[科普中國]-消泡

消泡是采取一定措施打碎已形成的泡沫或降低泡沫層厚度，泡沫流體循環(huán)利用的前提是必須有可行的消泡方法。常用的消泡方法很多，按原理可分為物理消泡法、機械消泡法、化學消泡法和自然消泡法。

物理消泡法物理消泡法就是改變泡沫的黏度或物性的方法來使泡沫破裂，泡沫的化學成分仍然保持不變的消泡方法。常用的方法有熱力法，聲波法、電力法和真空法等。1

熱力消泡法熱力消泡法是最古老的一種消泡方法，已在生產(chǎn)過程中得到廣泛的應用。其消泡機理是溫度升高時液體從泡膜中蒸發(fā)掉。在蒸汽氣流作用下或者泡沫與加熱器直接接觸下使泡沫破裂。加熱器的溫度在泡沫破裂區(qū)應高于表面活性劑溶液的沸點。熱力消泡作用是液體蒸發(fā)、表面活性劑的溫度和表面張力改變以及液體黏度減小的共同結(jié)果。熱力法消泡有很多的優(yōu)點，特別是不會導致重復發(fā)泡，而且結(jié)構簡單，成本較低。但也有缺點，如加熱器中嚴重結(jié)垢，結(jié)果會大大降低其消泡效率，且能耗增大。熱輻射屬于常見的熱力消泡方法，其消泡裝置如圖1所示。

泡沫通過泡沫入口流入該裝置內(nèi)，經(jīng)裝置上的熱輻射部件發(fā)出熱輻射，使靠近的低密度泡沫破裂，分離出的氣體從氣體出口排出，泡沫基液和泡沫攜帶的固體從容器底部的排液排渣口排出。該類型消泡器消耗功率為60～150千瓦，消泡速度為2～4立方米每分。由此可見，熱輻射法消泡功率消耗較大，而且反復加熱，或許對泡沫劑的發(fā)泡能力有一定的影響。

熱力消泡的另一種方法即低溫消泡法，是在低溫下使泡沫的彈性降低，泡沫穩(wěn)定性下降。例如用一種“低溫放電控制泡沫”的辦法，將低溫放電裝置安裝在泡沫面上，根據(jù)泡沫的成分和狀態(tài)，調(diào)節(jié)電壓的大小控制泡沫的產(chǎn)生。由于低溫放電和發(fā)射電子，使泡沫體積逐漸減小。這種方法在鉆井中還未見使用，主要用于發(fā)酵罐中。1

超聲波消泡法超聲波是頻率為2×104～5×108Hz范圍內(nèi)的聲波。工業(yè)上采用的超聲波消泡法的原理在于利用高頻聲振動的破壞特性促使泡沫破滅。主要由以下特性決定：

(1)超聲波具有較大的功率。這是因為當聲波到達某一物質(zhì)時，由于聲波的作用，使泡沫中的物質(zhì)分子也隨之振動。分子振動的頻率決定了分子振動的速度；頻率越高，速度越快。分子由于振動所獲得的能量，除了與分子的質(zhì)量有關外，還與分子振動速度的平方有關。所以聲波的頻率越高，分子得到的能量也越高。超聲波的機械能量使物質(zhì)分子產(chǎn)生很大的加速度。如果把超聲波作用在液體中，則超聲波使液體質(zhì)點所達到的加速度，可能比重力加速度大幾十萬倍，甚至更大。這樣巨大的加速度，會使液體質(zhì)點產(chǎn)生急速的運動，使泡沫破裂。

(2)聲壓作用。當聲波通過泡沫時，由于聲波振動，使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏作用。此時泡沫所受的壓力發(fā)生變化，由于超聲波具有很大的能量，就使泡沫產(chǎn)生很大的聲壓作用 當液體中通人一般強度的超聲波時，產(chǎn)生的附加壓力可達0.3～1MPa。泡沫在未受到超聲波作用前，只受到大氣壓力，當超聲波加到泡沫上后，如果聲波振動使其壓縮，則其所受壓力增大，促使泡沫破裂；如果聲波振動使分子稀疏，則泡沫所受壓力小于大氣壓力而膨脹破裂。

超聲波消泡與化學消泡比較，能降低消泡成本，不影響產(chǎn)品質(zhì)量；與機械消泡法比較．沒備體積小，功率消耗少，消泡效率高。但超聲波裝置價格高，不適用于大規(guī)模的消泡。1

機械消泡法氣泡的破裂，就是把形成泡的薄膜破壞，為此，常對氣泡進行壓縮或施加沖擊力，利用壓力的急劇變化如剪切力、壓縮力和沖擊力等可將泡膜破裂，達到消泡的目的，按其對泡沫發(fā)生作用的特點分為離心法、水動力法、氣動力法、壓縮法和沖擊法等。離心法在泡沫鉆進中經(jīng)常采用。離心法是采用高速旋轉(zhuǎn)的離心葉片裝置來破除泡沫或與不動面相撞擊來擊碎泡沫；液動法和氣動法是用壓力作用下的液流或氣流來消除泡沫；氣壓流法是靠壓力的變化來消泡。1

