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2010 年 4 月发生在墨西哥湾的深水地平线平台事故清楚地表明了充分了解水体中石油和天然气泄漏现象及其对海面影响的重要性。虽然关于水体中油滴上升的模拟已有广泛的记录，特别是通过使用滑移速度概念的分析模型，但缺乏关于加入分散剂对上升油滴的影响的信息。然而分散剂，鉴于其表面活性剂的能力，必然会改变油滴在水中的浮力行为，由于石油形状的变化。本文研究了分散剂对油滴偶然释放的影响，尤其是对油滴的物理改性角色塑造。为了探讨这一问题，在内径为 1m、总容量为 4.50m3 的五米高六角形柱(LeFloch，2009)上进行了实验研究。该实验装置配备了喷射系统、不同直径喷嘴组成的喷嘴，以及两套基于阴影法的高速视频记录系统。它被设计用来观察液滴的形状，包括上升轨迹和上升到表面期间的溶解速率。本文介绍了表面活性分子定位于油滴与海水界面时所发生的物理变化。油滴的观察表明，分散剂的加入减少了平均油滴体积，反之则增加了在水柱中观察到的油滴数量。因此，水-油接触面积增加，加强了这两个相之间的交换，特别是在最轻的烃分子的溶解方面。就物理外观而言，呈球形的油滴改变成椭圆形，不同大小的细丝从中飘动。形状的变化意味着油滴在整个海水柱中滑动速度的变化，以及更复杂的轨迹的定义。这两种变化趋向于降低油滴在水柱中的浮力。形成羽流而不是表面浮油是由海洋洋流携带的。

引言

自 1950 年以来，世界人口演变和经济发展导致能源需求增加。在所有能源中，石油仍然是世界上最需要和消耗的。2010 年，石油消耗量为 40 亿吨，几乎占能源消耗总量的 33.6%。这种石油需求涉及开采和运输过程中的污染风险。在过去的几十年中，发生了许多海上事故，导致大量石油泄漏到环境中。TorreyCanyon 事故是1967 年 3 月在英格兰康沃尔西海岸发生的船只失事，这是 1967 年发生的第一次大规模石油泄漏事故。最近，

Prestige 号在加利西亚海岸附近沉没，深度达到 3500 米，并释放出 6.4 万吨原油。目前，对这些事故的应对措施包括使用分散剂，以加强浮油从海面向水体的转移，从而减少浮油冲刷到岸上的数量。另一方面，对于深水油气事故，释放油滴的直径可以通过

请引用这篇文章:Aprinl.，Heymesf.，Lauretp.，Slangenp.，L.Flochs.，2015，分散剂添加的实验角色塑造

关于水柱中上升的油滴，《化学工程学汇刊》，43,2287-2292DOI:10.3303/CET1543382

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强烈地影响着海面的结果。正如 Brandvik 提到的，从 1000 米深处升起的大于 5 毫米的水滴可以在数小时后到达水面，而小水滴(几乎 0.5 毫米)或细水滴(100 米以下)可以在水中持续数周或数月，最终到达水面(Brandvik 等人，2013 年)。此外，分散剂的加入提高了原油的稀释度。因此，水柱中油滴的稳定增加了微生物利用油中的碳生长的降解活性。然后 Campo 等人在 2013 年分析了墨西哥湾漏油事件中使用的分散油和分散剂的生物降解性和生物利用度。他们在实验室微生态环境中研究了 Corexit9500 和分散在南路易斯安那州原油中的可生物降解通利妥表面活性剂。Prince 等人，2013 年表明，当石油存在于 ppm 水平时，分散石油的生物降解是迅速和广泛的。基于这一论点，在石油泄漏应对史上第一次，分散剂被添加到 2010 年深水地平线石油公司(DWH)泄漏事故期间从海上油井泄漏的石油中。在 DWH 泄漏过程中，4000 立方米的分散剂在水面上扩散，超过 3000 立方米的分散剂被注入 1500 米深的泄漏水平。这一反应战略立即减少了浮出水面的石油数量，但明显提出了关于水体中分散的石油的命运的问题。通常用于预测这些命运的模拟软件，由于油水界面上存在分散剂，所提供的结果与实际情况相去甚远。因此，似乎有必要研究描述油滴在水柱中命运的数学方程，以便考虑化学分散的影响(Yapa 和 Chen，2004 年)。

