工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444完整文章高浓度乳状液在多孔介质MariolaM. 耶日？鲍什奇克鲁卡斯？普日比什？谢克罗兹理工大学，过程与环境工程学院，化学工程系，213 Wolczanska St.，90-924 Lodz，波兰阿提奇莱因福奥文章历史记录：2020年1月11日收到2020年5月17日修订2020年7月4日接受在线预订2020年保留字：多孔介质非牛顿乳液床层堵塞变化模型床层渗透率多相流A B S T R A C T本文给出了一个理论模型，该模型可以预测非牛顿乳液流动过程中多孔床堵塞的变化。它考虑了比文献中迄今为止发表的公式更多的工艺和材料参数：如分散相液滴的尺寸、乳液浓度和非均质非牛顿液体的流变参数。使用该模型，它也可以预测床渗透率的变化，其封锁，作为油滴捕获的结果。用实验数据对模型计算进行了验证，得到了令人满意的正确性。这项工作有助于发展多相物质的传输的描述，具有复杂的流变性能，通过多孔结构。研究结果可能会在开发强化石油生产的方法以及评估复杂药物在皮肤结构中的渗透过程中得到实际应用©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍乳液是两种不混溶液体的体系，其中一种分散在另一种中。少量添加所谓的稳定剂和乳化剂可防止相分离。这种系统在多孔介质中的输送对于石油工业、石油污染物的土壤修复、水的有机污染物过滤，甚至对于制药和化妆品工业都是极其重要的，在制药和化妆品工业中，多相液体通过皮肤结构输送的现象是重要的。有些现象对运输动力学有着根本性的影响，因此了解管理这种流动的机制还值得注意的是，内相浓度高于50%的乳液表现出随剪切变稀的非牛顿流体的特征这种液体在多孔介质中的传输变得特别复杂，并且作为文献综述的结果，它在实验或理论上还没有被认为是足够详细Perazzo等人[35]和Umar等人的论文对多孔介质中乳状液的行为进行了广泛而详细的描述，并对该领域的主题进行了文献综述[51]作为在石油开采中使用乳液的详细概述，*通讯作者。电子邮件地址：luk. o2.pl（电子邮件地址：Przybysz）。由Karabuk大学负责进行同行审查技术. 不想重复他们的评论，文章将提出一个概述的最重要的作品，强调乳液在EOR过程中的重要性随后，将介绍文献中模拟多孔介质中低浓度乳液传输的各种方法，强调缺乏致力于具有非牛顿行为的高浓度乳液的工作。在本文的理论部分，我们提出了描述高浓度乳状液在多孔介质中运移的然后用实验数据对该模型进行了验证。1.1. EOR技术乳状液在多孔介质中的运移问题对石油开采工业的发展具有重要意义。 在进行各种方法从沉积物中采油的过程中，乳状液可能自发地出现，或者为了强化萃取过程而故意引入。对流经此类系统过程中发生的现象的了解有助于开发新的或优化的现有的获取石油的方法。第一个提出乳化液流在石油生产过程中应用的研究人员是McAuliffe等人[30]。他们注意到，当所用乳液的油滴略大于多孔介质的孔径时，油采收率最高（McAuliffe[30]，Heinemann[23]）。根据该等https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.07.0032215-0986/©2020 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441445在这种条件下，乳液的油滴能够推入多孔介质的结构中并被捕获在那里。为了更好地理解堵塞机制，Zeidani等人多年来进行了各种实验研究和 尝 试， 以 描 述通 过 多 孔 沉积 物 的 理 论乳 液 流 动。 [52] ，Fu etal.[20]，Mandal et al.[28]. Guillen等人[22]在他们的工作中研究了通过将乳液注入沉积物来控制流动性的机制。他们分析了河床中的水流不同的渗透率，以确定毛细管力对液滴阻塞机制的影响。作者还分析了界面张力对使用乳液采油效率的影响（Guillen et al. [21、22]）。Moradi等人也研究了乳化油滴堵塞孔隙的机制[31]。作者比较了两相流（乳状液）与单相流（水）通过含油模型床的特性（Moradi等人，[31]）。Demikhova等人[15]在实验中发现，乳液的内相在多孔介质中的保留是由于两种机制而发生的：通过用液滴阻塞孔而阻塞孔，以及由于液滴和孔壁之间的相互作用而保留液滴这两种机制都导致渗透性的不可逆降低（Demikhova et al.[15]）。这些现象在关于该主题的 文 献 中 已 经 知 道 （ Heinemann[23] ， Dullien[18] ，Schramm[40]，Baldygin等人[2]，Karambeigi等人[24]，Pei等人[34]），但作者提出了对这些问题的新描述。该主题的文献包含致力于石油生产过程中各种乳液应用的作品。