離心法消泡離心法是利用高速旋轉(zhuǎn)的離心機葉輪的離心作用及它們在轉(zhuǎn)動時對容器壁產(chǎn)生足夠大的沖擊，使泡沫被打碎而消泡。離心法是一種運用比較普遍的機械消泡方法，原理也很簡單，但消泡不是很完全，只能消除泡沫液的大部分泡沫，如果和其他消泡方法綜合運用，消泡效果會更優(yōu)。

（1）旋轉(zhuǎn)葉片消泡法。旋轉(zhuǎn)葉片消泡結(jié)構最為簡單，就是利用離心作用通過葉片與泡沫的接觸，打擊、壓縮泡沫或使泡沫與裝置中的不動面相撞擊而破碎。通過旋轉(zhuǎn)葉片來消泡的裝置有兩種情況，如圖2a和圖2b所示。

第一種是以固定在轉(zhuǎn)軸上的槳葉來消泡，如圖2a所示。電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，帶動槳葉高速轉(zhuǎn)動，裝置中的泡沫液也隨之高速旋轉(zhuǎn)，利用旋轉(zhuǎn)葉片對泡沫的剪切力以及泡沫撞擊到器壁上的沖擊力來達到消泡的目的。此結(jié)構簡單，且能消除大量泡沫，但有一個很大的缺點就是在葉片高速旋轉(zhuǎn)的過程中，通過攪拌將產(chǎn)生新的泡沫。同時，葉片是通過剪切力進行消泡，對于葉片的設計有很高的要求，需不斷試驗才能選擇更好的葉片材料、形狀及安裝位置，才能使消泡效果不斷增強。動力的驅(qū)動也是影響消泡效果的一個因素，要選擇一個合適的轉(zhuǎn)速，才能達到最好的消泡效果。

第二種就是在旋轉(zhuǎn)葉片上做了一些改進，如圖2b所示，葉片不再設計為塊狀，而是由消泡板和捕集板組成一個中空的用于聚集泡沫的區(qū)域。兩塊板之間的空間大小不一，可以分為3段，依次分別為捕集區(qū)、聚集區(qū)和排出區(qū)。葉片由捕集區(qū)向外轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時，泡沫依次通過捕集區(qū)、聚集區(qū)，經(jīng)過捕集、聚集、破壞，剩余的液體由排出區(qū)排出。此旋轉(zhuǎn)葉片就相當于一個小型的消泡結(jié)構，主要是將氣泡進行壓縮達到消泡的目的。還可以在這3個區(qū)域的分界處安裝格子或網(wǎng)，層層過濾壓縮，優(yōu)化消泡效果。圖2b的消泡結(jié)構是圖2a旋轉(zhuǎn)葉片的升級，是幾種消泡機理的綜合運用。

(2)離心力消泡法。離心力消泡是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤或轉(zhuǎn)筐在轉(zhuǎn)動時對容器壁產(chǎn)生足夠大的沖擊，使泡沫被打碎而消泡。如圖3所示。在圖3中泡沫落在用帶網(wǎng)孔或細篩眼的過濾網(wǎng)制成的轉(zhuǎn)筐或轉(zhuǎn)盤上，利用旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力使氣泡飛散，撞擊器壁或轉(zhuǎn)筐而達到消泡。網(wǎng)孔與細篩眼的大小與消泡的效果有很大的關系，格子或網(wǎng)孔比氣泡小時，氣泡不能通過，對破泡有利。

從離心法的消泡原理可以看出，離心法消泡主要用于一些泡沫液中含有少量的泡沫，且這些泡沫為不穩(wěn)定泡沫，泡沫破裂后不易再生，以及處理量較小的場合。1

水動力和氣動力消泡法水動力和氣動力法都是利用高速流動的流體通過噴射器中的噴嘴而產(chǎn)生負壓，射出的高速液流在吸人室里形成高速動能，使吸人室里的壓力降低，達到一定的真空度，泡沫被吸人到混合室里，由于泡沫內(nèi)外壓差的存在使泡沫膨脹、破裂。噴射器原理圖如圖4所示。

水動力法消泡器就是利用水泵(一般用離心泵)供給的液體通過水力消泡器進行消泡。為防止已破裂的泡沫液體在到達循環(huán)箱里出現(xiàn)沖擊或攪動后再次起泡，水力噴射消泡器在消泡后的出口不能直接接在循環(huán)箱中，需通過一個引流滑道，使泡沫破滅后的液體通過箱壁后再流人箱內(nèi)，以減少沖擊而造成再次發(fā)泡。氣動力法消泡器則是利用壓縮空氣通過噴嘴產(chǎn)生負壓，將泡沫吸入到混合室后噴射到固定壁時使泡沫破碎。1