理论方面

在两相流羽流中，速度在羽流区域内上升的流体颗粒和周围的液体之间滑移。微滴羽流中的滑移速度是上升的微滴与周围液体之间的速度差。最常用的 w 定律是以斯托克斯定律为基础的。由于表面张力对其形状的主要影响，最小的单个孤立液滴是近似完美的球体。当粒子保持小的、球形的、刚性的以及雷诺数小于单位数时，这个定律仍然是有效的，比如层流终端速度。严格地说，这个假设不适用于更大、更湍流的粒子。对于大小流体颗粒来说，速度具有代表性，其中周围流体的粘度是影响最小流体颗粒的一个基本因素，而最大流体颗粒的速度则取决于阻力和浮力之间的平衡。Clift 等人(1978 年)表明，流体颗粒的形状可以用小尺寸范围的球体(小于 1 毫米)、中等尺寸范围的椭球体(1 毫米至 15 毫米)和大尺寸范围的球冠来近似。对于球形气泡，终端速度受到周围流体粘度的影响。对于椭球形泡沫，界面张力是关键因素，而周围流体的粘度和界面张力都不影响球帽形泡沫。Clift 等人(1978)提供了不同区域的气泡形状的几种相关性。表 1 中的图片清楚地显示了椭球形状是液滴流动的最典型的代表。这种情况可用以下方程式来描述。

mu;

ws = l Mminus;0.149 J minus; 0.857

rho;lde

在哪里

0.94 H0.757 for 2 h 59.3 j

3.42 H0.441 for h 59.3

H 的定义是:

(1)

(2)

分别用 l 和 l 表示油液的密度和动态粘度，用水的动态粘度表示油滴的当量直径。的数字 Eo 描述了在周围流体中运动的气泡的形状。这个无量纲参数与浮力成正比，除以表面张力，定义如下:

2289

液滴与周围液体的界面张力和水的密度。M 是莫顿数，至于 e 电视的数字，m 描述了在周围流体或连续相中运动的气泡的形状。

gmu; 4 rho;

M = (4)

rho; 2sigma; 3

实验性

实验研究的目的是分析和比较油滴和分散油滴在水柱中的行为。实验测试的目的是观察液滴的形状、上升轨迹， 以及如果可能的话在提升到表面期间液滴的溶解速率。

Cedre 实验专栏

西德利实验塔(CEC)装有注射系统，可以设置不同直径的喷嘴。两台高速摄像机也在不同的高度进行记录。该中心是一个五米高的六角形柱，直径 1 米，总容量为 4.50 立方米。实验装置由 LeFloch 等人描述(2009 年)。

产品及实验条件

阿拉伯轻质原油被用来描述液滴的行为，因为原油的粘度需要很低，否则注入的原油会形成细丝而不是液滴。此外， 阿拉伯石油在 15°c 时的粘度约为 10.2cSt 。油密度为 0.844 。分散油是阿拉伯油和 5% 分散剂(Corexit9500)的混合物。喷射在柱中心 4 米深处进行，喷嘴直径为 1.5 毫米。注射流量由泵提供，在大气压力下，注射流量约为 30ml/min。注意到这种流速的液滴靠得很近，可能相互作用。出口压力低是为了避免射流动力学。

高速成像的阴影

在 CEC 中进行的实验被记录在阴影图中。这种光学技术发展于 2001 年，用于透明介质中光学不均匀性的可视化。这种技术被 Slangen 等人(2010 年)和 Aprin 等人(2014 年)用于分析海水中的化学物质溶解机制。第一个摄像机(CAM0)位于喷嘴上方 15 厘米(4 米深)，第二个摄像机(CAM1)位于表面下方 15 厘米(0.15 米深)。相机帧速率为 64 帧 s-1，分辨率为 640x840 像素。感兴趣的面积为 3.42times;2.57 厘米，CAM0 为 2.46times;1.85 厘米，CAM1 为 2.46times;1.85 厘米，分别相当于像素分辨率 53.5 米和 38.5 米。对每个图像序列进行处理，以定位和跟踪液滴。该跟踪算法基于检测图像上每个像素的灰度级别差异，从背景中检测水滴(暗)(亮)。液滴直径的不确定性大约为20 个像素，占直径的 5%至 20%，这取决于液滴直径。通过计算液滴在两幅图像之间的运动距离(帧间时间为

15.6ms)得到液滴的速度。当量直径是由沃德尔圆盘直径计算出来的，该圆盘直径被定义为与粒子面积相同的圆盘直径(Fuhrer 等人，2011)。计算了描述粒子形状的海伍德圆形因子，粒子的形状越接近圆盘，该因子越接近圆盘 1。它对应于具有相同面积的粒子周长与圆周长的比值。

结果

无分散剂和有分散剂的颗粒形状

在相同的注入条件下，油滴和分散的油滴的形状和行为是非常不同的。表 1 显示了水滴在 4 米深和 0.15 米深处

的图像。纯油在两个深度都提供了球形颗粒。海伍德圆形因子(HCF)证实了小于 6.3 毫米的油滴群的均匀性。添 加分散剂的原油产生纤维状、椭球状和少量球状颗粒。用分散剂(油 5%。第一卷。Hcf 证实水滴有不同的形状， 在 4 米深和 0.15 米深处有很大的不同。在这种情况下，分散剂的作用可以清楚地观察到:随着分散剂的使用，油滴在水体中上升时的形状发生了变化。水滴较平，失去了一个

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重要数量的物质，形成纤维丝和更小的液滴，由于物理侵蚀过程联系的摩擦力和增溶过程。

表 1:在 4 米深和 0.15 米深处观察到的油滴和分散的油滴形状。

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