高效复合聚结板式油水分离器的开发.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 0 4年 4月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E N G C H I N A V o l _ 3 2 No ． 2 Ap t ．20 0 4 高效复合聚结板式油水分离器 的开发 张鹏飞，汪九山，朱慧铭 ，姚芳莲 天津大学 化工所 ，天津3 0 0 0 7 2 摘要 通过对聚结板式油水分离器传质过程机理的研究，开发出能够强化油水分离过程的新型高效复合聚 结板。复合聚结板的两表面分别具有良好的亲水和亲油性能，迎合了油水分离过程要求 ，从而使聚结板式 油水分离器的分离效率提高2 5 ％，处理能力增加 4 0 ％。文中还对复合聚结板式油水分离器的主要结构参数 和操作参数进行 了优化 ，为工程设计提供可靠的理论依据。 关键词 油水分离器；复合聚结板 ；聚丙烯；氧化处理；参数优化 中图分类号 T Q 0 2 8 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 5 9 9 5 4 2 0 0 4 0 2 - 0 0 4 7 - 0 5 De v e l o p me n t o f a h i g h e ffi c i e nc y c o mp o s i t e c o a l e s c e n c e - p l a t e s e p a r a t o r Z HANG P e n g - f e i ，W ANG J i u - s h a n，Z HU Hl l i - mi n g，YAO Fa n g - l i a n C o l l e g e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Re s e a r c h i n g O 1“1 t he p r o c e s s me c h a ni s m o f ma s s t r a n s f e r o f c o a l e s c e n c e p l a t e o i l wa t e r s e pa r a t o r ，a n o v e l h i g h e f fic i e nc y c o mp o s i t e c o a l e s c e n c e p l a t e tha t c a n e n h a n c e t h e s e p a r a t i n g p r o c e s s wa s d e v e l o p e d． T h e t wo s u r f a c e s o f the c o mp o s i t e c o a l e s c e n c e p l a t e h a v e g o o d q u a l i t y o f h y dr o p hi l i c a nd o f h y dr o ph o bi c r e s p e c t i v e l y，wh i c h c a t e r f o r the p r o c e s s me c h a ni s m o f o i l wa t e r s e p a r a t i o n． Th i s n e w s e p a r a t o r c a n i n c r e a s e t h e s e p ara t i o n e f fic i e n c y b y 2 5％a n d t r e a t i n g a b i l i t y b y 4 0％c o mp a r e d t o a c o n v e n t i o n a l o n e ． Th e ma i n c o n s t r u c t i o n a l a n d o p e r a t i o n a l p ara me t e rs o f t h e c o mp o s i t e c o a l e s c e n c e -- p l a t e o i l -wa t e r s e para t o r a r e a l s o o p t i mi z e d t o p r o v i d e r e a sona b l e the o r y g u i d a n c e f o r the o p t i mi z a