在提高采收率的前提下，不仅考虑了技术的实施方式，而且还关注了乳状液的各种性质。然而，没有工作，将分析，具有足够的准确性，输送高浓度的乳液的现象，因此，复杂的流变性能的EOR技术。1.2. 乳状液在多孔介质由于影响输送动力学的不同机制的数量，描述乳液流过多孔沉积物的过程有必要考虑乳液和沉积物的性质以及工艺本身的参数为了捕捉在这种流动过程中发生的所有现象，还需要了解介质中乳状液的形成方式、它们在多孔岩石中的行为和流变性现有的描述低浓度乳状液在多孔介质中流动的数学模型可分为四类：粘度模型或均相模型、延迟滴模型、过滤模型和毛细管模型。1.3. 齐次模型最初，当不知道在乳液流过多孔介质期间发生的所有机理时，使用均相模型描述床中这些液体的行为这些模型的假设是乳状液是连续介质或单相液体。因此，在描述过程中忽略了乳状液中油滴与介质表面的相互作用这意味着乳液被理解为单相液体，并且它们在多孔床中的流动使用用于描述液体通过多孔介质的流动的公知的牛顿依赖性或非牛顿概念来建模（Durst等人[19]，Bird等人[19]）。[4]）。1.4. 延迟跌落延迟液滴模型的概念是基于乳化液中的油滴通过乳化液时，孔隙结构，其流速减慢。这是因为这样的液滴推动通过直径小于其直径的孔，从而变形、变平和变长。为了通过这种狭窄，它们必须克服毛细管阻力。因此，它们在床中的移动比连续相慢。液滴阻滞模型的创建者是Devereux，他在他的工作中提出了它（Devereux和多孔固体中的乳液流：I. [16]）。该模型基于通过多孔 介 质 的 两 相 流 的 经 典 Buckley-Leverett 理 论 （ Bukley 和Everett[9]）和Scheidegger[39]开发的方程。所提出的模型允许预测暂时减少的渗透性所造成的延迟液滴。然而，如实验研究（Soo和Radke[48]）所示，它并没有假设油滴被截留在那里，即使水流过床层，渗透率的因此，这种模拟乳状液流过多孔介质的概念的应用不能在描述实际过程中找到应用1.5. 过滤模型Soo和Radke[48]提出了一种更先进的模型，描述了低浓度乳液通过多孔沉积物的流动。该模型基于深床过滤原理作者注意到，乳液的油滴不仅在多孔介质中延迟，而且由于应变和附着机制而被捕获在多孔介质中（Soo和Radke[46，47]）。Soo和Radke的过滤模型被设计用于预测单分散、稳定、低浓度O/W乳状液的流动。在此基础上，可以定义分散相在时间和距离上的流动延迟的局部轮廓。过滤模型的概念在描述乳状液通过多孔沉积物的运移现象中已变得非常普遍，并且是最新的在关于该主题的文献中 ， 可 以 找 到 使 用 该 模 型 描 述 所 获 得 的 乳 液 传 输 数 据 的 作 品（Bolster等人[8]，Tufenkji和Elimelech[50]）。此外，这种方法成为试图获得其他模型的基础，这些模型旨在更好地捕捉观察到的现象Margolin等人。[29]，Cortis和Ghezzehei[14]，Ranena等人[36]。例如，Demikhova等人[15]使用过滤理论进行了用乳液洗涤多孔介质的实验研究和模拟。他们使用了基于过滤理论的微分方程描述乳液流过多孔介质的过滤模型和由三个参数表征的修改的达西方程[15]）。1.6. 毛细管模型使用毛细管模型模拟乳液通过床的传输的想法在于将床呈现为一束曲折的毛细管，其中流动发生。这个概念通常取自Kozeny-Carman理论。Romero等人[37]提出了毛细管网络模型的一个示例。作者基于Cobos等人（2016）提出的乳化油滴通过单个微毛细管的流动研究结果进行了考虑。本文讨论了乳状液内相对压降与流速关系的影响，并与流度降低因子作了关系式。1446M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444ffiffiffi¼ ¼¼z¼¼0 1描述重力和压力流的颗粒结构中的乳状液传输的毛细管模型的应用由Besquaszczyk等人提出[5，7]。根据Kozeny-Carman理论，在电化学分析的基础上，用直径与颗粒尺寸相对应的毛细管代替颗粒沉积物假设乳状液的油滴是单分散的，分析了毛细管直径与液滴直径之比的各种情况对于每一种情况，适当的微分方程描述的流动，然后构造一个毛细管束模型。模型假设允许将具有有限尺寸的特定颗粒沉积物连接到各种直径的模型毛细管结构，并捕获发生流动的毛细管之间的相互作用此外，还考虑了过程的可变驱动力，这使得能够在可变流入强度下跟踪流路这种方法允许捕获在实验研究期间观察到的渗透率降低和乳液流动期间浓度暂时降低的现象1.7. 高浓度乳状液在多孔床正 如 文 献 中 的 作 者 （ Schramm[40] ， Aomari et al.[1] ，Khambharatana et al.[26]，Soo and Radke[47，46]，Cobos etal.[13]，Török等人[49]）指出，内相浓度高于50%的乳液（称为高浓 度 ） 显 示 出 非 牛 顿 剪 切 稀 化 液 体 的 性 质 。 