壓縮法消泡壓縮法消泡是使用外力使氣泡壓縮至破滅。在泡沫上放置格子或網(wǎng)，把格子或網(wǎng)往下壓縮，用格子或網(wǎng)孔的方法破泡。接觸氣泡的格子或網(wǎng)的材質(zhì)對破泡也有影響。格子或網(wǎng)孔比氣泡小時，氣泡不能通過，對破泡有利。圖5為壓縮消泡示意圖。1

沖擊法消泡沖擊法消泡是利用氣泡與物體沖擊產(chǎn)生的沖擊力及剪切力使氣泡破裂而達到消泡的目的，消泡示意圖如圖6所示。沖擊法消泡裝置如圖6所示。把泡沫導入破泡機的筒體內(nèi)，由回轉(zhuǎn)葉片對泡進行沖擊剪切破泡。此回轉(zhuǎn)葉片很特別，上部設計了突出部分以利于破泡，葉片的安裝位置很有講究，它是放射狀沿回轉(zhuǎn)方向傾斜，距筒壁間隙很小。但此裝置同樣有一個缺點是在攪拌的過程中易再起泡，對破泡有很大的阻礙。1

化學消泡循環(huán)泡沫方法及消泡機理化學消泡法是通過向泡沫基液中添加化學劑，改變發(fā)泡劑的某些性質(zhì)，達到消泡的目的。應用在化工、食品等通用領域的化學消泡方法主要有：(1)添加型號相反的表面活性劑；(2)添加與穩(wěn)泡劑起反應的物質(zhì)；(3)添加使穩(wěn)泡劑凝聚或沉淀的物質(zhì)、調(diào)節(jié)pH值或加鹽、利用共同離子作用和鹽析作用，改變穩(wěn)泡劑的溶解度；(4)添加不同類型的消泡劑。其中添加消泡劑(一般是易于在溶液表面鋪展、吸附性很強但所形成的吸附膜脆性較大的物質(zhì))是化學消泡法最常用的方法。

在泡沫鉆井領域，國內(nèi)外主要通過以下兩種方法實現(xiàn)化學消泡，達到循環(huán)泡沫的目的：調(diào)節(jié)基液pH值；添加不同類型的消泡劑。1

自然消泡法自然消泡法是利用泡沫間液膜的液體沿著Plateau界面滲出，氣泡間的氣體擴散和一些單個氣泡薄膜破裂所造成的。脫水收縮是泡沫破裂的基本過程，它是在重力作用下進行的，這一作用過程的結(jié)果是使泡沫的液膜逐漸變薄進而造成泡沫的破裂而實現(xiàn)消泡。

國內(nèi)外采用了較短半衰期泡沫在大容積土池中的自然破泡，將基液重復利用的技術，此種方法常由于井場面積限制而難以實施。我國的泡沫鉆井的泡沫回收則普遍采用自然消泡再通過電潛泵吸入至配液池的方案。如中油長城鉆井公司于2004年在伊朗TAB—NAK氣田的空氣鉆井過程中，根據(jù)返出井口的泡沫狀態(tài)及時調(diào)整泡沫配方，通過控制泡沫的合理半衰期，使泡沫既滿足清潔井眼的需求，又能循環(huán)利用，使泡沫鉆井液成本降低了2/3，同時將此項技術應用于三相硬膠泡沫，又可節(jié)約成本1/3。1

4種消泡方法的比較上述4種消泡方法中，物理消泡不能處理大量泡沫，只適用于某些應急措施；機械消泡需要附加設備，通常不能完全消泡；自然消泡占地面積大、消泡時間長，不適用于泡沫鉆井液的消泡；化學消泡法施工簡單、消泡率高，但消泡劑耗量大，成本偏高，可能改變基液的性能。以下為幾種消泡方法的比較。

物理消泡法。消泡原理為：利用改變泡沫的黏度或物性的辦法使泡沫破裂，常用的熱力法，聲波法，電力法濃等。特點為：需采用專門設備，使用和維護費用高，單位時間內(nèi)處理螢少．消泡效果好。

機械消泡法。消泡原理為：利用壓力急劇變化如剪切力、壓縮力和沖擊力等將泡洙破碎，按其對泡沫作用特點分為離心法、水動力法、氣動力法和氣壓法等。特點為：需采用專門設備，但對泡沫基液性質(zhì)無影響．若原理及參數(shù)選擇得當，完全能滿足泡沫鉆井液消泡要求。

化學消泡法。消泡原理為：通過向泡沫基液中添加化學劑，改變發(fā)泡劑的某些性質(zhì)，達到消泡的目的，包括添加型號相反的表面活性劑、調(diào)節(jié)pH值和添加消泡劑等方法。特點為：消泡效果好，使用方便，不需專門設備，消泡后可能產(chǎn)生二次污染。

自然消泡法。消泡原理為：利用泡沫間液膜的液體沿著Plateau界面滲出，氣泡間的氣體擴散和一些單個氣泡薄膜破裂。特點為：占地面積大、消泡時間長。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學