Experiments on EHD injection, interaction and electrocoalescence of water droplet pairs in oil

par You Xia

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Jean-Luc Reboud.

Le président du jury était Francis McCluskey.

Le jury était composé de Nelly Bonifaci, Philippe Molinié.

Les rapporteurs étaient Laurent Berquez, Christophe Louste.

  • Titre traduit

    Étude expérimentale de l'injection EHD, l’interaction et l'électrocoalescence de deux gouttelettes d'eau dans l'huile


  • Résumé

    Lorsque des champs électriques sont appliqués à des mélanges eau-huile, les petites gouttelettes d'eau sont attirées entre elles et se regroupent en gouttes plus grosses. Ce processus d’électrocoalescence rend plus efficace la séparation huile-eau par sédimentation.Des données expérimentales sur l’électrocoalescence de très petites gouttelettes sont nécessaires pour améliorer la compréhension de la dynamique de l'interface eau-huile et pour valider les modèles numériques. La configuration simple étudiée dans ce travail de thèse concerne une petite paire de gouttelettes tombant dans une cuve d'huile modèle et soumise à un champ électrique aligné avec l’axe de symétrie des gouttes et la gravité.La première partie du travail a consisté à générer de façon contrôlée d’une paire de très petites gouttelettes (dans la gamme de diamètres 20-200 microns) alignée avec le champ électrique. La génération de goutte à la demande, par méthode éléctrohydrodynamique (EHD) a été améliorée pour un meilleur contrôle du diamètre et de la charge électrique des gouttelettes injectées à partir d'une aiguille métallique unique. Ceci a été obtenu en appliquant à un ménisque d'eau pendant à l’extrémité de l’aiguille des impulsions électriques de forme optimisée.La caractérisation électrique et hydrodynamique des paires de gouttelettes et leur coalescence sont alors principalement déduites de l'analyse des vitesses de chute, avec et sans application d’un champ électrique à courant continu. Des données complètes de positions des gouttelettes et de leur vitesse en fonction du temps sont déduites de prises de vues vidéo. Une attention particulière a été accordée aux visualisations de très petites gouttelettes tombant à petites vitesses, associant des angles multiples de prise de vue, de forts zooms et des vidéos à grande vitesse.La modélisation des différents termes d'interactions hydrodynamiques et électrostatiques entre les gouttelettes permet de déduire des vitesses enregistrées leur masse charge électrique respectives. Quand se produit une coalescence des deux gouttelettes, un enregistrement de la vitesse de la gouttelette résultante, avec et sans tension électrique appliquée, permet de contrôler la conservation de la masse et de la charge électrique, et la validation du procédé.Un premier ensemble de données est constitué d'environ 70 cas différents, avec différentes paire des gouttelettes (dans une plage de diamètre limitée de façon à ce que les vitesses de chute soient comprises entre 0,1 et 0,3 mm/s) et en faisant varier la tension appliquée à courant continu ou alternatif. L'analyse des résultats et des incertitudes expérimentales et un exemple de comparaison possible avec des simulations numériques utilisant le logiciel Comsol Multiphysics ™, permettent d'effectuer des recommandations pour les travaux futurs.Ce travail a été financé par le projet “Fundamental understanding of electrocoalescence in heavy crude oils”; coordonné par SINTEF Energy Research. Le projet a été soutenu par The Research Council of Norway, dans le cadre du contrat n °: 206976 / E30, et par les partenaires industriels suivants: Wärtsilä Oil & Gas Systems AS, Petrobras et Statoil ASA.


  • Résumé

    When electric fields are applied in oil-water mixtures small water droplets are attracted to others and merge in larger drops. This electrocoalescence process makes more efficient the oil-water separation by sedimentation.Experimental data on the electrocoalescence of very small droplets will be useful to improve the understanding of the dynamics of water-oil interface and to validate numerical models. The simple configuration studied consists in a small droplet pair falling in stagnant model oil, under electric field aligned with the symmetry axis of the droplet pair and the direction of gravity.First part of the work consisted in the well-controlled generation of very small droplet pair (range 20-200 microns) aligned with electric field. Droplet-on-Demand generation by EHD method was improved for a better control of the diameter and electric charge of droplets injected from a single metallic needle. This was obtained by applying to a pendant water meniscus optimized multistage high voltage electric pulses.Electrical and hydrodynamic characterization of the droplet pairs and their coalescence are then mainly deduced from the analysis of falling velocities, with and without applied DC electric field. A complete data set of droplet position and velocity is deduced from video. A special attention was paid to the visualizations of very small droplet and small falling velocities, involving multiple angle of view, strong zooming and high speed video.Modelling the different terms of hydrodynamic and electrostatic interactions between droplets allows deducing from the recorded velocities their respective mass and electric charge. When coalescence occurs, a record of the resulting single droplet velocity, with and without applied voltage, allows controlling the mass and charge conservations and validating the method.A first data set was constituted of about 70 different cases, with varying droplets pair (with a limited diameter range to remain with falling velocities between 0.1 and 0.3 mm/s) and varying applied DC or AC voltage. Analyses of the results and experimental uncertainties, and example of possible comparison with numerical simulations using Comsol Multiphysics™ software, allow performing some recommendations for future work.This work was funded by the project “Fundamental understanding of electrocoalescence in heavy crude oils”; co-ordinated by SINTEF Energy Research. The project was supported by The Research Council of Norway, under the contract no: 206976/E30, and by the following industrial partners: Wärtsilä Oil & Gas Systems AS, Petrobras and Statoil ASA.


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