t i o n o f i n d u s t r i a l d e s i g n． Ke y wor d s o i l wa t e r s e p a r a t o r ； c o mpo s i t e c o a l e s c e n c e p l a t e； p o l y p r o p y l e n e； o x i d i z i n g t r e a t me n t ； p a r am e t e r o p t i mi z a t i o n 随着石油的深度开采 、化工企业的大型化发展 和对环境保护的严格要求 ，油水分离技术 日益受到 重视。油水分离常用的方法有重力法、离心法 、浮 选法、电脱法和化学 处理法等 ，目前 主要采用 的是重力分离和旋流分离 。旋 流分离属 于离 心 法的一种 ，虽具有设备体 积小、分离效率高 的优 点，但能耗较高 J ，因此 至今应用普遍 的方法 是 重力法 。 聚结分离法是把聚结技术和重力分离结合于一 体的加速重力分离方法 ，它具有能耗低 、效率高 、 设备简单易维护等优点 ，是国外研究和应用的一项 新型油水分离技术 。聚结板是决定聚结板式油水分 离器性能优劣 的关键 ，其结构在近 3 O年 内虽经过 多次发展 ，但终因结构上未有新构思 ，技术上一直 没有突破性进展 。为此 ，本文研究开发出结构独特 的新型复合聚结板 ，强化了油水分离过程 ，大大提 高了油水分离效率和设备处理能力。 1 复合材质聚结板的研制 1 ． 1 聚结板式油水分离机理 以聚结板式油水分离器中含油污水的除油为例 来分析油水分离过程机理 见图 1 。分散在连续 相水中的油滴 由于浮力作用不断上浮，当油滴浮升 到上层聚结板的下表面时，通过吸附、润湿、碰撞 和聚结等作用 ，形成油膜 ，沿聚结板表面移动 、脱 落；同理 ，连续相的水则在重力作用下沉降 ，最后 基金项 目天津市 2 1世纪青年科学基金 9 3 3 0 0 8 0 1 7 作者简介张鹏 飞 1 9 6 4 一 ，男 ，副教授 ，硕 士导师 ，主要研究方向为化工传质与分 离，电话 0 2 2 2 7 4 0 7 9 5 0 O ；朱慧铭 ，通讯 联 系人。 维普资讯 化学工程2 0 0 4年第 3 2卷第 2期 到达下层聚结板的上表面 ，实现水和油 的分离。由 此可知，理想聚结板应具备两个基本特性 ，即上表 面具有亲水疏油性 ，有利于水 相润湿 、吸附 和聚 结 ，形成稳定的水膜 ，并阻止油滴随流体流动而被 水相夹带；下表面具有亲油疏水性 ，有助于油相的 聚结 ，并防止水滴受流动过程扰动混人到油膜中。 图 1 液滴在聚结板式油水分离器 内的分离过程 F i g ． 1 Th e s e p a r a t i o n p r o c e s s o f d r o p l e ts i n t h e c o a l e s c e n c e - p la t e o i l - w a t e r s e p a r a t o r 1 ． 2 复合聚结板 的研制 聚丙烯塑料是一种典型的亲油性材料 ，常被用 作聚结板的材质。在强氧化剂作用下 ，聚丙烯表面 容易被氧化生成羟基 、羰基和羧基等极性基 团 J ， 尤其羟基可与水分子形成氢键 ，具 有很强 的亲水 性 。如果将聚丙烯板的一面保持原材质不变 ，以保 留其亲油性 ，另一面进行氧化处理 ，赋予其亲水 性 ，则可实现理想聚结板的材质要求 。 聚丙烯板表面氧化处理采用重铬酸钾一 硫酸水 溶液为氧化处理液。为便 于氧化处理过程 的控制 ， 得到最 佳 的亲 水性 基 团，在 氧化 处 理 液 中加 入 R O C 1 5 mg ／ L ，以防止聚丙烯表面的深度 氧化 ，同 时也增加氧化表面亲水性能的稳定性。 将聚丙烯板的一面浸泡于处理液中，在优化工 艺条件 温度7 5 8 0 ℃ ，时间 l 5 2 0 mi n 下反应 处理后取出，用清水冲洗，晾干，得到复合聚丙烯 板 ，然后加工成波纹形 ，即得到新型高效复合聚结 板 。 2 复合聚结板的润湿性能 临界表面张力是用来衡量固体表面润湿性能的 基本物理量。固体的临界表面张力与液体的表面张 力越接近 ，表明固体材料对这种液体的润湿性能越 好。为了检测复合聚结板表面的润湿性能 ，分别对 甘油 、水和碳酸钠水溶液 3种极性液体在聚丙烯未 处理表面 和处理表面 润湿后 进行接 触角 测试 ， 然后结合 各极性 液体 的表面 张力 数 据 ，作 Z i s ma n c o s 0 一 关 系图 ，即可求 出聚丙烯 的 临界表面张力 图 2 。