小型船用油水分離器的創(chuàng)新設(shè)計與實現(xiàn)

劉邵宏，童偉

(1.南華工商學(xué)院，廣東廣州510507;2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510641)

由于MEPC.107(49)［1］決議增加了對含乳化油成分污水處理要求，使得現(xiàn)有大多采用重力分離技術(shù)［2］以及聚結(jié)、過濾分離技術(shù)的船用油水分離器無法滿足新的排放法規(guī)，為此通過研究應(yīng)用能有效分離乳化油成分的膜分離技術(shù)［3］等新技術(shù)，對設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

設(shè)計該設(shè)備時，將波紋板重力聚結(jié)分離［4］、二級纖維過濾和三級超濾分離等技術(shù)相結(jié)合［5］，并采用油份報警記錄儀實時監(jiān)測出水含油量，其工作原理如圖1所示。

2 設(shè)備的主要參數(shù)計算

該設(shè)備處理量為0.25 m3/h。計算符合ZC 船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則。符合GB 4795-84 《船用艙底油污水分離裝置技術(shù)條件》處理裝置型式試驗和認(rèn)可準(zhǔn)則。

2.1 波紋板設(shè)計計算

2.1.1 設(shè)計最小油滴上浮速度

已知:20 ℃時水密度ρw=0.998 g/cm3;油密度ρ0=0.895 g/cm3，水動力黏性系數(shù)μ =1.005 ×10－3N·s/m2，設(shè)計除去最小油珠直徑d=20 μm。

根據(jù)Stocks 公式［6］計算上浮速度u2:

u2=g(ρw－ρ0)d2/(18μ)=0.022 3 mm/s

2.1.2 板間距

根據(jù)板間距、材質(zhì)與分離效果的關(guān)系［7］，購買的PVC 波紋板規(guī)格(長×寬)為260 mm×260 mm，板間距為a=4 mm。則板內(nèi)上浮時間:

t1=4/0.022 3 =179 s≈3 min

2.1.3 板組層數(shù)

取板層數(shù)n=60，板寬B =0.26 m，考慮分離器容積利用率和水利條件，取修正系數(shù)Φ =1.5，Q =0.25 m3/h。

則板間水平流速為:

板內(nèi)流動時間為:

則t2＞t1＞Φ，可去除油滴。

2.1.4 雷諾數(shù)Re 校核

已知波紋板波長λ =32 mm，一個波長展開長度為l1=38 mm，板間距a =4 mm，板間水平流速v =66.7 mm/min，20 ℃時水的運(yùn)動黏滯系數(shù)ν =60.6 mm2/min。

可知波紋板很好地滿足層流運(yùn)動［7］，水利條件較好。

2.1.5 確定波紋板層數(shù)和間距

根據(jù)以上分析，確定波紋板尺寸(長× 寬×高):240 mm×260 mm×260 mm，板組層數(shù)為60 塊，板間距為4 mm，實際停留時間為:

其中裝置有效容積利用率α=0.9。

2.2 濾芯設(shè)計計算

2.2.1 濾芯材質(zhì)選擇

綜合考慮濾芯孔徑、膜通量，二、三級濾芯具體性能參數(shù)見表1。

表1 濾芯性能參數(shù)

2.2.2 二級過濾濾芯尺寸確定

已知設(shè)計處理量Q = 0.25 m3/h，膜通量P =70 000 L·m－2·h－1，則濾芯有效過濾面積為

考慮過濾器內(nèi)部空間，取二級濾芯高度H2=0.2 m，底圓半徑R2=0.11 m，則:

A2=2πR2·H2=0.138 m2＞［A］

理論處理量為:

Q2=A2·P=9.66 m3/h

2.2.3 三級過濾濾芯尺寸確定

已知設(shè)計處理量Q = 0.25 m3/h，膜通量P =50 000 L·m－2/h－1，則濾芯有效過濾面積為:

考慮過濾器內(nèi)部空間，取三級濾芯高度H3=0.2 m，底圓半徑R3=0.11 m，則:

A3=2πR3·H2=0.138 m2＞［A］

理論處理量為:

Q3=A3·P=6.9 m3/h

2.3 超濾組件選型

根據(jù)超濾膜工作壓力與過濾通量的關(guān)系［8］，選擇型號為UF-BTR-200 超濾膜組件(見表2)。

表2 超濾膜組件規(guī)格

所需數(shù)量為:

n=0.25 ×1 000/(4 ×60)=1.04

故使用2 根并聯(lián)安裝。

2.4 其他基本參數(shù)

其他參數(shù)見表3。

表3 設(shè)備基本參數(shù)

3 系統(tǒng)工況簡介

系統(tǒng)工作過程如下:

(1)艙底油污水經(jīng)粗濾器后，由柱塞泵泵入第一級重力分離室，此分離器采用拱頂結(jié)構(gòu)進(jìn)水沿筒體切線方向進(jìn)入后。再經(jīng)層流版進(jìn)入波紋板組件進(jìn)行聚結(jié)分離。

(2)第二級纖維過濾器過濾掉較大的油珠和固體懸浮雜質(zhì)，之后進(jìn)入第三級過濾室。

(3)第三級過濾室進(jìn)一步將水中更微小的油珠和雜質(zhì)充分捕捉，使得過濾后的出水僅含乳化油成分。

(4)考慮不是所有船舶都含有乳化油，為延長濾膜使用壽命，提高處理效率，當(dāng)處理后的水經(jīng)檢測含油量不超過15 ×10－6，直接排出舷外。如超過時，則進(jìn)入超濾膜系統(tǒng)，進(jìn)一步過濾水中的乳化油成分，直至達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

(5)設(shè)置順沖與反沖工況。分別對分離器和超濾膜裝置自動順沖洗和反沖洗，克服濾膜因污染和堵塞導(dǎo)致分離效果下降，同時延長濾膜使用壽命。

4 設(shè)備總體布置

分離器、油份報警記錄儀、泵單元組件、超濾膜組件、電控箱、電磁排油閥、電磁排水閥、手動排油閥、閥門、管道等布置如圖2所示。

圖2 設(shè)備總體布置圖

5 結(jié)束語

該設(shè)備的設(shè)計中采用了最新波紋板聚結(jié)分離和超濾膜分離技術(shù)，具有體積小、分離效率高、膜組件壽命長等特點。整個分離過程采用無人值守的PLC 全自動化控制，操作簡單。目前已在清遠(yuǎn)聯(lián)鑫船舶機(jī)電設(shè)備廠投入批量生產(chǎn)。

【1】國際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會.修訂的船舶機(jī)器處所艙底水防污染設(shè)備指南和技術(shù)條件［S］.MEPC.107(49):決議，2003.

【2】萬楚筠，黃鳳洪，廖李，等.重力油水分離技術(shù)研究進(jìn)展［J］.工業(yè)水處理，2008，28(7):13－16.

【3】巢峰，徐筱欣.董玉海.船舶油污水艙底乳化液膜分離試驗系統(tǒng)研究［J］.實驗室研究與探索，2008，27(2):25－27.

【4】曹建樹，李衛(wèi)青，鄭遠(yuǎn)揚(yáng).新型波紋板油水分離器分離性能研究［J］.過濾與分離，2001，11(2):12－13.

【5】馬如中，何麗君，張百祁.15mg/L 艙底水分離處理重油及乳化液的技術(shù)探討［J］.船海工程，2010，39(6):38－40.

【6】葉銳.船舶油水分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.港航節(jié)能，2009(4):10－17.

【7】陳文征.波紋板油水分離技術(shù)研究［D］.北京:中國石油大學(xué)，2008:49－55.

【8】向平，蔣紹階.超濾膜過濾通量計算模型的實驗［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2004，27(1):69－71.