阅读说明：本技术 一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法及系统 (Waste oil emulsion chaotic frequency pulse electric field demulsification method and system ) 是由 龚海峰 廖治祥 彭烨 柳云骐 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法及系统,首先通过调控混沌脉冲频率生成定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场；该频率混沌中的频率包括乳化液滴的谐振频率,然后将频率混沌高压脉冲电场作用于废油乳化液进行破乳脱水。本发明提供的废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法,针对脉冲电场破乳脱水的特点,运用定幅值、等脉宽的混沌频率电场的方法,弥补了常用的恒定脉冲电场无法覆盖乳化油中液滴的谐振频率的缺点,定幅值、等脉宽可以避免因电场幅值和脉冲宽度不确定而影响破乳效率,脉冲脉率混沌且可调可控可以实现对乳化液滴电场谐振频率全覆盖,发挥电场破乳最大效能,满足工业废油资源化过程高效破乳脱水的要求。(The invention discloses a waste oil emulsion chaotic frequency pulse electric field demulsification method and a system, firstly, a chaotic high-voltage pulse electric field with constant amplitude and equal pulse width is generated by regulating and controlling chaotic pulse frequency; the frequency in the frequency chaos comprises the resonance frequency of emulsified liquid drops, and then a frequency chaos high-voltage pulse electric field acts on the waste oil emulsion to break the emulsion and dehydrate. The waste oil emulsion chaotic frequency pulse electric field demulsification method provided by the invention is characterized in that a chaotic frequency electric field with constant amplitude and equal pulse width is applied to demulsify and dehydrate the characteristics of the pulse electric field, so that the defect that the resonance frequency of liquid drops in emulsified oil cannot be covered by a common constant pulse electric field is overcome, the influence on demulsification efficiency caused by uncertain electric field amplitude and pulse width can be avoided by the constant amplitude and equal pulse width, the full coverage of the emulsion liquid drop electric field resonance frequency can be realized by the chaotic and adjustable and controllable pulse rate, the maximum efficiency of electric field demulsification is exerted, and the requirement of efficient demulsification and dehydration in the industrial waste oil recycling process is met.)

一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法及系统

技术领域

本发明涉及废油处理技术领域，特别是一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法及系统。

背景技术

润滑油在设备中起到润滑、减震、冷却等作用，被誉为现代工业的“血液”。但是，润滑油在使用过程中由于物理、化学或人为等因素，最终大部分或全部沦为工业废油。全球每年工业废油的产生量大，其中大部分都被焚烧和倾倒处理，在对大气、水源和土壤等生态安全构成极大威胁的同时，也浪费了大量的石油资源。各国出于国家战略、经济发展及环境保护的需要，都高度重视工业废油的资源化利用和无害化处置。

在众多的工业废油资源化工艺中，其首要环节是进行破乳脱水处理。而目前常规的沉降法、离心法、化学法，及真空加热法等破乳工艺，均难以满足高效性、经济性要求，制约了废油资源化技术的发展。研究表明，脉冲电场破乳法结构简单、破乳速度快、工作能耗低，相对于其他破乳工艺更具优势，在石油工程领域得到了广泛应用。通过研究发现，脉冲电场高效破乳的主要因素是，油中液滴在电场作用下会发生谐波共振(简称谐振)，其剧烈伸缩变形增大了相邻液滴碰撞几率，减弱了液滴界面膜机械强度，增强了破乳效果。然而，废油乳化液中液滴粒径分布跨度大，呈多尺度动态分布，有微米级小液滴，也有毫米级大液滴，导致了液滴谐波共振频率不确定，且不统一。

因此，常用的恒定脉冲电场无法覆盖乳化油中所有液滴的谐振频率，使得破乳效果“大打折扣”，难以发挥该方法的最大效能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法及系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法，包括以下步骤：

获取废油乳化液的物性参数；

计算得出适用于废油乳化液破乳电场幅值和脉宽；

生成定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场；

将频率混沌高压脉冲电场作用于废油乳化液进行破乳脱水。

进一步，所述定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场是通过调控混沌脉冲频率来实现，所述频率混沌中的频率包括乳化液滴的谐振频率。

进一步，所述定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场的生成是通过构造一维混沌序列，再将生成的混沌序列进行调制，通过混沌脉冲位置调制将混沌序列映射到脉冲电场的低电平时段，通过DSP控制器编程模拟映射后的混沌信号，控制脉冲开关的通断实现混沌频率脉冲电场的发生。