由图 2可知 ，聚丙烯经氧 化处理后 ，临界表 面张力 由 2 9 x 1 0 N ／ m提高到 6 51 0～N ／ m。水在 2 5 C的表 面张力 为 7 2 ． 1 4 1 0 ～N ／ m，由此可以看出，聚丙烯经氧化处理后表 面亲水性大大提高。 图 2 C O S 0 - o h g 关系 F i g ． 2 Th e r e l a t i o n b e t we e n c o s a n d O r l s 由于表面氧化处理仅涉及薄板表层分子 ，而对 内层分子结构并无影响，所以聚丙烯材质优异的物 理特性 、机械强度和老化性能等不发生变化 。长时 间实验结果表明，氧化表面的亲水性能非常稳定。 3复合聚结板式油水分离器性能研究 3 ． 1 实验装置 复合聚结板油水分离器性能测试装置如图 3所 示。油水分离器壳体采用有机玻璃制造 ，便于观察 油滴的运动情况和控制油水界面。分离器顶盖与箱 体之间用法兰连接 ，便于聚结板的更换。波纹聚结 板在分离器内平行倾斜放置 ，流体流动方向与波纹 板的波纹轴向平行。油水分离器的外形尺寸长为 1 一水箱；2一油箱 ；3一流量计 ；4一阀门；5一水泵；6一变频 器 7一取样 口； 8一分布 器；9一温度计 ；1 0一隔板 ；1 1 一聚结板 ； l 2一堰 ；1 3一壳体；1 4一水槽 ；1 5一油槽 ；1 6一 调 节杆 图3实验装置及流程 F i g ． 3 E x p e r i me n t a l e q ui p me n t s a n d fl o w s h e e t 维普资讯 张鹏 飞等 高效复合 聚结板式油水分离器的开发 4 9． 1 2 0 0 m m，宽 2 0 0 m m，高 3 0 0 h i m。变频器用于调 节离心泵的叶轮转速 ，以产生不同粒径的油滴 。 3 ．2 实验方法 在不同工况条件下 ，分别对普通单一质地聚丙 烯板和复合聚丙烯板加工成的 S O W一 2型波纹 聚结 板进行模拟实验 ，比较分离后油相和水相中的含油 量。实验数据按 G r u b b s法 进行取舍 ，置信度取 9 5 ％ 。 对于样品中油含量的测量 ，分别采取不同的方 法油相含油量用采样瓶测量 ，水相含油量则用比 色法测定 。 3 ． 3 实验结果及分析 在一定范围内改变实验条件 ，如聚结板长度 、 聚结板放置倾角 、油品配比等，均可得到以下实验 结果 ，即复合聚结板式油水分离器 比普通聚结板式 油水分离器 的分离效率提高 2 5 ％ ，处理 能力提高 4 0 ％。对于油滴平均粒径较小的混合系统 ，其分离 效率的提高可达 3 0 ％ 以上。本文选取典型实验条 件下的结果 ，见表 1 。 表 1 聚结板分离性能实验条件 Ta b． 1 Ex p e r i me n t a l c o nd i t i o ns o f s e p a r a t i o n pe r f o r ma nc e o f d i ff e r e n t c o a l e s c e n c e p l a t e s 实验编号 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ 聚结板类型 聚结板长度／ m m 聚结板放置倾角／ 。 油水混合液 温度／ ℃ 油水混合液 中油水体积 比 油 品配 比／ 3 0 机油 V 0 柴油 离心泵转速／ r m i n 复合 复合 复合 普通 8 0 0 8 00 80 0 8 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 2 8 28 2 8 28 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 2 2 99 0 29 9 0 1 4 95 2 99 0 复合聚结板与普通聚结板分离器的分离性能对 比实验 实验 I、Ⅳ结果如 图 4和图 5所 示。 由图可知 ，在相同的实验条件下，复合聚结板分离 器的油相含油体积分数比普通聚结板有大幅度的提 高，而水相含油体积分数则明显降低 ，从而说明复 合聚结板式油水分离器具有更优异的分离性能，分 离效率 油相含油体积分数 提高 2 5 ％ ，而且水 相含油量低于 3 0 m g ／ L 。同时 ，由于复合聚结板能 有效 防止流体扰动而产生的油层夹带水 、水层夹带 油以及油膜和水膜的断流 ，所以复合聚结板允许通 过的流速大于普通聚结板 。 i 充量 m3 ． 图 4 油相含油体积分数的比较 F i g ． 