许 多 实 验 研 究（Dluzewska et al.[17]，Chanamai和McCle- ments[11]，Partalet al.[33]，Silletti et al.[44]，Pajouhandeh等人[32]，Zungur等人[53]）证实了这一观察结果。这些特征明确地影响这些液体在流动期间的行为，特别是通过具有不同直径的流动路径的多孔结构，所述不同直径的流动路径确定不同的速度区（流速）。这些不同的速度区决定了不同的剪切速率，从而决定了流动流体粘度的显著变化。在单相液体的文献中，已经反复描述了这种结构中非牛顿流体的流动（Durst和Haas[19]，Bird等人[4]）。已经开发了各种理论模型来捕获非牛顿液体对其在多孔介质中的行为的影响，例如幂模型、孔隙网络模型等（Lopez et al.[27]，2. 理论考虑模型依赖性的发展允许预测高浓度乳液的流动，暴露剪切行为，通过颗粒床，需要确定多孔介质的参数以及乳液本身的参数还必须考虑到在乳液流过这种床期间发生的渗透率降低的现象此外，还必须考虑非牛顿性质，即在内部浓度高于50%时呈现出乳液。在分析乳状液参数时，内相浓度u、油的平均粒径液滴de、乳液密度qe和其粘度ge，高浓度乳液的情况取决于剪切速率C1，应考虑到这一点。考虑到沉积物的参数，除了其尺寸，即沉积物Lz沉积物及其直径Dz，沉积物中颗粒的平均直径床层DZ和流动可通过其发生的空间，即沉积物的孔隙度E，对于多孔介质的输送过程是重要的然而，应该记住，由于通过直径接近路径横截面的乳液滴阻塞床流动路径的机制，发生流动的实际空间减小，即它随时间变化。为了分析液体流过这种结构的过程，系统的操作参数速度v或液体进入床的流速qv和温度T也是总之，它可以写为关系，它决定了影响高浓度乳液传输的所有参数Dpfv;T;Lz;Dz;dz;de;u;qe;gec_;et1其中Dp是压降，v正如已经提到的，在高浓度乳液的情况下，可以预期介质的非牛顿行为 因此，其粘度ge必须作为剪切速率c的函数。此外，在乳液流动期间，床的孔隙率e可由于流动路径的位置而引起的作为时间t的函数的变化。从牛顿定律的定义开始，可以写出描述剪切应力s依赖于剪切速率c的基本方程，其中g是液体的粘度Balhoff，and Thompson[3]，Skauge etal.[45]）。s/g·c_ð2Þ这些模型中的一些也适用于乳状液流动。然而，所有这些模型都将乳状液视为均相液体，而不考虑其性质，如油相浓度、油相液滴直径、单组分粘度和粘度。这些数量对根据描述通过颗粒床的单相流的Blake-Kozeny-Carman理论和论文（Kembrosowski等人[25]，Chhabra[12]）中提出的理论，剪切应力和剪切速率可以使用以下公式表示流动现象由于这一点，在该主题的文献中缺乏有用的理论模型，该模型将允许预测非牛顿乳液在流动期间的行为，而帽s1deDp6 1-eK1Lzð3Þ改变其结构对交通的影响。对乳状液输送过程进行了理论描述，c_6K K1-eve2Dzð4Þ由于除了油滴堵塞孔并由此降低床的渗透性的现象之外，流动还受到液体的非牛顿性质的影响，因此在高浓度下流动是一个巨大的挑战出于这个原因，在本文中，考虑开发一个理论模型，描述高浓度的剪切稀化的非牛顿性质的乳液的流动的其中：K0-常数取决于路径横截面的形状，K1-弯曲系数. Carman根据他自己的研究（Carman[10]）发现，在由球形颗粒制成的床上，clesK1p2，K0两点五分：在代入依赖关系（2）之后，（3）和（4）以及转换，该理论的作者得到：导出的模型考虑了非牛顿性质并允许确定在乳液通过多孔床的输送过程中床渗透性的变化这fBK一1/4ReBKð5Þ模型也在下一部分的工作中用实验数据进行了验证。其中A是常数，定义为A36K0K12，而fBK是修改的阻力系数，其由下式描述：M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444144732qv201z262fDpdz e36e¼Vpð13ÞBK¼qv2Lz1-e而ReBK是由下式表示的修正雷诺数：dqvVz另一方面，活性孔隙率可以定义为床空间的实际（活性的、未堵塞的）体积Vw与床空间的实际（活性的、未堵塞的）体积Vw的比率。关于BK¼zg1- eð7Þ床层体积Vz。因此，有效空间是床中的空空间的体积Vp与床中的空空间的体积Vp之间的差。上述关系描述了通过颗粒床的单相流。在这项工作中，依赖Kozeny-Carman其已经被床Vo中的油滴阻塞。这可以用公式表示适应于运输过程的描述，e¼Vw¼Vp-Voð14Þ颗粒床的多相体系也有，如乳状液。高浓度乳液的粘度可以使用模型来描述，该模型的详细推导在论文中给出（Seketal. [41]）。该模型的总体形式如下：wVz Vz通过引入床层堵塞度So的定义用油作为被床的油滴阻塞的空间体积Vo与床中空隙体积的比率，可以写为：g-g。ugc_d3！