进一步，所述混沌频率脉冲电场按照以下公式实现：

其中：电场角频率E为电场强度幅值，

τ为脉冲宽度，t_i为第i个脉冲和第i+1个脉冲之间的间隔；t为电场作用时间。

进一步，所述通过调制映射后的脉冲间隔按照以下公式计算：

其中，脉冲宽度为τ，幅值为E，使脉冲间隔t_n在[T_l，T_u]内混沌，T_l为下限，T_u为上限。

进一步，所述废油乳化液中的油中液滴在混沌频率脉冲电场中的动力学模型按照以下公式进行表达：

其中，

χ为液滴振动幅值；A为油液阻力常数项；B为油-水界面张力常数项；G为电场激励力常数项；μ为油液的黏度；γ为界面张应力；ε₀为真空介电常数；ε₂为油液相对介电常数；R为液滴初始半径；ρ为液滴密度；c(t)为混沌频率脉冲电场信号函数；为油液阻力非线性函数项；f(χ)为油-水界面张力非线性函数项；e(χ)为电场激励力非线性函数项。

τ₀＝[1-(1+χ)^-3]^-1/2；

c(t)为混沌频率脉冲电场信号函数，

τ₀为液滴长球面；a为液滴长轴；λ为液滴拉伸比；n_x为液滴内部电势函数项。

进一步，所述混沌脉冲位置调制是按照以下步骤来实现的：

构造一维混沌序列；

根据脉冲宽度与脉冲频率变化范围确定脉冲间隔范围；

将构造好的一维混沌序列映射到脉冲间隔范围内。

本发明提供的一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳系统，包括废油乳化液参数单元、破乳电场参数生成单元、频率混沌高压脉冲电场发生器和控制调节器；

所述废油乳化液参数单元，用于获取废油乳化液的物性参数；

所述破乳电场参数生成单元，用于计算得出适用于废油乳化液破乳电场幅值和脉宽；

所述频率混沌高压脉冲电场发生器，用于生成定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场；

所述控制调节器，用于控制频率混沌高压脉冲电场发生器对废油乳化液的作用，以适于将频率混沌高压脉冲电场作用于废油乳化液进行破乳脱水。

进一步，所述定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场的生成是通过构造一维混沌序列，再将生成的混沌序列进行调制，通过混沌脉冲位置调制将混沌序列映射到脉冲电场的低电平时段，通过DSP控制器编程模拟映射后的混沌信号，控制脉冲开关的通断实现混沌频率脉冲电场的发生。

进一步，所述混沌频率脉冲电场按照以下公式实现：

其中：电场角频率

E为电场强度幅值，

τ为脉冲宽度，t_i为第i个脉冲和第i+1个脉冲之间的间隔；t为电场作用时间。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法，针对脉冲电场破乳脱水的特点，运用定幅值、等脉宽的混沌频率电场的方法，弥补了常用的恒定脉冲电场无法覆盖乳化油中液滴的谐振频率的缺点，定幅值、等脉宽可以避免因电场幅值和脉冲宽度不确定而影响破乳效率，脉冲脉率混沌且可调可控可以实现对乳化液滴电场谐振频率全覆盖，发挥电场破乳最大效能，满足工业废油资源化过程高效破乳脱水的要求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法流程图。

图2为混沌频率电场激励油中液滴谐振示意图。

图3为混沌频率脉冲电场发生电路及信号波形图。

图4为脉冲电场与角频率变化时间曲线。

图5为不同粒径液滴的振动响应。

图6为两种脉冲电场作用下各粒径液滴的振动响应。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，图1为混沌频率电场激励油中液滴谐振示意图，本实施例提供的一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法，该方法的基本思路是：

构造混沌序列，调制脉冲电场混沌频率信号；通过高压混沌脉冲电源的DSP控制器编程模拟映射后的混沌信号，控制脉冲开关的通断实现混沌频率脉冲电场的发生；

对废油乳化液施加频率经调控的混沌脉冲电场，运用定幅值、等脉宽、频率混沌的高压脉冲电场对废油乳化液进行破乳脱水，使废油中的液滴能够充分拉伸变形而不会破裂，且能在各自的共振频率附近发生共振，实现高效聚结破乳。

本实施例通过高压混沌脉冲电源进行调控，控制电源输出电压调节负载脉冲电场的幅值，控制电源脉冲开关的接通时间实现脉宽的调节，控制电源脉冲开关的断开时间实现脉冲频率的混沌。