4 Co mp a r i s o n o f o i l c o n t e n t i n t h e o i l p h a s e 流量 ／ 11 1 3 ． h - 图5水相含油体 积分数的比较 F i g ． 5 C o mp a r i s o n o f o i l c o n t e n t i n t h e wa t e r p h a s e 图 6 实验 I、Ⅱ和图 7 实验 Ⅱ、Ⅲ分 别考察 了油品特性 、离心泵转速对复合聚结板分离 器分离效果 的影响。图 6中离心泵转速一定 ，改变 油品配比，结果是机油与柴油体积比高时，油相含 油体积分数稍高 。图 7中油品配比一定 ，泵的转速 不同，结果是转速低时油相含油体积分数稍高。由 于机油的粘度大于柴油 ，在泵相 同转速下 ，含机油 体积分数高的油品分散度小；同样，在相同的油品 条件下 ，泵转速低 ，油品的分散度小。由此可以看 出油品的分散度越小 ，油滴的粒径越大，越容易分 离 。 图 6油品特性对分离效果的影响 F i g ． 6 E ff e c t o f o i l c h a r a c t e r o n s e p a r a t i o n 维普资讯 化学工程2 0 0 4年第 3 2卷第 2期 ＼ 众 肇 童 如 口 童 图 7 离心泵转速对分 离效果 的影响 F i g ． 7 E ffe c t o f r o t a ti o n a l s p e e d o f p u mp o n s e p a r a t i o n 4 复合聚结板式油水分离器参数优化 为使复合聚结板式油水分离器的分离效果得到 充分体现，设计时应对其参数进行优化 。由于油水 分离过程 的影响因素较多 ，各因素 之间交互影响， 本文仅在典型的实验条件 表 1 下对主要参数进 行优化 ，采取的实验装置和实验方法同上。实验 中 以分离度 作为衡量标准 ，其定义 为从混合 物系 中被分离出的油量 占原料 中总油量的体积分数。 4 ． 1 聚结板长度 在液流量一定的情况下 ，聚结板越长，则液体 在聚结板内的停 留时间越长 ，油水分离效果越好。 但随着聚结板长度 的增加 ，设备的体积增大，投 资增加，而且当 增加到一定值时，分离度 ．， 7 并不 能明显 随 之 升 高。图 8表 明， 的最 佳 取 值 为 7 0 G I - - 80 0 mm 1 o o 8 0 6 o ＼ 4 0 2 0 O 0 2 5 0 5 o o 7 5 0 1 0 0 0 l 2 5 0 1 5 0 o 1 7 5 0 ， J Il l U l 图 8 聚结板长度 对分离度 “的影响 Fig ． 8 E ffec t o f l e n g t h L o f t h e p l a t e O N s e p a r a t i o n r ／ 4 ． 2 波纹板峰高 波纹板峰高 h 的大小决定液滴浮升或 沉降距 离的长短及聚结板比表面积 的大小 ，对分离效果有 重要的影响。h 越小 ，则液滴浮升 或沉降 的距离 越短 、聚结板比表面积越大，对分离越有利。但 h 太小时，由于聚结板 的液膜厚 度 1 ． 5 mm左右 占据大量的流通截面，导致液体流速过高，反而对 分离效果产生负面影 响。 由图 9可知 h 在 1 0 1T II T I 左 右为宜 。 图 9 峰 高 h r 对分 离度 r ／ 的影响 F i g ． 9 E ff e c t o f wa v e h e ig h t h f o n s e p a r a t i o n t 7 4 ． 3 倾角 液滴在聚结板上的聚结易受流体中微量表面活 性剂的影响，增大聚结板放置倾角 ，可加速液膜 表面 “ 更新” ，同时增加液滴的相对运动速度 ，缩 短聚结时间，提高分离效 果。但 当 太大时 ，聚 结板上的液膜容易断流，对分离过程起负面作用。 考虑到进料 中油质量浓度 P i 的不 同， 最适宜 的 范围是 1 5 3 0 。 见图 1 0 。 图 l O倾角 a对分离度 ”的影响 Fi g ．1 0 E ffec t o ft h e a n g l e a o f t h e pla t e o n sep a r a ti o n ” 4 ． 4 液流量 液体流量是油水分离器性能所需综合考虑的因 素。液流量越大 ，则分离器单位时间内的处理量越 大，但分离效果越差 ；而且 当液 流量超过一定值 时，分离效果急剧下降 ，甚至使分离器基本起不到 分离作用。图 1 1表 明，允 许 的最 大液 流速 度为 5 m／h 维普资讯 张鹏飞等 高效复 合聚结板式油水分离器的开发 5 1 图 1 l 液流速度 对分离度 “的影响 Fi g ．