力;当乳化剂的含量接近0.8%时,油水界面张力接近一恒定值,即这两种乳化剂在油水两相体系中的临界胶束浓度cmc为0.8%;高分子量的乳化剂T-152对油水两相的界面张力的降低程度低于低分子量的Span-80。界面张力的大小是影响乳状液稳定的一个重要因素之一,但不是影响乳状液稳定决定性因素。

参考文献

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[5]吕春绪,刘祖亮.工业炸药[M].北京:兵器工业出版社,1994:266-267.