同时，本实施例针对不同的废油乳化液所施加的电场幅值和脉宽是不同的，需要先对废油乳化液的物性参数进行检测，然后通过数值计算得出最佳的电场幅值和脉宽，最后设定电源参数进行混沌电场破乳。

本实施例提供的最佳脉宽和最佳幅值的计算方法：

1、根据乳化液滴混沌振动动力学模型，构建MATALB/Simulink数学模型；

2、修改电场参数，计算不同脉宽和电场幅值条件下，乳化液滴的振动幅值变化情况；

3、取得在液滴不产生破碎条件下的最大电场强度作为最佳电场幅值，在最佳电场幅值条件下液滴变形达到最大时的最小脉宽最为最佳脉宽。

定幅值，即运用固定的最佳电场幅值，避免电场幅值过小(即输出能量较小)使液滴达不到理想的变形量和幅值过大使液滴变形过大而破裂的问题；等脉宽，即采用相等最佳脉宽，防止因脉冲宽度过窄使液滴拉伸变形不充分而削弱电场破乳效果；频率混沌，通过对混沌脉冲频率的调控，使其完全覆盖乳化液滴的谐振频率，发挥脉冲电场的最大效能。

本实施例提供的废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳方法，具体包括以下步骤：

混沌频率脉冲电场作用形式：通过混沌位置调制将混沌序列引入电场的脉冲间隔，使其占空比混沌，从而实现频率混沌，具体实现方法如下：

使用logistic满映射构造一维混沌序列，再将生成的混沌序列在一定范围内进行调制，从而映射到所需的范围内。

构造一维混沌序列，一维logistic满映射的迭代公式为：

选定初值a₁，a₁∈[-1，1]，通过n次迭代之后，可获得的一维混沌序列为：

(a₁，a₂，a₃，…a_n)；

a₁为混沌序列初值；a_n为第n次迭代后的混沌值，n为迭代次数。

混沌脉冲位置调制，采用logistic满映射构造的一维混沌序列，将该序列映射到脉冲电场的低电平时段，通过DSP控制器编程模拟映射后的混沌信号，控制脉冲开关的通断实现混沌频率脉冲电场的发生。

如图2和图3所示，图2为混沌频率电场激励油中液滴谐振示意图，图3为混沌频率脉冲电场发生电路及信号波形图，本实施例提供的混沌频率脉冲电场发生电路包括DSP控制器、三极管、电容和电阻；所述DSP控制器输出端与三极管的基极连接，所述三极管发射极与接地端并联电容和电阻，所述三极管的集电极与接地端之间作为混沌频率脉冲电场的输出端。

图中，E为高压直流电源的输出电压，并联电容和电阻为废油乳化液等效负载模型，三极管作为脉冲开关，其集电极连接直流电源，发射极连接负载端(并联电容和电阻)，基极连接DSP控制器，通过控制器控制三极管的导通和断开频率，为负载端提供定幅值、等脉宽和频率混沌的高压脉冲电场。

由图3所示的脉冲信号波形图可知，所有脉冲宽度为τ，幅值为E，使脉冲间隔t_n在[T_l，T_u]内混沌，其中，T_l为下限，T_u为上限，则通过调制映射后的脉冲间隔为：

则混沌频率脉冲电场可表示为：

式中：电场角频率

E为电场强度幅值，τ为脉冲宽度，t_i为第i个脉冲和第i+1个脉冲之间的间隔；t为电场作用时间。

液滴混沌电场振动动力学模型：

油中液滴在混沌频率脉冲电场中的动力学模型表达式为：

式中：

χ为液滴振动幅值；A为油液阻力常数项；B为油-水界面张力常数项；G为电场激励力常数项；μ为油液的黏度；γ为界面张应力；ε₀为真空介电常数；ε₂为油液相对介电常数；R为液滴初始半径；ρ为液滴密度；c(t)为混沌频率脉冲电场信号函数；

为油液阻力非线性函数项；f(χ)为油-水界面张力非线性函数项；e(χ)为电场激励力非线性函数项。

τ₀＝[1-(1+χ)^-3]^-1/2；

c(t)为混沌发生信号，

τ₀为液滴长球面；a为液滴长轴；λ为液滴拉伸比；n_x为液滴内部电势函数项。

本实施例提供的算例分析如下：

设在乳化油中有半径分别为0.2×10^-3m、0.4×10^-3m、0.6×10^-3m、0.8×10^-3m的四组液滴，其密度均为ρ＝10³kg·m^-3，油的黏度为μ＝47.2×10^-3Pa·s，相对介电常数为ε₂＝5，油-水界面张力为γ＝5×10^-3N·m^-1，施加的混沌脉冲电场强度为E＝3×10⁵V·m^-1。