1 1 E ffe c t o f t h e fl o w v e l o c i t y O i l s e p a r a t i o n r ／ 5结论 1 利用聚丙烯分子结构特点 ，采用氧化处理 的方法 ，改变聚丙烯薄板一面的润湿性能，使原典 型亲油性的表面具有很强的亲水性 ，从而突破 了聚 结板为单一质地的传统束缚 。 2 开发的新型复合聚结板迎合 了油水分离过 程机理 ，强化了油水分离过程 ，使聚结板式油水分 离器的分离效率提高 2 5 ％，处理能力增加 4 0 ％。 高效复合聚结板式油水分离器是聚结式油水分离技 术的一次飞跃。 3 对复合聚结板式油水分离器 的主要结构 参数和操作参数进行了优化 ，得到的最佳结果为聚 结板长度 7 o 0 8 】 m m，波纹峰高约 1 0 m m，倾角 1 5 _3 0 。 ，最大液流速度 5 m ／ h 。 参考文献 [ 1 ] 李国珍，肖华 ， 董守平．油水分离技术及进展 [ J ] ． 油气 田地 面工 程 ， 2 0 0 1 ， 2 O 2 7 _ _ 9 ． [ 2 ] 陆耀军 ， 王金昌．油水重力分离技术及其进展 [ J ] ． 油气 田地面工程 ，1 9 9 9 ，1 8 4 6 8 ． [ 3 ] 李太平，王军．液- 液旋流技术研究的展望 [ J ] ．油 气 田地面工程 ，2 0 0 0， 1 9 2 4 7 ． [ 4 ] 张鹏飞， 王树楹， 池红卫．复合氧化膜聚丙烯油水聚 结板 [ P ] ．中国专利9 3 2 4 2 7 1 8 9 ，1 9 9 4 ． [ 5 ] 邓舜扬 ， 李寄陶．塑料用涂料 [ M] ．上海上海科 学技术文献出版社 ，1 9 8 4 ． [ 6 ] 凌敬祥．聚丙烯塔填料的润湿和表面处理 [ J ] ．化 学工程 ，1 9 9 1 ，1 9 1 3 3 3 6 ． [ 7 ] 姚允斌，解涛 ，高英敏．物理化学手册 [ M] ．上 海 上海科技 出版社 ，1 9 8 5 ． [ 8 ] S t a t s D ．塑料的修饰和装潢 [ M] ．李树国译．北京 中国石化 出版社 ，1 9 9 2 ． [ 9 ] 肖明耀．实验误差估计与数据处理 [ M] ．科学出版 社 ，1 9 8 0 ． 化学工程实用专题设计手册征 订 通 知 由全国化工化学工程设计技术中心站组织编写并主编的 化学工程实用专题设计手册为原化学工业部批准立项的设 计基础工作项 目。手册 已由北京学苑 出版社 于 2 0 0 2年 1 0月正式 出版 ，国 内公开发行 ，全书约 1 8 0万字 。 本手册是一部化学工程实用设计技术手册，通过各种类型的实用专题 ，介绍技术概况、设计实例计算方法及步骤 ，给 出计算数据及结果。专题内容广泛，上册内容包括传质分离过程及设计，包括板式塔、填料塔、塔内件以及分批蒸馏、 共沸精馏 、萃取等 ；传热、蒸发、干燥过程及设计；反应工程、生化反应工程及设计；膜分离过程及设备设计；工业炉设 计 ；火炬 系统设计 。下册 内容包 括 搅拌 、混合过 程及 设计 ；非均 相分 离过 程及设 计 包括 气液 分离器 、过滤 、气 固分 离 ；粉体工程设计 ；工艺系统设计及环境工程，包括超压及安全泄放、管道输送等；精细化工产品工艺设计，包括有关 产品生产方法 、流程、工艺计算、主要设备等；物性数据及工艺。 本手册是工程技术人员的工具书，通过大量的专题 ，可为工程设计提供相关的设计计算方法，同时手册中还附有相关 设备及产品的介绍，供设计人员选用。手册可供化工、石油化工 、医药、生物化工、精细化工、轻工、食品、冶金、核能、 环保、建材、电力、搬运、交通等部门及行业的广大工程技术人员应用。 有需要本手册的读者和单位请向我站索取订单，并请注明详细地址、邮编、联系电话以及所需手册套数。手册分上、 下册 ，共 1 9 0元。邮资3 0元／ 套 ，邮局、银行汇款均可。 地址西安市太乙路 2 5 5号 化学工程编辑部 邮编7 1 0 0 5 4 电话 0 2 9 8 2 2 2 6 4 7 5或 0 2 9 8 2 2 3 8 l 8 9转 3 4 2 9 传 真 0 2 9 8 2 2 3 4 7 2 5 E - ma i l c h e m e n g c h i n a h u a l u e n g ． t o m 收款人于春艳 户 名陕西中兴高科技开发公司 帐号5 1 1 0 1 1 5 4 0 0 0 0 0 1 5 2 8 9 开户行西安市商业银行太乙路支行 维普资讯