-1g-1¼1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000Ce1-uð8ÞVoSo¼Vð15Þ式中：CBS剪切速率无穷大时的乳液粘度，g0-p基于上述关系，可以确定，被油滴阻塞的体积等于堵塞率和床层中空隙的体积，即SO和Vp。因此，关系式（14）可以写为：离心，分散Vp- So VpVpSo Vp在替换Eqs之后，（3）、（4）和（8）中的方程。（2），我们得到：ew¼Vz-Vze-S oe1deD第26页0-g1页gz1U2KT376KK1-evð9Þ基于关系式（16），还可以说，61-eK1Lz41摄氏度ugcc_de31501e2 Dz沉积物堵塞程度可用下式表示：BSð -Þ关于我们 e-ewð17Þ在上述等式中，存在剪切速率，其也可以是替换为Eq。（四）：e在将相关性（12）代入（16）之后：1dzeDpDpdze1-So6 1-eK1Lz3qv2Lz1-e1-So6K0K1g0-g1 1-ev0g11448M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444¼41U2D1U2eBS2ð -ÞKTe2Dz1266Ko K1CBSugcde1-e1-Sovdzqv¼416K K Cdzqvugcde31-ev36K0K11zqv2011 -2015年16K K Cugcd31-ewv1dzqv72KTDzW21-evð10Þ22gG31/4/6K Kg536Ko K10-v11-e1-So2g616K K CM.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441449edu gcde31-ev01 1e2大直7dzq336Ko K11 1-e1-So 521450M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444在将等式的两边乘以因子6K1e2之后：1-uKTeM.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441451ð18Þ1452M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444Dpd z e 3qv2Lz1 - e636K0K12g0-g1 1-eG37M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）144414533床的堵塞。 床层堵塞程度在1OeF ω ¼ð19Þ根据上述关系式，已知乳化参数，参数（u，de，q）和床层参数（dz，e，Lz）以及流动阻力1454M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444O在实验的基础上确定了Dp值，响应流速v，可以确定M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444145501BSð -Þ1456M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444e2Dzð11ÞM.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441457当量（18）以隐式形式出现，并在分析中计算这一点1458M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444然而，现有的计算机程序，使用内置的算法，允许找到正确的根，M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441459在上面的Eq。（11）、床层的孔隙率具有常数值然而，众所周知，在乳液流动过程中，1460M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444通过该床，流动路径被阻塞，通过其发生输送的量随时间减少在M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441461为了考虑到这一现象，有必要用有效孔隙度ew代替孔隙度e，即的空间在给定时间可用于流动。关系（11）可以由以下等式表示：1462M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1444关系。如果我们在上面引入一个修正的阻力系数，M.M. Besquaszczyk等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）14441463方程的形式为：Dpd ze
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