设初始混沌值a₁＝0.2，脉冲间隔上限为T_u＝0.03s，脉冲间隔下限为T_l＝0.001s，混沌脉冲电场宽度为τ＝0.01s。

如图4所示，图4为混沌脉冲电场与角频率变化时间曲线；混沌频率脉冲电场的幅值均为E＝3×10⁵V·m^-1，脉宽均为τ＝0.01s，脉冲间隔在0.001s至0.03s之间混沌分布，从而使得电场各个脉冲周期永不重复，脉冲频率混沌，频率范围被控制在150rad·s^-1到600rad·s^-1之间。即对乳化油液滴施加的电场为幅值为3×10⁵V·m^-1，脉宽为0.01s，频率在150rad·s^-1到600rad·s^-1之间混沌分布的高压脉冲电场。

如图5所示，图5为得到的不同粒径液滴的振动响应结果图；在本实施例的混沌频率脉冲电场作用下，4组不同粒径的液滴在1s内发生非稳态的振动响应，由于各液滴在同一时刻受电场的脉冲频率是相同的，在未发生共振时，各粒径液滴在混沌电场的作用下振动变形趋势基本一致，而在某一时刻，部分液滴会发生剧烈的幅值波动，产生较大变形量，且液滴的粒径越大，其幅值波动更加剧烈，振动变形越大。

如图6所示，图6为两种脉冲电场作用下各粒径液滴的振动响应，在相同电场幅值和相同脉宽条件下，即E＝3×10⁵V·m^-1，τ＝0.01s，对不同粒径的液滴在周期脉冲和混沌脉冲条件下的振动响应结果进行对比分析可知，在周期脉冲电场的作用下，液滴所受电场激励力的频率是一致的，液滴发生稳态的谐波振动，各液滴的振动频率和相位保持一致，幅值不变，存在液滴振幅随粒径的增大而增大的规律。相较于周期脉冲电场，液滴在混沌脉冲电场中的振动是非稳态的，在各个电场频率作用下的幅值是不同的，在某一时刻甚至会产生双倍于周期脉冲的振幅，可见混沌脉冲电场更有容易使液滴产生较大的拉伸变形，从而降低油水界面膜的强度，使液滴发生震荡聚结，更有利于废油乳化液的高效聚结破乳。

本方法针对脉冲电场破乳脱水的特点，运用定幅值、等脉宽的混沌频率电场的方法，弥补了常用的恒定脉冲电场无法覆盖乳化油中液滴的谐振频率的缺点。定幅值、等脉宽可以避免因电场幅值和脉冲宽度不确定而影响破乳效率，脉冲脉率混沌且可调可控可以实现对乳化液滴电场谐振频率全覆盖，发挥电场破乳最大效能，满足工业废油资源化过程高效破乳脱水的要求。

实施例2

本实施例提供了一种废油乳化液混沌频率脉冲电场破乳系统，包括废油乳化液参数单元、破乳电场参数生成单元、频率混沌高压脉冲电场发生器和控制调节器；

所述废油乳化液参数单元，用于获取废油乳化液的物性参数；

所述破乳电场参数生成单元，用于计算得出适用于废油乳化液破乳电场幅值和脉宽；

所述频率混沌高压脉冲电场发生器，用于生成定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场；

所述控制调节器，用于控制频率混沌高压脉冲电场发生器对废油乳化液的作用，以适于将频率混沌高压脉冲电场作用于废油乳化液进行破乳脱水。

所述定幅值、等脉宽的频率混沌高压脉冲电场的生成是通过构造一维混沌序列，再将生成的混沌序列进行调制，通过混沌脉冲位置调制将混沌序列映射到脉冲电场的低电平时段，通过DSP控制器编程模拟映射后的混沌信号，控制脉冲开关的通断实现混沌频率脉冲电场的发生。

所述混沌频率脉冲电场按照以下公式实现：

其中：电场角频率

E为电场强度幅值，

τ为脉冲宽度，t_i为第i个脉冲和第i+1个脉冲之间的间隔；t为电场作用时间。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。